Herkömmliche Weisheit über LEDs sagt ihre maximale Sperrspannung ist ziemlich begrenzt, normalerweise im Bereich von 5 V bis 8 V.
Also wollte ich zu Versuchszwecken eine LED mit meinem strombegrenzten Netzteil in einen kontrollierten Durchbruch bringen.
Natürlich habe ich erwartet, dass die tatsächliche Durchbruchspannung etwas höher ist als die angegebene Garantie , aber ich hätte niemals mit dem Ergebnis rechnen können, das ich gefunden habe. Ich habe es mit verschiedenen Arten von "el cheapo" chinesischen Anzeige-LEDs ohne Marke (3 mm und 5 mm, rot, grün, blau, gelb und weiß) versucht und ich konnte sie nicht in den Durchbruchbereich bringen, selbst bei 32 V (wo mein Strom Versorgung hat sein Maximum erreicht)!
Daher wollte ich meine Annahmen überprüfen und habe systematisch viele Datenblätter (ca. 40) aktueller Geräte (Standard-3-mm- und 5-mm-LEDs, sowohl für Anzeige- als auch für Beleuchtungsanwendungen) verschiedener Hersteller (z. B. Vishay, Nichia, Kingbright, Fairchild, Cree) durchsucht. . Fast alle berichteten a , wobei einige Vishay-Geräte für 6 V ausgelegt sind.
Ich war sehr verwirrt. OK, die Hersteller sind eher konservativ, aber eine Spanne von >25 V erschien mir etwas zu hoch. Immerhin garantiert a (oder so ähnlich) könnten LEDs zu guten Kandidaten für einige nützliche Anwendungen machen oder Schaltungsvereinfachungen ermöglichen (z. B. keine Notwendigkeit, LEDs vor Niederspannungs-Rückwärtsspitzen zu schützen). Wie auch immer, das wäre ein weiterer Punkt in der Liste, mit der sich die Marketingleute rühmen könnten!
Natürlich beschränkte sich mein Test auf ein Dutzend LEDs unbekannter Hersteller, aber ich nehme an, die können nicht besser sein als die aus seriösen Quellen. Oder habe ich eine Art umgekehrtes Murphy's Law erlebt, wo ich die einzige LED-Box auf dem Planeten mit einer solchen Funktion gefunden habe?!?
Frage(n): Ist mein Fund etwas, das in der Branche bekannt ist? Warum spezifizieren sie immer wieder LEDs mit so niedrigem a wenn die tatsächlichen geräte viel besser zu sein scheinen? Verpasse ich etwas?
(um einige Punkte zu klären, die möglicherweise zu Kommentaren/Antworten geführt haben, die mir nicht die Erklärungen gegeben haben, die ich gerne hätte)
Dinge, die ich bereits weiß
Belastungen, die über die im Datenblatt angegebenen absoluten Höchstwerte hinausgehen , können das Gerät beschädigen und werden es normalerweise beschädigen, wenn die Belastungen weit über diesen Grenzwerten liegen.
Wenn Sie diese Höchstwerte überschreiten, können Sie vom Hersteller nichts verlangen. Sie sind auf sich allein gestellt in unbekanntem Terrain. Sie können ihn weder verklagen noch klagen.
Kein vernünftiger Designer würde in seinem Design ein Teil außerhalb der im Datenblatt angegebenen Spezifikationen verwenden. Gute Designer stellen sicher, dass das Teil deutlich unter den angegebenen Höchstwerten bleibt. Wie ich eingangs gesagt habe, habe ich experimentiert und absichtlich unbekanntes Land betreten, um meine Erwartungen und mein Wissen über den umgekehrten Zusammenbruch zu überprüfen.
Meine Annahmen (möglicherweise falsch; und wenn sie falsch sind, würde ich gerne wissen warum )
Der Hauptbegrenzungsfaktor für die maximale Sperrspannung einer Diode ist ihre Durchbruchspannung. Mit anderen Worten, Sie können eine Diode sicher so stark in Sperrrichtung vorspannen, wie Sie möchten, bis der Zusammenbruch (entweder Zener oder Lawine) eintritt.
Der Zusammenbruch an sich ist nicht destruktiv. Der plötzliche Anstieg des Rückstroms verursacht eine enorme Erhöhung der Verlustleistung, insbesondere bei hohen Sperrspannungen, daher wird der PN-Übergang zerstört, es sei denn, Sie begrenzen den Strom irgendwie.
Der Durchbruchmechanismus von LEDs unterscheidet sich nicht von dem anderer Dioden mit PN-Übergang, wie z. B. normalen Siliziumgleichrichtern oder Zenern.
Da LEDs (im Gegensatz zu Zenern) nicht dafür ausgelegt sind, im Durchbruch zu arbeiten, ist die BD-Spannung kein gut spezifizierter Parameter, sodass die Fertigungsstreuung ziemlich groß sein könnte. Daher wählen die Hersteller einen geeigneten Sicherheitsabstand und deklarieren diesen als maximale Sperrspannung.
Obwohl eine gewisse Sicherheitsspanne erforderlich ist, kann sie nicht riesig sein. Die IIRC-, BD-Spannung hängt von Dotierungsniveaus und der Geometrie des metallurgischen Übergangs ab, und diese Parameter beeinflussen auch die Diodeneigenschaften, wenn sie in Durchlassrichtung vorgespannt sind. Wenn die "Nutzwerte" der LED einigermaßen konsistent sein müssen, müssen Dotierung und Geometrie stimmen; daher können auch BD-Spannungswerte nicht zu stark gespreizt werden.
Was mich verwirrte und mich denken ließ, dass es mehr Probleme gibt, als eine LED vor dem Ausfall zu schützen
Ja, das ist allgemein bekannt. Das weiß jeder, der es getestet hat. Die Werkzeughersteller wissen es sicherlich.
Sie spezifizieren keine LEDs für mehr als 5 V Sperrspannung, da dies den Umsatz nicht messbar steigern würde (dh nur sehr wenige benötigen diese Fähigkeit ) und sie erfordern würden, jeden LED-Typ und die Spannung, die er aushalten könnte, tatsächlich zu berücksichtigen (vielleicht 12 V für einige, vielleicht 80V für andere). Es kann auch langfristige Zuverlässigkeitsprobleme geben , die eine Quantifizierung oder möglicherweise eine Änderung des LED-Designs erfordern würden, um sie zu mindern.
Die Nennspannung von 5 V ergibt sich aus der Sperrspannung, die eine LED erfährt, die in einer Matrix von einer 5-V-Versorgung mit Push-Pull-Treibern angesteuert wird. Dies ist einer der wenigen Fälle, in denen Sie eine LED absichtlich in Sperrrichtung vorspannen (siehe Back-to-Back-LEDs in Optokopplern mit Wechselstromeingang). die Durchlassspannung der anderen LED im schlimmsten Fall oder etwa -1,2 V).
Es gibt viele Parameter, die nicht spezifiziert sind (typische Daten oder überhaupt keine Daten) oder nur lose spezifiziert sind, weil der Großteil des Marktes dies nicht verlangt. Zum Beispiel Reverse Beta, Vbe-Durchbruch bei BJTs, Temperaturkoeffizient von Vf bei Anzeige-LEDs.
Was die tatsächliche Leistungsfähigkeit gewöhnlicher LEDs anbelangt, so gibt es Hinweise darauf, dass die umgekehrte Vorspannung die LED aufgrund heißer Ladungsträger allmählich beschädigt. Zum Beispiel weist DOI 10.1109/LED.2009.2029129 auf Schäden an grünen LEDs mit angelegten -40 V hin, daher wäre es unklug, blind etwas zu entwerfen, das von der hohen Sperrspannung abhängt.
Wenn Sie in einem Gewitter unter einem Baum stehen und überlebt haben, hat das etwas Bedeutendes zu bedeuten? Dies ist in etwa so, als würde man eine LED > -5 V in Sperrrichtung vorspannen.
Diagramm , mit freundlicher Genehmigung von Dies zeigt die Empfindlichkeit von LEDs sowohl in Rückwärts- als auch in Vorwärtsrichtung, die ESD ausgesetzt sind. Beachten Sie unten, dass es nach links viel empfindlicher ist, wenn Vr unter -5 V fällt
(Ich könnte ein Buch über das Thema Teilentladung (PD) und Durchbruchspannung (BDV) schreiben, aber ich werde diese Bearbeitung kürzer halten;)
Wenn ein PN-Übergang in Sperrichtung vorgespannt ist, erzeugt eine Ladungswolke (wie eine Cumulonimbus-Wolke) eine hohe E-Feld-Ladungsdichte, bei der Defekte mobile Ladungen (Schmutzpartikel) sind, die beschleunigt werden, um einen Weg zu bilden, der entweder die Partikel zur Detonation bringt (durch PD) und das Gerät "aufwickeln" (sogar MVA-Transformator-Isolierung) oder einen Streamer-Pfad vor einem katastrophalen BDV-Ereignis erstellen. (z. B. wie ein Blitz, aber leise)
Außer bei einer in Sperrrichtung vorgespannten LED liegt das E-Feld meiner Meinung nach in der Größenordnung von 5 V / um (wie 5 kV / mm für fast einen Funken in Luft. Dann haben molekulare Verunreinigungen mit einer etwas niedrigeren Er-Konstante eine größere E- Feld und Ladung darüber als sein Nachbar Die Ladung wird durch den Stromfluss von > |-10uA| aufgebaut, wenn weiße LEDs bei -5 V in kleinen Chips spezifiziert sind.
Ein verwundeter 5-MVA-Verteilungstransformator, den ich in einer Transformatorenfabrik in Scarborough untersuchte, hatte ein Haftungsproblem von $m, hatte jedoch einen perfekten Feldtest zur Leistungsstudie, ABER hatte gelöstes Wasserstoffgas, das durch häufige Analyse gelöster Gase (DGA) nachgewiesen wurde). Dieses H2 wurde durch jedes PD-Ereignis im Öl erzeugt, genau wie ein DIAC-Relaxationsoszillator, und erreichte dann die bekannte (in dieser Branche) Schwelle von Explosionswerten (4 % ist die untere Explosionsschwelle, also wurde sie sofort genommen außer Betrieb, woraufhin ich umfassende Tests durchführte, um die Grundursache zu finden und das Kontaminationsproblem von normalen 23-kV-Potentialen zu beheben, die in diesem Dielektrikum erwartet wurden, aber abnormale E-Felder in Partikeln > 16 V / um verursachten, die eine Entladung und Detonation von Ölmolekülen um sie herum verursachten, wodurch das langer CxHy-KohlenwasserstoffKetten , die H2 freisetzen.
Eine ähnliche, aber unterschiedliche Verunreinigung (gemischt mit normaler Verteilung von Nitrid, Galliumphosphid und Arsen) wird durch anormale E-Felder in einem in Sperrichtung vorgespannten PN-Übergang beschleunigt und beeinträchtigt die Lebenserwartung der LED.
Diese Ladung zeigt die Beziehung zu Defekten und Leckströmen, aber ein verwundeter Übergang ist im Gegensatz zu homogenen Verunreinigungen dicht, so dass die BDV unvorhersehbar ist, aber bekannt ist, wo das Stressniveau für viele PN-Übergänge beginnt (Vbe und LEDs weisen diesen gemeinsamen Ausfallmechanismus auf, obwohl sie sich in der Konstruktion unterscheiden mit unterschiedlicher beschleunigter Empfindlichkeit.
Zusammenfassend lässt sich sagen: Wenn ein PN-Übergang eine höhere Toleranz gegenüber Sperrspannungen durch Tests aufweist, bedeutet dies nicht, dass er immer noch nicht verletzt ist, sondern nur, dass er eine geringere Dichte an Partikelverunreinigungen in Teilen pro Million aufweist. Die Ladungsbeschleunigung ist nicht linear mit der Schadstoffdichte, sondern logarithmisch. Es ist die kinetische Energie des Aufpralls, die den Schaden in Mikro- oder Nanogröße zur Detonation bringt.
Bei umgekehrter Vorspannung beträgt der Strom normalerweise 1 µA für RY- und 10 µA für BGW-Farben.
Stellen Sie sich vor, dass die Sperrspannung eine extreme Mikroleistung ist, und messen Sie sie, und wenn es keine ESD-Klemme gibt, hat etwas in der Größenordnung von 100 µW mehr Leistung pro Quadratmikrometer als ein Vorwärtsstrom von 100 mW pro Quadratmillimeter, da der Pfad VIEL UNTERSCHIEDLICH ist.
Es ist nicht wie eine Zenerdiode, die in beiden Richtungen durch die Leistung begrenzt ist. Die Bandlücken können abrupt oder sanft ausfallen.
Die Spannung ist also unsichtbar und verwundet die Verbindungsstellen unterschiedlich. Das Ergebnis ist an einer höheren Sperrschichtkapazität oder einer Fehlfarbe oder einer geringeren Intensität oder einer Wunde zu sehen, um die MTBF erheblich zu reduzieren.
Ob es das kurz oder für eine Weile aushält oder nicht, spielt keine Rolle. Experten verstehen, dass das Stressniveau die Zuverlässigkeit oder Leistung verringert.
Wenn Sie nicht verstehen, warum es absolute Höchstwerte gibt, ignorieren oder bezweifeln Sie es nicht oder wenn Sie es am wenigsten erwarten ... hmm, es funktioniert nicht.
Ein Engineering-Leitfaden, den ich 2005 für den Kunden gemacht habe, bevor ich vor Ort war, um ESD- und Lötprobleme zu lösen, die 1 % Feldausfälle verursachten, die später durch meine Empfehlungen zur Prozessverbesserung behoben wurden.
Forschungsartikel über Sperrspannungsbelastung in Dioden
Trivia-Test
Warum ist das eine schlechte Idee?
Simulieren Sie diese Schaltung – Mit CircuitLab erstellter Schaltplan
Das Überschreiten der absoluten Höchstwerte aus Datenblättern bedeutet nicht unbedingt einen sofortigen katastrophalen Ausfall. Es bedeutet, dass Sie sich in eine Region begeben haben, für die der Hersteller es nicht mehr für angebracht hält, um zu garantieren, dass das Gerät für den Rest der Lebensdauer des Geräts jemals wieder den Spezifikationen entspricht.
Bedeutet dies, dass es nicht den Spezifikationen entspricht? Nein, es bedeutet, dass der Hersteller nicht mehr garantiert, dass es die Spezifikation erfüllt.
Da Ihre Tests an LEDs "unbekannter Herstellung" durchgeführt wurden, haben Sie keine Ahnung, wie sie bewertet werden.
Einfach ausgedrückt, das Anlegen einer hohen Sperrspannung an neue LEDs für einige Minuten ist kein schlüssiger Test. Der Rückstrom in LEDs nimmt mit zunehmendem Alter zu ( 1 ), und ich würde erwarten, dass auch die Durchbruchspannung abnimmt. Am Ende ihrer Lebensdauer gehen bei niedrigeren Sperrspannungswerten mehr LEDs kaputt.
Es würde die Produktionsausbeute unnötig verringern.
Sobald Sie eine höhere Durchbruchspannung als erforderlich (für die Verwendung von LEDs) angeben, müssten Sie alle Produktionsergebnisse ablehnen (oder als eine andere Qualität verkaufen), die diese Spezifikation nicht erfüllen, aber ansonsten als LED einwandfrei funktionieren. Sofern der Benutzer nicht eine LED benötigt, die als Gleichrichter doppelt fungieren kann, würde dies nur die Kosten und/oder die Komplexität des Katalogs erhöhen.
dandavis
Lorenzo Donati unterstützt die Ukraine
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