Почему светодиоды имеют максимальный ток?

Итак, я понимаю, что светодиоды имеют максимальный ток (например, 20 мА), но с научной точки зрения, почему это?

Используя аналогию с водой, кажется, что высокое напряжение было бы чем-то, что могло бы испортить что-то (мне нравится думать об этом, как об огромном «давлении», выдувающем трубу или что-то в этом роде). Почему скорость потока электронов может что-то повредить?

Сложно придумать аналогию, потому что обычные аналогии для электрических систем - это жидкостные системы. Отличительной особенностью жидкостных систем является то, что рабочая жидкость также хороша для охлаждения, и практический опыт большинства людей с жидкостными системами включает скорости потока, при которых нагрев не очень значителен.

Итак, давайте попробуем другую аналогию: нить протягивают через сопротивление ваших пальцев. Ваши пальцы - это светодиод, а падение напряжения на светодиоде аналогично разнице натяжения струны с обеих сторон ваших пальцев. Ток аналогичен скорости, с которой натягивается струна.

Будут ли повреждены ваши пальцы, если натянуть нить слишком быстро? Да, мы называем это «гореть веревкой». Это произойдет, даже если вы отрегулируете сопротивление ваших пальцев, чтобы поддерживать постоянную разницу натяжения на канате независимо от его скорости (аналогично приблизительно постоянному падению напряжения светодиода).

Причина в том, что скорость выполненной работы и, следовательно, выделяемое тепло являются результатом силы, которую пальцы прикладывают к веревке, и скорости, с которой веревка движется сквозь пальцы. Вы можете получить ожог веревки, слишком сильно сдавливая или слишком быстро перемещая струну.

$F$$v$

Поскольку мощность - это скорость энергии, она должна быть в единицах энергии за раз. В единицах СИ это джоули в секунду, также известные как ватт . Итак, как бы быстро ни шла веревка, и сколько бы сил ни прикладывали к ней ваши пальцы, вы выполняете работу со скоростью, равной некоторому числу джоулей в секунду. Эта энергия не может исчезнуть: она становится теплом в веревке и ваших пальцах. Как только вы превышаете способность вашего тела отводить тепло от кончиков пальцев, ваша кожа становится слишком горячей и вы обожжены.

Аналогия для электрических систем заключается в том, что мощность - это произведение напряжения и тока:

$V$$I$

Прямое падение напряжения на пару вольт на светодиоде. Это падение напряжения по току - это мощность, рассеиваемая в устройстве. Это создает свет, но и тепло. Это тепло, которое убивает светодиод.

TL; DR: протекающий ток создает тепло, а для светодиодов тепло убивает деталь.

Всякий раз, когда электроны протекают через проводник, происходит джоулев нагрев . Отчасти это происходит из-за того, что в действительности представляет собой тепло, частицы, из которых состоит объект, движущийся вокруг, и прохождение через него электронов гарантирует, что некоторые электроны столкнутся с чем-то и передадут свою энергию в эту частицу, нагревая ее.

Когда светодиод перегружен, чрезмерный нагрев приведет к изменению хрупкого соединения, а также самой матрицы. Ни одно из этих изменений не является конструктивным, и в конечном итоге тепло разрушает деталь. Для светодиодов они перегорают и, возможно, разрываются, для некоторых других частей они могут загореться.

Вот еще один способ взглянуть на то, что сказали некоторые другие:

Преобразование тока в свет не является эффективным на 100%, поэтому остаток энергии, не преобразованной в свет, - это тепло.

Каждый электронный компонент имеет так называемое «тепловое сопротивление», измеряемое в градусах Кельвина / Ватт, которое говорит о том, как легко «ненужная энергия», указанная выше, выходит из кристалла на печатную плату (обычно катод для светодиода) в виде тепла. Это указано в техническом описании.

Кроме того, каждый электронный компонент имеет максимальную температуру перехода, при которой он может работать в соответствии с остальными указанными параметрами в техническом описании.

С помощью этой информации, учитывая постоянное тепловое сопротивление, Rth, фиксированный индикатор максимальной номинальной мощности, Pdiss_max и постоянно увеличивающийся источник питания, приводящий в действие светодиод, вы получите то, что вы будете приводить температуру перехода выше ее максимального значения и, вероятно, припаять провод связывает внутри чипа, что делает его неработоспособным.

Хороший вопрос!

Существует только определенное количество материала, с которым можно справиться. Возьмите нить для примера. Просто нужного размера, чтобы светиться, но не сгореть. Он перегружен электричеством, он может справиться только с тем, что сгорит. То же самое со светодиодами. Зависит от количества и типа материала.

Все хорошие ответы. Я просто хотел добавить, что если бы не было безызлучательной рекомбинации в светодиодах, тогда было бы гораздо меньше тепла, и можно было бы протолкнуть больше тока до того, как он нагреется ... (Подумайте о новых высокоэффективных светодиодах)

На самом деле, аналогия с водой оказалась довольно эффективной. Труба сломается, если в нее попадет огромное количество воды. В частности, он будет таять, так как текучая среда генерирует небольшое количество тепла, как любой другой материал.