Cwestiynau Enghreifftiol yn Trafod Deuodau Allyrru Golau (LEDs)
Dyfais lled-ddargludyddion yw deuod allyrru golau (LED) sy'n allyrru golau pan fydd cerrynt trydan yn llifo drwyddo. Gelwir y ffenomen y tu ôl i LEDs yn electroluminescence, lle mae deunydd lled-ddargludyddion yn allyrru golau pan gaiff ei gyffroi gan gerrynt trydan. Mae LEDs wedi dod yn boblogaidd iawn mewn amrywiaeth o gymwysiadau oherwydd eu heffeithlonrwydd uchel a'u hoes hir o'i gymharu â ffynonellau golau traddodiadol fel bylbiau gwynias.
Yn yr erthygl hon, byddwn yn trafod rhai problemau enghreifftiol sy'n gysylltiedig â LEDs ac yn egluro eu hatebion a'u trafodaethau yn fanwl i helpu i ddeall y cysyniad y tu ôl i'r ffenomen hon.
Cwestiwn Enghraifft 1: Priodweddau Sylfaenol LEDs
Cwestiwn: Mae gan LED y potensial i allyrru golau â thonfedd o 650 nm (nanometrau). Cyfrifwch egni'r ffotonau a allyrrir gan y LED hwn mewn electron-foltiau (eV).
Trafodaeth:
Gellir cyfrifo egni'r ffoton gan ddefnyddio hafaliad Planck:
\[ E = \frac{hc}{\lambda} \]
Ble:
– \( E \) yw egni'r ffoton,
– \( h \) yw cysonyn Planck (\(6.626 \times 10^{-34} \text{ Js}\)),
– \(c \) yw cyflymder golau (\(3 \times 10^8 \text{ m/s}\)),
– \( \lambda \) yw tonfedd golau (650 nm neu \(650 \times 10^{-9} \text{ m}\)).
Mae amnewid y gwerthoedd hyn yn yr hafaliad yn rhoi:
\[
E = \frac{6.626 \times 10^{-34} \times 3 \times 10^8}{650 \times 10^{-9}}
= \frac{1.9878 \times 10^{-25}}{650 \times 10^{-9}}
= 3.05 \times 10^{-19} \text{ J}
\]
Nesaf, rydym yn trosi Joules i foltiau electron gan ddefnyddio'r trosiad \(1 \text{ eV} = 1.602 \times 10^{-19} \text{ J}\):
\[
E = \frac{3.05 \times 10^{-19}}{1.602 \times 10^{-19}}
≈ 1.90 \text{ eV}
\]
Felly, mae egni'r ffoton a allyrrir gan LED â thonfedd o 650 nm tua 1.90 eV.
Enghraifft 2: Foltedd Ymlaen LED
Cwestiwn: Mae gan LED coch foltedd ymlaen o 2V ac mae angen cerrynt o 20 mA arno i weithredu'n iawn. Cyfrifwch y pŵer a ddefnyddir gan y LED.
Trafodaeth:
I gyfrifo'r pŵer a amsugnir gan y LED, rydym yn defnyddio'r hafaliad sylfaenol ar gyfer pŵer, sef:
\[ P = V \times I \]
Ble:
– \( P \) yw'r pŵer mewn Watiau (W),
– \( V \) yw'r foltedd mewn Foltiau (V),
– \( I \) yw'r cerrynt mewn Amperes (A).
Amnewidiwch y gwerthoedd hyn yn yr hafaliad:
\[
P = 2 \text{ V} \times 20 \text{ mA}
= 2 \text{ V} \times 0.02 \text{ A}
= 0.04 \text{ W}
\]
Felly, y pŵer sy'n cael ei amsugno gan LED coch sy'n gweithredu ar foltedd ymlaen o 2V a cherrynt o 20 mA yw 0.04 Wat.
Enghraifft 3: Effeithlonrwydd LED
Cwestiwn: Mae gan LED glas effeithlonrwydd cwantwm o 30%. Os yw'r LED yn defnyddio 0.1 W o bŵer trydanol, faint o bŵer sy'n cael ei allyrru fel golau?
Trafodaeth:
Effeithlonrwydd cwantwm (η) yw cymhareb y pŵer a ryddheir ar ffurf golau (P_luminous) i'r mewnbwn pŵer trydanol (P_input):
\[ η = \frac{P_{\text{luminous}}}{P_{\text{mewnbwn}}} \]
I ddod o hyd i \( P_{\text{luminous}} \), defnyddiwch yr hafaliad canlynol gyda gwerth effeithlonrwydd o 30% neu 0.30:
\[
0.30 = \frac{P_{\text{luminous}}}{0.1 \text{ W}}
\]
Felly:
\[
P_{\text{luminous}} = 0.30 \times 0.1 \text{ W}
= 0.03 \text{ W}
\]
Felly, y pŵer a ryddheir gan y LED ar ffurf golau yw 0.03 Wat.
Problem Enghraifft 4: Cylchdaith LED Cyfres
Cwestiwn: Mae gennych chi dri LED gyda foltedd ymlaen o 2V yr un sydd angen eu cysylltu mewn cyfres. Os yw'r ffynhonnell foltedd yn 9V, pennwch werth y gwrthydd sydd ei angen i gyfyngu'r cerrynt i 20 mA.
Trafodaeth:
Pan gysylltir LEDs mewn cyfres, cyfanswm y foltedd sydd ei angen yw swm folteddau ymlaen pob LED:
\[
V_{total} = V_f1 + V_f2 + V_f3
= 2V + 2V + 2V
= 6V
\]
Y foltedd gweddilliol y mae'n rhaid i'r gwrthydd ei wasgaru yw:
\[
V_{R} = V_{ffynhonnell} – V_{cyfanswm}
= 9V – 6V
= 3V
\]
Gyda cherrynt dymunol o 20 mA, cyfrifir gwerth y gwrthydd gan ddefnyddio Cyfraith Ohm:
\[
R = \frac{V_{R}}{I}
= \frac{3V}{20 \text{ mA}}
= \frac{3V}{0.02A}
= 150 \Omega
\]
Felly, y gwerth gwrthydd gofynnol yw 150 ohms.
Enghraifft 5: Cylchdaith Cyfyngwr Cerrynt LED Paralel
Cwestiwn: Mewn cylched, mae dau LED mewn paralel, pob un â foltedd ymlaen o 2V a cherrynt o 20 mA. Beth yw cyfanswm y cerrynt sydd ei angen o ffynhonnell foltedd 5V os defnyddir gwrthydd ar gyfer pob LED?
Trafodaeth:
Ar gyfer LEDs wedi'u trefnu'n gyfochrog, bydd pob LED yn profi'r un foltedd, sef eu foltedd ymlaen priodol, a chan eu bod angen 20 mA o gerrynt fesul LED, y cyfanswm cerrynt yw:
\[
I_{cyfanswm} = I_1 + I_2
= 20 \text{ mA} + 20 \text{ mA}
= 40 \text{ mA}
\]
I gyfrifo gwerth y gwrthydd ar gyfer pob LED:
\[
V_{R} = V_{ffynhonnell} – V_f
= 5V – 2V
= 3V
\]
Gwerth y gwrthydd i gyfyngu'r cerrynt ym mhob LED yw:
\[
R = \frac{V_{R}}{I}
= \frac{3V}{20 \text{ mA}}
= \frac{3V}{0.02A}
= 150 \Omega
\]
Felly, mae angen gwrthydd 150 ohm ar bob LED. Cyfanswm y cerrynt sydd ei angen o gyflenwad pŵer 5V yw 40 mA.
Casgliad
Mae LEDs yn gydrannau hanfodol mewn electroneg fodern oherwydd eu gallu i ddarparu goleuadau hynod effeithlon gyda hyd oes hir. Bydd deall cysyniadau sylfaenol fel foltedd ymlaen, cerrynt, pŵer, effeithlonrwydd cwantwm, a sut i'w ffurfweddu mewn cylched yn darparu sylfaen gadarn ar gyfer cymwysiadau ymarferol. Mae'r enghreifftiau uchod yn gam cyntaf tuag at feistroli'r amrywiol gymwysiadau a chyfrifiadau sy'n gysylltiedig â defnyddio LEDs mewn cylchedau electronig.
