Contoh Soal Pembahasan Light-Emitting Diode (LED)
Light-emitting diode (LED) adalah perangkat semikonduktor yang mengeluarkan cahaya ketika arus listrik mengalir melaluinya. Fenomena di balik LED dikenal sebagai electroluminescence, di mana bahan semikonduktor memancarkan cahaya ketika tereksitasi oleh arus listrik. LED telah menjadi sangat populer dalam berbagai aplikasi karena efisiensinya yang tinggi dan umur panjangnya dibandingkan dengan sumber cahaya tradisional seperti bohlam pijar.
Dalam artikel ini, kita akan membahas beberapa contoh soal terkait LED dan menjelaskan solusi serta pembahasannya secara mendetail untuk membantu memahami konsep di balik fenomena ini.
Contoh Soal 1: Sifat Dasar LED
Soal: Sebuah LED memiliki kemungkinan untuk mengeluarkan cahaya dengan panjang gelombang 650 nm (nanometer). Hitung energi foton yang dikeluarkan oleh LED ini dalam elektron-volt (eV).
Pembahasan:
Energi foton dapat dihitung menggunakan persamaan Planck:
\[ E = \frac{hc}{\lambda} \]
di mana:
– \( E \) adalah energi foton,
– \( h \) adalah konstanta Planck (\(6.626 \times 10^{-34} \text{ Js}\)),
– \( c \) adalah kecepatan cahaya (\(3 \times 10^8 \text{ m/s}\)),
– \( \lambda \) adalah panjang gelombang cahaya (650 nm atau \(650 \times 10^{-9} \text{ m}\)).
Substitusi nilai-nilai tersebut ke dalam persamaan menghasilkan:
\[
E = \frac{6.626 \times 10^{-34} \times 3 \times 10^8}{650 \times 10^{-9}}
= \frac{1.9878 \times 10^{-25}}{650 \times 10^{-9}}
= 3.05 \times 10^{-19} \text{ J}
\]
Selanjutnya, kita konversi Joule ke elektron-volt menggunakan konversi \(1 \text{ eV} = 1.602 \times 10^{-19} \text{ J}\):
\[
E = \frac{3.05 \times 10^{-19}}{1.602 \times 10^{-19}}
≈ 1.90 \text{ eV}
\]
Jadi, energi foton yang dikeluarkan oleh LED dengan panjang gelombang 650 nm adalah sekitar 1.90 eV.
Contoh Soal 2: Tegangan Forward LED
Soal: LED berjenis merah memiliki tegangan forward 2V dan membutuhkan arus 20 mA untuk bekerja dengan baik. Hitunglah daya yang diserap oleh LED.
Pembahasan:
Untuk menghitung daya yang diserap oleh LED, kita gunakan persamaan dasar dari dayanya yaitu:
\[ P = V \times I \]
di mana:
– \( P \) adalah daya dalam Watt (W),
– \( V \) adalah tegangan dalam Volt (V),
– \( I \) adalah arus dalam Ampere (A).
Substitusi nilai-nilai tersebut ke dalam persamaan:
\[
P = 2 \text{ V} \times 20 \text{ mA}
= 2 \text{ V} \times 0.02 \text{ A}
= 0.04 \text{ W}
\]
Jadi, daya yang diserap oleh LED merah yang beroperasi pada tegangan forward 2V dan arus 20 mA adalah 0.04 Watt.
Contoh Soal 3: Efisiensi LED
Soal: Sebuah LED biru memiliki efisiensi kuantum 30%. Jika LED tersebut memanfaatkan daya listrik 0.1 W, berapa daya yang dikeluarkan dalam bentuk cahaya?
Pembahasan:
Efisiensi kuantum (η) adalah rasio antara daya yang dikeluarkan dalam bentuk cahaya (P_luminous) terhadap daya listrik yang dimasukkan (P_input):
\[ η = \frac{P_{\text{luminous}}}{P_{\text{input}}} \]
Untuk mencari \( P_{\text{luminous}} \), gunakan persamaan tersebut dengan nilai efisiensi 30% atau 0.30:
\[
0.30 = \frac{P_{\text{luminous}}}{0.1 \text{ W}}
\]
Dengan demikian:
\[
P_{\text{luminous}} = 0.30 \times 0.1 \text{ W}
= 0.03 \text{ W}
\]
Jadi, daya yang dikeluarkan oleh LED dalam bentuk cahaya adalah 0.03 Watt.
Contoh Soal 4: Rangkaian LED Seri
Soal: Anda memiliki tiga LED dengan tegangan forward masing-masing 2V yang perlu disusun secara seri. Jika sumber tegangan adalah 9V, tentukan nilai resistor yang dibutuhkan untuk membatasi arus ke 20 mA.
Pembahasan:
Ketika LED disusun secara seri, tegangan total yang diperlukan adalah jumlah dari tegangan forward masing-masing LED:
\[
V_{total} = V_f1 + V_f2 + V_f3
= 2V + 2V + 2V
= 6V
\]
Tegangan sisa yang harus dihilangkan oleh resistor adalah:
\[
V_{R} = V_{sumber} – V_{total}
= 9V – 6V
= 3V
\]
Dengan arus yang diinginkan 20 mA, nilai resistor dihitung menggunakan Hukum Ohm:
\[
R = \frac{V_{R}}{I}
= \frac{3V}{20 \text{ mA}}
= \frac{3V}{0.02A}
= 150 \Omega
\]
Jadi, nilai resistor yang dibutuhkan adalah 150 ohm.
Contoh Soal 5: Rangkaian Pembatas Arus LED Pararel
Soal: Dalam sebuah rangkaian terdapat dua LED yang disusun secara paralel, masing-masing dengan tegangan forward 2V dan arus 20 mA. Berapakah total arus yang dibutuhkan dari sumber tegangan 5V jika digunakan resistor untuk tiap LED?
Pembahasan:
Untuk LED yang disusun paralel, setiap LED akan mengalami tegangan yang sama, yaitu tegangan forward mereka masing-masing, dan karena mereka membutuhkan arus 20 mA per LED maka total arus adalah:
\[
I_{total} = I_1 + I_2
= 20 \text{ mA} + 20 \text{ mA}
= 40 \text{ mA}
\]
Untuk menghitung nilai resistor bagi tiap LED:
\[
V_{R} = V_{sumber} – V_f
= 5V – 2V
= 3V
\]
Nilai resistor untuk membatasi arus di tiap LED adalah:
\[
R = \frac{V_{R}}{I}
= \frac{3V}{20 \text{ mA}}
= \frac{3V}{0.02A}
= 150 \Omega
\]
Sehingga, setiap LED memerlukan resistor 150 ohm. Total arus yang dibutuhkan dari sumber catu daya 5V adalah 40 mA.
Kesimpulan
LED adalah komponen yang sangat penting dalam dunia elektronik modern karena kemampuannya untuk memberikan pencahayaan dengan efisiensi tinggi serta umur panjang. Memahami konsep dasar seperti tegangan forward, arus, daya, efisiensi kuantum, dan bagaimana mengkonfigurasinya dalam rangkaian akan memberikan dasar yang kuat untuk aplikasi praktis. Contoh-contoh soal di atas merupakan langkah awal untuk menguasai berbagai aplikasi dan perhitungan yang berkaitan dengan penggunaan LED dalam rangkaian elektronik.
