Qual é a latência de um LED?

Sabe-se que os LEDs têm uma latência de ciclo de energia muito baixa e imperceptível, mas com que rapidez eles são medidos? (nanossegundos?)

Em outras palavras, quanto tempo leva para que um LED esteja totalmente desligado para atingir seu brilho ideal e quanto tempo leva para passar do brilho total para o desligado? Presumo que a corrente aplicada faz a diferença?

Eu pergunto isso, uma vez que os monitores modernos com iluminação de LED usam o PWM para atingir diferentes níveis de brilho e, mesmo nas luzes de fundo que piscam em milhares de Hertz , os LEDs parecem responder quase que instantaneamente (ao contrário das CFLs, que são bastante lentas no ciclo de energia).

Para resolver a questão, primeiro é necessário fazer uma distinção entre os LEDs de fósforo ^{(nº 1)} (por exemplo, LEDs brancos, possivelmente alguns LEDs verdes) e os LEDs de emissão direta (por exemplo, os LEDs coloridos mais visíveis, os LEDs IR e UV).

Os LEDs de emissão direta normalmente têm um tempo de ativação em nanossegundos de um dígito , mais tempo para os LEDs maiores. O tempo de desativação é de dezenas de nanossegundos , um pouco mais lento que o ativado. Os LEDs de infravermelho geralmente mostram os tempos de transição mais rápidos, pelas razões adiante.

Estão disponíveis LEDs para fins especiais , cujas geometrias de junção e de ligação são projetadas especificamente para permitir pulsos de 800 picossegundos a 2 nanossegundos . Para pulsos ainda mais curtos, os diodos a laser para fins especiais, de muitas maneiras operacionalmente semelhantes aos LEDs, funcionam até 50 pulsos de picossegundos .

Conforme apontado pelo @ConnorWolf nos comentários, também existe uma família de produtos LED com modelagem de feixe óptico especializada , que possuem larguras de pulso de 500 a 1000 picossegundos .

Os LEDs do tipo fósforo têm tempos de ativação e desativação de dezenas a centenas de nanossegundos , sensivelmente mais lentos que os LEDs de emissão direta.

Os fatores dominantes para a troca rápida de LEDs não são apenas os tempos de transição de emissão inerentes ao LED:

• A indutância dos traços causa tempos mais altos de subida e descida. Traços mais longos = transições mais lentas.
• A capacitância da junção do próprio LED é um fator ^{(nº 2)} . Por exemplo, esses LEDs de furo passante de 5 mm têm uma capacitância de junção de 50 pF nominal. Junções menores, por exemplo, os LEDs 0602 SMD têm capacidade de junção correspondentemente mais baixa e, em qualquer caso, são mais propensos a serem usados ​​para iluminação de fundo da tela.
• A capacitância parasitária (traços e circuitos de suporte) desempenha um papel importante no aumento da constante de tempo de RC e, portanto, na redução das transições.
• As topologias típicas de acionamento por LED, por exemplo, comutação MOSFET do lado inferior, não diminuem ativamente a tensão através do LED ao desligar , portanto, os tempos de desligamento são geralmente mais lentos do que ligados.
• Como resultado dos fatores indutivos e capacitivos acima, quanto maior a tensão direta do LED , maiores os tempos de subida e descida, devido à fonte de energia ter que acionar mais a corrente para superar esses fatores. Assim, os LEDs IR, com tipicamente as menores voltagens para frente, transitam mais rapidamente.

Assim, na prática, as constantes de tempo limite para um projeto implementado podem estar nas centenas de nanossegundos . Isso se deve em grande parte a fatores externos, ou seja, ao circuito de acionamento. Compare isso com os tempos de transição muito mais curtos da junção de LEDs.

Para obter uma indicação do domínio do projeto do circuito de acionamento, em oposição aos próprios LEDs, consulte esta recente RFI do governo dos EUA (abril de 2013), buscando projetos de circuitos que possam garantir o tempo de comutação do LED na faixa de 20 nanossegundos .

Notas :

Nº 1: um LED do tipo fósforo possui uma junção emissora de luz subjacente, geralmente na faixa azul distante ou ultravioleta, que excita um revestimento de fósforo. O resultado é uma combinação de vários comprimentos de onda emitidos, portanto, um espectro mais amplo de comprimentos de onda do que um LED de emissão direta, sendo percebido como aproximadamente branco (para LEDs brancos).

Essa emissão secundária de fósforo liga ou desliga muito mais lentamente que a transição de junção. Além disso, no desligamento, a maioria dos fósforos tem uma cauda longa que distorce ainda mais o tempo de desligamento.

# 2: A geometria da junção afeta significativamente a capacitância da junção. Portanto, medidas semelhantes são tomadas para a fabricação de LEDs projetados especificamente para sinalização de alta velocidade na faixa de MHz, como são usados ​​para o projeto de diodos de comutação de alta frequência. A capacitância é afetada pela espessura da camada de depleção, bem como pela área de junção. As opções de material (GaAsP v / s GaP etc.) também afetam a mobilidade da transportadora na junção, alterando assim o "tempo de comutação".

O que você provavelmente está procurando é o tempo de recombinação radiativa: o tempo que normalmente leva para um buraco e um elétron se recombinarem ao emitir um fóton, que é um processo estocástico e, portanto, pode levar qualquer tempo. Do ponto de vista de um engenheiro, você precisará adicionar isso a qualquer tempo para criar buracos e elétrons na taxa desejada em primeiro lugar, depois de superar os efeitos elétricos, como resistência, indutância e capacidade, incluindo os do LED, seus embalagem e seu circuito de direção.

Com apenas essas informações, você ainda pode tropeçar no fato de que os tempos gerais de recombinação em geral e os tempos de recombinação radiativa em particular variam muito em semicondutores, mais significativamente entre aqueles com um intervalo de banda indireto (aqueles que normalmente produzem LEDs muito ineficientes, como silício ) e aqueles com um intervalo de banda direto (normalmente usado para LEDs). Também esteja ciente de uma dependência no comprimento de onda.

Embora eu não tenha números prontos, a ordem de grandeza da optoeletrônica deve ser em nanossegundos. Quando otimizado para uso como laser, que é basicamente um LED dentro de espelhos otimizados para feedback óptico, o tempo de recombinação ou a vida útil do estado superior geralmente é de alguns nanossegundos, de acordo com a Enciclopédia RP Photonics . Meu palpite é que os LEDs regulares não excederão esse valor, mas também, talvez a menos que sejam especialmente otimizados, também não será muito mais rápido.