પ્રકાશ ઉત્સર્જક ડાયોડ (LED) ની ચર્ચા કરતા ઉદાહરણ પ્રશ્નો

પ્રકાશ ઉત્સર્જક ડાયોડ (LED) ની ચર્ચા કરતા ઉદાહરણ પ્રશ્નો

પ્રકાશ ઉત્સર્જન કરનાર ડાયોડ (LED) એ એક સેમિકન્ડક્ટર ઉપકરણ છે જે જ્યારે વિદ્યુત પ્રવાહ પસાર થાય છે ત્યારે પ્રકાશ ઉત્સર્જિત કરે છે. LEDs પાછળની ઘટનાને ઇલેક્ટ્રોલ્યુમિનેસેન્સ તરીકે ઓળખવામાં આવે છે, જ્યાં વિદ્યુત પ્રવાહ દ્વારા ઉત્તેજિત થાય ત્યારે સેમિકન્ડક્ટર સામગ્રી પ્રકાશ ઉત્સર્જિત કરે છે. પરંપરાગત પ્રકાશ સ્ત્રોતો જેમ કે અગ્નિથી પ્રકાશિત બલ્બની તુલનામાં LEDs તેમની ઉચ્ચ કાર્યક્ષમતા અને લાંબા આયુષ્યને કારણે વિવિધ એપ્લિકેશનોમાં ખૂબ જ લોકપ્રિય બન્યા છે.

આ લેખમાં, આપણે LED સંબંધિત કેટલીક સમસ્યાઓની ચર્ચા કરીશું અને આ ઘટના પાછળના ખ્યાલને સમજવામાં મદદ કરવા માટે તેમના ઉકેલો અને ચર્ચાઓ વિગતવાર સમજાવીશું.

ઉદાહરણ પ્રશ્ન ૧: LED ના મૂળભૂત ગુણધર્મો

પ્રશ્ન: LED માં 650 nm (નેનોમીટર) ની તરંગલંબાઇ સાથે પ્રકાશ ઉત્સર્જિત કરવાની ક્ષમતા હોય છે. આ LED દ્વારા ઉત્સર્જિત ફોટોનની ઊર્જાની ગણતરી ઇલેક્ટ્રોન-વોલ્ટ (eV) માં કરો.

ચર્ચા:
પ્લાન્કના સમીકરણનો ઉપયોગ કરીને ફોટોન ઊર્જાની ગણતરી કરી શકાય છે:

\[ ઇ = \ફ્રેક{એચસી}{\લેમ્બડા} \]

ક્યાં:
– \( E \) એ ફોટોન ઊર્જા છે,
– \( h \) એ પ્લાન્કનો સ્થિરાંક છે (\(6.626 \times 10^{-34} \text{ Js}\)),
– \( c \) એ પ્રકાશની ગતિ છે (\(3 \ગુણા 10^8 \text{ m/s}\)),
– \( \lambda \) એ પ્રકાશની તરંગલંબાઇ છે (650 nm અથવા \(650 \times 10^{-9} \text{ m}\)).

આ મૂલ્યોને સમીકરણમાં બદલવાથી મળે છે:

\[
E = \frac{6.626 \ગુણા 10^{-34} \ગુણા 3 \ગુણા 10^8}{650 \ગુણા 10^{-9}}
= \frac{1.9878 \ગુણા 10^{-25}}{650 \ગુણા 10^{-9}}
= ૩.૦૫ \ગુણા ૧૦^{-૧૯} \ટેક્સ્ટ{ J}
\]

આગળ, આપણે \(1 \text{ eV} = 1.602 \times 10^{-19} \text{ J}\) રૂપાંતરનો ઉપયોગ કરીને જૌલ્સને ઇલેક્ટ્રોન-વોલ્ટમાં રૂપાંતરિત કરીએ છીએ:

\[
ઇ = \frac{3.05 \ગુણા 10^{-19}}{1.602 \ગુણા 10^{-19}}
≈ ૧.૯૦ \ટેક્સ્ટ{ eV}
\]

તેથી, 650 nm ની તરંગલંબાઇવાળા LED દ્વારા ઉત્સર્જિત ફોટોન ઊર્જા લગભગ 1.90 eV છે.

ઉદાહરણ 2: LED ફોરવર્ડ વોલ્ટેજ

પ્રશ્ન: લાલ LED માં 2V નો ફોરવર્ડ વોલ્ટેજ હોય ​​છે અને તેને યોગ્ય રીતે કામ કરવા માટે 20 mA નો કરંટ જરૂરી છે. LED દ્વારા વપરાતી શક્તિની ગણતરી કરો.

ચર્ચા:
LED દ્વારા શોષાયેલી શક્તિની ગણતરી કરવા માટે, આપણે શક્તિ માટે મૂળભૂત સમીકરણનો ઉપયોગ કરીએ છીએ, એટલે કે:

\[ પી = વી \ વખત હું \]

ક્યાં:
– \( P \) એ વોટ્સ (W) માં પાવર છે,
– \( V \) એ વોલ્ટ (V) માં વોલ્ટેજ છે,
– \( I \) એ એમ્પીયર (A) માં પ્રવાહ છે.

આ મૂલ્યોને સમીકરણમાં બદલો:

\[
P = 2 \text{ V} \times 20 \text{ mA}
= 2 \text{ V} \times 0.02 \text{ A}
= ૦.૦૪ \ટેક્સ્ટ{ ડબલ્યુ}
\]

તેથી, 2V ના ફોરવર્ડ વોલ્ટેજ અને 20 mA ના કરંટ પર કાર્યરત લાલ LED દ્વારા શોષાયેલી શક્તિ 0.04 વોટ્સ છે.

ઉદાહરણ ૩: LED કાર્યક્ષમતા

પ્રશ્ન: વાદળી LED ની ક્વોન્ટમ કાર્યક્ષમતા 30% હોય છે. જો LED 0.1 W વિદ્યુત શક્તિનો ઉપયોગ કરે છે, તો પ્રકાશ તરીકે કેટલી શક્તિ ઉત્સર્જિત થાય છે?

ચર્ચા:
ક્વોન્ટમ કાર્યક્ષમતા (η) એ પ્રકાશ (P_luminous) ના સ્વરૂપમાં પ્રકાશિત થતી શક્તિ અને વિદ્યુત શક્તિ ઇનપુટ (P_input) નો ગુણોત્તર છે:

\[ η = \frac{P_{\ટેક્સ્ટ{તેજસ્વી}}}{P_{\ટેક્સ્ટ{ઇનપુટ}}} \]

\( P_{\text{luminous}} \) શોધવા માટે, 30% અથવા 0.30 ની કાર્યક્ષમતા મૂલ્ય સાથે નીચેના સમીકરણનો ઉપયોગ કરો:

\[
૦.૩૦ = \frac{P_{\text{તેજસ્વી}}}{0.1 \text{ W}}
\]

આમ:

\[
P_{\text{luminous}} = 0.30 \ગુણા 0.1 \text{ W}
= ૦.૦૪ \ટેક્સ્ટ{ ડબલ્યુ}
\]

તેથી, LED દ્વારા પ્રકાશના રૂપમાં પ્રકાશિત થતી શક્તિ 0.03 વોટ છે.

ઉદાહરણ સમસ્યા 4: શ્રેણી LED સર્કિટ

પ્રશ્ન: તમારી પાસે 2V ના ફોરવર્ડ વોલ્ટેજવાળા ત્રણ LED છે જેને શ્રેણીમાં જોડવાની જરૂર છે. જો વોલ્ટેજ સ્ત્રોત 9V છે, તો વર્તમાનને 20 mA સુધી મર્યાદિત કરવા માટે જરૂરી રેઝિસ્ટરનું મૂલ્ય નક્કી કરો.

ચર્ચા:
જ્યારે LEDs શ્રેણીમાં જોડાયેલા હોય છે, ત્યારે જરૂરી કુલ વોલ્ટેજ દરેક LED ના ફોરવર્ડ વોલ્ટેજનો સરવાળો હોય છે:

\[
V_{કુલ} = V_f1 + V_f2 + V_f3
= 2V + 2V + 2V
= 6V
\]

રેઝિસ્ટર દ્વારા વિખેરાયેલો શેષ વોલ્ટેજ છે:

\[
V_{R} = V_{સ્ત્રોત} – V_{કુલ}
= 9V – 6V
= 3V
\]

20 mA ના ઇચ્છિત પ્રવાહ સાથે, રેઝિસ્ટર મૂલ્યની ગણતરી ઓહ્મના નિયમનો ઉપયોગ કરીને કરવામાં આવે છે:

\[
આર = \frac{V_{R}}{I}
= \frac{3V}{20 \text{mA}}
= \frac{3V}{0.02A}
= 150 \ઓમેગા
\]

તેથી, જરૂરી રેઝિસ્ટર મૂલ્ય 150 ઓહ્મ છે.

ઉદાહરણ ૫: સમાંતર LED કરંટ લિમિટર સર્કિટ

પ્રશ્ન: એક સર્કિટમાં, બે LED સમાંતર હોય છે, દરેકનો ફોરવર્ડ વોલ્ટેજ 2V અને કરંટ 20 mA હોય છે. જો દરેક LED માટે રેઝિસ્ટરનો ઉપયોગ કરવામાં આવે તો 5V વોલ્ટેજ સ્ત્રોતમાંથી કુલ કેટલો કરંટ જરૂરી છે?

ચર્ચા:
સમાંતર ગોઠવાયેલા LED માટે, દરેક LED સમાન વોલ્ટેજનો અનુભવ કરશે, એટલે કે તેમના સંબંધિત ફોરવર્ડ વોલ્ટેજ, અને તેમને પ્રતિ LED 20 mA કરંટની જરૂર હોવાથી કુલ કરંટ છે:

\[
I_{કુલ} = I_1 + I_2
= 20 \text{ mA} + 20 \text{ mA}
= 40 \text{ mA}
\]

દરેક LED માટે રેઝિસ્ટર મૂલ્યની ગણતરી કરવા માટે:

\[
V_{R} = V_{સ્ત્રોત} – V_f
= 5V – 2V
= 3V
\]

દરેક LED માં વર્તમાનને મર્યાદિત કરવા માટે રેઝિસ્ટર મૂલ્ય છે:

\[
આર = \frac{V_{R}}{I}
= \frac{3V}{20 \text{mA}}
= \frac{3V}{0.02A}
= 150 \ઓમેગા
\]

આમ, દરેક LED ને 150 ઓહ્મ રેઝિસ્ટરની જરૂર પડે છે. 5V પાવર સપ્લાયમાંથી કુલ જરૂરી પ્રવાહ 40 mA છે.

કેસિમ્પુલન

આધુનિક ઇલેક્ટ્રોનિક્સમાં LEDs એ ખૂબ જ કાર્યક્ષમ લાઇટિંગ અને લાંબા આયુષ્ય પ્રદાન કરવાની ક્ષમતાને કારણે મહત્વપૂર્ણ ઘટકો છે. ફોરવર્ડ વોલ્ટેજ, કરંટ, પાવર, ક્વોન્ટમ કાર્યક્ષમતા જેવા મૂળભૂત ખ્યાલોને સમજવાથી અને સર્કિટમાં તેમને કેવી રીતે ગોઠવવા તે વ્યવહારુ એપ્લિકેશનો માટે મજબૂત પાયો પૂરો પાડશે. ઉપરોક્ત ઉદાહરણો ઇલેક્ટ્રોનિક સર્કિટમાં LEDs ના ઉપયોગથી સંબંધિત વિવિધ એપ્લિકેશનો અને ગણતરીઓમાં નિપુણતા મેળવવા તરફનું પ્રથમ પગલું છે.