Почему светодиоды имеют максимальный ток?

14

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?

клабаккио
источник
3
@ IgnacioVazquez-Abrams Что? Напряжение ничуть не хуже физического. На самом деле это очень хорошая аналогия, поскольку каждый из них представляет собой физические потенциалы (энергию на единицу материала): давление можно измерять в джоулях на кубический метр, а напряжение - в джоулях на кулон.
Фил Фрост
9
Это минимальный ток, при котором волшебный дым имеет достаточно энергии, чтобы спастись.
AE
Придерживаясь аналогии с трубой, как скорость потока воды приводит к истиранию трубы, истиранию ее сторон и, в конечном итоге, к разрыву - как электрический предохранитель?
OJFord
«Почему светодиоды имеют максимальный ток?» делает их звучать исключительно. Почти все имеет максимальный ток. (хотя изоляторы легче описать как имеющие максимальное напряжение)
MSalters
Все имеет максимальный ток, напряжение (... и мощность, dV / dt и т. Д.), Но некоторые устройства (или их элементы) являются "устройствами напряжения" (например, микроконтроллеры, конденсаторы, затворы MOSFET) и другие "токовые устройства" (например, диоды, светодиоды, BJT, MOSFET сток-исток). Гораздо более информативно составлять максимумы в терминах, относящихся к устройству, а не «преобразовывать» их во что-то еще (например, Igs (max)? :P).
Ник Т

Ответы:

32

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.

Fv

пзнак равноFv

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:

пзнак равноВя

Вя

Фил Фрост
источник
Значит, светодиод может быть поврежден, если у него будет очень высокое напряжение, но низкий ток?
6
Напряжение светодиода фиксируется на пару вольт. Если вы увеличите напряжение выше этого, ток будет увеличиваться, чтобы поглотить всю мощность, которую ваш блок питания способен подавать в него - пока он не сгорит и не станет изолятором.
PkP
1
@Mercfh Функция, которая связывает ток и напряжение для резисторов, является законом Ома , и существует несколько моделей для диодов , в зависимости от того, насколько точной должна быть точность.
Фил Фрост
7
Если вы хотите придерживаться аналогии с водой, то водяное колесо или турбина - хорошая модель. Перемещайте воду слишком быстро, и вы повредите подшипники (они перегреваются)
slebetman
3
+1. Я никогда не слышал о аналогии струны / натяжения раньше, и мне это очень нравится!
Шамтам
16

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.

PKP
источник
Если вы поместите стандартный светодиод на источник напряжения, удерживая его за головку, он иногда генерирует достаточно тепла, прежде чем умирает, чтобы заметно нагреваться. Не делайте этого с мощным светодиодом!
Уоррен Янг
12

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.

Макстон Чан
источник
2

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!

cowboydan
источник
1

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.

Кенни Хокинс
источник
Хотя это и верно, я не думаю, что полезно думать об этом с точки зрения размера. Выводы на стандартном 3-миллиметровом светодиоде, вероятно, имеют ток плавления 20-30 ампер. Мощный светодиод не намного больше стандартного; в основном у него лучше радиатор. Размер только слабо коррелируется с пропускной способностью по току.
Уоррен Янг
Сравнение выгорания светодиода с лампой накаливания подразумевает, что они могут иметь общую теорию работы, хотя на самом деле они настолько противоположны, насколько это возможно. При фиксированной температуре диоды являются нелинейными, а нить накала (игнорируя любые паразитные эффекты) является чисто линейной. Кроме того, нить накала имеет отрицательный тепловой коэффициент, и эта отрицательная обратная связь обеспечивает стабильную работу в диапазоне напряжений. Напротив, полупроводники, как правило, имеют положительный тепловой коэффициент и проявляют тепловое убегание, когда снабжаются избыточной энергией.
Христос
1

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)

Джордж Херольд
источник
0

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.

Джанлука Геттини
источник