¿Son los LED mejores de lo que pensamos?

La sabiduría convencional sobre los LED dice que su voltaje inverso máximo es bastante limitado, generalmente en el rango de 5V-8V.$V_{R(max)}$

Entonces, para fines de experimentación, quería llevar un LED a una falla controlada, utilizando mi fuente de alimentación con limitación de corriente.

Por supuesto, esperaba que el voltaje de ruptura real fuera algo mayor que el garantizado informado , pero nunca podría haber esperado el resultado que encontré. Probé con diferentes tipos de LED indicadores chinos "el cheapo" sin marca (3 mm y 5 mm, rojo, verde, azul, amarillo y blanco) y no pude llevarlos a la región de ruptura, incluso a 32 V (donde mi energía la oferta alcanzó su máximo)!$V_{R(max)}$

Por lo tanto, quería verificar mis suposiciones y examiné sistemáticamente muchas hojas de datos (aproximadamente 40) de los dispositivos actuales (LED estándar de 3 mm y 5 mm, tanto para aplicaciones de indicador como de iluminación) de diferentes fabricantes (por ejemplo, Vishay, Nichia, Kingbright, Fairchild, Cree) . Casi todos reportaron un , con algunos dispositivos Vishay con una clasificación de 6V.$V_{R(max)}=5V$

Estaba extremadamente perplejo. De acuerdo, los fabricantes tienden a ser conservadores, pero un margen> 25V parecía demasiado alto. Después de todo, garantizar un (o algo así) podría hacer que los LED sean buenos candidatos para algunas aplicaciones útiles o permitir simplificaciones de circuitos (por ejemplo, no es necesario proteger los LED de picos inversos de bajo voltaje). De todos modos, ¡esa sería otra viñeta en la lista de la que la gente de marketing podría presumir!$V_{R(max)}=25V$

Por supuesto, mi prueba se limitó a una docena de LED de fabricantes desconocidos, pero supongo que no pueden ser mejores que los de fuentes acreditadas. ¿O experimenté una especie de ley de Murphy invertida, donde encontré la única caja de LED en el planeta con tal característica?

Pregunta (s): ¿Estoy encontrando algo conocido en la industria? ¿Por qué siguen especificando LED con un tan bajo cuando los dispositivos reales parecen ser mucho mejores? ¿Echo de menos algo?$V_{R(max)}$

EDITAR

(para aclarar algunos puntos que posiblemente provocaron comentarios / respuestas que en realidad no me dieron las explicaciones que me gustaría obtener)

Cosas que ya se

• Las tensiones más allá de las clasificaciones máximas absolutas informadas en la hoja de datos pueden dañar el dispositivo y, por lo general, lo dañarán si las tensiones están muy por encima de esos límites.

• Cuando excede esas clasificaciones máximas, no puede exigirle nada al fabricante. Estás solo en territorio desconocido. No puede demandarlo ni quejarse.

• Ningún diseñador sensato usaría una parte en su diseño fuera de las especificaciones dadas en la hoja de datos. Los buenos diseñadores se asegurarán de que la pieza se mantenga muy por debajo de las clasificaciones máximas establecidas. Como dije al principio, estaba experimentando , ingresando a propósito a tierras desconocidas para verificar mis expectativas y mi conocimiento sobre la descomposición inversa.

Mis suposiciones (posiblemente erróneas; y si están equivocadas, me gustaría saber por qué )

• El principal factor limitante para cualquier clasificación de voltaje inverso máximo de diodo es su voltaje de ruptura. En otras palabras, puede invertir de forma segura la polarización de un diodo tan fuerte como desee hasta que se produzca la ruptura (ya sea Zener o avalancha).

• El desglose no es destructivo en sí mismo. El aumento repentino en la corriente inversa causa un aumento enorme en la potencia disipada, especialmente a altos voltajes inversos, por lo tanto, la unión PN se destruirá, a menos que limite la corriente de alguna manera.

• El mecanismo de descomposición de los LED no es diferente al de otros diodos de unión PN, como los rectificadores de silicio normales o Zeners.

• Dado que los LED no están diseñados (a diferencia de los Zeners) para funcionar en caso de avería, el voltaje BD no es un parámetro bien especificado, por lo que la distribución de fabricación podría ser bastante grande. Por lo tanto, los fabricantes eligen un margen de seguridad adecuado y lo declaran como el voltaje inverso máximo.

• Aunque se necesita cierto margen de seguridad, no puede ser enorme. IIRC, el voltaje BD depende de los niveles de dopaje y la geometría de la unión metalúrgica y esos parámetros también influyen en las características del diodo cuando se polarizan hacia adelante. Si las "especificaciones útiles" del LED tienen que ser razonablemente consistentes, entonces el dopaje y la geometría deben serlo; por lo tanto, los valores de voltaje BD no pueden extenderse demasiado.

Lo que me dejó perplejo y me hizo pensar que hay más problemas además de proteger un LED para que no se averíe.

• Una diferencia tan grande entre el voltaje inverso máximo nominal y el voltaje BD real (al menos + 400%) debería significar algo y debería tener una justificación. Teniendo en cuenta las suposiciones anteriores, no puedo creer que el mismo modelo de LED pueda tener una tensión de BD tan grande, es decir, no puedo creer que el mismo proceso (incluso en diferentes lotes) pueda producir una parte que se descompone, digamos, 10V y otro que ingresa a 30V (estoy para ser corregido).

Sí, esto es ampliamente conocido. Cualquiera que lo haya probado lo sabe. Los fabricantes de troqueles ciertamente lo saben.

No especifican los LED para un voltaje inverso de más de 5 V porque no aumentaría de manera considerable las ventas (es decir, muy pocos necesitan esa capacidad ) y requeriría que realmente consideraran cada tipo de LED y qué voltaje podría soportar (quizás 12 V para algunos, quizás 80V para otros). También puede haber problemas de confiabilidad a largo plazo que requerirían cuantificación o posiblemente un cambio en el diseño del LED para mitigarlo.

La clasificación de 5V proviene del voltaje inverso experimentado por un LED accionado en una matriz desde un suministro de 5V con controladores push-pull, que es una de las pocas veces que deliberadamente invierte la polarización de un LED (LED de espalda a espalda en optoacopladores de entrada de CA) el voltaje directo del otro LED en el peor de los casos, o aproximadamente -1.2V).

Hay muchos parámetros que no están especificados (datos típicos o ningún dato en absoluto) o solo se especifican de manera general porque la mayor parte del mercado no lo exige. Por ejemplo, beta inversa, descomposición de Vbe en BJT, coeficiente de temperatura de Vf en LED indicadores.

En cuanto a cuál es la capacidad real de los LED ordinarios, hay evidencia de voltaje de polarización inversa que causa daños graduales al LED debido a portadores calientes. Por ejemplo, DOI 10.1109 / LED.2009.2029129 indica daños en los LED verdes con -40V aplicado, por lo que no sería prudente diseñar a ciegas algo que dependiera de la ruptura de alto voltaje inverso.

Si te paras debajo de un árbol en una tormenta eléctrica y sobreviviste, ¿eso significa algo significativo? Esto es algo así como polarización inversa de un LED> -5V.

Graph, cortesía de Esto muestra la sensibilidad de LEDs tanto en polarización inversa y hacia adelante se expone a ESD. Observe a continuación, que es mucho más sensible a la izquierda cuando Vr cae por debajo de -5V

(Podría escribir un libro sobre el tema de Descarga parcial (PD) y Voltaje de ruptura (BDV) pero mantendré esta edición más corta;)

CUANDO una unión PN está polarizada inversamente, una nube de carga (como una nube cumulonimbus) crea una alta densidad de carga de campo E donde los defectos son cargas móviles (partículas contaminantes) que se aceleran para formar una ruta que detonará las partículas (por PD) y "enrolla" el dispositivo (incluso el aislamiento del transformador MVA) o crea una ruta de transmisión antes del evento catastrófico de BDV. (por ejemplo, como un rayo pero en silencio)

Excepto en un LED de polarización inversa, el campo E que supongo es del orden de magnitud de 5V / um (como 5kV / mm para casi una chispa en el aire. Entonces las impurezas moleculares con una constante Er ligeramente más baja tendrán una E mayor campo y carga a través de él que a su vecino.

Anecdótico

Un transformador de distribución de 5 MVA herido que investigué en una fábrica de transformadores en Scarborough tenía un problema de responsabilidad de $ m, pero tenía una prueba de campo de rendimiento de estudio de potencia perfecta, PERO había disuelto el gas de hidrógeno probado por análisis frecuente de gas disuelto (DGA). Este H2 fue generado por cada evento PD en el aceite, al igual que un oscilador de relajación DIAC, y luego alcanzó el conocido umbral (para aquellos en esa industria) de niveles explosivos (4% es el umbral explosivo inferior, por lo que se tomó rápidamente fuera de servicio, después de lo cual realicé pruebas exhaustivas para encontrar la causa raíz y solucionar el problema de contaminación de los potenciales normales de 23kV esperados en este dieléctrico pero causó campos E anormales en partículas> 16V / um causando la descarga y la detonación de las moléculas de aceite a su alrededor, rompiendo así hidrocarburo CxHy largocadenas de liberación de H2.

Un contaminante similar pero diferente (mezclado con una distribución normal de nitruro, fosfuro de galio y arsénico) es acelerado por campos E anormales en una unión PN con polarización inversa y afecta negativamente la esperanza de vida del LED.

Esta carga muestra la relación con los defectos y la corriente de fuga, pero una unión herida es densa a diferencia de los contaminantes homogéneos, por lo que el BDV es impredecible pero se sabe dónde comienza el nivel de tensión para muchas uniones PN (Vbe y LED, aunque diferentes en la construcción exhiben este mecanismo de falla común con diferentes grados de sensibilidad acelerada.

En resumen , si una unión PN tiene una mayor tolerancia al sesgo inverso de las pruebas, no significa que todavía no esté herida, solo que tiene una menor densidad de partículas contaminantes en partes por millón. La aceleración de carga no es lineal con la densidad del contaminante, sino más bien logarítmica. Es la energía cinética de impacto la que detona el daño micro o nano.

fin editar

Cuando se polariza inversamente, la corriente se clasifica generalmente en 1 µA para RY y 10 µA para colores BGW.

Imagine que la polarización inversa es una micropotencia extrema y mídala, y si no hay una abrazadera ESD, algo del orden de 100 µW tiene más potencia por micrómetro cuadrado que la corriente polarizada hacia delante 100 mW por mm cuadrado porque la ruta es MUCHO DIFERENTE.

No es como un diodo Zener limitado por el poder en cualquier dirección. Los espacios de banda pueden fallar abruptamente o suavemente.

Entonces el estrés es invisible y hiere las uniones de manera diferente. El resultado puede verse con una capacitancia de unión más alta o un color descolorido o una intensidad más baja o un herido para reducir el MTBF significativamente.

Si puede resistirlo brevemente o por un tiempo o no es irrelevante. Los expertos entienden que el nivel de estrés reduce la confiabilidad o el rendimiento.

Si no comprende por qué existen las clasificaciones máximas absolutas, no lo ignore ni lo dude o cuando menos lo espere ... hmm, no está funcionando.

Una guía de ingeniería que le hice al cliente en 2005 antes de ir a visitar el sitio para resolver problemas de ESD y de soldadura que causan fallas de campo del 1% solucionadas más tarde por mis recomendaciones de mejora de procesos.

Artículo de investigación sobre tensión de tensión inversa en diodos

Prueba de trivia

¿Por qué es una mala idea?

^{simular este circuito : esquema creado con CircuitLab}

Exceder los máximos absolutos de las hojas de datos no significa necesariamente una falla catastrófica inmediata. Significa que ha entrado en una región para la que la fabricación ya no es adecuada para garantizar que el dispositivo volverá a funcionar según las especificaciones, durante el resto de la vida útil del dispositivo.

¿Esto significa que no funcionará según las especificaciones? No, significa que el fabricante ya no garantiza que funcionará según las especificaciones.

Además, dado que sus pruebas se realizaron en LED de "fabricación desconocida", no tiene idea de cómo están clasificadas.

En pocas palabras, la aplicación de alto voltaje inverso a los nuevos LED durante unos minutos no es una prueba concluyente. La corriente inversa en los LED aumenta a medida que envejecen ( 1 ), y esperaría que el voltaje de ruptura también disminuya. Al final de su vida útil, más LED se romperán a valores más bajos de voltaje inverso.

Reduciría innecesariamente el rendimiento de producción.

Una vez que especifique un voltaje de ruptura más alto de lo necesario (para el uso de LED), tendría que rechazar (o vender como un grado diferente) cualquier salida de producción que no cumpla con esa especificación pero que, de lo contrario, funcione como un LED. A menos que el usuario necesite un LED que pueda hacer doble trabajo como rectificador, esto solo aumentaría el costo y / o la complejidad del catálogo.