Voorbeeldvrae oor lig-emitterende diodes (LED's)
'n Lig-emitterende diode (LED) is 'n halfgeleiertoestel wat lig uitstraal wanneer 'n elektriese stroom daardeur vloei. Die verskynsel agter LED's staan bekend as elektroluminesensie, waar 'n halfgeleiermateriaal lig uitstraal wanneer dit deur 'n elektriese stroom opgewek word. LED's het baie gewild geword in 'n verskeidenheid toepassings as gevolg van hul hoë doeltreffendheid en lang lewensduur in vergelyking met tradisionele ligbronne soos gloeilampe.
In hierdie artikel sal ons 'n paar voorbeeldprobleme met betrekking tot LED's bespreek en hul oplossings en besprekings in detail verduidelik om die konsep agter hierdie verskynsel te help verstaan.
Voorbeeldvraag 1: Basiese eienskappe van LED's
Vraag: 'n LED het die potensiaal om lig met 'n golflengte van 650 nm (nanometer) uit te straal. Bereken die energie van die fotone wat deur hierdie LED uitgestraal word in elektronvolt (eV).
Bespreking:
Die fotonenergie kan bereken word met behulp van Planck se vergelyking:
[E = \frac{hc}{\lambda} \]
Waar:
– \(E \) is die fotonenergie,
– \( h \) is Planck se konstante (\(6.626 \times 10^{-34} \tex{ Js}\)),
– \(c \) is die spoed van lig (\(3 \times 10^8 \tex{ m/s}\)),
– \( \lambda \) is die golflengte van lig (650 nm of \(650 \times 10^{-9} \text{ m}\)).
Deur hierdie waardes in die vergelyking te vervang, word die volgende opgelewer:
\[
E = \frac{6.626 \times 10^{-34} \times 3 \times 10^{8}{650 \times 10^{-9}}
= \frac{1.9878 \times 10^{-25}}{650 \times 10^{-9}}
= 3.05 × 10⁻¹ J
\]
Volgende skakel ons Joule om na elektronvolt deur die omskakeling (1 eV = 1.602 maal 10-19 J) te gebruik:
\[
E = \frac{3.05 \times 10^{-19}}{1.602 \times 10^{-19}}
≈ 1.90 \teks{ eV}
\]
Dus, die fotonenergie wat deur 'n LED met 'n golflengte van 650 nm uitgestraal word, is ongeveer 1.90 eV.
Voorbeeld 2: LED Voorwaartse Spanning
Vraag: 'n Rooi LED het 'n voorwaartse spanning van 2V en benodig 'n stroom van 20 mA om behoorlik te werk. Bereken die krag wat deur die LED verbruik word.
Bespreking:
Om die krag wat deur die LED geabsorbeer word, te bereken, gebruik ons die basiese vergelyking vir krag, naamlik:
\[ P = V \maal I \]
Waar:
– \(P \) is die krag in Watt (W),
– \(V \) is die spanning in Volt (V),
– \( I \) is die stroom in Ampère (A).
Vervang hierdie waardes in die vergelyking:
\[
P = 2 \teks{ V} \times 20 \teks{ mA}
= 2 \teks{ V} \times 0.02 \teks{ A}
= 0.04 \teks{ W}
\]
Dus, die krag wat deur 'n rooi LED geabsorbeer word wat teen 'n voorwaartse spanning van 2V en 'n stroom van 20 mA werk, is 0.04 Watt.
Voorbeeld 3: LED-doeltreffendheid
Vraag: 'n Blou LED het 'n kwantumdoeltreffendheid van 30%. As die LED 0.1 W elektriese krag gebruik, hoeveel krag word as lig uitgestraal?
Bespreking:
Kwantumdoeltreffendheid (η) is die verhouding van die krag wat vrygestel word in die vorm van lig (P_luminous) tot die elektriese kraginset (P_input):
\[ η = \frac{P_{\text{luminous}}}{P_{\text{invoer}}} \]
Om \( P_{\text{luminous}} \) te vind, gebruik die volgende vergelyking met 'n doeltreffendheidswaarde van 30% of 0.30:
\[
0.30 = \frac{P_{\text{luminous}}}{0.1 \text{ W}}
\]
Dus:
\[
P_{\text{luminous}} = 0.30 × 0.1 W
= 0.03 \teks{ W}
\]
Dus, die krag wat deur die LED in die vorm van lig vrygestel word, is 0.03 Watt.
Voorbeeldprobleem 4: Serie-LED-stroombaan
Vraag: Jy het drie LED's met 'n voorwaartse spanning van 2V elk wat in serie gekoppel moet word. As die spanningsbron 9V is, bepaal die waarde van die weerstand wat nodig is om die stroom tot 20 mA te beperk.
Bespreking:
Wanneer LED's in serie gekoppel word, is die totale spanning wat benodig word die som van die voorwaartse spannings van elke LED:
\[
V_{totaal} = V_f1 + V_f2 + V_f3
= 2V + 2V + 2V
= 6V
\]
Die residuele spanning wat deur die weerstand verkwis moet word, is:
\[
V_{R} = V_{bron} – V_{totaal}
= 9V – 6V
= 3V
\]
Met 'n verlangde stroom van 20 mA word die weerstandswaarde bereken met behulp van Ohm se wet:
\[
R = \frac{V_{R}}{I}
= \frac{3V}{20 \tex{ mA}}
= \frac{3V}{0.02A}
= 150 \Omega
\]
Dus, die vereiste weerstandswaarde is 150 ohm.
Voorbeeld 5: Parallelle LED-stroombeperkerkring
Vraag: In 'n stroombaan is daar twee LED's wat parallel gerangskik is, elk met 'n voorwaartse spanning van 2V en 'n stroom van 20 mA. Wat is die totale stroom wat benodig word vanaf 'n 5V-spanningsbron as 'n weerstand vir elke LED gebruik word?
Bespreking:
Vir LED's wat parallel gerangskik is, sal elke LED dieselfde spanning ervaar, naamlik hul onderskeie voorwaartse spanning, en aangesien hulle 20 mA stroom per LED benodig, is die totale stroom:
\[
I_{totaal} = I_1 + I_2
= 20 \text{ mA} + 20 \text{ mA}
= 40 \teks{ mA}
\]
Om die weerstandswaarde vir elke LED te bereken:
\[
V_{R} = V_{bron} – V_f
= 5V – 2V
= 3V
\]
Die weerstandswaarde om die stroom in elke LED te beperk, is:
\[
R = \frac{V_{R}}{I}
= \frac{3V}{20 \tex{ mA}}
= \frac{3V}{0.02A}
= 150 \Omega
\]
Dus benodig elke LED 'n 150 ohm-weerstand. Die totale stroom wat van 'n 5V-kragtoevoer benodig word, is 40 mA.
Afsluiting
LED's is noodsaaklike komponente in moderne elektronika as gevolg van hul vermoë om hoogs doeltreffende beligting met 'n lang lewensduur te verskaf. Begrip van basiese konsepte soos voorwaartse spanning, stroom, drywing, kwantumdoeltreffendheid, en hoe om dit in 'n stroombaan te konfigureer, sal 'n stewige fondament vir praktiese toepassings bied. Die voorbeelde hierbo is 'n eerste stap in die rigting van die bemeestering van die verskillende toepassings en berekeninge wat verband hou met die gebruik van LED's in elektroniese stroombane.
