Os LEDs são melhores do que pensamos?

A sabedoria convencional sobre os LEDs diz que sua tensão reversa máxima é bastante limitada, geralmente na faixa de 5V-8V.$V_{R(max)}$

Portanto, para fins de experimentação, eu queria colocar um LED em uma quebra controlada, usando minha fonte de alimentação com corrente limitada.

Claro que o esperado a tensão de ruptura real para ser um pouco maior do que o relatado garantida , mas nunca poderia esperar o resultado I encontrado. Tentei com diferentes tipos de LEDs indicadores chineses "el cheappo" sem marca (3mm e 5mm, vermelho, verde, azul, amarelo e branco) e não consegui trazê-los para a região de avaria, mesmo a 32V (onde minha potência fornecimento atingiu o seu máximo)!$V_{R(max)}$

Portanto, eu queria checar minhas suposições e procurei sistematicamente muitas folhas de dados (cerca de 40) dos dispositivos atuais (LEDs padrão de 3 mm e 5 mm, para aplicativos de indicador e de iluminação) de diferentes fabricantes (por exemplo, Vishay, Nichia, Kingbright, Fairchild, Cree) . Quase todos relataram um , com alguns dispositivos Vishay classificados em 6V.$V_{R(max)}=5V$

Fiquei extremamente intrigado. OK, os fabricantes tendem a ser conservadores, mas uma margem> 25V parecia um pouco alta demais. Afinal, garantir um (ou algo parecido) poderia tornar os LEDs bons candidatos para algumas aplicações úteis ou permitir simplificações de circuito (por exemplo, não é necessário proteger os LEDs de picos reversos de baixa tensão). Enfim, isso seria outra bala na lista que o pessoal de marketing poderia se gabar!$V_{R(max)}=25V$

É claro que meu teste foi limitado a uma dúzia de LEDs de fabricantes desconhecidos, mas suponho que eles não possam ser melhores do que os de fontes respeitáveis. Ou experimentei uma espécie de lei de Murphy invertida, onde encontrei a única caixa de LEDs no planeta com esse recurso?!?

Pergunta (s): A minha descoberta é algo conhecido no setor? Por que eles continuam especificando LEDs com um tão baixo quando os dispositivos atuais parecem muito melhores? Perco alguma coisa?$V_{R(max)}$

EDITAR

(para esclarecer alguns pontos que possivelmente suscitaram comentários / respostas que não me deram as explicações que eu gostaria de obter)

Coisas que eu já sei

• Salienta além classificações máximo absoluto relatado na folha de dados pode danificar o dispositivo, e geralmente vai danificá-lo se as tensões estão muito além desses limites.

• Quando você excede essas classificações máximas, não pode exigir nada do fabricante. Você está sozinho em território desconhecido. Você não pode processá-lo nem reclamar.

• Nenhum designer sensato usaria uma parte do seu design fora das especificações fornecidas na folha de dados. Bons designers garantirão que a peça fique bem abaixo das classificações máximas indicadas. Como afirmei no início, estava experimentando , entrando propositadamente em terras desconhecidas para verificar minhas expectativas e meu conhecimento sobre a avaria reversa.

Minhas suposições (possivelmente erradas; e se estiverem erradas, eu gostaria de saber o porquê )

• O principal fator limitante para qualquer classificação de tensão reversa máxima do diodo é sua tensão de ruptura. Em outras palavras, você pode reverter com segurança a polarização de um diodo com a força que desejar até que a avaria (Zener ou avalanche) comece.

• O colapso não é destrutivo por si só. O aumento repentino na corrente reversa causa um enorme aumento na potência dissipada, especialmente em altas tensões reversas; portanto, a junção PN será destruída, a menos que você limite a corrente de alguma forma.

• O mecanismo de quebra dos LEDs não é diferente do de outros diodos de junção PN, como retificadores regulares de silício ou Zeners.

• Como os LEDs não são projetados (em oposição aos Zeners) para funcionar em colapso, a tensão do BD não é um parâmetro bem especificado, portanto, o spread de fabricação pode ser bastante grande. Portanto, os fabricantes escolhem uma margem de segurança adequada e declaram isso como a tensão reversa máxima.

• Embora seja necessária alguma margem de segurança, ela não pode ser enorme. A tensão IIRC, BD depende dos níveis de dopagem e da geometria da junção metalúrgica e esses parâmetros também influenciam as características do diodo quando polarizados para a frente. Se as "especificações úteis" do LED precisam ser razoavelmente consistentes, o doping e a geometria devem ser; portanto, também os valores de tensão BD não podem ser muito difundidos.

O que me intrigou e me fez pensar que há mais problemas além de proteger um LED de entrar em colapso

• Uma diferença tão grande entre a tensão reversa máxima nominal e a tensão BD real (pelo menos + 400%) deve significar algo e deve ter uma justificativa por trás disso. Dadas as suposições acima, não acredito que o mesmo modelo de LED possa ter uma tensão de BD espalhada tão grande, ou seja, não acredito que o mesmo processo (mesmo em lotes diferentes) possa render uma parte que entra em colapso em, digamos, 10V e outro que entra em 30V (estou corrigido).

Sim, isso é amplamente conhecido. Quem já testou sabe disso. Os fabricantes de matrizes certamente sabem disso.

Eles não especificam LEDs para mais de 5V de tensão reversa, porque isso não aumentaria as vendas de maneira mensurável (isto é, muito poucos precisam dessa capacidade ) e exigiria que eles considerassem cada tipo de LED e qual tensão ele poderia suportar (talvez 12V para alguns, talvez 80V para outros). Também pode haver problemas de confiabilidade a longo prazo que exigiriam quantificação ou possivelmente uma alteração no design do LED para mitigar.

A classificação de 5V vem da tensão reversa experimentada por um LED acionado em uma matriz a partir de uma fonte de 5V com drivers push-pull, que é uma das poucas vezes em que você reverte deliberadamente o viés de um LED (LEDs de volta para trás nos optoacopladores de entrada CA consulte a voltagem direta do outro pior dos LEDs, ou cerca de -1,2V).

Existem muitos parâmetros não especificados (dados típicos ou nenhum dado) ou apenas vagamente especificados porque a maior parte do mercado não exige isso. Por exemplo, beta reverso, quebra de Vbe em BJTs, coeficiente de temperatura de Vf nos LEDs indicadores.

Quanto à capacidade real dos LEDs comuns, há evidências de tensão de polarização reversa, causando danos graduais ao LED devido a portadores quentes. Por exemplo, DOI 10.1109 / LED.2009.2029129 indica danos aos LEDs verdes com -40V aplicado; portanto, seria imprudente projetar cegamente algo que dependesse da quebra de alta tensão reversa.

Se você fica embaixo de uma árvore em uma tempestade elétrica e sobreviveu, isso significa algo significativo? É um pouco como polarizar inversamente um LED> -5V.

Gráfico, cortesia de Isso mostra a sensibilidade dos LEDs na polarização reversa e direta expostos a ESD. Observe abaixo que é muito mais sensível à esquerda quando Vr fica abaixo de -5V

(Eu poderia escrever um livro sobre o assunto de Descarga Parcial (DP) e Tensão de Avaria (BDV), mas manterei essa edição mais curta;)

Quando uma junção PN é polarizada inversamente, uma nuvem de carga (como uma nuvem cumulonimbus) cria uma alta densidade de carga de campo E, onde os defeitos são cargas móveis (partículas contaminantes) que são aceleradas para formar um caminho que detonará as partículas (por PD) e "enrole" o dispositivo (até mesmo o isolamento do transformador MVA) ou crie um caminho de serpentina antes do evento catastrófico do BDV. (por exemplo, como um raio, mas silencioso)

Exceto em um LED com polarização reversa, o campo E, suponho, é da ordem de magnitude de 5V / um (como 5kV / mm para quase uma faísca no ar. Em seguida, as impurezas moleculares com uma constante Er um pouco menor terão maior E- A carga está sendo construída pelo fluxo de corrente> | -10uA | onde os LEDs brancos são especificados em -5V em pequenos chips.

Anedótico

Um transformador de distribuição ferido de 5 MVA que eu investiguei em uma fábrica de transformadores em Scarborough tinha um problema de responsabilidade de US $ m, mas tinha um teste de campo perfeito para o estudo de potência, MAS dissolvera o gás hidrogênio comprovado pela análise frequente de gás dissolvido (DGA)). Esse H2 foi gerado por cada evento de PD no óleo, exatamente como um oscilador do DIAC Relaxation, e então alcançou o conhecido limiar de níveis de explosivos (para aqueles dessa indústria) (4% é o limiar de explosivos mais baixo, portanto foi prontamente utilizado). fora de serviço, depois disso eu realizei testes exaustivos para encontrar a causa raiz e corrigir o problema de contaminação dos potenciais normais de 23kV esperados neste dielétrico, mas causou campos E anormais em partículas> 16V / um, causando descarga e detonação de moléculas de óleo ao seu redor, quebrando assim o hidrocarboneto CxHy longocadeias liberando H2.

Um contaminante semelhante, porém diferente (misturado com a distribuição normal de nitreto, fosfeto de gálio e arsênico) é acelerado por campos E anormais em uma junção PN com polarização reversa e afeta adversamente a expectativa de vida do LED.

Essa carga mostra a relação com os defeitos e a corrente de fuga, mas uma junção ferida é densa, diferentemente dos contaminantes homogêneos, de modo que o BDV é imprevisível e ainda é conhecido onde o nível de tensão começa em muitas junções PN (Vbe e LEDs, embora diferentes na construção exibam esse mecanismo de falha comum). com diferentes graus de sensibilidade acelerada.

Então, para resumir , se uma junção PN tem uma tolerância mais alta para reverter o viés dos testes, isso não significa que ainda não está ferido, apenas que possui uma densidade menor de contaminantes de partículas em partes por milhão. A aceleração da carga não é linear com a densidade do contaminante, mas sim logarítmica. É o impacto da energia cinética que detona os danos de tamanho micro ou nano.

finalizar edição

Quando polarizada reversa, a corrente é classificada geralmente 1 µA para cores RY e 10 µA para cores BGW.

Imagine que a polarização reversa é micropoder extremo e meça-a e se não houver uma pinça ESD que algo da ordem de 100 µW tenha mais potência por micrômetro quadrado do que a corrente polarizada direta de 100 mW por mm quadrado porque o caminho é MUITO DIFERENTE.

Não é como um diodo Zener limitado por energia em qualquer direção. As lacunas da banda podem falhar abruptamente ou suavemente.

Portanto, o estresse é invisível e fere as junções de maneira diferente. O resultado pode ser visto com uma capacitância de junção mais alta ou uma intensidade descolorida ou mais baixa ou um ferido para reduzir significativamente o MTBF.

Se é capaz de suportar brevemente ou por um tempo ou não, é irrelevante. Especialistas entendem que o nível de estresse reduz a confiabilidade ou o desempenho.

Se você não entende por que existem classificações máximas absolutas, não as ignore ou duvide, ou quando você menos espera ... hmm, não está funcionando.

Um guia de engenharia que fiz para o cliente em 2005 antes de ir à visita do local para resolver problemas de ESD e solda, causando 1% de falhas no campo, corrigidas posteriormente pelas minhas recomendações de melhoria de processo.

artigo de pesquisa sobre tensão reversa em diodos

Teste de curiosidades

Por que isso é uma má ideia?

^{simular este circuito - esquemático criado usando o CircuitLab}

Exceder os máximos absolutos das folhas de dados não significa necessariamente falha catastrófica imediata. Isso significa que você entrou em uma região para a qual o fabricante não considera mais adequado para garantir que o dispositivo funcione novamente com as especificações novamente pelo resto da vida útil do dispositivo.

Isso significa que ele não funcionará conforme as especificações? Não, significa que o fabricante não garante mais que executará conforme as especificações.

Além disso, como seus testes foram realizados em LEDs de "fabricação desconhecida", você não tem idéia de como eles são classificados.

Simplificando, aplicar alta tensão reversa a novos LEDs por alguns minutos não é um teste conclusivo. A corrente reversa nos LEDs aumenta à medida que envelhecem ( 1 ), e eu esperaria que a tensão de ruptura também diminua. No final de sua vida útil, mais LEDs se quebram com valores mais baixos de tensão reversa.

Reduziria desnecessariamente o rendimento da produção.

Depois de especificar uma tensão de interrupção maior que a necessária (para uso do LED), você terá que rejeitar (ou vender como uma classe diferente) qualquer saída de produção que não atenda a essa especificação, mas que funcione A-OK como LED. A menos que o usuário precise de um LED que possa desempenhar funções duplas como retificador, isso aumentaria apenas o custo e / ou a complexidade do catálogo.