¿Por qué los LED tienen una corriente máxima?

Así que entiendo que los LED tienen una corriente máxima (como 20 mA, por ejemplo), pero científicamente ¿por qué es esto?

Usando la analogía del agua, parece que un alto voltaje sería lo que arruinaría algo (me gusta pensar que es una gran cantidad de "presión" que sopla una tubería o algo así). ¿Por qué una tasa de flujo de electrones dañaría algo?

Es difícil encontrar una analogía porque las analogías habituales para los sistemas eléctricos son los sistemas fluidos. Una gran cosa acerca de los sistemas de fluidos es que el fluido de trabajo también es bueno para enfriar cosas, y la experiencia práctica de la mayoría de las personas con sistemas de fluidos involucra tasas de flujo donde el calentamiento no es muy significativo.

Entonces, intentemos una analogía diferente: una cuerda que se tira a través de la resistencia de sus dedos. Sus dedos son el LED, y la caída de voltaje del LED es análoga a la diferencia en la tensión de la cuerda a cada lado de sus dedos. La corriente es análoga a la velocidad a la que se tira de la cuerda.

¿Se dañarán los dedos si se tira de la cuerda demasiado rápido? Sí: lo llamamos "cuerda quemada". Esto sucederá incluso si ajusta la resistencia de sus dedos para mantener una diferencia constante en la tensión de la cuerda independientemente de su velocidad (análoga a la caída de voltaje aproximadamente constante del LED).

La razón es que la velocidad del trabajo realizado y, por lo tanto, el calor generado, es el producto de la fuerza que sus dedos aplican a la cuerda y la velocidad a la que la cuerda se mueve entre sus dedos. Puede quemar una cuerda apretando con demasiada fuerza o moviendo la cuerda demasiado rápido.

La "tasa de trabajo" o "tasa de energía" se llama potencia . Una forma de definirlo, para sistemas mecánicos, es el producto de la fuerza ( ) y la velocidad ( v ):$F$$v$

Como el poder es una tasa de energía, debería estar en unidades de energía por tiempo. En unidades SI, eso es julios por segundo, también conocido como el vatio . Entonces, por muy rápido que se mueva la cuerda y por la fuerza que le apliquen los dedos, está trabajando a una velocidad de cierto número de julios por segundo. Esta energía no puede desaparecer: se convierte en calor en la cuerda y en los dedos. Una vez que superas la capacidad de tu cuerpo para transferir calor lejos de tus dedos, tu piel se calienta demasiado y te quemas.

La analogía para los sistemas eléctricos es que la energía es el producto del voltaje y la corriente:

es aproximadamente constante para un LED, pero si aumenta I lo suficiente, genera calor más rápido de lo que puede irradiar al ambiente. El LED se calienta demasiado y está dañado.$V$$I$

Hay una caída de voltaje directo de un par de voltios a través del LED. Esta caída de voltaje multiplicada por la corriente es la potencia disipada en el dispositivo. Crea luz, pero también calor. Es el calor que mata al LED.

TL; DR: la corriente que fluye crea calor, y para los LED, el calor mata la pieza.

Cada vez que los electrones fluyen a través de un conductor, se produce el calentamiento de Joule . Esto se debe en parte a lo que realmente es el calor, a las partículas que forman el objeto que se mueve, y al tener electrones atravesados ​​garantiza que algunos electrones colisionarán en algo y transferirán su energía a esa partícula, calentándola.

Cuando el LED está sobrecargado, el calentamiento excesivo hará que la unión frágil y la matriz misma cambien. Ninguno de esos cambios es constructivo y, finalmente, el calor destruye la pieza. En el caso de los LED, se queman y pueden explotar, y en algunas otras partes pueden estallar en llamas.

Aquí hay otra forma de ver lo que otros han dicho:

La conversión de corriente a luz no es 100% eficiente, por lo que el resto de la energía que no se convierte en luz es calor.

Cada componente electrónico tiene algo llamado "resistencia térmica" medida en grados Kelvin / Watt, que dice con qué facilidad la "energía de desperdicio" anterior sale del troquel al PCB (típicamente el cátodo para un LED) como calor. Esto se especifica en la hoja de datos.

Además, cada componente electrónico tiene una temperatura de unión máxima, Tj a la que puede operar de acuerdo con el resto de los parámetros especificados en la hoja de datos.

Con esta información, dada una resistencia térmica constante, Rth, un LED de clasificación de potencia máxima fija, Pdiss_max y una fuente de energía en constante aumento que impulsa el LED, lo que sucederá es que conducirá la temperatura de la unión por encima de su clasificación máxima y probablemente se soldará el cable se adhiere desde el interior del chip, dejándolo inoperable.

¡Buena pregunta!

Solo hay una cierta cantidad que ese tamaño de material puede manejar. Tome un filamento por ejemplo. El tamaño justo para brillar pero no quemarse. Está siendo abrumado por la electricidad, solo hay mucho que puede manejar antes de que se queme. Lo mismo con los LED. Depende de la cantidad y tipo de material.

Todas buenas respuestas. Solo quería agregar que si no hubiera recombinación no radiativa en los LED, entonces habría mucho menos calor y uno podría empujar más corriente antes de que se caliente ... (Piense en LED más nuevos de alta eficiencia)

En realidad, la analogía del agua me pareció bastante efectiva. Una tubería se romperá si una gran cantidad de agua transita por ella. Más específicamente, se derretirá a medida que un fluido que fluye genera una pequeña cantidad de calor como cualquier otro material