Näidisküsimused valgusdioodide (LED-ide) kohta
Valgusdiood (LED) on pooljuhtseadis, mis kiirgab valgust, kui sellest läbi voolab elektrivool. LED-ide taga peituv nähtus on tuntud kui elektroluminestsents, kus pooljuhtmaterjal kiirgab valgust elektrivoolu ergastamisel. LED-id on muutunud väga populaarseks mitmesugustes rakendustes tänu oma kõrgele efektiivsusele ja pikale elueale võrreldes traditsiooniliste valgusallikatega, näiteks hõõglampidega.
Selles artiklis arutame mõningaid LED-idega seotud näidisprobleeme ning selgitame nende lahendusi ja arutelusid üksikasjalikult, et aidata mõista selle nähtuse taga olevat kontseptsiooni.
Näidisküsimus 1: LED-ide põhiomadused
Küsimus: LED-il on potentsiaal kiirata valgust lainepikkusega 650 nm (nanomeetrit). Arvutage selle LED-i poolt kiiratavate footonite energia elektronvoltides (eV).
Arutelu:
Footoni energiat saab arvutada Plancki võrrandi abil:
\[E = \frac{hc}{\lambda} \]
Kus:
– \(E \) on footoni energia,
– \(h \) on Plancki konstant (\(6.626 \x 10^{-34} \text{ Js}\)),
– \(c \) on valguse kiirus (\(3 \x 10^8 \m/s}\)),
– \( \lambda \) on valguse lainepikkus (650 nm või \(650 \x 10^{-9} \text{ m}\)).
Nende väärtuste asendamine võrrandiga annab tulemuseks:
\[
E = \frac{6.626 \x 10^{-34} \x 3 \x 10^8}{650 \x 10^{-9}}
= \frac{1.9878 \x 10^{-25}}{650 \x 10^{-9}}
= 3.05 korda 10^{-19} \text{ J}
\]
Järgmisena teisendame džaulid elektronvoltideks, kasutades konversiooni \(1 \text{ eV} = 1.602 \times 10^{-19} \text{ J}\):
\[
E = ∫(3.05 × 10^{-19})/(1.602 × 10^{-19})
≈ 1.90 \text{ eV}
\]
Seega on 650 nm lainepikkusega LED-i kiirgav footonienergia umbes 1.90 eV.
Näide 2: LED-i päripinge
Küsimus: Punase LED-i päripinge on 2 V ja see vajab korrektseks tööks 20 mA voolu. Arvutage LED-i tarbitav energia.
Arutelu:
LED-i neelduva võimsuse arvutamiseks kasutame võimsuse põhivõrrandit, nimelt:
\[P = V \korda I \]
Kus:
– \(P \) on võimsus vattides (W),
– \(V \) on pinge voltides (V),
– \(I \) on voolutugevus amprites (A).
Asendage need väärtused võrrandisse:
\[
P = 2 V × 20 mA
= 2 \text{ V} \times 0.02 \text{ A}
= 0.04 \text{ W}
\]
Seega on punase LED-i poolt 2 V päripingel ja 20 mA voolutugevusel neelduv võimsus 0.04 vatti.
Näide 3: LED-ide efektiivsus
Küsimus: Sinise LED-i kvanttõhusus on 30%. Kui LED kasutab 0.1 W elektrienergiat, siis kui palju energiat kiirgub valgusena?
Arutelu:
Kvantefektiivsus (η) on valguse kujul vabaneva võimsuse (P_luminous) ja elektrienergia sisendi (P_input) suhe:
\[ η = \frac{P_{\text{luminous}}}{P_{\text{input}}} \]
Luminousse väärtuse (P_{\text{luminous}}) leidmiseks kasutage järgmist võrrandit efektiivsuse väärtusega 30% ehk 0.30:
\[
0.30 = \frac{P_{\text{helendav}}}{0.1 \text{W}}
\]
Seega:
\[
P_{\text{helendav}} = 0.30 × 0.1 W
= 0.03 \text{ W}
\]
Seega on LED-i poolt valguse kujul vabanev energia 0.03 vatti.
Näidisülesanne 4: Jada-LED-ahel
Küsimus: Teil on kolm LED-i, mille igaühe päripinge on 2 V ja mis tuleb ühendada järjestikku. Kui pingeallikas on 9 V, määrake takisti väärtus, mis on vajalik voolu piiramiseks 20 mA-ni.
Arutelu:
Kui LED-id on järjestikku ühendatud, on vajalik kogupinge iga LED-i päripingete summa:
\[
V_{kokku} = V_f1 + V_f2 + V_f3
= 2V + 2V + 2V
= 6 V
\]
Takisti poolt hajutatav jääkpinge on:
\[
V_{R} = V_{allikas} – V_{kokku}
= 9 V – 6 V
= 3 V
\]
Soovitud voolutugevusega 20 mA arvutatakse takisti väärtus Ohmi seaduse abil:
\[
R = ∫₀V_{R}}{I}
= \frac{3V}{20 \text{ mA}}
= ∫(3V)(0.02A)
= 150 \Omega
\]
Seega on vajalik takisti väärtus 150 oomi.
Näide 5: Paralleel-LED-voolu piiraja vooluring
Küsimus: Ahelas on paralleelselt kaks LED-i, mille päripinge on 2 V ja vool 20 mA. Milline on koguvool, mida on vaja 5 V pingeallikast, kui iga LED-i jaoks kasutatakse takistit?
Arutelu:
Paralleelselt paigutatud LED-ide puhul kogeb iga LED sama pinget, nimelt vastavat päripinget, ja kuna iga LED vajab 20 mA voolu, on koguvool:
\[
I_{kokku} = I_1 + I_2
= 20 \tekst{ mA} + 20 \tekst{ mA}
= 40 mA
\]
Iga LED-i takisti väärtuse arvutamiseks toimige järgmiselt.
\[
V_{R} = V_{allikas} – V_f
= 5 V – 2 V
= 3 V
\]
Iga LED-i voolu piiramiseks vajaliku takisti väärtus on:
\[
R = ∫₀V_{R}}{I}
= \frac{3V}{20 \text{ mA}}
= ∫(3V)(0.02A)
= 150 \Omega
\]
Seega vajab iga LED 150-oomist takistit. 5 V toiteallikast vajalik koguvool on 40 mA.
Järeldus
LED-id on tänapäeva elektroonika olulised komponendid tänu oma võimele pakkuda väga tõhusat valgustust pika elueaga. Selliste põhimõistete nagu päripinge, voolutugevus, võimsus, kvantefektiivsus ja nende konfigureerimine vooluringis mõistmine loob kindla aluse praktilisteks rakendusteks. Ülaltoodud näited on esimene samm LED-ide kasutamisega seotud erinevate rakenduste ja arvutuste omandamise suunas elektroonilistes vooluringides.
