שאלות לדוגמה בנושא דיודות פולטות אור (LED)

שאלות לדוגמה בנושא דיודות פולטות אור (LED)

דיודה פולטת אור (LED) היא התקן מוליך למחצה הפולט אור כאשר זרם חשמלי זורם דרכו. התופעה מאחורי נורות LED ידועה בשם אלקטרולומינסנציה, שבה חומר מוליך למחצה פולט אור כאשר הוא מעורר על ידי זרם חשמלי. נורות LED הפכו פופולריות מאוד במגוון יישומים בשל יעילותן הגבוהה ותוחלת החיים הארוכה שלהן בהשוואה למקורות אור מסורתיים כמו נורות ליבון.

במאמר זה נדון בכמה דוגמאות לבעיות הקשורות ל-LED ונסביר את הפתרונות והדיונים עליהן בפירוט כדי לסייע בהבנת הרעיון העומד מאחורי תופעה זו.

שאלה לדוגמה 1: מאפיינים בסיסיים של נוריות LED

שאלה: לנורת LED יש פוטנציאל לפלוט אור באורך גל של 650 ננומטר (ננומטר). חשב את האנרגיה של הפוטונים הנפלטים על ידי נורת LED זו באלקטרון-וולט (eV).

דִיוּן:
ניתן לחשב את אנרגיית הפוטון באמצעות משוואת פלאנק:

[E = \frac{hc}{\lambda} \]

אֵיפֹה:
– \( E \) היא אנרגיית הפוטון,
– \( h \) הוא קבוע פלאנק (\(6.626 \× 10^{-34} \text{ Js}\)),
– \(c \) היא מהירות האור (\(3 \× 10^8 \text{ מטר/שנייה}\)),
– \( \lambda \) הוא אורך הגל של האור (650 ננומטר או \(650 \× 10^{-9} \text{ מטר}\)).

הצבת ערכים אלה במשוואה מניבה:

\[
E = \frac{6.626 \× 10^{-34} \× 3 \× 10^{8}{650 \× 10^{-9}}
= \frac{1.9878 \× 10^{-25}}{650 \× 10^{-9}}
= 3.05 \× 10^{-19} \text{ J}
\]

בשלב הבא, נמיר ג'אול לאלקטרון-וולט באמצעות ההמרה \(1 \text{ eV} = 1.602 \× 10^{-19} \text{ J}\):

\[
E = ‏3.05 × 10⁻⁹/1.602 × 10⁻⁹
≈ 1.90 \text{ eV}
\]

לכן, אנרגיית הפוטון הנפלטת על ידי LED באורך גל של 650 ננומטר היא כ-1.90 eV.

דוגמה 2: מתח קדמי של LED

שאלה: לנורת LED אדומה יש מתח קדמי של 2 וולט והיא דורשת זרם של 20 מיליאמפר כדי לפעול כראוי. חשב את ההספק הנצרך על ידי ה-LED.

דִיוּן:
כדי לחשב את ההספק הנספג על ידי נורת הלד, אנו משתמשים במשוואה הבסיסית להספק, דהיינו:

\[ P = V \ כפול I \]

אֵיפֹה:
– \(P \) הוא ההספק בוואטים (W),
– \(V \) הוא המתח בוולטים (V),
– \(I \) הוא הזרם באמפר (A).

הכנס את הערכים הבאים למשוואה:

\[
P = 2 V כפול 20 מיליאמפר
= 2 V כפול 0.02 A
= 0.04 \text{ W}
\]

לכן, ההספק הנספג על ידי נורת LED אדומה הפועלת במתח קדמי של 2V וזרם של 20 מיליאמפר הוא 0.04 וואט.

דוגמה 3: יעילות LED

שאלה: ללד כחול יש יעילות קוונטית של 30%. אם הלד משתמש ב-0.1 וואט של חשמל, כמה חשמל נפלט כאור?

דִיוּן:
יעילות קוונטית (η) היא היחס בין ההספק המשתחרר בצורת אור (P_luminous) לבין ההספק החשמלי המוכנס (P_input):

\[ η = \frac{P_{\text{luminous}}}{P_{\text{input}}} \]

כדי למצוא את \( P_{\text{luminous}} \), השתמש במשוואה הבאה עם ערך יעילות של 30% או 0.30:

\[
0.30 = \frac{P_{\text{לימינוס}}}{0.1 \text{ W}}
\]

כָּך:

\[
P_{\text{זוהר}} = 0.30 \× 0.1 \text{ W}
= 0.03 \text{ W}
\]

אז, ההספק שמשתחרר על ידי ה-LED בצורת אור הוא 0.03 וואט.

בעיה לדוגמה 4: מעגל LED טורי

שאלה: יש לכם שלושה נוריות LED עם מתח קדמי של 2V כל אחת שצריך לחבר בטור. אם מקור המתח הוא 9V, קבעו את ערך הנגד הדרוש כדי להגביל את הזרם ל-20 מיליאמפר.

דִיוּן:
כאשר נוריות LED מחוברות בטור, המתח הכולל הנדרש הוא סכום המתחים הקדמיים של כל נורית LED:

\[
V_{סה"כ} = V_f1 + V_f2 + V_f3
= 2V + 2V + 2V
= 6 וולט
\]

המתח השיורי שחייב להתפזר על ידי הנגד הוא:

\[
V_{R} = V_{מקור} – V_{סה"כ}
= 9V – 6V
= 3 וולט
\]

עם זרם רצוי של 20 מיליאמפר, ערך הנגד מחושב באמצעות חוק אוהם:

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

אז, ערך הנגד הנדרש הוא 150 אוהם.

דוגמה 5: מעגל מגביל זרם LED מקבילי

שאלה: במעגל חשמלי, ישנן שתי נוריות LED במקביל, לכל אחת מתח קדמי של 2V וזרם של 20 מיליאמפר. מהו הזרם הכולל הנדרש ממקור מתח של 5V אם משתמשים בנגד עבור כל נורית LED?

דִיוּן:
עבור נוריות LED המסודרות במקביל, כל נורית LED תחווה את אותו המתח, כלומר המתח הקדמי המתאים לה, ומכיוון שהן דורשות 20 מיליאמפר של זרם לכל נורית LED, הזרם הכולל הוא:

\[
I_{סה"כ} = I_1 + I_2
= 20 \text{ mA} + 20 \text{ mA}
= 40 מיליאמפר
\]

כדי לחשב את ערך הנגד עבור כל LED:

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

ערך הנגד להגבלת הזרם בכל LED הוא:

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

לכן, כל נורת LED דורשת נגד של 150 אוהם. הזרם הכולל הנדרש מספק כוח של 5V הוא 40 מיליאמפר.

מסקנה

נורות LED הן רכיבים חיוניים באלקטרוניקה מודרנית בשל יכולתן לספק תאורה יעילה ביותר עם אורך חיים ארוך. הבנת מושגים בסיסיים כגון מתח קדמי, זרם, הספק, יעילות קוונטית וכיצד להגדיר אותם במעגל תספק בסיס איתן ליישומים מעשיים. הדוגמאות לעיל הן צעד ראשון לקראת שליטה ביישומים ובחישובים השונים הקשורים לשימוש ב-LED במעגלים אלקטרוניים.