Primjeri pitanja o svjetlećim diodama (LED)
Svjetleća dioda (LED) je poluvodički uređaj koji emitira svjetlost kada kroz njega teče električna struja. Fenomen iza LED dioda poznat je kao elektroluminiscencija, gdje poluvodički materijal emitira svjetlost kada ga pobudi električna struja. LED diode su postale vrlo popularne u raznim primjenama zbog svoje visoke učinkovitosti i dugog vijeka trajanja u usporedbi s tradicionalnim izvorima svjetlosti poput žarulja sa žarnom niti.
U ovom ćemo članku raspraviti neke primjere problema povezanih s LED diodama i detaljno objasniti njihova rješenja i rasprave kako bismo razumjeli koncept koji stoji iza ovog fenomena.
Primjer pitanja 1: Osnovna svojstva LED dioda
Pitanje: LED dioda ima potencijal emitirati svjetlost valne duljine 650 nm (nanometara). Izračunajte energiju fotona koje emitira ova LED dioda u elektron-voltima (eV).
Rasprava:
Energija fotona može se izračunati pomoću Planckove jednadžbe:
\[ E = \frac{hc}{\lambda} \]
Gdje:
– \( E \) je energija fotona,
– \( h \) je Planckova konstanta (\(6.626 \puta 10^{-34} \text{ Js}\)),
– \( c \) je brzina svjetlosti (\(3 \puta 10^8 \text{ m/s}\)),
– \( \lambda \) je valna duljina svjetlosti (650 nm ili \(650 \puta 10^{-9} \text{ m}\)).
Zamjenom ovih vrijednosti u jednadžbu dobiva se:
\[
E = \frac{6.626 \puta 10^{-34} \puta 3 \puta 10^8}{650 \puta 10^{-9}}
= \frac{1.9878 \puta 10^{-25}}{650 \puta 10^{-9}}
= 3.05 \puta 10^{-19} \text{ J}
\]
Zatim pretvaramo džule u elektron-volte koristeći pretvorbu \(1 \text{ eV} = 1.602 \times 10^{-19} \text{ J}\):
\[
E = \frac{3.05 \puta 10^{-19}}{1.602 \puta 10^{-19}}
≈ 1.90 \text{ eV}
\]
Dakle, energija fotona koju emitira LED dioda valne duljine 650 nm iznosi oko 1.90 eV.
Primjer 2: Napon LED diode naprijed
Pitanje: Crvena LED dioda ima direktan napon od 2 V i za pravilan rad potrebna joj je struja od 20 mA. Izračunajte snagu koju LED dioda troši.
Rasprava:
Za izračun snage koju apsorbira LED dioda, koristimo osnovnu jednadžbu za snagu, naime:
\[ P = V \puta I \]
Gdje:
– \( P \) je snaga u vatima (W),
– \( V \) je napon u voltima (V),
– \( I \) je struja u amperima (A).
Zamijenite ove vrijednosti u jednadžbu:
\[
P = 2 V x 20 mA
= 2 \text{ V} \times 0.02 \text{ A}
= 0.04 \text{ W}
\]
Dakle, snaga koju apsorbira crvena LED dioda koja radi na naponu od 2 V i struji od 20 mA iznosi 0.04 W.
Primjer 3: Učinkovitost LED diode
Pitanje: Plava LED dioda ima kvantnu učinkovitost od 30%. Ako LED dioda koristi 0.1 W električne energije, koliko se energije emitira kao svjetlost?
Rasprava:
Kvantna učinkovitost (η) je omjer oslobođene snage u obliku svjetlosti (P_luminous) i ulazne električne snage (P_input):
\[ η = \frac{P_{\text{svjetlosni}}}{P_{\text{ulazni}}} \]
Za pronalaženje \( P_{\text{luminous}} \), upotrijebite sljedeću jednadžbu s vrijednošću učinkovitosti od 30% ili 0.30:
\[
0.30 = \frac{P_{\text{svjetlosni}}}{0.1 \text{ W}}
\]
Dakle:
\[
P_{\text{svjetlosni}} = 0.30 \puta 0.1 \text{ W}
= 0.03 \text{ W}
\]
Dakle, snaga koju LED oslobađa u obliku svjetlosti je 0.03 W.
Primjer problema 4: Serijski LED krug
Pitanje: Imate tri LED diode s naponom od 2 V svaka koje treba spojiti serijski. Ako je izvor napona 9 V, odredite vrijednost otpornika potrebnog za ograničavanje struje na 20 mA.
Rasprava:
Kada su LED diode spojene serijski, ukupni potrebni napon jednak je zbroju napona svake LED diode:
\[
V_{ukupno} = V_f1 + V_f2 + V_f3
= 2V + 2V + 2V
= 6 V
\]
Preostali napon koji otpornik mora raspršiti je:
\[
V_{R} = V_{izvor} – V_{ukupno}
= 9V – 6V
= 3 V
\]
S željenom strujom od 20 mA, vrijednost otpornika se izračunava pomoću Ohmovog zakona:
\[
R = \frac{V_{R}}{I}
= \frac{3V}{20 \text{ mA}}
= \frac{3V}{0.02A}
= 150 \omega
\]
Dakle, potrebna vrijednost otpornika je 150 oma.
Primjer 5: Paralelni krug za ograničavanje struje LED diode
Pitanje: U strujnom krugu su dvije LED diode spojene paralelno, svaka s direktnim naponom od 2 V i strujom od 20 mA. Kolika je ukupna struja potrebna iz izvora napona od 5 V ako se za svaku LED diodu koristi otpornik?
Rasprava:
Za LED diode poredane paralelno, svaka LED dioda će imati isti napon, tj. odgovarajući direktan napon, a budući da im je potrebno 20 mA struje po LED diodi, ukupna struja je:
\[
I_{ukupno} = I_1 + I_2
= 20 \text{ mA} + 20 \text{ mA}
= 40 \text{ mA}
\]
Za izračun vrijednosti otpornika za svaku LED diodu:
\[
V_{R} = V_{izvor} – V_f
= 5V – 2V
= 3 V
\]
Vrijednost otpornika za ograničavanje struje u svakoj LED diodi je:
\[
R = \frac{V_{R}}{I}
= \frac{3V}{20 \text{ mA}}
= \frac{3V}{0.02A}
= 150 \omega
\]
Dakle, svaka LED dioda zahtijeva otpornik od 150 oma. Ukupna struja potrebna za napajanje od 5 V iznosi 40 mA.
Zaključak
LED diode su ključne komponente u modernoj elektronici zbog svoje sposobnosti pružanja visoko učinkovite rasvjete s dugim vijekom trajanja. Razumijevanje osnovnih koncepata poput napona, struje, snage, kvantne učinkovitosti i načina njihove konfiguracije u strujnom krugu pružit će čvrstu osnovu za praktične primjene. Gornji primjeri prvi su korak prema savladavanju različitih primjena i izračuna povezanih s upotrebom LED dioda u elektroničkim krugovima.
