Modrá Twibright Ronja: jaké přetaktování vydrží LED?

Karel Kulhavý 18. 8. 2016

Metoda pulzního buzení LED má své závažné otazníky. Probereme, proč je tato elegantní metoda zvýšení jasu problematická, ale i jaké podivuhodné změny v LED tato metoda vyčarovala.

Průměrný proud totiž není jediný omezující faktor (anglicky absolute maximum rating) LED diody. Při průchodu velkých proudů vodiči nastává takzvaná elektromigrace. Silné nárazy rychle se pohybujících proudících elektronů do atomů dokážou tyto rozkymácet až do takové míry, že přeskočí o jednu pozici dál v krystalické mříži. A později zase. A zase. Takže s atomy je pak zacházeno jako s pískem v silném větru – celý průřez vodiče může být postupně odfoukán pryč, a vodič se přeruší.


Overclocking.Guide

Vodič prožraný elektromigrací. Jak se obvody zmenšují, jejich náchylnost na poškození elektromigrací narůstá.

Toto by mohl být problém u tenkého přívodního drátku k LED krystalu, na rozhraní, kde je drátek ke krystalu přidělán, i v elektrodách, které proud po krystalu rozvádějí. Nevím, zda elektromigrace nemůže postihnout i samotný materiál polovodiče, který v LED pracuje.

Taková LED může pracovat v krátkodobém i střednědobém zátěžovém testu dobře, ale po nasazení hotových výrobků mohou LED po delším používání nečekaně náhle selhat. Oprava pak bude obtížná, protože by se jednalo o fundamentální problém v návrhu. Klasická náplast na špatně navržené, přetížené, postupem času vyhořívající obvody – přídavný větráček – zde nepomůže. Elektromigrace totiž není tepelný fenomén, s teplotou nesouvisí, pracuje jak za studena, tak i za tepla.

Člověk by asi musel kontaktovat výrobce a konzultovat, jaký špičkový proud v takovémto impulsním režimu LED zaručeně vydrží.

Co se tedy s LED stane?

Začnou se dít věci. Chancey do LED posílá 1,5 ampér špičkových ve čtyřnanosekundových impulsech. Maximální trvalý proud LED podle datasheetu je 350 mA. LED je tedy „přetaktována“ více než čtyřnásobně. Chancey změřil spektrometrem, jaké spektrum z LED leze. LED dioda změnila barvu – její vlnová délka se posunula z 486 na 477 nm, tedy z modré do zelena do více modré. LED také začala mít náběh směrem na provoz jako laserová dioda – na spektru se objevily vlny, vzniklé efektem rezonance ve Fabry-Pérotově rezonátoru, který LED neúmyslně tvoří.

Chancey změřil, kolik nanometrů jsou vlny od sebe a vypočetl z toho velikost Fabry-Pérotova rezonátoru – vyšlo mu 5 mikrometrů a uvádí, že výsledek je konzistentní s očekávanou tloušťkou vrstvy polovodiče uvnitř LED. Fabry-Pérotův rezonátor je polovodič v takovém tvaru, že má dva rovnoběžné, přesně rovné konce, od kterých se světlo uvnitř odráží. Výrobci laserových diod tyto konce potáhnou zrcadlovou vrstvou, aby světlo rezonovalo uvnitř podobně jako nekonečná řada obrazů, když v koupelně nastavíte zrcadla na toaletní skříňce rovnoběžně. Nabuzený polovodič pak funguje jako optický zesilovač a spolu s rezonátorem vytvoří oscilátor kmitající prakticky jen na jednom kmitočtu – frekvenci spektrální čáry laseru.


Chancey, M. A.: Short Range Underwater Optical Communication Links

Chancey naložil do LED v krátkých impulsech tolik ampér, až se z toho dioda zabarvila víc do modra a začala mít náběh směrem do režimu laserové diody s Fabry-Pérotovým rezonátorem (vlny na spektru).

Jak pulsní obvod funguje?

Ve speciálním obvodu jsou speciální tranzistory – lavinové tranzistory ZTX415. Chancey má v práci na str. 58 i jejich charakteristiku. Fungují v zásadě tak, že jsou to tranzistory konstruované na kontrolované prorážení příliš vysokým napětím. Chancey přivede 50ns 5V impuls na vstup a v tranzistoru křupne a pěkně, spolehlivě a rychle se propráskne. Normální tranzistory takovouto demoliční derby nemusí vydržet, ale speciální ZTX415 jsou právě na provoz v tomto režimu konstruované.


Chancey, M. A.: Short Range Underwater Optical Communication Links

Vysokorychlostní pulsní obvod se speciálními lavinovými tranzistory na přetaktovávání LED diody velmi krátkými a intensivními impulsy.

Fenomén lavinového průrazu v tranzistoru je fenomén násobení elektrického proudu, který v tomto případě vede k nekontrolovanému násobení proudu do nekonečna, respektive až se tranzistor prorazí a protéká proudu, co zdroj dá. Podobně jako jedno kilo sněhu v lavině strhne další dvě kila a ty strhnou další čtyři kila a ty strhnou dalších osm kilo, a to se opakuje, až je stržen všechen sníh na stráni. Nastává tzv. ionizace nárazem – ionizace polovodičového materiálu elektrony, které jsou urychlovány na příliš vysokou rychlost příliš silným elektrickým polem. Vrazí náhodou do atomu příliš velkou silou a vybourají z něj elektron, který v něm byl původně přidělaný. Teď už máme dva elektrony, které jsou dále urychlovány a zase můžou vybourat teď už dvakrát víc elektronů, atd.

Napájecí napětí obvodu je 500 – 630 voltů (běžná Ronja má 12 voltů). Chancey zmiňuje, že ač používá nízkou opakovací rychlost impulsů 1 MHz (tedy 1/10 toho, co Ronja normálně používá), i 3-wattový odpor 60 kΩ se přehřívá, takže obvod vyžaduje vypínání na vychladnutí. Idolem spořivosti elektrickou energií tedy tento obvod není. Při 1 MHz a 4ns délce impulsu je střída 1:250. Tedy LED svítí pouze jednu dvousetpadesátinu doby.

Věda o šíření světla pod vodou de luxe

Chancey vzal v porovnání s Estepou vědu o šíření světla pod vodou z gruntu. Chystáte-li kariéru mistra vesmíru v šíření světla pod vodou přírodních oceánů a jezer, Chanceyho magisterská diplomka je pro vás jednou z nejlepších adres na světě.

widgety


Chancey, M. A.: Short Range Underwater Optical Communication Links

Chancey analyzuje tématiku šíření – rozptylu a absorbce – světla pod vodou skutečně zevrubně, jak můžeme vidět podle velkého množství vědeckých rovnic s řeckými písmenky a matematickými symboly.

Při šíření světla pod vodou hrají roli následující fenomény:

  • Absorpce na chlorofylu. Má největší efekt. Chlorofyl je unitř těl fytoplanktonu, což jsou mikroskopické, jednobuněčné, fotosyntetizující organismy. Dominantními složkami fytoplanktonu jsou řasy a sinice. Tyto organismy žijí ze slunečního světla stejně jako rostliny.
  • Absorpce na tříslovinách.
  • Rozptyl na mikroskopických částicích vznášejících se (suspendovaných) ve vodě. Podle velikosti částice pak nastává jeden ze dvou druhů optického rozptylu: Pro malé částice Rayleighův rozptyl, pro částice velké rozptyl Mieův
  • Rozptyl na vodních molekulách samotných. Že má nejmenší význam, ukazuje Chancey ve srovnávacím grafu na str. 17. Molekuly jsou malé, je tedy Rayleighova typu. Příkladem Rayleighova rozptylu na molekulách je modré světlo nebe a komplementárně červenavé zabarvení západu Slunce.

V příštím díle se dozvíme, jak se klasifikují různé druhy vod podle vědce N. G. Jerlova, a jak se mění útlum s hloubkou pro různá místa v oceánech. Uvidíme také fotografie z vlastního podvodního testování zařízení v laboratoři.

Našli jste v článku chybu?
Vitalia.cz: Voda z Vltavy před a po úpravě na pitnou

Voda z Vltavy před a po úpravě na pitnou

120na80.cz: Galerie: Čínští policisté testují českou minerálku

Galerie: Čínští policisté testují českou minerálku

Lupa.cz: Další Češi si nechali vložit do těla čip

Další Češi si nechali vložit do těla čip

Vitalia.cz: 5 pravidel proti infekci močových cest

5 pravidel proti infekci močových cest

Měšec.cz: TEST: Vyzkoušeli jsme pražské taxikáře

TEST: Vyzkoušeli jsme pražské taxikáře

Lupa.cz: Jak se prodává firma za miliardu?

Jak se prodává firma za miliardu?

Root.cz: Hořící telefon Samsung Note 7 zapálil auto

Hořící telefon Samsung Note 7 zapálil auto

Podnikatel.cz: Nemá dluhy? Zjistíte to na poště

Nemá dluhy? Zjistíte to na poště

DigiZone.cz: Sat novinky: NASA Ultra HD (4K)

Sat novinky: NASA Ultra HD (4K)

Vitalia.cz: Antibakteriální mýdla nepomáhají, spíš škodí

Antibakteriální mýdla nepomáhají, spíš škodí

Vitalia.cz: Test dětských svačinek: Tyhle ne!

Test dětských svačinek: Tyhle ne!

Podnikatel.cz: Byla finanční manažerka, teď cvičí jógu

Byla finanční manažerka, teď cvičí jógu

Vitalia.cz: Jsou vegani a vyrábějí nemléko

Jsou vegani a vyrábějí nemléko

Vitalia.cz: dTest odhalil ten nejlepší kečup

dTest odhalil ten nejlepší kečup

Vitalia.cz: Muž, který miluje příliš. Ženám neimponuje

Muž, který miluje příliš. Ženám neimponuje

Vitalia.cz: 5 chyb, které děláme při skladování potravin

5 chyb, které děláme při skladování potravin

Lupa.cz: Proč jsou firemní počítače pomalé?

Proč jsou firemní počítače pomalé?

DigiZone.cz: DVB-T2 ověřeno: seznam TV zveřejněn

DVB-T2 ověřeno: seznam TV zveřejněn

120na80.cz: Pálení žáhy: která jídla ne a co nás uzdraví?

Pálení žáhy: která jídla ne a co nás uzdraví?

Vitalia.cz: Tradiční čínská medicína a rakovina

Tradiční čínská medicína a rakovina