Por que os LEDs têm uma corrente máxima?

Então eu entendo que os LEDs têm uma corrente máxima (como 20mA, por exemplo), mas cientificamente, por que isso?

Usando a analogia da água, parece que uma alta tensão seria o que atrapalharia alguma coisa (eu gosto de pensar nisso como uma enorme quantidade de "pressão" soprando um cano ou algo assim). Por que uma taxa de fluxo de elétrons danificaria alguma coisa?

É difícil fazer uma analogia, porque as analogias usuais para sistemas elétricos são sistemas fluidos. O melhor de sistemas de fluidos é que o fluido de trabalho também é bom para resfriar as coisas, e a experiência prática da maioria das pessoas com sistemas de fluidos envolve taxas de fluxo em que o aquecimento não é muito significativo.

Então, vamos tentar uma analogia diferente: uma corda sendo puxada através da resistência dos seus dedos. Seus dedos são o LED, e a queda de tensão do LED é análoga à diferença de tensão da corda em ambos os lados dos dedos. A corrente é análoga à taxa na qual a corda está sendo puxada.

Seus dedos serão danificados se a corda for puxada muito rápido? Sim: chamamos de "queima de corda". Isso acontecerá mesmo se você ajustar a resistência de seus dedos para manter uma diferença constante na tensão do cabo, independentemente da sua velocidade (análoga à queda de tensão aproximadamente constante do LED).

A razão é que a velocidade do trabalho realizado e, portanto, o calor gerado, é o produto da força que seus dedos aplicam à corda e a velocidade com que a corda está se movendo entre seus dedos. Você pode queimar uma corda apertando com muita força ou movendo a corda muito rápido.

"Taxa de trabalho" ou "taxa de energia" é chamada de potência . Uma maneira de defini-lo, para sistemas mecânicos, é o produto da força ( ) e velocidade ( v ):$F$$v$

Como a energia é uma taxa de energia, ela deve estar em unidades de energia por tempo. Nas unidades SI, isso é joules por segundo, também conhecido como watt . Portanto, por mais rápido que a corda esteja se movendo e por mais força que seus dedos estejam aplicando a ela, você está trabalhando na velocidade de um número de joules por segundo. Essa energia não pode desaparecer: torna-se calor na corda e nos dedos. Quando você excede a capacidade do corpo de transferir o calor da ponta dos dedos, a pele fica muito quente e você fica queimado.

A analogia para sistemas elétricos é que a energia é o produto de tensão e corrente:

$V$$I$

Há uma queda de tensão direta de alguns volts no LED. Essa queda de tensão vezes a corrente é a potência dissipada no dispositivo. Cria luz, mas também calor. É o calor que mata o LED.

TL; DR: A corrente de fluxo cria calor e, para os LEDs, o calor mata a peça.

Sempre que elétrons fluem através de um condutor, o aquecimento de Joule acontece. Isso se deve em parte ao que realmente é o calor, as partículas que compõem o objeto se movendo e os elétrons puxados por ele garantem que alguns elétrons colidem em alguma coisa e tenham sua energia transferida para a partícula, aquecendo-a.

Quando o LED está sobrecarregado, o aquecimento excessivo fará com que a ligação frágil e a própria matriz sejam alteradas. Nenhuma dessas mudanças é construtiva e, eventualmente, o calor destrói a peça. Para os LEDs, eles se apagam e podem explodir; em outras partes, podem explodir em chamas.

Aqui está outra maneira de ver o que alguns outros disseram:

A conversão de corrente em luz não é 100% eficiente, portanto, o restante da energia não convertida em luz é calor.

Cada componente eletrônico possui algo chamado "resistência térmica" medido em graus Kelvin / Watt, que diz com que facilidade a "energia residual" sai da matriz para o PCB (normalmente o cátodo de um LED) como calor. Isso é especificado na folha de dados.

Além disso, cada componente eletrônico possui uma temperatura máxima de junção, Tj, na qual ele pode operar de acordo com o restante dos parâmetros especificados na folha de dados.

Com essas informações, dada uma resistência térmica constante, Rth, um LED de classificação máxima de potência fixo, Pdiss_max e uma fonte de energia em constante aumento que aciona o LED, o que acontecerá é que você conduzirá a temperatura da junção acima da sua classificação máxima e provavelmente de solda o fio se liga de dentro do chip, tornando-o inoperável.

Boa pergunta!

Há apenas uma certa quantidade que esse tamanho de material pode suportar. Pegue um filamento, por exemplo. Apenas o tamanho certo para brilhar, mas não queimar. Está sendo sobrecarregado com eletricidade, há muito que ele pode suportar antes de queimar. Mesmo com LEDs. Depende da quantidade e tipo de material.

Todas boas respostas. Eu só queria acrescentar que, se não houvesse recombinação não-radiativa nos LEDs, haveria muito menos calor e seria possível empurrar mais corrente antes que aquecesse ... (Pense nos LEDs de alta eficiência mais recentes)

Na verdade, achei a analogia da água bastante eficaz. Um cano se partirá Se uma quantidade enorme de água transitar para ele. Mais especificamente, derreterá à medida que um fluido que flui gera uma pequena quantidade de calor, como qualquer outro material