Pourquoi les LED ont-elles un courant maximum?

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Je comprends donc que les LED ont un courant maximum (comme 20mA par exemple), mais scientifiquement pourquoi est-ce?

En utilisant l'analogie de l'eau, il semble qu'une haute tension serait la chose qui gâcherait quelque chose (j'aime à y penser comme une énorme quantité de "pression" soufflant sur un tuyau ou quelque chose). Pourquoi un débit d'électrons endommagerait-il quelque chose?

led theory physics

— clabacchio
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@ IgnacioVazquez-Abrams Quoi? La tension est tout aussi physique que la pression. C'est en fait une très bonne analogie car ce sont chacun des potentiels physiques (énergie par unité de matière): la pression pourrait être mesurée en joules par mètre cube, et la tension en joules par coulomb.

— Phil Frost

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C'est le courant minimum auquel la fumée magique a suffisamment d'énergie pour s'échapper.

— AE

S'en tenir à l'analogie des tuyaux - que diriez-vous du taux de débit d'eau qui provoque une attrition sur le tuyau, usant les côtés vers le bas et provoquant éventuellement une rupture - comme un fusible électrique?

— OJFord

"Pourquoi les LED ont-elles un courant maximum?" leur donne un son exceptionnel. Presque tout a un courant maximum. (bien que les isolateurs soient plus facilement décrits comme ayant une tension maximale)

— MSalters

Tout a un courant, une tension (... et une puissance, dV / dt, etc.) maximum, mais certains appareils (ou leurs éléments) sont des "appareils à tension" (par exemple microcontrôleurs, condensateurs, portes MOSFET) et d'autres "appareils à courant" (par exemple diodes, LED, BJT, drain-source MOSFET). Il est beaucoup plus informatif de diviser les maximums en termes pertinents pour l'appareil plutôt que de les "convertir" en quelque chose d'autre (par exemple Igs (max)? :P).

— Nick T

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Il est difficile de trouver une analogie car les analogies habituelles pour les systèmes électriques sont des systèmes fluides. Une grande chose au sujet des systèmes de fluide est que le fluide de travail est également bon pour refroidir les choses, et l'expérience pratique de la plupart des gens avec les systèmes de fluide implique des débits où le chauffage n'est pas très important.

Essayons donc une analogie différente: une corde tirée à travers la résistance de vos doigts. Vos doigts sont la LED, et la chute de tension de la LED est analogue à la différence de tension de la corde de chaque côté de vos doigts. Le courant est analogue à la vitesse à laquelle la chaîne est tirée.

Vos doigts seront-ils endommagés si la corde est tirée trop vite? Oui: nous l'appelons "brûlure de corde". Cela se produira même si vous ajustez la résistance de vos doigts pour maintenir une différence de tension constante sur la corde quelle que soit sa vitesse (analogue à la chute de tension approximativement constante de la LED).

La raison en est que le taux de travail effectué, et donc la chaleur générée, est le produit de la force que vos doigts appliquent à la corde et de la vitesse à laquelle la corde se déplace entre vos doigts. Vous pouvez vous brûler la corde en serrant trop fort ou en déplaçant la corde trop vite.

$F$ $v$

P = F v

$P = Fv$

Puisque la puissance est un taux d'énergie, elle doit être exprimée en unités d'énergie par temps. En unités SI, c'est des joules par seconde, également appelés watts . Donc, quelle que soit la vitesse à laquelle la corde se déplace et quelle que soit la force exercée par vos doigts, vous travaillez à un certain nombre de joules par seconde. Cette énergie ne peut pas disparaître: elle devient de la chaleur dans la corde et dans vos doigts. Une fois que vous avez dépassé la capacité de votre corps à transférer la chaleur du bout des doigts, votre peau devient trop chaude et vous êtes brûlé.

L'analogie pour les systèmes électriques est que l'énergie est le produit de la tension et du courant:

P = V I

$P = VI$

$V$ $I$

— Phil Frost
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Ainsi, une LED pourrait être endommagée si elle avait une tension extrêmement élevée mais un faible courant alors?

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La tension de la LED est fixée à quelques volts. Si vous augmentez la tension au-delà de cela, le courant augmentera pour absorber toute la puissance que votre alimentation est capable d'y alimenter - jusqu'à ce qu'elle brûle et devienne un isolant.

— PkP

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@Mercfh La fonction qui relie le courant et la tension pour les résistances est la loi d'Ohm , et il existe plusieurs modèles pour les diodes , selon la précision dont vous avez besoin.

— Phil Frost

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Si vous souhaitez vous en tenir à l'analogie de l'eau, une roue à eau ou une turbine est un bon modèle. Déplacez l'eau trop vite et vous endommagerez les roulements (ils surchauffent)

— slebetman

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+1. Je n'ai jamais entendu parler de l'analogie chaîne / tension auparavant, et j'aime bien ça!

— Shamtam

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Il y a une chute de tension directe de quelques volts à travers la LED. Cette chute de tension multiplie le courant par la puissance dissipée dans l'appareil. Il crée de la lumière, mais aussi de la chaleur. C'est la chaleur qui tue la LED.

— PkP
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Si vous déposez une LED standard sur une source de tension tout en la tenant par la tête, elle génère parfois suffisamment de chaleur avant de mourir pour devenir sensiblement plus chaude. Ne faites pas cela avec une LED haute puissance!

— Warren Young

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TL; DR: le courant qui circule crée de la chaleur et pour les LED, la chaleur tue la pièce.

Chaque fois que des électrons traversent un conducteur, un échauffement Joule se produit. C'est en partie à cause de ce qu'est vraiment la chaleur, des particules qui composent l'objet qui se déplace, et le fait d'avoir des électrons traversés garantit que certains électrons entreront en collision avec quelque chose et verront leur énergie transférée dans cette particule, ce qui la chauffera.

Lorsque la LED est surchargée, un échauffement excessif entraînera le changement de la liaison fragile ainsi que la matrice elle-même. Aucun de ces changements n'est constructif et finalement la chaleur détruit la pièce. Pour les LED, elles s'éteignent et peuvent exploser, pour d'autres parties, elles peuvent s'enflammer.

— Maxthon Chan
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Voici une autre façon de voir ce que certains ont dit:

La conversion du courant en lumière n'est pas efficace à 100%, donc le reste de l'énergie non convertie en lumière est de la chaleur.

Chaque composant électronique a ce qu'on appelle une "résistance thermique" mesurée en degrés Kelvin / Watt qui indique avec quelle facilité "l'énergie résiduelle" ci-dessus s'échappe de la puce vers le PCB (généralement la cathode pour une LED) sous forme de chaleur. Ceci est spécifié dans la fiche technique.

De plus, chaque composant électronique a une température de jonction maximale, Tj à laquelle il peut fonctionner selon le reste des paramètres spécifiés dans la fiche technique.

Avec ces informations, étant donné une résistance thermique constante, Rth, une LED de puissance maximale fixe, Pdiss_max, et une source d'alimentation en constante augmentation entraînant la LED, ce qui se passera, c'est que vous conduirez la température de jonction au-dessus de sa valeur nominale maximale et probablement de la soudure le fil se lie de l'intérieur de la puce, la rendant inutilisable.

Bonne question!

— cowboydan
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Il n'y a qu'une certaine quantité que cette taille de matériau peut gérer. Prenez un filament par exemple. Juste la bonne taille pour briller mais pas brûler. Il est submergé d'électricité, il n'y a que peu de choses qu'il peut gérer avant de brûler. Idem avec les LED. Dépend de la quantité et du type de matériau.

— Kenny Hawkins
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Bien que cela soit vrai dans la mesure où il va, je ne pense pas qu'il soit utile de le penser en termes de taille. Les fils d'une LED standard de 3 mm ont probablement un courant de fusion de 20 à 30 ampères. Une LED haute puissance n'est pas beaucoup plus grosse qu'une LED standard; principalement, il a un meilleur dissipateur thermique. La taille n'est que faiblement corrélée à la capacité de traitement actuelle.

— Warren Young

La comparaison d'une LED brûlant avec un filament incandescent implique qu'ils peuvent partager une théorie de fonctionnement commune, alors qu'en fait, ils sont à peu près aussi opposés que possible. À une température fixe, les diodes sont non linéaires, tandis qu'un filament est (en ignorant les effets parasites) purement linéaire. De plus, un filament a un coefficient thermique négatif, et cette rétroaction négative permet un fonctionnement stable sur une plage de tensions. En revanche, les semi-conducteurs ont généralement un coefficient thermique positif et présentent un emballement thermique lorsqu'ils sont fournis avec un excès d'énergie.

— bcrist

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Toutes les bonnes réponses. Je voulais juste ajouter que s'il n'y avait pas de recombinaison non radiative dans les LED, alors il y aurait beaucoup moins de chaleur et on pourrait faire passer plus de courant avant qu'il ne chauffe ... (pensez aux nouvelles LED à haute efficacité)

— George Herold
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En fait, j'ai trouvé l'analogie avec l'eau assez efficace. Un tuyau se brisera si une énorme quantité d'eau y pénétrait. Plus précisément, il fondra car un fluide s'écoulant génère une petite quantité de chaleur comme tout autre matériau.

— Gianluca Ghettini
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