Светодиоды лучше, чем мы думаем?

Обычный здравый смысл о светодиодах говорит их максимальный обратное напряжение весьма ограничен, как правило , в диапазоне от 5V-8В.$V_{R(max)}$

Итак, в целях экспериментов я хотел привести светодиод в контролируемое состояние, используя мой источник питания с ограничением тока.

Конечно, я ожидал, что фактическое напряжение пробоя будет несколько выше, чем заявленное гарантированное значение , но я никогда не мог ожидать ожидаемого результата. Я пробовал использовать различные типы китайских светодиодных индикаторов «el cheapo» без марки (3 мм и 5 мм, красный, зеленый, синий, желтый и белый), и я не смог вывести их в зону пробоя, даже при 32 В (где моя мощность поставка достигла своего максимума)!$V_{R(max)}$

Поэтому я хотел дважды проверить свои предположения и систематически просматривал многие таблицы данных (около 40) текущих устройств (стандартные светодиоды 3 мм и 5 мм, как для индикаторов, так и для освещения) от разных производителей (например, Vishay, Nichia, Kingbright, Fairchild, Cree). , Почти все они сообщили , с некоторыми устройствами Vishay мощностью 6В.$V_{R(max)}=5V$

Я был чрезвычайно озадачен. Хорошо, производители, как правило, консервативны, но запас> 25 В казался слишком высоким. В конце концов, гарантируя (или что - то подобное) могли бы сделать светодиоды хорошими кандидатами для некоторых полезных применений или разрешить цепи упрощений (например, нет необходимости , чтобы защитить светодиоды от низкого напряжения обратного шипов). В любом случае, это была бы еще одна пуля в списке, которым могли бы похвастаться маркетологи!$V_{R(max)}=25V$

Конечно, мой тест был ограничен дюжиной светодиодов неизвестного производителя, но я полагаю, что они не могут быть лучше, чем у известных источников. Или я испытал что-то вроде закона Мёрфи, когда я нашел единственную коробку светодиодов на планете с такой функцией?!?

Вопрос (ы): Нахожу ли я то, что известно в отрасли? Почему они держат указания светодиодов с таким низким , когда фактические устройства , кажется, гораздо лучше? Я что-то пропустил?$V_{R(max)}$

РЕДАКТИРОВАТЬ

(чтобы уточнить некоторые моменты, которые, возможно, вызвали комментарии / ответы, которые на самом деле не дали мне объяснения, которые я хотел бы получить)

Вещи, которые я уже знаю

• Напряжения, превышающие абсолютные максимальные значения, указанные в техническом описании, могут повредить устройство и, как правило , повредят его, если напряжения значительно превышают эти пределы.

• Когда вы превышаете эти максимальные рейтинги, вы не можете ничего требовать от производителя. Вы сами на неизвестной территории. Вы не можете ни судиться с ним, ни жаловаться.

• Ни один здравомыслящий дизайнер не использовал бы часть своего дизайна вне спецификаций, приведенных в техническом описании. Хорошие дизайнеры позаботятся о том, чтобы деталь оставалась значительно ниже заявленных максимальных оценок. Как я говорил в начале, я экспериментировал , намеренно въезжая в неизвестную землю, чтобы проверить свои ожидания и свои знания об обратном срыве.

Мои предположения (возможно, ошибочные; и если они ошибаются, я хотел бы знать, почему )

• Основным ограничивающим фактором для любого максимального обратного напряжения диода является его напряжение пробоя. Другими словами, вы можете безопасно повернуть диод смещения так сильно, как захотите, пока не произойдет пробой (либо стабилитрон, либо лавина).

• Пробой не разрушителен сам по себе. Внезапное увеличение обратного тока вызывает огромное увеличение рассеиваемой мощности, особенно при высоких обратных напряжениях, поэтому PN-переход будет разрушен, если вы каким-либо образом не ограничите ток.

• Механизм пробоя светодиодов ничем не отличается от других PN-диодов, таких как обычные кремниевые выпрямители или стабилитроны.

• Поскольку светодиоды не предназначены (в отличие от стабилитронов) для работы при пробое, напряжение BD не является четко заданным параметром, поэтому разброс производства может быть довольно большим. Поэтому производители выбирают подходящий запас прочности и заявляют, что это максимальное обратное напряжение.

• Хотя некоторый запас прочности необходим, он не может быть огромным. Напряжение IIRC, BD зависит от уровней легирования и геометрии металлургического перехода, и эти параметры также влияют на характеристики диода при прямом смещении. Если «полезные характеристики» светодиода должны быть разумно согласованы, то легирование и геометрия должны быть; следовательно, также значения напряжения BD не могут быть слишком распространены.

Что меня озадачило и заставило думать, что есть еще проблемы, кроме защиты светодиода от выхода из строя

• Такая большая разница между номинальным максимальным обратным напряжением и фактическим напряжением BD (не менее + 400%) должна что-то значить и должна иметь обоснование. Учитывая вышеизложенные предположения, я не могу поверить, что одна и та же модель светодиода может иметь такой большой разброс напряжения BD, т. Е. Я не могу поверить, что один и тот же процесс (даже в разных партиях) может дать одну часть, которая вступает в аварию, скажем, 10В и еще один, который входит в него при 30В (я исправлюсь).

Да, это широко известно. Любой, кто проверял это, знает это. Производители штампов, конечно, знают это.

Они не определяют светодиоды для обратного напряжения более 5 В, потому что это не приведет к заметному увеличению продаж (т. Е. Очень немногие нуждаются в такой возможности ) и потребует от них фактического учета каждого типа светодиодов и того, какое напряжение оно может выдержать (может быть, 12 В для некоторых, может быть 80V для других). Могут также возникнуть проблемы долгосрочной надежности , которые потребуют количественной оценки или, возможно, изменения в конструкции светодиодов для смягчения.

Номинальное напряжение 5 В исходит от обратного напряжения, испытываемого светодиодом, который подается в матрицу от источника питания 5 В с двухтактными драйверами, что является одним из немногих случаев, когда вы намеренно смещаете светодиод в обратном направлении (см. Индикаторы спина к спине в оптопарах с входом переменного тока). прямое напряжение другого светодиодного наихудшего случая, или около -1,2 В).

Есть много параметров, которые не определены (типичные данные или вообще не имеют данных) или указаны только в произвольной форме, потому что большая часть рынка не требует этого. Например, обратная бета, разбивка Vbe на BJT, температурный коэффициент Vf на индикаторных светодиодах.

Что касается реальных возможностей обычных светодиодов, то есть свидетельства обратного напряжения смещения, вызывающего постепенное повреждение светодиода из-за горячих носителей. Например, DOI 10.1109 / LED.2009.2029129 указывает на повреждение зеленых светодиодов с приложением -40 В, поэтому было бы неразумно слепо проектировать что-то, что зависело от высокого обратного пробоя напряжения.

Если вы стоите под деревом во время грозы и выжили, значит ли это что-нибудь существенное? Это похоже на обратное смещение светодиода> -5В.

График, любезно предоставленный Это показывает чувствительность светодиодов как в обратном, так и в прямом смещении под воздействием электростатического разряда. Обратите внимание, что он намного более чувствителен влево, когда Vr опускается ниже -5В

(Я мог бы написать книгу о частичном разряде (PD) и напряжении пробоя (BDV), но я сделаю это редактирование короче;)

Когда PN-переход является смещенным в обратном направлении, облако зарядов (например, кучево-дождевое облако) создает высокую плотность заряда E-поля, где дефекты представляют собой подвижные заряды (частицы-загрязнители), которые ускоряются, образуя путь, который либо детонирует частицы (посредством PD) и «намотать» устройство (даже изоляцию трансформатора MVA) или создать стримерную дорожку до катастрофического события BDV. (например, как молния, но тихо)

За исключением светодиода с обратным смещением, я предполагаю, что электронное поле имеет порядок величины 5 В / мкм (например, 5 кВ / мм для почти искры в воздухе. Тогда молекулярные примеси с несколько меньшей постоянной Er будут иметь большее значение E-). поле и заряд через него, чем у его соседа. Заряд создается потоком тока> | -10uA |, где белые светодиоды имеют спецификацию при -5В в маленьких чипах.

анекдотичный

У раненого распределительного трансформатора 5 МВА, который я исследовал на заводе по производству трансформаторов в Скарборо, была проблема материальной $ m, но в то же время у него были полевые тесты на идеальное исследование мощности, НО растворял водород, что доказано анализом частых растворенных газов (DGA). Этот H2 генерировался каждым событием ЧР в масле, как генератор расслабления DIAC, и затем достиг общеизвестного (для тех, кто в этой отрасли) порога взрывоопасных уровней (4% - нижний порог взрываемости, поэтому он был быстро принят в нерабочем состоянии, после чего я провел исчерпывающее тестирование, чтобы найти основную причину и устранить проблему загрязнения от нормальных потенциалов 23 кВ, ожидаемых в этом диэлектрике, но вызвавших аномальные поля E в частицах> 16 В / мкм, вызывающих разряд и детонацию молекул масла вокруг него, таким образом разрушая длинный CxHy углеводородцепи, высвобождающие H2.

Подобный, но различный загрязнитель (смешанный с нормальным распределением нитрида, фосфида галлия и мышьяка) ускоряется аномальными электронными полями в обратном смещенном PN-соединении и отрицательно влияет на ожидаемый срок службы светодиода.

Этот заряд показывает связь с дефектами и током утечки, но в отличие от однородных загрязняющих веществ, раневое соединение плотное, поэтому BDV непредсказуемо, но известно, где уровень напряжения начинается для многих PN-соединений (Vbe и светодиоды, хотя разные по конструкции демонстрируют этот общий механизм отказа с разной степенью ускоренной чувствительности.

Подводя итог , можно сказать, что если PN-переход имеет более высокую устойчивость к обратному смещению при тестировании, это не означает, что он все еще не ранен, просто он имеет меньшую плотность загрязняющих частиц в частях на миллион. Ускорение заряда не линейно с плотностью загрязняющих веществ, а скорее логарифмическое. Это кинетическая энергия удара, которая взрывает микро- или наноразмерные повреждения.

конец редактирования

При обратном смещении ток обычно составляет 1 мкА для RY и 10 мкА для цветов BGW.

Представьте себе, что обратное смещение - это экстремальная микросила, и измерьте ее, и, если нет ESD-зажима, мощность порядка 100 мкВт на квадратный микрометр имеет большую мощность, чем прямой смещенный ток 100 мВт на квадратный мм, потому что путь НАМНОГО РАЗЛИЧЕН.

Это не похоже на стабилитрон, ограниченный мощностью в любом направлении. Полосы могут внезапно выйти из строя или мягко.

Таким образом, стресс невидим и по-разному ранит соединения. Результат может быть замечен с более высокой емкостью соединения или с неокрашенным или с более низкой интенсивностью или раненым, чтобы значительно уменьшить MTBF.

Может ли оно выдержать это кратко или какое-то время или нет, не имеет значения. Эксперты понимают, что уровень стресса снижает надежность или производительность.

Если вы не понимаете, почему существует абсолютный максимальный рейтинг, не игнорируйте его, не сомневайтесь в этом или когда вы меньше всего этого ожидаете ... хм, это не работает.

Руководство по проектированию, которое я сделал клиенту в 2005 году, перед тем как отправиться на место, решило проблемы с электростатическим разрядом и пайкой, которые привели к 1% сбоев на месте, исправленным позже в моих рекомендациях по улучшению процесса.

научная статья о напряжении обратного напряжения в диодах

Тест пустяков

Почему это плохая идея?

^{смоделировать эту схему - схема, созданная с использованием CircuitLab}

Превышение абсолютных максимумов из таблиц данных не обязательно означает немедленный катастрофический отказ. Это означает, что вы попали в регион, для которого производитель больше не считает нужным гарантировать, что устройство когда-либо снова будет работать в соответствии со спецификациями в течение оставшегося срока службы устройства.

Значит ли это, что он не будет работать по спецификации? Нет, это означает, что производитель больше не гарантирует, что он будет работать по спецификации.

Кроме того, поскольку ваши тесты проводились на светодиодах «неизвестного производства», вы не представляете, как они оцениваются.

Проще говоря, подача высокого обратного напряжения на новые светодиоды в течение нескольких минут не является окончательным тестом. Обратный ток в светодиодах увеличивается с возрастом ( 1 ), и я ожидаю, что напряжение пробоя также уменьшается. К концу их срока службы большее количество светодиодов выйдет из строя при более низких значениях обратного напряжения.

Это излишне понизит выход продукции.

Как только вы укажете более высокое, чем необходимо (для использования светодиода), пробивное напряжение, вам придется отклонить (или продать как другой сорт) любую продукцию, которая не соответствует этой спецификации, но в остальном работает как A-OK как светодиод. Если пользователю не нужен светодиод, который может выполнять двойную функцию в качестве выпрямителя, это только увеличит стоимость и / или сложность каталога.