ስለ ብርሃን አመንጪ ዳዮዶች (LEDs) የሚወያዩ የምሳሌ ጥያቄዎች
ብርሃን አመንጪ ዳዮድ (LED) የኤሌክትሪክ ጅረት ሲያልፍ ብርሃን የሚያመነጭ ሴሚኮንዳክተር መሳሪያ ነው። ከኤልኢዲዎች በስተጀርባ ያለው ክስተት ኤሌክትሮሉሚኔሴንስ በመባል ይታወቃል፣ ሴሚኮንዳክተር ቁሳቁስ በኤሌክትሪክ ጅረት ሲነቃቃ ብርሃን ያመነጫል። ኤልኢዲዎች እንደ ኢንካንደር አምፖሎች ካሉ ባህላዊ የብርሃን ምንጮች ጋር ሲነፃፀሩ ከፍተኛ ቅልጥፍና እና ረጅም የአገልግሎት ዘመን ስላላቸው በተለያዩ አፕሊኬሽኖች ውስጥ በጣም ተወዳጅ ሆነዋል።
በዚህ ጽሑፍ ውስጥ፣ ከ LEDs ጋር የተያያዙ አንዳንድ ምሳሌዎችን እንወያያለን እንዲሁም የዚህን ክስተት በስተጀርባ ያለውን ፅንሰ ሀሳብ ለመረዳት እንዲረዳቸው መፍትሄዎቻቸውን እና ውይይቶቻቸውን በዝርዝር እናብራራለን።
ምሳሌ ጥያቄ 1፡ የኤልኢዲዎች መሰረታዊ ባህሪያት
ጥያቄ፡- አንድ LED 650 nm (ናኖሜትር) የሞገድ ርዝመት ያለው ብርሃን የማመንጨት አቅም አለው። በዚህ LED የሚወጣውን የፎቶኖች ኃይል በኤሌክትሮን-ቮልት (eV) ያሰሉ።
ውይይት፡
የፎቶን ጉልበት በፕላንክ እኩልታ በመጠቀም ሊሰላ ይችላል፡
\[ E = \frac{hc}{\lambda} \]
የት፡
– \(E \) የፎቶን ኃይል ነው፣
– \( h \) የፕላንክ ቋሚ ነው (\(6.626 \times 10^{-34} \text{ Js}\))፣
– \(c \) የብርሃን ፍጥነት ነው (\(3 \times 10^8 \text{ m/s}\))፣
– \( \lambda \) የብርሃን የሞገድ ርዝመት (650 nm ወይም \(650 \times 10^{-9} \text{ m}\)) ነው።
እነዚህን እሴቶች ወደ እኩልታው መተካት የሚከተሉትን ውጤቶች ያስገኛል፡
\[
E = \frac{6.626 \times 10^{-34} \times 3 \times 10^8}{650 \times 10^{-9}}
= \frac{1.9878 \times 10^{-25}}{650 \times 10^{-9}}
= 3.05 \times 10^{-19} \text{ J}
\]
ቀጥሎ፣ ጁልስን ወደ ኤሌክትሮን-ቮልት እንለውጣለን፤ ይህም የ\(1 \text{eV} = 1.602 \times 10^{-19} \text{J}\ ቅየራውን በመጠቀም፦
\[
E = \frac{3.05 \times 10^{-19}}{1.602 \times 10^{-19}}
≈ 1.90 \text{ eV}
\]
ስለዚህ፣ 650 nm የሞገድ ርዝመት ያለው LED የሚያመነጨው የፎቶን ኃይል 1.90 eV አካባቢ ነው።
ምሳሌ 2፡ የኤልኢዲ ወደፊት ቮልቴጅ
ጥያቄ፡- ቀይ ኤልኢዲ 2 ቮልት ያለው የፊት ቮልቴጅ ያለው ሲሆን በአግባቡ እንዲሰራ 20 mA የሆነ ጅረት ይፈልጋል። ኤልኢዲው የሚጠቀምበትን ኃይል አስሉ።
ውይይት፡
በ LED የሚወሰደውን ኃይል ለማስላት፣ ለኃይል መሰረታዊውን እኩልታ እንጠቀማለን፣ ማለትም፡
\[ P = V \times I \]
የት፡
– \( P \) በዋትስ (W) ውስጥ ያለው ኃይል ነው፣
– \(V \) በቮልትስ (V) ውስጥ ያለው ቮልቴጅ ነው፣
– \( I \) በአምፔስ (A) ውስጥ ያለው ጅረት ነው።
እነዚህን እሴቶች ወደ እኩልታው ይተኩ:
\[
P = 2 \text{ V} \times 20 \text{ mA}
= 2 \text{ V} \times 0.02 \text{ A}
= 0.04 \text{ W}
\]
ስለዚህ፣ በ2V ወደፊት ቮልቴጅ እና በ20 mA የአሁኑ ፍሰት የሚሰራ ቀይ LED የሚቀበለው ኃይል 0.04 ዋት ነው።
ምሳሌ 3፡ የኤልኢዲ ቅልጥፍና
ጥያቄ፡ ሰማያዊ ኤልኢዲ የኳንተም ቅልጥፍና 30% ነው። ኤልኢዲው 0.1 ዋት የኤሌክትሪክ ኃይል የሚጠቀም ከሆነ፣ እንደ ብርሃን ምን ያህል ኃይል ይወጣል?
ውይይት፡
የኳንተም ውጤታማነት (η) በብርሃን (P_luminous) መልክ የሚወጣው የኃይል ጥምርታ ከኤሌክትሪክ ኃይል ግብዓት (P_input) ጋር ነው፡
\[ η = \frac{P_{\text{luminous}}}{P_{\text{input}}} \]
\(P_{\text{luminous}} \\ ለማግኘት፣ የሚከተለውን እኩልታ በመጠቀም የ30% ወይም 0.30 የቅልጥፍና እሴት ይጠቀሙ፡
\[
0.30 = \frac{P_{\text{luminous}}}{0.1 \text{ W}}
\]
ስለዚህ፡
\[
P_{\text{luminous}} = 0.30 \times 0.1 \text{ W}
= 0.03 \text{ W}
\]
ስለዚህ፣ በብርሃን መልክ በ LED የሚወጣው ኃይል 0.03 ዋት ነው።
ምሳሌ 4፡ የተከታታይ LED ዑደት
ጥያቄ፡- በተከታታይ መገናኘት ያለባቸው እያንዳንዳቸው 2 ቮልት የሆነ የፊት ቮልቴጅ ያላቸው ሶስት ኤልኢዲዎች አሉዎት። የቮልቴጅ ምንጩ 9 ቮልት ከሆነ፣ የአሁኑን 20 mA ለመገደብ የሚያስፈልገውን ተቃዋሚ እሴት ይወስኑ።
ውይይት፡
ኤልኢዲዎች በተከታታይ ሲገናኙ፣ የሚፈለገው አጠቃላይ ቮልቴጅ የእያንዳንዱ ኤልኢዲ የወደፊት ቮልቴጅ ድምር ነው፡
\[
V_{ጠቅላላ} = V_f1 + V_f2 + V_f3
= 2V + 2V + 2V
= 6.
\]
በተቃዋሚው መበተን ያለበት የቀረው ቮልቴጅ፡
\[
V_{R} = V_{ምንጭ} – V_{ጠቅላላ}
= 9V – 6V
= 3.
\]
የሚፈለገው የ20 mA ጅረት ሲኖር፣ የተቃዋሚው እሴት የሚሰላው የኦህም ህግን በመጠቀም ነው፡
\[
R = \frac{V_{R}}{I}
= \frac{3V}{20 \text{ mA}}
= \frac{3V}{0.02A}
= 150 \ኦሜጋ
\]
ስለዚህ የሚፈለገው የተቃዋሚ እሴት 150 ohms ነው።
ምሳሌ 5፡ ትይዩ የኤልኢዲ የአሁኑ ገደብ ዑደት
ጥያቄ፡ በአንድ ወረዳ ውስጥ ሁለት በትይዩ LEDዎች አሉ፣ እያንዳንዳቸው 2V ወደፊት ቮልቴጅ እና 20 mA ጅረት አላቸው። ለእያንዳንዱ LED አንድ ሬዚስተር ጥቅም ላይ ከዋለ ከ5V ቮልቴጅ ምንጭ የሚፈለገው አጠቃላይ ጅረት ምን ያህል ነው?
ውይይት፡
በትይዩ ለተደረደሩት LEDዎች፣ እያንዳንዱ LED ተመሳሳይ ቮልቴጅ ያጋጥመዋል፣ ማለትም የየራሳቸውን የወደፊት ቮልቴጅ፣ እና በአንድ LED 20 mA የአሁኑን ስለሚፈልጉ፣ አጠቃላይ የአሁኑ ጊዜ የሚከተለው ነው፡
\[
I_{ጠቅላላ} = I_1 + I_2
= 20 \text{ mA} + 20 \text{ mA}
= 40 \text{ mA}
\]
የእያንዳንዱን LED የተቃዋሚ እሴት ለማስላት:
\[
V_{R} = V_{ምንጭ} – V_f
= 5V – 2V
= 3.
\]
በእያንዳንዱ LED ውስጥ ያለውን የአሁኑን መጠን ለመገደብ የተቃዋሚ እሴት፡
\[
R = \frac{V_{R}}{I}
= \frac{3V}{20 \text{ mA}}
= \frac{3V}{0.02A}
= 150 \ኦሜጋ
\]
ስለዚህ፣ እያንዳንዱ ኤልኢዲ 150 ohm resistor ያስፈልገዋል። ከ5V የኃይል አቅርቦት የሚፈለገው አጠቃላይ የኤሌክትሪክ ፍሰት 40 mA ነው።
ከሲምፑላን
ኤልኢዲዎች በዘመናዊ ኤሌክትሮኒክስ ውስጥ ወሳኝ አካላት ናቸው ምክንያቱም ረጅም ዕድሜ ያለው ከፍተኛ ብቃት ያለው ብርሃን የማቅረብ ችሎታ ስላላቸው። እንደ ወደፊት ቮልቴጅ፣ ጅረት፣ ኃይል፣ የኳንተም ውጤታማነት እና በወረዳ ውስጥ እንዴት ማዋቀር እንደሚቻል ያሉ መሰረታዊ ፅንሰ ሀሳቦችን መረዳት ለተግባራዊ አፕሊኬሽኖች ጠንካራ መሠረት ይሰጣል። ከላይ የተጠቀሱት ምሳሌዎች በኤሌክትሮኒክ ወረዳዎች ውስጥ የኤልኢዲዎችን አጠቃቀም በተመለከተ የተለያዩ አፕሊኬሽኖችን እና ስሌቶችን ለመቆጣጠር የመጀመሪያ እርምጃ ናቸው።
