Dlaczego diody LED mają maksymalny prąd?

Rozumiem więc, że diody LED mają maksymalny prąd (jak na przykład 20mA), ale naukowo dlaczego tak jest?

Używając analogii wody, wydaje się, że wysokie napięcie mogłoby coś zepsuć (lubię myśleć o tym jak o ogromnym „ciśnieniu” wydmuchującym rurę lub coś takiego). Dlaczego szybkość przepływu elektronów miałaby coś uszkodzić?

Trudno wymyślić analogię, ponieważ zwykłymi analogiami dla układów elektrycznych są układy płynne. Wspaniałą rzeczą w systemach płynów jest to, że płyn roboczy jest również dobry w chłodzeniu rzeczy, a praktyczne doświadczenie większości ludzi z systemami płynów obejmuje prędkości przepływu, w których ogrzewanie nie jest bardzo znaczące.

Spróbujmy więc innej analogii: sznur jest przeciągany przez opór twoich palców. Twoje palce są diodami LED, a spadek napięcia diody LED jest analogiczny do różnicy naprężenia sznurka po obu stronach palców. Prąd jest analogiczny do szybkości, z jaką ciągnięty jest ciąg.

Czy twoje palce zostaną uszkodzone, jeśli sznurek zostanie pociągnięty zbyt szybko? Tak: nazywamy to „poparzeniem liny”. Stanie się tak, nawet jeśli wyregulujesz opór palców, aby utrzymać stałą różnicę naprężenia liny niezależnie od jej prędkości (analogicznie do w przybliżeniu stałego spadku napięcia diody LED).

Powodem jest to, że tempo wykonanej pracy, a tym samym wytwarzane ciepło, jest iloczynem siły, którą twoje palce przykładają do liny i szybkości, z jaką lina porusza się przez twoje palce. Możesz poparzyć linę, ściskając ją zbyt mocno lub zbyt szybko przesuwając sznurek.

„Tempo pracy” lub „tempo energii” nazywa się mocą . Jednym ze sposobów jej zdefiniowania dla układów mechanicznych jest iloczyn siły ( ) i prędkości ( v ):$F$$v$

Ponieważ moc jest szybkością energii, powinna być wyrażona w jednostkach energii na czas. W jednostkach SI jest to dżul na sekundę, znany również jako wat . Bez względu na to, jak szybko lina się porusza i jak dużą siłę przykładają do niej twoje palce, wykonujesz pracę z prędkością pewnej liczby dżuli na sekundę. Ta energia nie może zniknąć: staje się ciepłem w linie i palcach. Po przekroczeniu zdolności organizmu do przenoszenia ciepła z opuszek palców skóra staje się zbyt gorąca i zostajesz poparzony.

Analogia do układów elektrycznych jest taka, że ​​moc jest iloczynem napięcia i prądu:

$V$$I$

Na diodzie LED występuje spadek napięcia o kilka woltów. Ten spadek napięcia razy prąd jest mocą rozpraszaną w urządzeniu. Tworzy światło, ale także ciepło. To ciepło zabija diodę LED.

TL; DR: Płynący prąd wytwarza ciepło, a dla diod LED ciepło zabija część.

Ilekroć elektrony przepływają przez przewodnik, następuje nagrzewanie Joule'a . Wynika to częściowo z tego, czym tak naprawdę jest ciepło, cząstki, które sprawiają, że obiekt się porusza, a przeciągnięcie przez niego elektronów gwarantuje, że niektóre elektrony zderzą się w coś i przekażą swoją energię do tej cząstki, ogrzewając ją.

Gdy dioda LED jest przeciążona, nadmierne nagrzewanie spowoduje kruche wiązanie, a także samą matrycę. Żadna z tych zmian nie jest konstruktywna i ostatecznie ciepło niszczy tę część. W przypadku diod LED wypalają się, a może rozpadają, w przypadku innych części mogą wybuchnąć płomieniem.

Oto inny sposób spojrzenia na to, co powiedzieli inni:

Konwersja prądu na światło nie jest w 100% sprawna, więc pozostałą część energii, która nie została przetworzona na światło, stanowi ciepło.

Każdy element elektroniczny ma coś, co nazywa się „opornością cieplną” mierzoną w stopniach Kelvina / Watt, co mówi, jak łatwo „energia odpadowa” powyżej dostaje się z matrycy na płytkę drukowaną (zwykle katodę dla diody LED) jako ciepło. Jest to określone w arkuszu danych.

Ponadto każdy element elektroniczny ma maksymalną temperaturę złącza, Tj, przy której może pracować zgodnie z resztą określonych parametrów w arkuszu danych.

Dzięki tym informacjom, biorąc pod uwagę stały opór cieplny, Rth, stałą maksymalną moc znamionową LED, Pdiss_max i stale rosnące źródło zasilania napędzające diodę LED, to, co się stanie, to doprowadzenie temperatury złącza powyżej jego maksymalnej wartości znamionowej i prawdopodobnie odlutowanie drut wiąże się z wnętrza układu, co czyni go niezdatnym do użytku.

Dobre pytanie!

Jest tylko pewna ilość, z którą ten rozmiar materiału może sobie poradzić. Weźmy na przykład filament. Odpowiedni rozmiar, by świecić, ale nie spłonąć. Jest przytłoczony elektrycznością, jest tylko tyle, ile może znieść, zanim się wypali. To samo z diodami LED. Zależy od ilości i rodzaju materiału.

Wszystkie fajne odpowiedzi. Chciałem tylko dodać, że jeśli nie byłoby rekombinacji niepromienistej w diodach LED, wówczas byłoby znacznie mniej ciepła i można by przepchnąć więcej prądu, zanim się nagrzeje ... (Pomyśl o nowszych diodach o wysokiej wydajności)

Właściwie analogia wody była dość skuteczna. Rura się rozpadnie, jeśli dostanie się do niej ogromna ilość wody. Mówiąc dokładniej, topi się, gdy przepływający płyn wytwarza niewielką ilość ciepła, jak każdy inny materiał