Hängt (und wann wie) die Lebensdauer einer LED von der PWM-Frequenz ab?

Nehmen wir zwei Möglichkeiten an, um eine Standard-LED mit ihrem Nennstrom anzusteuern.

  1. PWM auf 50 % Arbeitszyklus bei 10 kHz eingestellt
  2. PWM auf 50 % Arbeitszyklus bei 50 kHz eingestellt

Technisch gesehen würden beide LEDs die gleiche Lichtmenge erzeugen und das "Blinken" wäre für das menschliche Auge oder eine Kamera nicht sichtbar (außer vielleicht für eine Hochgeschwindigkeitskamera ...)

Gute Frage +1, ich wollte etwas Ähnliches fragen. Ich wäre besorgt bei wirklich niedrigen Frequenzen wie gleichgerichteten 50 Hz aufgrund von thermischen Zyklen der kleinen Verbindung. Wir werden auf die Antworten warten.
Übrigens haben einige von uns Menschen Augen, die tatsächlich empfindlich auf das PWM-Blinken reagieren. Und so bauen einige Monitor- und TV-Anbieter flimmerfreie Panels ohne PWM zum Dimmen.
Meinen Sie mit "bei Nennstrom" den Strom, der während des "Ein"-Teils des Arbeitszyklus fließt, oder meinen Sie den durchschnittlichen Strom über den gesamten Zyklus? Wenn letzteres der Fall ist, gibt es eindeutig eine Frequenz, bei der die LED besser ein- und ausgeschaltet werden kann, sodass die LED während dieser Zeit effektiv übersteuert wird. Die Frage ist, was der Schadensmechanismus ist und wie langsam das sein müsste sein.
Dies mag irrelevant sein, aber der letzte Satz ("Technisch gesehen würden beide LEDs die gleiche Lichtmenge erzeugen ...") ist nicht ganz richtig; Die LED mit der höheren Frequenz erzeugt weniger Licht als die mit der niedrigeren Frequenz. Ich habe das hier auf Electronics Stack Exchange gelernt :) electronics.stackexchange.com/a/86942/30973

Antworten (4)

Lassen Sie mich meine treue MIL-HDBK-217F öffnen und sehen, was sie über LEDs und ihre Langlebigkeit aussagt: -

Geben Sie hier die Bildbeschreibung ein

Der Hauptfaktor, der die Ausfallrate pro Million Stunden beeinflusst, ist die Temperatur.

Wenn ich den nächsten Abschnitt über Laserdioden lese, berücksichtigen sie interessanterweise zwar das Pulsen des Tastverhältnisses, aber ihre Schlussfolgerung (auf Seite 6-21) ist, dass bei einem Tastverhältnis von 50:50 die Ausfallrate für Laserdioden etwa 25 % davon beträgt wenn ständig gefahren wird.

Sie kommen auch zu dem Schluss (auf Seite 6-22), dass eine Laserdiode, die mit einer Lichtausgangsleistung von 50 % ihrer Nennleistung betrieben wird, zehnmal länger hält als mit 95 % ihrer Nennausgangsleistung.

Das ist faszinierend, aber ich muss mich fragen, wie diese Basisfehlerraten abgeleitet wurden. Warum sollten "Fototransistor", "Fotodiode" und "IRLED" viel häufiger ausfallen als "LED" (und keine von ihnen ist hinsichtlich Typ oder Anwendung spezifiziert)? Was ist das Konfidenzintervall für einen dieser Werte? Warum ist der Temperaturfaktor bei allen Geräten gleich? Dies soll Ihre Antwort keineswegs herabsetzen - die Quelle sagt eindeutig, was sie sagt. Aber ich komme nicht umhin zu denken, dass diese Berechnungen - als Worst-Case-Werte ca. 1991 unter nicht näher bezeichneten Bedingungen – kann nur für das US-Militär wirklich von Bedeutung sein.
@ Oleksandr. Haben Sie seit dem Schreiben dieses Kommentars Nachforschungen über die Gültigkeit des Mil-Standards angestellt?
Leider nicht. Ich weiß nicht, wo ich anfangen soll, weil in dem Dokument nichts erwähnt wird, was es erlauben würde, dies zu beurteilen. Eigentlich sieht das meiste davon völlig vernünftig aus – aber bei diesen sehr ähnlichen Geräten mit so geringen Basisfehlerraten scheint es wahrscheinlich, dass es einen unbestätigten Anwendungseffekt gibt, der die angegebenen Werte verzerrt. Wenn IRLEDs solche mit hoher Leuchtdichte sind, die beispielsweise in IR-Strahlern verwendet werden. Und Opto-Isolatoren könnten leicht aufgrund von Strom- oder Spannungsbelastung ausfallen, anstatt dass die LEDs durchbrennen - daher fallen die Fototransistor-Ausgangssignale häufiger aus.
Verzeihung. Ich habe gerade gesehen, dass es am Ende einen Abschnitt mit Referenzen gibt. Die LEDs sind in RADC-TR-88-97 beschrieben, wo festgestellt wird, dass nur 22 LEDs über 4827 Millionen Betriebsstunden ausgefallen sind und null (!) IRLEDs über 39 Millionen Stunden ausgefallen sind. Bei solch kleinen (oder nicht vorhandenen) Stichprobenumfängen ist der Grund für die ungeraden Werte klar. RADC-TR-88-97 geht auch detailliert auf die statistischen Methoden und Ergebnisse ein. Insgesamt scheint es ein weit aussagekräftigeres Dokument zu sein als MIL-HDBK-217F.
@ Oleksandr. Vielleicht erwägen Sie, dies als Antwort zu geben?

LEDs sind nur Dioden, die sich nicht mit der Frequenz "abnutzen". Der maximale Strom und der durchschnittliche Strom wirken sich auf die Abnutzung der LED aus, aber die Frequenz hat keinen Einfluss, von dem ich jemals gehört habe.

Außerdem sind Ihre Frequenzen niedrig. 50 kHz und 50 % Tastverhältnis bedeuten 10 µs an und 10 µs aus. Das ist eine "lange" Zeit für eine LED.

Für einige Effekte mag es eine lange Zeit sein, aber für den thermischen Abbau (der anscheinend dominiert) ist es sehr kurz.

Persönliche Erfahrung:

Ich habe eine Standard-UV-LED mit einer Nennspannung von 3,4 V, 20 mA mit etwa 1 A für 5 ns bei einer Rate von 87 kHz (Einschaltdauer: 1: 2300) betrieben, aber keinen "Verschleiß" in Bezug auf Helligkeit oder Impulsform innerhalb von 10 beobachtet ^11 Impulse.

Sind das ungefähr 8.000 Tage? Hoppla, tut mir leid, das sind 133 Tage (weniger beeindruckend, LOL)!
OT, aber wie viel mehr Lichtstrom erzeugt es unter diesen extrem übersteuerten Bedingungen? Ich nehme an, dass die Effizienz mit zunehmendem Strom ziemlich schnell abfällt (aufgrund der erhöhten Rate der Trägerrekombination bei höheren Chiptemperaturen), aber ich bin mir des tatsächlichen Verhaltens für kurze Impulse wie diesen nicht sicher.
Wie hast du den tatsächlichen Strom gemessen? Es scheint schwierig zu sein, induktive Effekte zu vermeiden, sowohl im Treiber als auch im Strommessaufbau selbst.
@ Oleksandr. : Es gab einen Sättigungseffekt, aber er war fast vernachlässigbar. Auch weil das gesamte Setup genug andere Gründe für solche Effekte hatte, würde ich sagen, dass es keinen Effizienzverlust gab. Allerdings war mir das egal, wichtig war nur, dass sich die Lichtmenge irgendwie lenken lässt, und die 1A war ein extremer Wert.
@ChrisStratton: Nun, ich habe tatsächlich einen sehr kleinen Widerstand in Reihe und einen dieser netten differentiellen 3,5-GHz-Sonden von Agilent verwendet. Natürlich reduziert der Widerstand den Strom, aber eine Interpolation aufgrund der Lichtmenge und Abschätzungen aus den Messdaten lassen den Schluss zu, dass der Strom etwa 1A betragen muss. Sicher, das war hart und alles genau gesagt.
Haben Sie irgendwo mehr darüber geschrieben - ich denke darüber nach, eine etwas größere UV-LED in einem ähnlichen gepulsten Modus anzutreiben, und es gibt sehr wenig Literatur (z. B. sagt das Datenblatt, dass der maximale gepulste Strom derselbe ist wie der maximale Dauerstrom). aber das ist die einzige Erwähnung des Pulsierens).

Keine erkennbaren Auswirkungen. Die LED selbst wäre nur für die Gesamtlebensdauer empfindlich, aber die Zuverlässigkeit wird in Zehnerjahren gemessen.

Thermische Ausfälle aufgrund von Gehäuse- oder Drahtbondfehlern sind wahrscheinlicher, aber die Ausfallwahrscheinlichkeit ist immer noch sehr gering. Der wahrscheinlichste Fehler bei einem selbstgebauten System sind die Lötstellen oder Drähte zwischen der LED und der Leiterplatte oder der Leiterplatte und der Stromquelle.

Thermische Ausfälle werden durch unterschiedliche Wärmeausdehnungsraten und die daraus resultierende Überbeanspruchung der Struktur verursacht. Kleine Belastungen oder Belastungszyklen haben vernachlässigbare Auswirkungen. Bedenken Sie, dass der Kunststoff der LED wahrscheinlich bei +175 ° C geformt und ausgehärtet wurde - er steht immer unter Spannung.

Die thermische Zeitkonstante der LED liegt wahrscheinlich im Bereich von 10 bis 100 ms. Ein schnelleres Radfahren führt zu sehr kleinen Temperaturabweichungen, die keine Probleme verursachen, und ein langsameres Radfahren begrenzt die Gesamtzahl der Zyklen auf eine sehr kleine Zahl.

Hängt (und wann wie) die Lebensdauer einer LED von der PWM-Frequenz ab?
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