სინათლის გამოსხივების დიოდების (LED) განხილვის სამაგალითო კითხვები

სინათლის გამოსხივების დიოდების (LED) განხილვის სამაგალითო კითხვები

სინათლის გამოსხივების დიოდი (LED) არის ნახევარგამტარული მოწყობილობა, რომელიც ასხივებს სინათლეს, როდესაც მასში ელექტრული დენი გადის. LED-ების ფენომენი ცნობილია როგორც ელექტროლუმინესცენცია, როდესაც ნახევარგამტარული მასალა ასხივებს სინათლეს ელექტრული დენით აღგზნებისას. LED-ები ძალიან პოპულარული გახდა სხვადასხვა დანიშნულებით მათი მაღალი ეფექტურობისა და ხანგრძლივი სიცოცხლის ხანგრძლივობის გამო ტრადიციულ სინათლის წყაროებთან, როგორიცაა ინკანდესენტური ნათურები, შედარებით.

ამ სტატიაში განვიხილავთ LED-ებთან დაკავშირებულ რამდენიმე მაგალითს და დეტალურად ავხსნით მათ გადაწყვეტილებებსა და განხილვებს, რათა დაგეხმაროთ ამ ფენომენის კონცეფციის გაგებაში.

მაგალითი კითხვა 1: LED-ების ძირითადი თვისებები

კითხვა: LED-ს შეუძლია გამოასხივოს 650 ნმ (ნანომეტრი) ტალღის სიგრძით სინათლე. გამოთვალეთ ამ LED-ის მიერ გამოსხივებული ფოტონების ენერგია ელექტრონ-ვოლტებში (eV).

დისკუსია:
ფოტონის ენერგიის გამოთვლა შესაძლებელია პლანკის განტოლების გამოყენებით:

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

სად:
– \( E \) არის ფოტონის ენერგია,
– (h) არის პლანკის მუდმივა (6.626 x 10^{-34} Js)),
– \(c \) არის სინათლის სიჩქარე (\(3 \times 10^8 \text{მ/წმ} \)),
– \(\lambda\) არის სინათლის ტალღის სიგრძე (650 ნმ ან \(650 \ჯერ 10^{-9} \text{მ}\)).

ამ მნიშვნელობების განტოლებაში ჩანაცვლება იძლევა:

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

შემდეგ, ჯოულებს ელექტრონ-ვოლტებად გარდავქმნით \(1 \text{ eV} = 1.602 \times 10^{-19} \text{ J}\) გადაყვანის ფორმულის გამოყენებით:

\[
E = \frac{3.05 \times 10^{-19}}{1.602 \times 10^{-19}}
≈ 1.90 \text{ eV}
\]

ასე რომ, 650 ნმ ტალღის სიგრძის LED-ის მიერ გამოსხივებული ფოტონის ენერგია დაახლოებით 1.90 ევ-ს შეადგენს.

მაგალითი 2: LED პირდაპირი ძაბვა

კითხვა: წითელ LED-ს აქვს 2 ვ პირდაპირი ძაბვა და გამართული მუშაობისთვის საჭიროა 20 მA დენი. გამოთვალეთ LED-ის მიერ მოხმარებული სიმძლავრე.

დისკუსია:
LED-ის მიერ შთანთქმული სიმძლავრის გამოსათვლელად, ჩვენ ვიყენებთ სიმძლავრის ძირითად განტოლებას, კერძოდ:

P = V \ჯერ I \]

სად:
– \( P \) არის სიმძლავრე ვატებში (W),
– \( V \) არის ძაბვა ვოლტებში (V),
– \( I \) არის დენი ამპერებში (A).

ჩაანაცვლეთ ეს მნიშვნელობები განტოლებაში:

\[
P = 2 V x 20 mA
= 2 V ≤ 0.02 A
= 0.04 \text{W}
\]

ამგვარად, 2 ვ პირდაპირი ძაბვით და 20 მA დენით მომუშავე წითელი LED-ის მიერ შთანთქმული სიმძლავრე 0.04 ვატს შეადგენს.

მაგალითი 3: LED-ის ეფექტურობა

კითხვა: ლურჯ LED-ს აქვს 30% კვანტური ეფექტურობა. თუ LED მოიხმარს 0.1 ვატ ელექტროენერგიას, რამდენ ენერგიას გამოყოფს სინათლე?

დისკუსია:
კვანტური ეფექტურობა (η) არის სინათლის (P_luminous) სახით გამოყოფილი სიმძლავრის შეყვანის ელექტროენერგიის სიმძლავრესთან (P_input) შეფარდება:

\[ η = \frac{P_{\text{მნათობი}}}{P_{\text{შეყვანა}}} \]

\(P_{\text{სიწმინდის}}\) საპოვნელად გამოიყენეთ შემდეგი განტოლება 30% ან 0.30 ეფექტურობის მნიშვნელობით:

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

ამგვარად:

\[
P_{\text{მანათობელი}} = 0.30 \times 0.1 \text{W}
= 0.03 \text{W}
\]

ასე რომ, LED-ის მიერ სინათლის სახით გამოყოფილი სიმძლავრე 0.03 ვატია.

მაგალითი პრობლემა 4: სერიული LED სქემა

კითხვა: თქვენ გაქვთ სამი LED ინდიკატორი 2 ვ პირდაპირი ძაბვით, რომლებიც უნდა იყოს მიმდევრობით შეერთებული. თუ ძაბვის წყარო 9 ვოლტია, განსაზღვრეთ რეზისტორის მნიშვნელობა, რომელიც საჭიროა დენის 20 მA-მდე შესაზღუდად.

დისკუსია:
როდესაც LED-ები მიმდევრობით არის შეერთებული, საჭირო მთლიანი ძაბვა თითოეული LED-ის პირდაპირი ძაბვების ჯამია:

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

რეზისტორის მიერ გაფანტული ნარჩენი ძაბვაა:

\[
V_{R} = V_{წყარო} – V_{სულ}
= 9 ვოლტი – 6 ვოლტი
= 3 ვ
\]

20 mA სასურველი დენით, რეზისტორის მნიშვნელობა გამოითვლება ოჰმის კანონის გამოყენებით:

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

ასე რომ, საჭირო რეზისტორის მნიშვნელობა 150 ომს შეადგენს.

მაგალითი 5: პარალელური LED დენის შემზღუდველის სქემა

კითხვა: წრედში პარალელურად არის დაკავშირებული ორი LED, რომელთაგან თითოეულის პირდაპირი ძაბვაა 2 ვოლტი და დენის დენი 20 მილიამპერიანი. რა არის 5 ვოლტიანი ძაბვის წყაროდან საჭირო დენის ჯამური რაოდენობა, თუ თითოეული LED-ისთვის გამოიყენება რეზისტორი?

დისკუსია:
პარალელურად განლაგებული LED-ებისთვის, თითოეული LED განიცდის ერთსა და იმავე ძაბვას, კერძოდ, მათ შესაბამის პირდაპირი ძაბვას, და რადგან მათ სჭირდებათ 20 mA დენი თითო LED-ზე, მთლიანი დენი იქნება:

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

თითოეული LED-ისთვის რეზისტორის მნიშვნელობის გამოსათვლელად, გააკეთეთ შემდეგი:

\[
V_{R} = V_{წყარო} – V_f
= 5 ვოლტი – 2 ვოლტი
= 3 ვ
\]

თითოეულ LED-ში დენის შეზღუდვის რეზისტორის მნიშვნელობაა:

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

ამგვარად, თითოეულ LED-ს 150 ომიანი რეზისტორი სჭირდება. 5 ვოლტიანი კვების წყაროდან საჭირო დენი სულ 40 mA-ია.

დასკვნა

LED-ები თანამედროვე ელექტრონიკის უმნიშვნელოვანესი კომპონენტებია, რადგან მათ შეუძლიათ უზრუნველყონ მაღალი ეფექტურობის განათება ხანგრძლივი სიცოცხლის ხანგრძლივობით. ისეთი ძირითადი ცნებების გაგება, როგორიცაა პირდაპირი ძაბვა, დენი, სიმძლავრე, კვანტური ეფექტურობა და მათი წრედში კონფიგურაციის წესი, პრაქტიკული გამოყენების მყარ საფუძველს შექმნის. ზემოთ მოცემული მაგალითები პირველი ნაბიჯია ელექტრონულ წრედებში LED-ების გამოყენებასთან დაკავშირებული სხვადასხვა გამოყენებისა და გამოთვლების დაუფლებისკენ.