Primjeri pitanja o svjetlećim diodama (LED)
Svjetleća dioda (LED) je poluprovodnički uređaj koji emituje svjetlost kada kroz njega teče električna struja. Fenomen iza LED dioda poznat je kao elektroluminiscencija, gdje poluprovodnički materijal emituje svjetlost kada je pobuđen električnom strujom. LED diode su postale vrlo popularne u raznim primjenama zbog svoje visoke efikasnosti i dugog vijeka trajanja u poređenju s tradicionalnim izvorima svjetlosti kao što su žarulje sa žarnom niti.
U ovom članku ćemo razmotriti neke primjere problema vezanih za LED diode i detaljno objasniti njihova rješenja i diskusije kako bismo razumjeli koncept koji stoji iza ovog fenomena.
Primjer pitanja 1: Osnovna svojstva LED dioda
Pitanje: LED dioda ima potencijal da emituje svjetlost talasne dužine od 650 nm (nanometara). Izračunajte energiju fotona koje emituje ova LED dioda u elektron-voltima (eV).
Diskusija:
Energija fotona se može izračunati pomoću Planckove jednačine:
\[ E = \frac{hc}{\lambda} \]
Gdje:
– \( E \) je energija fotona,
– \( h \) je Planckova konstanta (\(6.626 \puta 10^{-34} \text{ Js}\)),
– \( c \) je brzina svjetlosti (\(3 \puta 10^8 \text{ m/s}\)),
– \( \lambda \) je talasna dužina svjetlosti (650 nm ili \(650 \puta 10^{-9} \text{ m}\)).
Zamjenom ovih vrijednosti u jednačinu dobija se:
\[
E = \frac{6.626 \puta 10^{-34} \puta 3 \puta 10^8}{650 \puta 10^{-9}}
= \frac{1.9878 \puta 10^{-25}}{650 \puta 10^{-9}}
= 3.05 \puta 10^{-19} \text{ J}
\]
Zatim, pretvaramo džule u elektron-volte koristeći konverziju \(1 \text{ eV} = 1.602 \times 10^{-19} \text{ J}\):
\[
E = \frac{3.05 \puta 10^{-19}}{1.602 \puta 10^{-19}}
≈ 1.90 eV
\]
Dakle, energija fotona koju emituje LED dioda talasne dužine 650 nm iznosi oko 1.90 eV.
Primjer 2: Napon LED diode naprijed
Pitanje: Crvena LED dioda ima direktan napon od 2 V i za pravilan rad joj je potrebna struja od 20 mA. Izračunajte snagu koju LED dioda troši.
Diskusija:
Da bismo izračunali snagu koju apsorbuje LED dioda, koristimo osnovnu jednačinu za snagu, naime:
\[ P = V \puta I \]
Gdje:
– \( P \) je snaga u vatima (W),
– \( V \) je napon u voltima (V),
– \( I \) je struja u amperima (A).
Zamijenite ove vrijednosti u jednačinu:
\[
P = 2 V x 20 mA
= 2 \text{ V} \times 0.02 \text{ A}
= 0.04 \text{ W}
\]
Dakle, snaga koju apsorbira crvena LED dioda koja radi na naponu od 2V i struji od 20mA iznosi 0.04 W.
Primjer 3: Efikasnost LED diode
Pitanje: Plava LED dioda ima kvantnu efikasnost od 30%. Ako LED dioda koristi 0.1 W električne energije, koliko energije se emituje kao svjetlost?
Diskusija:
Kvantna efikasnost (η) je odnos oslobođene energije u obliku svjetlosti (P_luminous) i ulazne električne snage (P_input):
\[ η = \frac{P_{\text{svjetlosni}}}{P_{\text{ulazni}}} \]
Da biste pronašli \( P_{\text{luminous}} \), koristite sljedeću jednačinu s vrijednošću efikasnosti od 30% ili 0.30:
\[
0.30 = \frac{P_{\text{svjetlosni}}}{0.1 \text{ W}}
\]
Dakle:
\[
P_{\text{svjetlosni}} = 0.30 \puta 0.1 \text{ W}
= 0.03 \text{ W}
\]
Dakle, snaga koju LED dioda oslobađa u obliku svjetlosti iznosi 0.03 W.
Primjer problema 4: Serijsko LED kolo
Pitanje: Imate tri LED diode sa direktnim naponom od 2V koje treba spojiti serijski. Ako je izvor napona 9V, odredite vrijednost otpornika potrebnog za ograničavanje struje na 20 mA.
Diskusija:
Kada su LED diode spojene serijski, ukupni potrebni napon je zbir direktnih napona svake LED diode:
\[
V_{ukupno} = V_f1 + V_f2 + V_f3
= 2V + 2V + 2V
= 6V
\]
Preostali napon koji otpornik mora raspršiti je:
\[
V_{R} = V_{izvor} – V_{ukupno}
= 9V – 6V
= 3V
\]
Sa željenom strujom od 20 mA, vrijednost otpornika se izračunava pomoću Ohmovog zakona:
\[
R = \frac{V_{R}}{I}
= \frac{3V}{20 \text{ mA}}
= \frac{3V}{0.02A}
= 150 \omega
\]
Dakle, potrebna vrijednost otpornika je 150 oma.
Primjer 5: Kolo za ograničavanje struje paralelne LED diode
Pitanje: U strujnom kolu se nalaze dvije LED diode spojene paralelno, svaka s direktnim naponom od 2 V i strujom od 20 mA. Kolika je ukupna struja potrebna iz izvora napona od 5 V ako se za svaku LED diodu koristi otpornik?
Diskusija:
Za LED diode postavljene paralelno, svaka LED dioda će imati isti napon, odnosno odgovarajući direktan napon, a budući da im je potrebno 20 mA struje po LED diodi, ukupna struja je:
\[
I_{ukupno} = I_1 + I_2
= 20 \text{ mA} + 20 \text{ mA}
= 40 \text{ mA}
\]
Da biste izračunali vrijednost otpornika za svaku LED diodu:
\[
V_{R} = V_{izvor} – V_f
= 5V – 2V
= 3V
\]
Vrijednost otpornika za ograničavanje struje u svakoj LED diodi je:
\[
R = \frac{V_{R}}{I}
= \frac{3V}{20 \text{ mA}}
= \frac{3V}{0.02A}
= 150 \omega
\]
Dakle, svaka LED dioda zahtijeva otpornik od 150 oma. Ukupna struja potrebna za napajanje od 5 V iznosi 40 mA.
Zaključak
LED diode su ključne komponente u modernoj elektronici zbog svoje sposobnosti da obezbijede visoko efikasnu rasvjetu sa dugim vijekom trajanja. Razumijevanje osnovnih koncepata kao što su direktan napon, struja, snaga, kvantna efikasnost i kako ih konfigurisati u kolu pružit će solidnu osnovu za praktične primjene. Gornji primjeri su prvi korak ka savladavanju različitih primjena i proračuna vezanih za upotrebu LED dioda u elektronskim kolima.
