Pavyzdiniai klausimai apie šviesos diodus (LED)
Šviesos diodas (LED) yra puslaidininkinis įtaisas, kuris skleidžia šviesą, kai juo teka elektros srovė. LED reiškinys vadinamas elektroliuminescencija, kai puslaidininkinė medžiaga skleidžia šviesą, kai ją sužadina elektros srovė. LED tapo labai populiarūs įvairiose srityse dėl didelio efektyvumo ir ilgo tarnavimo laiko, palyginti su tradiciniais šviesos šaltiniais, tokiais kaip kaitrinės lemputės.
Šiame straipsnyje aptarsime keletą su LED susijusių problemų pavyzdžių ir išsamiai paaiškinsime jų sprendimus bei diskusijas, kad padėtume suprasti šio reiškinio koncepciją.
1 pavyzdžio klausimas: Pagrindinės šviesos diodų savybės
Klausimas: Šviesos diodas (LED) gali skleisti 650 nm (nanometrų) bangos ilgio šviesą. Apskaičiuokite šio LED skleidžiamų fotonų energiją elektronvoltais (eV).
Diskusija:
Fotono energiją galima apskaičiuoti pagal Planko lygtį:
[E = \frac{hc}{\lambda}]
mano:
– \(E \) yra fotono energija,
– \(h \) yra Planko konstanta (\(6.626 \x 10^{-34} \text{ Js}\)),
– \(c \) yra šviesos greitis (\(3 × 10^8 \text{ m/s}\)),
– \( \lambda \) yra šviesos bangos ilgis (650 nm arba \(650 \x 10^{-9} \text{ m}\)).
Įstačius šias vertes į lygtį, gaunama:
\[
E = ∫\frac{6.626 × 10^{-34} × 3 × 10^8}{650 × 10^{-9}}
= ∫\frac{1.9878 × 10^{-25}}{650 × 10^{-9}}
= 3.05 × 10^{-19} \text{ J}
\]
Toliau džaulius konvertuojame į elektronvoltus naudodami konversiją \(1 \text{ eV} = 1.602 \times 10^{-19} \text{ J}\):
\[
E = ∫\frac{3.05 × 10^{-19}}{1.602 × 10^{-19}}
≈ 1.90 eV
\]
Taigi, 650 nm bangos ilgio šviesos diodo skleidžiama fotonų energija yra apie 1.90 eV.
2 pavyzdys: LED tiesioginė įtampa
Klausimas: Raudonas šviesos diodas turi 2 V tiesioginę įtampą ir tinkamam veikimui reikalinga 20 mA srovė. Apskaičiuokite šviesos diodo suvartojamą energiją.
Diskusija:
Norėdami apskaičiuoti šviesos diodo sugeriamą galią, naudojame pagrindinę galios lygtį, būtent:
\[P = V \pakartota I \]
mano:
– \(P \) yra galia vatais (W),
– \(V \) yra įtampa voltais (V),
– \(I \) yra srovės stipris amperais (A).
Į lygtį įdėkite šias vertes:
\[
P = 2 ∫V × 20 ∫mA
= 2 \text{ V} \times 0.02 \text{ A}
= 0.04 \text{ W}
\]
Taigi, raudono šviesos diodo, veikiančio esant 2 V įtampai ir 20 mA srovei, sugeriama galia yra 0.04 vato.
3 pavyzdys: LED efektyvumas
Klausimas: Mėlyno šviesos diodo kvantinis efektyvumas yra 30 %. Jei šviesos diodas sunaudoja 0.1 W elektros energijos, kiek energijos jis skleidžia šviesos pavidalu?
Diskusija:
Kvantinis efektyvumas (η) yra šviesos pavidalu išsiskiriančios galios (P_luminous) ir elektros energijos sąnaudų (P_input) santykis:
\[η = \frac{P_{\text{luminous}}}{P_{\text{input}}} \]
Norėdami rasti \( P_{\text{luminous}} \), naudokite šią lygtį su efektyvumo verte 30% arba 0.30:
\[
0.30 = \frac{P_{\text{luminous}}}{0.1 \text{ W}}
\]
Taigi:
\[
P_{\text{luminous}} = 0.30 × 0.1 W
= 0.03 \text{ W}
\]
Taigi, šviesos diodo skleidžiama galia šviesos pavidalu yra 0.03 vato.
4 pavyzdžio problema: nuoseklioji LED grandinė
Klausimas: Turite tris šviesos diodus, kurių kiekvieno tiesioginė įtampa yra 2 V, kuriuos reikia sujungti nuosekliai. Jei įtampos šaltinis yra 9 V, nustatykite rezistoriaus, reikalingo srovei apriboti iki 20 mA, vertę.
Diskusija:
Kai šviesos diodai jungiami nuosekliai, bendra reikalinga įtampa yra kiekvieno šviesos diodo tiesioginių įtampų suma:
\[
V_{iš viso} = V_f1 + V_f2 + V_f3
= 2 V + 2 V + 2 V
= 6 V
\]
Likutinė įtampa, kurią turi išsklaidyti rezistorius, yra:
\[
V_{R} = V_{šaltinis} – V_{bendras}
= 9 V – 6 V
= 3 V
\]
Esant pageidaujamai 20 mA srovei, rezistoriaus vertė apskaičiuojama pagal Ohmo dėsnį:
\[
R = ∫₀V_{R}}{I}
= ∫\frac{3V}{20 mA}
= ∫(3V)(0.02A)
= 150 \Omega
\]
Taigi, reikalinga rezistoriaus vertė yra 150 omų.
5 pavyzdys: Lygiagrečios LED srovės ribotuvo grandinė
Klausimas: Grandinėje lygiagrečiai sujungti du šviesos diodai, kurių kiekvieno tiesioginė įtampa yra 2 V, o srovė – 20 mA. Kokia bendra srovė reikalinga iš 5 V įtampos šaltinio, jei kiekvienam šviesos diodui naudojamas rezistorius?
Diskusija:
Lygiagrečiai išdėstytiems šviesos diodams kiekvienas šviesos diodas patirs tą pačią įtampą, t. y. atitinkamą tiesioginę įtampą, o kadangi kiekvienam šviesos diodui reikia 20 mA srovės, bendra srovė yra:
\[
I_{iš viso} = I_1 + I_2
= 20 \tekstas{ mA} + 20 \tekstas{ mA}
= 40 mA
\]
Norėdami apskaičiuoti kiekvieno šviesos diodo rezistoriaus vertę:
\[
V_{R} = V_{šaltinis} – V_f
= 5 V – 2 V
= 3 V
\]
Rezistoriaus vertė, ribojanti srovę kiekviename šviesos diode, yra:
\[
R = ∫₀V_{R}}{I}
= ∫\frac{3V}{20 mA}
= ∫(3V)(0.02A)
= 150 \Omega
\]
Taigi, kiekvienam šviesos diodui reikia 150 omų rezistoriaus. Bendra srovė, reikalinga iš 5 V maitinimo šaltinio, yra 40 mA.
Išvada
Šviesos diodai yra labai svarbūs šiuolaikinės elektronikos komponentai dėl savo gebėjimo užtikrinti labai efektyvų apšvietimą ir ilgą tarnavimo laiką. Supratimas pagrindinių sąvokų, tokių kaip tiesioginė įtampa, srovė, galia, kvantinis efektyvumas, ir kaip jas konfigūruoti grandinėje, suteiks tvirtą pagrindą praktiniam pritaikymui. Aukščiau pateikti pavyzdžiai yra pirmas žingsnis siekiant įvaldyti įvairias taikymo sritis ir skaičiavimus, susijusius su šviesos diodų naudojimu elektroninėse grandinėse.
