Foarbyldfragen oer ljochtútstjittende diodes (LED's)
In ljochtútstjittende diode (LED) is in healgeleiderapparaat dat ljocht útstjit as der in elektryske stroom trochhinne streamt. It ferskynsel efter LED's stiet bekend as elektroluminesinsje, wêrby't in healgeleidermateriaal ljocht útstjit as it oanstutsen wurdt troch in elektryske stroom. LED's binne tige populêr wurden yn in ferskaat oan tapassingen fanwegen har hege effisjinsje en lange libbensdoer yn ferliking mei tradisjonele ljochtboarnen lykas gloeilampen.
Yn dit artikel sille wy guon foarbyldproblemen beprate dy't relatearre binne oan LED's en har oplossingen en diskusjes yn detail útlizze om it konsept efter dit ferskynsel te begripen.
Foarbyldfraach 1: Basiseigenskippen fan LED's
Fraach: In LED hat de mooglikheid om ljocht út te stjoeren mei in golflingte fan 650 nm (nanometer). Berekenje de enerzjy fan 'e fotonen dy't troch dizze LED útstjoerd wurde yn elektronvolt (eV).
Diskusje:
De fotonenerzjy kin berekkene wurde mei de Planck-fergeliking:
\[ E = \frac{hc}{\lambda} \]
Wêr:
– \( E \) is de fotonenerzjy,
– \( h \) is de konstante fan Planck (\(6.626 \times 10^{-34} \text{ Js} \)),
– \(c \) is de ljochtsnelheid (\(3 \times 10^8 \text{ m/s} \)),
– \( \lambda \) is de golflingte fan ljocht (650 nm of \(650 \times 10^{-9} \text{ m}\)).
It ynfoegjen fan dizze wearden yn 'e fergeliking jout:
\[
E = \frac{6.626 \times 10^{-34} \times 3 \times 10^8}{650 \times 10^{-9}}
= \frac{1.9878 \times 10^{-25}}{650 \times 10^{-9}}
= 3.05 \times 10^{-19} \text{ J}
\]
Folgjende konvertearje wy Joules nei elektronvolt mei de konverzje \(1 \text{ eV} = 1.602 \times 10^{-19} \text{ J}\):
\[
E = \frac{3.05 \times 10^{-19}}{1.602 \times 10^{-19}}
≈ 1.90 \tekst{ eV}
\]
Dat betsjut dat de fotonenerzjy dy't útstjoerd wurdt troch in LED mei in golflingte fan 650 nm sawat 1.90 eV is.
Foarbyld 2: LED foarútspanning
Fraach: In reade LED hat in foarútspanning fan 2V en hat in stroom fan 20 mA nedich om goed te wurkjen. Bereken it fermogen dat de LED brûkt.
Diskusje:
Om it troch de LED opnomde fermogen te berekkenjen, brûke wy de basisfergeliking foar fermogen, nammentlik:
\[ P = V \ kear I \]
Wêr:
– \(P \) is it fermogen yn Watts (W),
– \( V \) is de spanning yn Volt (V),
– \(I \) is de stroom yn Ampère (A).
Ferfang dizze wearden yn 'e fergeliking:
\[
P = 2 \tekst{ V} \kear 20 \tekst{ mA}
= 2 \tekst{ V} \kear 0.02 \tekst{ A}
= 0.04 \tekst{ W}
\]
Dat betsjut dat it fermogen dat opnomd wurdt troch in reade LED dy't wurket mei in foarútspanning fan 2V en in stroom fan 20 mA 0.04 Watt is.
Foarbyld 3: LED-effisjinsje
Fraach: In blauwe LED hat in kwantumeffisjinsje fan 30%. As de LED 0.1 W oan elektryske krêft brûkt, hoefolle krêft wurdt der dan as ljocht útstjoerd?
Diskusje:
Kwantumeffisjinsje (η) is de ferhâlding fan 'e frijjûne krêft yn 'e foarm fan ljocht (P_luminous) ta de elektryske krêftynfier (P_input):
\[ η = \frac{P_{\text{ljocht}}}{P_{\text{ynfier}}} \]
Om \( P_{\text{luminous}} \) te finen, brûk de folgjende fergeliking mei in effisjinsjewearde fan 30% of 0.30:
\[
0.30 = \frac{P_{\text{ljocht}}}{0.1 \text{ W}}
\]
Dus:
\[
P_{\text{ljocht}} = 0.30 \times 0.1 \text{ W}
= 0.03 \tekst{ W}
\]
Dat betsjut dat de krêft dy't de LED frijjout yn 'e foarm fan ljocht 0.03 Watt is.
Foarbyldprobleem 4: Serie-LED-sirkwy
Fraach: Jo hawwe trije LED's mei in foarútspanning fan 2V elk dy't yn searje ferbûn wurde moatte. As de spanningsboarne 9V is, bepaal dan de wearde fan 'e wjerstân dy't nedich is om de stroom te beheinen ta 20 mA.
Diskusje:
As LED's yn searje ferbûn binne, is de totale fereaske spanning de som fan 'e foarútspanningen fan elke LED:
\[
V_{totaal} = V_f1 + V_f2 + V_f3
= 2V + 2V + 2V
= 6 V
\]
De restspanning dy't troch de wjerstân ôffierd wurde moat is:
\[
V_{R} = V_{boarne} – V_{totaal}
= 9V – 6V
= 3 V
\]
Mei in winske stroom fan 20 mA wurdt de wearde fan 'e wjerstân berekkene mei de wet fan Ohm:
\[
R = \frac{V_{R}}{I}
= \frac{3V}{20 \text{ mA}}
= \frac{3V}{0.02A}
= 150 \Omega
\]
Dat betsjut dat de fereaske wjerstânwearde 150 ohm is.
Foarbyld 5: Parallelle LED-stroombegrenzerkring
Fraach: Yn in sirkwy binne der twa LED's parallel, elk mei in foarútspanning fan 2V en in stroom fan 20 mA. Wat is de totale stroom dy't nedich is fan in 5V spanningsboarne as in wjerstân brûkt wurdt foar elke LED?
Diskusje:
Foar LED's dy't parallel pleatst binne, sil elke LED deselde spanning ûnderfine, nammentlik har respektive foarútspanning, en om't se 20 mA stroom per LED nedich binne, is de totale stroom:
\[
I_{totaal} = I_1 + I_2
= 20 \text{ mA} + 20 \text{ mA}
= 40 \tekst{ mA}
\]
Om de wjerstânwearde foar elke LED te berekkenjen:
\[
V_{R} = V_{boarne} – V_f
= 5V – 2V
= 3 V
\]
De wearde fan 'e wjerstân om de stroom yn elke LED te beheinen is:
\[
R = \frac{V_{R}}{I}
= \frac{3V}{20 \text{ mA}}
= \frac{3V}{0.02A}
= 150 \Omega
\]
Sa hat elke LED in wjerstân fan 150 ohm nedich. De totale stroom dy't nedich is fan in 5V-stroomfoarsjenning is 40 mA.
Konklúzje
LED's binne krúsjale ûnderdielen yn moderne elektroanika fanwegen har fermogen om tige effisjinte ferljochting te leverjen mei in lange libbensdoer. It begripen fan basisbegripen lykas foarútspanning, stroom, krêft, kwantumeffisjinsje, en hoe't jo se yn in sirkwy konfigurearje kinne, sil in solide basis jaan foar praktyske tapassingen. De boppesteande foarbylden binne in earste stap nei it behearskjen fan 'e ferskate tapassingen en berekkeningen dy't relatearre binne oan it gebrûk fan LED's yn elektroanyske sirkwy's.
