Чому світлодіоди мають максимальний струм?

14

Тож я розумію, що світлодіоди мають максимальний струм (наприклад, 20 мА), але науково чому це?

Використовуючи аналогію з водою, здається, що висока напруга була б річчю, яка щось зіпсує (мені подобається думати про це як про величезну кількість «тиску», що видуває трубу чи щось таке). Чому швидкість потоку електронів щось шкодить?

led theory physics

— клабаччо
джерело

3

@ IgnacioVazquez-Abrams Що? Напруга є кожним бітом таким же фізичним, як і тиск. Насправді це дуже хороша аналогія, оскільки вони є кожним фізичним потенціалом (енергія на одиницю штуки): тиск можна виміряти в джоулях на кубічний метр, а напруга в джоулях на кулон.

— Філ Мороз

9

Це мінімальний струм, при якому чарівний дим має достатньо енергії для втечі.

— AE

Дотримуючись аналогії труб - як щодо швидкості потоку води спричиняє виснаження труби, зношування боків вниз і врешті-решт спричинення розриву - як електричний запобіжник?

— OJFord

"Чому світлодіоди мають максимальний струм?" робить їх звучанням винятковим. Насправді все має максимальний струм. (хоча ізолятори легше описати як максимальну напругу)

— MSalters

Все має максимальний струм, напругу (... і потужність, дВ / дт тощо), але деякі пристрої (або їх елементи) - це "пристрої напруги" (наприклад, мікроконтролери, конденсатори, ворота MOSFET) та інші "пристрої струму" (наприклад, діоди, світлодіоди, BJT, джерело зливу MOSFET). Набагато більш інформативним є купівля максимумів у відповідних до пристрою термінах, а не "перетворення" їх на щось інше (наприклад, Igs (max)? :P).

— Нік Т

32

Важко придумати аналогію, тому що звичайними аналогіями для електричних систем є рідинні системи. Відмінна річ у системах з рідиною полягає в тому, що робоча рідина також добре охолоджує речі, а практичний досвід більшості людей із системами рідин передбачає швидкість потоку, коли нагрівання не дуже суттєве.

Тож давайте спробуємо іншу аналогію: струна, що тягнеться через опір пальців. Ваші пальці - це світлодіод, а падіння напруги світлодіода аналогічно різниці в напрузі струни з обох боків пальців. Струм аналогічний швидкості, з якою натягується струна.

Чи будуть ваші пальці пошкоджені, якщо стяжка буде натягнута занадто швидко? Так: ми називаємо це «спаленням мотузки». Це станеться, навіть якщо ви налаштуєте опір пальців, щоб підтримувати постійну різницю напруги на мотузці незалежно від її швидкості (аналогічно приблизно постійному падінню напруги світлодіода).

Причина полягає в тому, що швидкість виконаної роботи, а отже, і вироблене тепло - це добуток сили, яку ваші пальці застосовують до мотузки, і швидкості, з якою мотузка рухається через ваші пальці. Ви можете отримати опік мотузки, стискаючи занадто сильно або переміщуючи струну занадто швидко.

"Норма роботи" або "норма енергії" називається потужністю . Одним із способів її визначення для механічних систем є добуток сили ( ) та швидкості ( ): $F$ $v$

П = Ж v

$P = Fv$

Оскільки потужність - це норма енергії, вона повинна бути в одиницях енергії за раз. У одиницях СІ цей джоуль за секунду, також відомий як ват . Отже, як би швидко не рухалася мотузка, і як би сильно не прикладали пальці до неї, ви виконуєте роботу зі швидкістю деякої кількості джоулів за секунду. Ця енергія не може зникнути: вона стає теплом у мотузці та ваших пальцях. Як тільки ви перевищите здатність вашого тіла передавати тепло від кінчиків пальців, ваша шкіра стає занадто гарячою і ви згоріли.

Аналогія електричних систем полягає в тому, що потужність є продуктом напруги і струму:

П = V Я

$P = VI$

приблизно постійний для світлодіода, але якщо ви збільшите досить, ви генерувати тепло швидшеніж він може випромінювати в навколишнє середовище. Світлодіод нагрівається і пошкоджується. $V$ $I$

— Філ Мороз
джерело

Отже, світлодіод може бути пошкоджений, якщо б він мав надзвичайно високу напругу, але низький струм?

6

Напруга світлодіода фіксується на пару вольт. Якщо ви збільшуєте напругу понад це, струм буде збільшуватися, щоб поглинати всю потужність, яку ваш джерело живлення здатний подавати в нього - поки він не згорить і не стане ізолятором.

— PkP

1

@Mercfh Функція, що стосується струму та напруги для резисторів, є законом Ома , і існує кілька моделей для діодів , залежно від того, наскільки точним потрібно бути.

— Філ Мороз

7

Якщо ви хочете дотримуватися аналогії з водою, то хороша модель - це водяне колесо або турбіна. Рухайте воду занадто швидко, і ви пошкодите підшипники (вони перегріваються)

— slebetman

3

+1. Я ніколи не чув про аналогію струни / напруги, і це дуже подобається!

— Шамтам

16

Попереду світлодіодне падіння напруги на пару вольт. Це падіння напруги в рази більше за струм - це потужність, що розсіюється в пристрої. Це створює світло, але і тепло. Це тепло, яке вбиває світлодіод.

— PkP
джерело

Якщо ви опускаєте стандартний світлодіод на джерело напруги, утримуючи його за голову, він іноді генерує достатньо тепла, перш ніж він помре, щоб помітно нагрітися. Не робіть цього за допомогою світлодіодної потужності!

— Воррен Янг

12

TL; DR: Текучий струм створює тепло, а для світлодіодів тепло вбиває деталь.

Щоразу, коли електрони проходять через провідник, відбувається нагрівання Джоуля . Частково це пояснюється тим, що насправді є теплом, частинками, що утворюють об'єкт, що рухається навколо, і простягання через нього електронів гарантує, що деякі електрони зіткнуться в щось і перенесуть його енергію в цю частинку, нагріваючи її.

При перевантаженні світлодіода надмірне нагрівання призведе до зміни неміцного зв’язку, а також до зміни штампу. Жодна з цих змін не є конструктивною, і з часом тепло знищує частину. Для світлодіодів вони вигоряють і, можливо, розриваються, для деяких інших частин вони можуть спалахнути полум'ям.

— Макшон Чан
джерело

2

Ось ще один спосіб перегляду того, що сказали деякі інші:

Перетворення струму у світло не є на 100% ефективним, тому решта енергії, не перетворену на світло, - це тепло.

Кожен електронний компонент має щось, що називається "термічним опором", вимірюваним у градусах Кельвіна / Ватт, що говорить про те, наскільки легко "відпрацьована енергія" вище виходить з штампу на друковану плату (як правило, катод для світлодіода) як тепло. Це вказано у таблиці.

Крім того, кожен електронний компонент має максимальну температуру з'єднання, Tj, при якій він може працювати відповідно до решти заданих параметрів у таблиці.

З цією інформацією, враховуючи постійний тепловий опір, Rth, фіксований світлодіод максимальної потужності, Pdiss_max та постійно зростаючий джерело енергії, що керує світлодіодом, що станеться, ви будете керувати температурою стику вище його максимальної номінальної величини та, ймовірно, відпаяти провід зв’язується зсередини мікросхеми, роблячи її непрацездатною.

Гарне питання!

— ковбойдан
джерело

1

Є лише певна кількість, з якою може впоратися такий розмір матеріалу. Візьмемо для прикладу нитку. Тільки потрібного розміру, щоб світитися, але не вигоряти. Він переповнений електрикою, є лише стільки, з чим він може впоратися, перш ніж вигорить. Те саме зі світлодіодами. Залежить від кількості та типу матеріалу.

— Кенні Хокінс
джерело

Хоча це правда, наскільки це відбувається, я не думаю, що корисно думати про це з точки зору розміру. Провід на стандартному 3-мм світлодіоді, ймовірно, має струм плавлення 20-30 ампер. Потужний світлодіод не настільки більший, ніж у стандартного; головним чином, він має кращий тепловідвід. Розмір лише слабко корелює з потужністю керування струмом.

— Warren Young

Якщо порівнювати світлодіод, що вигоряє, з розжареною ниткою, то це означає, що вони можуть поділяти загальну теорію роботи, бо насправді вони є приблизно настільки ж протилежними, наскільки це можливо. При фіксованій температурі діоди нелінійні, тоді як нитка (ігноруючи будь-які паразитарні ефекти) чисто лінійна. Крім того, нитка має негативний тепловий коефіцієнт, і цей негативний зворотний зв'язок дозволяє стабільно працювати в діапазоні напруг. Навпаки, напівпровідники, як правило, мають позитивний тепловий коефіцієнт і виявляють тепловий відтік при забезпеченні зайвої енергії.

— bcrist

1

Всі приємні відповіді. Я просто хотів додати, що якби не було радіаційної рекомбінації в світлодіодах, то було б набагато менше тепла, і можна було б просунути більше струму, перш ніж він нагріється ... (Подумайте про нові новіші світлодіодні індикатори високої ефективності)

— Джордж Герольд
джерело

0

Власне, я вважав, що аналогія води є досить ефективною. Труба розірветься, якщо в неї пройде велика кількість води. Більш конкретно, він буде танути, коли текуча рідина генерує невелику кількість тепла, як і будь-який інший матеріал

— Джанлука Геттіні
джерело