Entiendo que los LED tienen una corriente máxima (como 20 mA, por ejemplo), pero científicamente, ¿por qué sucede esto?
Usando la analogía del agua, parece que un alto voltaje sería lo que estropearía algo (me gusta pensar en ello como una gran cantidad de "presión" que sopla una tubería o algo así). ¿Por qué una velocidad de flujo de electrones dañaría algo?
Es difícil llegar a una analogía porque las analogías habituales de los sistemas eléctricos son los sistemas de 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 está tirando a través de la resistencia de tus 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 cadena.
¿Se dañarán tus dedos si la cuerda se tira demasiado rápido? Sí: lo llamamos "quemadura de cuerda". Esto sucederá incluso si ajusta la resistencia de sus dedos para mantener una diferencia constante de tensión en la cuerda, independientemente de su velocidad (análogamente a la caída de tensión aproximadamente constante del LED).
La razón es que la velocidad de trabajo realizada 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 a través de sus dedos. Puedes quemar la cuerda apretando demasiado fuerte o moviendo la cuerda demasiado rápido.
"Tasa de trabajo" o "Tasa de energía" se llama poder . Una forma de definirlo, para sistemas mecánicos, es el producto de la fuerza (\ $ F \ $) y la velocidad (\ $ v \ $):
$$ P = Fv $$
Dado que la potencia es una tasa de energía, debe estar en unidades de energía por tiempo. En unidades SI, eso es joules por segundo, también conocido como vatio . Entonces, a pesar de lo rápido que se mueva la cuerda y de la fuerza que le apliquen los dedos, está haciendo trabajo a la velocidad de un cierto número de julios por segundo. Esta energía no puede desaparecer: se convierte en calor en la cuerda y en tus dedos. Una vez que excede la capacidad de su cuerpo para transferir el calor de la punta de sus dedos, su piel se calienta demasiado y se quema.
La analogía para los sistemas eléctricos es que la potencia es el producto del voltaje y la corriente:
$$ P = VI $$
\ $ V \ $ es aproximadamente constante para un LED, pero si aumenta \ $ I \ $ lo suficiente, genera calor más rápido de lo que puede irradiar al entorno ambiental. El LED se calienta demasiado y está dañado.
Hay una caída de tensión directa de un par de voltios en el LED. Esta caída de voltaje multiplicada por la corriente es la potencia disipada en el dispositivo. Crea luz, pero también calor. Es el calor lo que mata al LED.
TL; DR: La corriente que fluye genera calor y, para los LED, el calor destruye la pieza.
Cuando los electrones fluyen a través de un conductor, calentamiento de Joule . Esto se debe en parte a lo que realmente es el calor, las partículas que conforman el objeto que se mueve y el hecho de que se extraigan electrones garantiza que algunos electrones colisionen en algo y transfieran su energía a esa partícula, calentándola.
Cuando el LED está sobrecargado, el calentamiento excesivo hará que la unión frágil, así como la propia matriz, cambien. Ninguno de esos cambios es constructivo y, finalmente, el calor destruye la pieza. Para los LEDs, se queman y tal vez se queman, para algunas otras partes pueden estallar en llamas.
Aquí hay otra forma de ver lo que otros han dicho:
La conversión de la corriente en 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", medido en grados Kelvin / Watt, que dice con qué facilidad la "energía de desecho" de arriba sale del dado al PCB (generalmente el cátodo de un LED) como calor. Esto se especifica en la hoja de datos.
Además, cada componente electrónico tiene una temperatura de unión máxima, Tj, en 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 controla el LED, lo que sucederá es que la temperatura de la unión superará su capacidad máxima suelde los enlaces de alambre desde el interior del chip, dejándolo inoperable.
Buena pregunta!
Hay solo una cierta cantidad que ese tamaño de material puede manejar. Tomemos un filamento por ejemplo. Justo el tamaño correcto para brillar pero no quemarse. Se está abrumando con la electricidad, solo hay tanto que puede manejar antes de que se queme. Lo mismo con los LEDs. Depende de la cantidad y tipo de material.
Todas las respuestas agradables. Solo quería agregar que si no hubiera una recombinación no radiativa en los LED, habría mucho menos calor y uno podría empujar más corriente antes de que se caliente ... (Piense en los LED de alta eficiencia más nuevos)
En realidad, encontré la analogía del agua bastante efectiva. Una tubería se romperá si una gran cantidad de agua transitaría dentro de ella. Más específicamente, se derretirá cuando un fluido que fluye genera una pequeña cantidad de calor como cualquier otro material.