Exemplos de preguntas sobre díodos emisores de luz (LED)
Un díodo emisor de luz (LED) é un dispositivo semicondutor que emite luz cando unha corrente eléctrica flúe a través del. O fenómeno que subxace aos LED coñécese como electroluminescencia, onde un material semicondutor emite luz cando é excitado por unha corrente eléctrica. Os LED fixéronse moi populares nunha variedade de aplicacións debido á súa alta eficiencia e longa vida útil en comparación coas fontes de luz tradicionais como as lámpadas incandescentes.
Neste artigo, analizaremos algúns exemplos de problemas relacionados cos LED e explicaremos as súas solucións e debates en detalle para axudar a comprender o concepto que hai detrás deste fenómeno.
Exemplo de pregunta 1: Propiedades básicas dos LED
Pregunta: Un LED ten o potencial de emitir luz cunha lonxitude de onda de 650 nm (nanómetros). Calcula a enerxía dos fotóns emitidos por este LED en electrón-voltios (eV).
Debate:
A enerxía fotónica pódese calcular usando a ecuación de Planck:
\[ E = \frac{hc}{\lambda} \]
Onde:
– \(E\) é a enerxía dos fotóns,
– \(h \) é a constante de Planck (\(6.626 \times 10^{-34} \text{ Js}\)),
– \(c\) é a velocidade da luz (\(3 × 10^8 m/s\)),
– λ é a lonxitude de onda da luz (650 nm ou 650 × 10⁻⁹ m).
Substituíndo estes valores na ecuación obtense:
\[
E = \frac{6.626 \times 10^{-34} \times 3 \times 10^8}{650 \times 10^{-9}}
= \frac{1.9878 \times 10^{-25}}{650 \times 10^{-9}}
= 3.05 × 10^{-19} \text{ J}
\]
A continuación, convertemos os joules a electrón-voltios usando a conversión \(1 \text{ eV} = 1.602 \times 10^{-19} \text{ J}\):
\[
E = \frac{3.05 \times 10^{-19}}{1.602 \times 10^{-19}}
≈ 1.90 \text{ eV}
\]
Entón, a enerxía fotónica emitida por un LED cunha lonxitude de onda de 650 nm é duns 1.90 eV.
Exemplo 2: Tensión directa do LED
Pregunta: Un LED vermello ten unha tensión directa de 2 V e require unha corrente de 20 mA para funcionar correctamente. Calcula a potencia consumida polo LED.
Debate:
Para calcular a potencia absorbida polo LED, empregamos a ecuación básica de potencia, concretamente:
P = V × I
Onde:
– \(P\) é a potencia en vatios (W),
– \( V \) é a tensión en voltios (V),
– \(I\) é a intensidade de corrente en amperios (A).
Substitúe estes valores na ecuación:
\[
P = 2 V × 20 mA
= 2 \text{ V} \times 0.02 \text{ A}
= 0.04 \text{ W}
\]
Entón, a potencia absorbida por un LED vermello que funciona a unha tensión directa de 2 V e unha corrente de 20 mA é de 0.04 vatios.
Exemplo 3: Eficiencia dos LED
Pregunta: Un LED azul ten unha eficiencia cuántica do 30 %. Se o LED usa 0.1 W de enerxía eléctrica, canta enerxía se emite en forma de luz?
Debate:
A eficiencia cuántica (η) é a relación entre a potencia liberada en forma de luz (P_luminosa) e a entrada de enerxía eléctrica (P_entrada):
\[ η = \frac{P_{\text{luminoso}}}{P_{\text{entrada}}} \]
Para atopar \( P_{\text{luminoso}} \), use a seguinte ecuación cun valor de eficiencia do 30 % ou 0.30:
\[
0.30 = \frac{P_{\text{luminoso}}}{0.1 \text{ W}}
\]
Así:
\[
P_{\text{luminoso}} = 0.30 \times 0.1 \text{ W}
= 0.03 \text{ W}
\]
Entón, a potencia liberada polo LED en forma de luz é de 0.03 vatios.
Exemplo de problema 4: Circuíto LED en serie
Pregunta: Tes tres LED cunha tensión directa de 2 V cada un que deben conectarse en serie. Se a fonte de tensión é de 9 V, determina o valor da resistencia necesaria para limitar a corrente a 20 mA.
Debate:
Cando os LED se conectan en serie, a tensión total necesaria é a suma das tensións directas de cada LED:
\[
V_{total} = V_f1 + V_f2 + V_f3
= 2V + 2V + 2V
= 6 V
\]
A tensión residual que debe ser disipada pola resistencia é:
\[
V_{R} = V_{fonte} – V_{total}
= 9V – 6V
= 3 V
\]
Cunha corrente desexada de 20 mA, o valor da resistencia calcúlase usando a lei de Ohm:
\[
R = \frac{V_{R}}{I}
= \frac{3V}{20 \text{ mA}}
= \frac{3V}{0.02A}
= 150 Ω
\]
Polo tanto, o valor da resistencia requirida é de 150 ohmios.
Exemplo 5: Circuíto limitador de corrente de LED en paralelo
Pregunta: Nun circuíto, hai dous LED dispostos en paralelo, cada un cunha tensión directa de 2 V e unha corrente de 20 mA. Cal é a corrente total necesaria dunha fonte de tensión de 5 V se se usa unha resistencia para cada LED?
Debate:
Para os LED dispostos en paralelo, cada LED experimentará a mesma tensión, é dicir, a súa respectiva tensión directa, e dado que requiren 20 mA de corrente por LED, a corrente total é:
\[
I_{total} = I_1 + I_2
= 20 \text{ mA} + 20 \text{ mA}
= 40 mA
\]
Para calcular o valor da resistencia para cada LED:
\[
V_{R} = V_{fonte} – V_f
= 5V – 2V
= 3 V
\]
O valor da resistencia para limitar a corrente en cada LED é:
\[
R = \frac{V_{R}}{I}
= \frac{3V}{20 \text{ mA}}
= \frac{3V}{0.02A}
= 150 Ω
\]
Polo tanto, cada LED require unha resistencia de 150 ohmios. A corrente total necesaria dunha fonte de alimentación de 5 V é de 40 mA.
Conclusión
Os LED son compoñentes cruciais na electrónica moderna debido á súa capacidade para proporcionar unha iluminación altamente eficiente cunha longa vida útil. Comprender conceptos básicos como a tensión directa, a corrente, a potencia, a eficiencia cuántica e como configuralos nun circuíto proporcionará unha base sólida para aplicacións prácticas. Os exemplos anteriores son un primeiro paso para dominar as diversas aplicacións e cálculos relacionados co uso de LED en circuítos electrónicos.
