Beispillfroen iwwer Liichtemittéierend Dioden (LEDs)
Eng Liichtemittéierend Diode (LED) ass en Hallefleiterbauelement, dat Liicht emittéiert, wann en elektresche Stroum duerch si fléisst. De Phänomen hannert LEDs ass bekannt als Elektrolumineszenz, woubei en Hallefleitermaterial Liicht emittéiert, wann et vun engem elektresche Stroum ugereegt gëtt. LEDs si ganz populär a verschiddenen Uwendungen ginn, wéinst hirer héijer Effizienz a laanger Liewensdauer am Verglach mat traditionelle Liichtquellen wéi Glühbirnen.
An dësem Artikel wäerte mir e puer Beispillproblemer am Zesummenhang mat LEDs diskutéieren an hir Léisungen an Diskussiounen am Detail erklären, fir de Konzept hannert dësem Phänomen ze verstoen.
Beispillfro 1: Grondleeënd Eegeschafte vun LEDs
Fro: Eng LED huet d'Potenzial fir Liicht mat enger Wellelängt vu 650 nm (Nanometer) auszestrahlen. Berechent d'Energie vun de Photonen, déi vun dëser LED ausgestraalt ginn, a Elektronenvolt (eV).
Beschte:
D'Photonenergie kann mat der Planck-Equatioun berechent ginn:
[E = \frac{hc}{\lambda} \]
mäi Mann:
– \(E \) ass d'Photonenergie,
– \(h \) ass d'Planck-Konstant (\(6.626 \mol 10^{-34} \text{Js}\)),
– \(c \) ass d'Liichtgeschwindegkeet (\(3 \mol 10^8 \text{ m/s}\)),
– \( \lambda \) ass d'Wellenlängt vum Liicht (650 nm oder \(650 \mol 10^{-9} \text{ m}\)).
Wann dës Wäerter an d'Equatioun agesat ginn, kritt een:
\[
E = \frac{6.626 × 10^{-34} × 3 × 10^8}{650 × 10^{-9}}
= \frac{1.9878 \mol 10^{-25}}{650 \mol 10^{-9}}
= 3.05 × 10⁻⁹ J
\]
Als nächst konvertéiere mir Joule an Elektronenvolt mat der Konversioun (1 eV = 1.602 x 10-19 J):
\[
E = \frac{3.05 \mol 10^{-19}}{1.602 \mol 10^{-19}}
≈ 1.90 \eV
\]
Also ass d'Photonenenergie, déi vun enger LED mat enger Wellelängt vu 650 nm emittéiert gëtt, ongeféier 1.90 eV.
Beispill 2: LED-Virspannung
Fro: Eng rout LED huet eng Virspannung vun 2V a brauch e Stroum vun 20 mA fir richteg ze funktionéieren. Berechent de Stroumverbrauch vun der LED.
Beschte:
Fir d'Leeschtung ze berechnen, déi vun der LED absorbéiert gëtt, benotze mir déi grondleeënd Equatioun fir d'Leeschtung, nämlech:
\[ P = V \mol I \]
mäi Mann:
– \(P \) ass d'Leeschtung a Watt (W),
– \(V \) ass d'Spannung a Volt (V),
– \(I \) ass de Stroum an Ampere (A).
Setzt dës Wäerter an d'Equatioun eran:
\[
P = 2 (V) × 20 (mA)
= 2 V × 0.02 A
= 0.04 \text{ W}
\]
Also ass d'Leeschtung, déi vun enger rouder LED absorbéiert gëtt, déi mat enger Virwärtsspannung vun 2V an engem Stroum vun 20 mA funktionéiert, 0.04 Watt.
Beispill 3: LED-Effizienz
Fro: Eng blo LED huet eng Quantewierkungsgrad vun 30%. Wann d'LED 0.1 W elektresch Leeschtung verbraucht, wéi vill Leeschtung gëtt dann als Liicht ausgestraalt?
Beschte:
D'Quanteeffizienz (η) ass de Verhältnes vun der fräigesater Energie a Form vu Liicht (P_luminous) zum elektreschen Energiezufuhr (P_input):
\[ η = \frac{P_{\text{luminous}}}{P_{\text{Input}}} \]
Fir \( P_{\text{luminous}} \) ze fannen, benotzt déi folgend Equatioun mat engem Effizienzwäert vun 30% oder 0.30:
\[
0.30 = \frac{P_{\text{luminous}}}{0.1 \text{ W}}
\]
Sou:
\[
P_{\text{luminous}} = 0.30 × 0.1 W
= 0.03 \text{ W}
\]
Also ass d'Leeschtung, déi vun der LED a Form vu Liicht fräigesat gëtt, 0.03 Watt.
Beispillproblem 4: Serien-LED-Schaltkrees
Fro: Dir hutt dräi LEDs mat enger Virwärtsspannung vun all 2V, déi a Serie musse geschalt ginn. Wann d'Spannungsquell 9V ass, bestëmmt de Wäert vum Widderstand, deen néideg ass, fir de Stroum op 20 mA ze limitéieren.
Beschte:
Wann LEDs a Serie geschalt sinn, ass déi erfuerderlech Gesamtspannung d'Zomm vun de Virwärtsspannungen vun all LED:
\[
V_{gesamt} = V_f1 + V_f2 + V_f3
= 2V + 2V + 2V
= 6 V.
\]
Déi Reschtspannung, déi vum Widderstand ofgeleet muss ginn, ass:
\[
V_{R} = V_{Quell} – V_{Total}
= 9V – 6V
= 3 V.
\]
Bei engem gewënschte Stroum vun 20 mA gëtt de Wäert vum Widderstand mam Ohm-Gesetz berechent:
\[
R = \frac{V_{R}}{I}
= \frac{3V}{20 \text{mA}}
= \frac{3V}{0.02A}
= 150 \Omega
\]
Also, de néidege Widderstandswäert ass 150 Ohm.
Beispill 5: Parallel LED Stroumbegrenzer Circuit
Fro: An engem Circuit sinn zwou LEDs parallel ugeschalt, all mat enger Virspannung vun 2V an engem Stroum vun 20 mA. Wéi vill Stroum brauch eng 5V Spannungsquell am Ganzen, wann e Widderstand fir all LED benotzt gëtt?
Beschte:
Fir parallel ugeschloss LEDs erlieft all LED déiselwecht Spannung, nämlech hir jeeweileg Virwärtsspannung, an well se 20 mA Stroum pro LED brauchen, ass de Gesamtstroum:
\[
I_{total} = I_1 + I_2
= 20 \text{ mA} + 20 \text{ mA}
= 40 mA
\]
Fir de Wäert vum Widderstand fir all LED ze berechnen:
\[
V_{R} = V_{Quell} – V_f
= 5V – 2V
= 3 V.
\]
De Widderstandswäert fir de Stroum an all LED ze limitéieren ass:
\[
R = \frac{V_{R}}{I}
= \frac{3V}{20 \text{mA}}
= \frac{3V}{0.02A}
= 150 \Omega
\]
Dofir brauch all LED e Widderstand vun 150 Ohm. De Gesamtstroum, deen vun enger 5V-Stroumversuergung gebraucht gëtt, ass 40 mA.
Conclusioun
LEDe si wichteg Komponenten an der moderner Elektronik wéinst hirer Fäegkeet, héicheffizient Beliichtung mat enger laanger Liewensdauer ze liwweren. D'Verständnis vu Basiskonzepter wéi Virspannung, Stroum, Leeschtung, Quanteffizienz, a wéi se an engem Circuit konfiguréiert kënne ginn, bitt eng solid Basis fir praktesch Uwendungen. Déi uewe genannte Beispiller sinn en éischte Schrëtt fir déi verschidden Uwendungen a Berechnungen am Zesummenhang mat der Notzung vun LEDe an elektronesche Circuiten ze beherrschen.
