Warum haben LEDs einen maximalen Strom?

Ich verstehe, dass LEDs einen maximalen Strom haben (wie zum Beispiel 20 mA), aber wissenschaftlich gesehen, warum ist das so?

Mit der Wasser-Analogie scheint es, als würde eine Hochspannung etwas durcheinander bringen (ich stelle es mir gerne als einen gewaltigen Druck vor, der ein Rohr oder etwas anderes ausbläst). Warum würde eine Elektronenflussrate etwas beschädigen?

Es ist schwierig, eine Analogie zu finden, da die üblichen Analogien für elektrische Systeme Fluidsysteme sind. Eine großartige Sache bei Fluidsystemen ist, dass das Arbeitsfluid auch gut zum Kühlen von Dingen geeignet ist, und die meisten Menschen haben praktische Erfahrungen mit Fluidsystemen mit Durchflussraten, bei denen die Erwärmung nicht sehr wichtig ist.

Versuchen wir also eine andere Analogie: eine Saite, die durch den Widerstand Ihrer Finger gezogen wird. Ihre Finger sind die LED, und der Spannungsabfall der LED entspricht dem Spannungsunterschied der Saite auf beiden Seiten Ihrer Finger. Der Strom ist analog zu der Rate, mit der die Schnur gezogen wird.

Werden Ihre Finger beschädigt, wenn Sie zu schnell an der Schnur ziehen? Ja, wir nennen es "Seilbrand". Dies geschieht auch dann, wenn Sie den Widerstand Ihrer Finger so einstellen, dass die Spannung des Seils unabhängig von seiner Geschwindigkeit konstant bleibt (analog zum ungefähr konstanten Spannungsabfall der LED).

Der Grund ist, dass die Arbeitsgeschwindigkeit und damit die erzeugte Wärme das Produkt der Kraft ist, die Ihre Finger auf das Seil ausüben, und der Geschwindigkeit, mit der sich das Seil durch Ihre Finger bewegt. Sie können ein Seil verbrennen, indem Sie zu fest drücken oder die Schnur zu schnell bewegen.

"Arbeitsrate" oder "Energierate" heißt Leistung . Eine Möglichkeit, es für mechanische Systeme zu definieren, ist das Produkt aus Kraft ( ) und Geschwindigkeit ( v ):$F$$v$

Da Leistung eine Energierate ist, sollte sie pro Zeiteinheit in Energieeinheiten angegeben werden. In SI-Einheiten sind das Joule pro Sekunde, auch Watt genannt . So schnell sich das Seil bewegt und so viel Kraft Ihre Finger darauf ausüben, so schnell arbeiten Sie mit einer gewissen Anzahl von Joules pro Sekunde. Diese Energie kann nicht verschwinden: Es wird Wärme im Seil und in Ihren Fingern. Sobald Sie die Fähigkeit Ihres Körpers, Wärme von Ihren Fingerspitzen abzuleiten, überschreiten, wird Ihre Haut zu heiß und Sie werden verbrannt.

Die Analogie für elektrische Systeme lautet, dass Leistung das Produkt von Spannung und Strom ist:

$V$$I$

An der LED liegt ein Spannungsabfall von ein paar Volt vorwärts. Dieser Spannungsabfall multipliziert mit dem Strom ist die im Gerät verbrauchte Leistung. Es erzeugt Licht, aber auch Wärme. Es ist die Hitze, die die LED tötet.

TL; DR: Fließender Strom erzeugt Wärme, und bei LEDs wird das Teil durch Wärme zerstört.

Immer wenn Elektronen durch einen Leiter fließen, erfolgt eine Joule-Erwärmung . Dies liegt zum Teil daran, was Wärme wirklich ist, dass Teilchen, aus denen das Objekt besteht, sich bewegen und durch die Elektronen gezogen werden, dafür sorgen, dass einige Elektronen in etwas kollidieren und ihre Energie in dieses Teilchen übertragen und es aufheizen.

Wenn die LED überlastet ist, bewirkt die übermäßige Erwärmung, dass sich die zerbrechliche Verbindung sowie der Chip selbst ändern. Keine dieser Änderungen ist konstruktiv und letztendlich zerstört die Hitze das Teil. Bei LEDs brennen sie aus und gehen möglicherweise auseinander, bei einigen anderen Teilen können sie in Flammen aufgehen.

Hier ist eine andere Sichtweise auf das, was andere gesagt haben:

Die Umwandlung von Strom in Licht ist nicht zu 100% effizient. Der Rest der Energie, die nicht in Licht umgewandelt wird, ist Wärme.

Jedes elektronische Bauelement hat einen sogenannten "Wärmewiderstand", der in Kelvin / Watt gemessen wird und angibt, wie leicht die oben genannte "Energieverschwendung" als Wärme aus dem Chip auf die Leiterplatte (normalerweise die Kathode für eine LED) gelangt. Dies ist im Datenblatt angegeben.

Darüber hinaus hat jedes elektronische Bauteil eine maximale Sperrschichttemperatur Tj, bei der es gemäß den übrigen im Datenblatt angegebenen Parametern betrieben werden kann.

Mit diesen Informationen, die einen konstanten Wärmewiderstand, Rth, eine LED mit fester maximaler Nennleistung, Pdiss_max und eine konstant ansteigende Stromquelle, die die LED antreibt, voraussetzen, wird die Sperrschichttemperatur über ihre maximale Nennleistung gebracht und wahrscheinlich entlötet Der Draht wird aus dem Inneren des Chips heraus gebondet, wodurch er funktionsunfähig wird.

Gute Frage!

Es gibt nur eine bestimmte Menge, die diese Materialgröße verarbeiten kann. Nehmen Sie zum Beispiel einen Faden. Genau die richtige Größe, um zu leuchten, aber nicht zu verbrennen. Es wird mit Elektrizität überhäuft, es gibt nur so viel, was es aushält, bevor es ausbrennt. Gleiches gilt für LEDs. Hängt von der Menge und Art des Materials ab.

Alles schöne Antworten. Ich wollte nur hinzufügen, dass, wenn es keine nicht strahlende Rekombination in den LEDs gäbe, es viel weniger Wärme geben würde und man mehr Strom durchdrücken könnte, bevor es sich aufheizt ... (Denken Sie an neuere hocheffiziente LEDs)

Eigentlich fand ich die Wasseranalogie ziemlich effektiv. Ein Rohr zerbricht, wenn eine große Menge Wasser hineinkommt. Insbesondere schmilzt es, wenn ein strömendes Fluid wie jedes andere Material eine geringe Wärmemenge erzeugt