Прыклады пытанняў па абмеркаванні святлодыёдаў (LED)
Святлодыёд (LED) — гэта паўправадніковая прылада, якая выпраменьвае святло, калі праз яе праходзіць электрычны ток. З'ява, якая ляжыць у аснове святлодыёдаў, вядомая як электралюмінесцэнцыя, пры якой паўправадніковы матэрыял выпраменьвае святло пры ўзбуджэнні электрычным токам. Святлодыёды сталі вельмі папулярнымі ў розных сферах прымянення дзякуючы сваёй высокай эфектыўнасці і працягламу тэрміну службы ў параўнанні з традыцыйнымі крыніцамі святла, такімі як лямпы напальвання.
У гэтым артыкуле мы абмяркуем некаторыя прыклады праблем, звязаных са святлодыёдамі, і падрабязна растлумачым іх рашэнні і абмеркаванні, каб дапамагчы зразумець канцэпцыю гэтай з'явы.
Прыклад пытання 1: Асноўныя ўласцівасці святлодыёдаў
Пытанне: Святлодыёд можа выпраменьваць святло з даўжынёй хвалі 650 нм (нанаметраў). Разлічыце энергію фатонаў, якія выпраменьвае гэты святлодыёд, у электрон-вольтах (эВ).
Абмеркаванне:
Энергію фатона можна вылічыць з дапамогай ураўнення Планка:
\[ E = \frac{hc}{\lambda} \]
Дзе:
– \(E \) — энергія фатона,
– h — пастаянная Планка (6.626 × 10⁻⁴ Js),
– \(c \) — хуткасць святла (\(3 \times 10^8 \text{ м/с}\)),
– \( \lambda \) — даўжыня хвалі святла (650 нм або \(650 \times 10^{-9} \text{ м}\)).
Падстаўляючы гэтыя значэнні ў раўнанне, атрымліваем:
\[
E = \frac{6.626 \times 10^{-34} \times 3 \times 10^8}{650 \times 10^{-9}}
= \frac{1.9878 \times 10^{-25}}{650 \times 10^{-9}}
= 3.05 \times 10^{-19} \text{ Дж}
\]
Далей мы пераўтвараем джоўлі ў электрон-вольты, выкарыстоўваючы пераўтварэнне \(1 \text{ эВ} = 1.602 \times 10^{-19} \text{ Дж}\):
\[
E = 3.05 × 10⁻¹⁵ (1.602 × 10⁻¹⁵)
≈ 1.90 \text{ эВ}
\]
Такім чынам, энергія фатонаў, якія выпраменьвае святлодыёд з даўжынёй хвалі 650 нм, складае каля 1.90 эВ.
Прыклад 2: Прамое напружанне святлодыёда
Пытанне: Чырвоны святлодыёд мае прамое напружанне 2 В і патрабуе току 20 мА для правільнай працы. Разлічыце магутнасць, якая спажываецца святлодыёдам.
Абмеркаванне:
Каб разлічыць магутнасць, якую спажывае святлодыёд, мы выкарыстоўваем асноўнае ўраўненне для магутнасці, а менавіта:
P = V памножанае на I
Дзе:
– \(P \) — магутнасць у ватах (Вт),
– \(V \) — напружанне ў вольтах (V),
– \(I \) — сіла току ў амперах (А).
Падстаўце гэтыя значэнні ў раўнанне:
\[
P = 2 \text{ В} \times 20 \text{ мА}
= 2 \text{ V} \times 0.02 \text{ A}
= 0.04 \text{ Вт}
\]
Такім чынам, магутнасць, якая спажываецца чырвоным святлодыёдам, які працуе пры прамым напружанні 2 В і току 20 мА, складае 0.04 Вт.
Прыклад 3: Эфектыўнасць святлодыёдаў
Пытанне: Квантавая эфектыўнасць сіняга святлодыёда складае 30%. Калі святлодыёд спажывае 0.1 Вт электрычнай магутнасці, колькі энергіі выпраменьваецца ў выглядзе святла?
Абмеркаванне:
Квантавая эфектыўнасць (η) — гэта суадносіны магутнасці, якая вызваляецца ў выглядзе святла (P_luminous), да ўваходнай электрычнай магутнасці (P_input):
\[ η = \frac{P_{\text{светлавы}}}{P_{\text{уваходны}}} \]
Каб знайсці \(P_{\text{светлавы}} \), выкарыстоўвайце наступнае ўраўненне са значэннем эфектыўнасці 30% або 0.30:
\[
0.30 = \frac{P_{\text{светлавы}}}{0.1 \text{ Вт}}
\]
Такім чынам:
\[
P_{\text{светлавы}} = 0.30 \times 0.1 \text{Вт}
= 0.03 \text{ Вт}
\]
Такім чынам, магутнасць, якая вылучаецца святлодыёдам у выглядзе святла, складае 0.03 Вт.
Прыклад задачы 4: Паслядоўнае злучэнне святлодыёднай схемы
Пытанне: У вас ёсць тры святлодыёды з прамым напружаннем 2 В кожны, якія трэба злучыць паслядоўна. Калі крыніца напружання — 9 В, вызначце значэнне рэзістара, неабходнага для абмежавання току да 20 мА.
Абмеркаванне:
Калі святлодыёды злучаны паслядоўна, неабходнае агульнае напружанне роўна суме прамых напружанняў кожнага святлодыёда:
\[
V_{усяго} = V_f1 + V_f2 + V_f3
= 2В + 2В + 2В
= 6В
\]
Рэшткавае напружанне, якое павінна рассейвацца рэзістарам, роўна:
\[
V_{R} = V_{крыніца} – V_{агульны}
= 9 В – 6 В
= 3В
\]
Пры патрэбным току 20 мА значэнне рэзістара разлічваецца з дапамогай закона Ома:
\[
R = \frac{V_{R}}{I}
= \frac{3В}{20 \text{ мА}}
= \frac{3В}{0.02А}
= 150 \Амега
\]
Такім чынам, неабходны рэзістар мае супраціўленне 150 Ом.
Прыклад 5: Схема абмежавальніка току паралельнага святлодыёда
Пытанне: У ланцугу ёсць два святлодыёды, размешчаныя паралельна, кожны з якіх мае прамое напружанне 2 В і сілу току 20 мА. Які агульны ток патрабуецца ад крыніцы напружання 5 В, калі для кожнага святлодыёда выкарыстоўваецца рэзістар?
Абмеркаванне:
Для паралельна размешчаных святлодыёдаў кожны святлодыёд будзе адчуваць аднолькавае напружанне, а менавіта адпаведнае прамое напружанне, і паколькі ім патрабуецца 20 мА току на кожны святлодыёд, агульны ток складае:
\[
I_{агульны} = I_1 + I_2
= 20 \text{ мА} + 20 \text{ мА}
= 40 \text{ мА}
\]
Каб разлічыць значэнне рэзістара для кожнага святлодыёда:
\[
V_{R} = V_{крыніца} – V_f
= 5 В – 2 В
= 3В
\]
Значэнне рэзістара для абмежавання току ў кожным святлодыёдзе:
\[
R = \frac{V_{R}}{I}
= \frac{3В}{20 \text{ мА}}
= \frac{3В}{0.02А}
= 150 \Амега
\]
Такім чынам, для кожнага святлодыёда патрабуецца рэзістар 150 Ом. Агульны ток, неабходны ад крыніцы харчавання 5 В, складае 40 мА.
Выснова
Святлодыёды з'яўляюцца найважнейшымі кампанентамі сучаснай электронікі дзякуючы іх здольнасці забяспечваць высокаэфектыўнае асвятленне з працяглым тэрмінам службы. Разуменне асноўных паняццяў, такіх як прамое напружанне, ток, магутнасць, квантавая эфектыўнасць, і спосабы іх канфігурацыі ў ланцугу, забяспечыць трывалую аснову для практычнага прымянення. Прыведзеныя вышэй прыклады — першы крок да авалодання рознымі прымяненнямі і разлікамі, звязанымі з выкарыстаннем святлодыёдаў у электронных схемах.
