Jautājumu piemēri par gaismas diodēm (LED)
Gaismas diode (LED) ir pusvadītāju ierīce, kas izstaro gaismu, kad caur to plūst elektriskā strāva. LED parādība ir pazīstama kā elektroluminiscence, kur pusvadītāju materiāls izstaro gaismu, kad to ierosina elektriskā strāva. LED ir kļuvušas ļoti populāras dažādos pielietojumos, pateicoties to augstajai efektivitātei un ilgajam kalpošanas laikam, salīdzinot ar tradicionālajiem gaismas avotiem, piemēram, kvēlspuldzēm.
Šajā rakstā mēs apspriedīsim dažas ar LED saistītās problēmas un detalizēti izskaidrosim to risinājumus un diskusijas, lai palīdzētu izprast šīs parādības koncepciju.
1. piemēra jautājums: LED pamatīpašības
Jautājums: LED diodei ir potenciāls izstarot gaismu ar viļņa garumu 650 nm (nanometri). Aprēķiniet šīs LED diodes izstaroto fotonu enerģiju elektronvoltos (eV).
Diskusija:
Fotona enerģiju var aprēķināt, izmantojot Planka vienādojumu:
\[E = \frac{hc}{\lambda} \]
di mana:
– \(E \) ir fotona enerģija,
– \(h \) ir Planka konstante (\(6.626 \x 10^{-34} \text{ Js}\)),
– \(c \) ir gaismas ātrums (\(3 \x 10^8 \text{ m/s}\)),
– \( \lambda \) ir gaismas viļņa garums (650 nm jeb \(650 \x 10^{-9} \text{ m}\)).
Aizstājot šīs vērtības vienādojumā, iegūst:
\[
E = \frac{6.626 \x 10^{-34} \x 3 \x 10^8}{650 \x 10^{-9}}
= \frac{1.9878 \x 10^{-25}}{650 \x 10^{-9}}
= 3.05 x 10^{-19} \text{ J}
\]
Tālāk mēs pārvēršam džoulus elektronvoltos, izmantojot konversiju \(1 \text{ eV} = 1.602 \times 10^{-19} \text{ J}\):
\[
E = ∫\frac{3.05 × 10^{-19}}{1.602 × 10^{-19}}
≈ 1.90 \text{ eV}
\]
Tātad, gaismas diodes ar viļņa garumu 650 nm izstarotā fotona enerģija ir aptuveni 1.90 eV.
2. piemērs: LED tiešais spriegums
Jautājums: Sarkanai gaismas diodei ir 2 V tiešais spriegums, un tās pareizai darbībai nepieciešama 20 mA strāva. Aprēķiniet gaismas diodes patērēto jaudu.
Diskusija:
Lai aprēķinātu LED absorbēto jaudu, mēs izmantojam jaudas pamatvienādojumu, proti:
\[P = V \reiz I \]
di mana:
– \(P \) ir jauda vatos (W),
– \(V \) ir spriegums voltos (V),
– \(I \) ir strāvas stiprums ampēros (A).
Aizstājiet šīs vērtības vienādojumā:
\[
P = 2 \text{ V} \times 20 \text{ mA}
= 2 \text{ V} \times 0.02 \text{ A}
= 0.04 \text{ W}
\]
Tātad, sarkanās gaismas diodes, kas darbojas ar 2 V tiešo spriegumu un 20 mA strāvu, patērētā jauda ir 0.04 vati.
3. piemērs: LED efektivitāte
Jautājums: Zilas gaismas diodes kvantu efektivitāte ir 30 %. Ja gaismas diode patērē 0.1 W elektroenerģijas, cik daudz enerģijas tiek izstarota gaismas veidā?
Diskusija:
Kvantu efektivitāte (η) ir gaismas veidā izdalītās jaudas (P_luminous) attiecība pret patērēto elektrisko jaudu (P_input):
\[ η = \frac{P_{\text{luminous}}}{P_{\text{input}}} \]
Lai atrastu \(P_{\text{luminous}} \), izmantojiet šādu vienādojumu ar efektivitātes vērtību 30% jeb 0.30:
\[
0.30 = \frac{P_{\text{luminous}}}{0.1 \text{W}}
\]
Tādējādi:
\[
P_{\text{luminous}} = 0.30 x 0.1 \text{ W}
= 0.03 \text{ W}
\]
Tātad, gaismas diodes izdalītā jauda gaismas veidā ir 0.03 vati.
4. uzdevuma piemērs: virknes LED shēma
Jautājums: Jums ir trīs gaismas diodes ar tiešo spriegumu 2 V katra, kas jāsavieno virknē. Ja sprieguma avots ir 9 V, nosakiet rezistora vērtību, kas nepieciešama, lai ierobežotu strāvu līdz 20 mA.
Diskusija:
Kad gaismas diodes ir savienotas virknē, kopējais nepieciešamais spriegums ir katras gaismas diodes tiešā sprieguma summa:
\[
V_{kopā} = V_f1 + V_f2 + V_f3
= 2V + 2V + 2V
= 6 V
\]
Rezistoram jāizkliedē atlikušais spriegums:
\[
V_{R} = V_{avots} – V_{kopā}
= 9 V – 6 V
= 3 V
\]
Ar vēlamo strāvu 20 mA rezistora vērtību aprēķina, izmantojot Oma likumu:
\[
R = ∫(V_{R})/I
= \frac{3V}{20 \text{ mA}}
= ∫(3V)(0.02A)
= 150 \Omega
\]
Tātad nepieciešamā rezistora vērtība ir 150 omi.
5. piemērs: Paralēlā LED strāvas ierobežotāja shēma
Jautājums: Ķēdē paralēli ir savienotas divas gaismas diodes (LED), katra ar 2 V tiešo spriegumu un 20 mA strāvu. Kāda ir kopējā strāva, kas nepieciešama no 5 V sprieguma avota, ja katrai LED tiek izmantots rezistors?
Diskusija:
Paralēli izvietotām gaismas diodēm katrai gaismas diodei būs vienāds spriegums, proti, to attiecīgais tiešais spriegums, un, tā kā katrai gaismas diodei nepieciešama 20 mA strāva, kopējā strāva ir:
\[
I_{kopā} = I_1 + I_2
= 20 \text{ mA} + 20 \text{ mA}
= 40 mA
\]
Lai aprēķinātu katras gaismas diodes rezistora vērtību:
\[
V_{R} = V_{avots} – V_f
= 5 V – 2 V
= 3 V
\]
Katras gaismas diodes strāvas ierobežošanai paredzētā rezistora vērtība ir:
\[
R = ∫(V_{R})/I
= \frac{3V}{20 \text{ mA}}
= ∫(3V)(0.02A)
= 150 \Omega
\]
Tādējādi katrai gaismas diodei ir nepieciešams 150 omu rezistors. Kopējā strāva, kas nepieciešama no 5 V barošanas avota, ir 40 mA.
Secinājums
Gaismas diodes ir būtiskas mūsdienu elektronikas sastāvdaļas, pateicoties to spējai nodrošināt ļoti efektīvu apgaismojumu ar ilgu kalpošanas laiku. Izpratne par tādiem pamatjēdzieniem kā tiešais spriegums, strāva, jauda, kvantu efektivitāte un to konfigurēšana ķēdē nodrošinās stabilu pamatu praktiskiem pielietojumiem. Iepriekš minētie piemēri ir pirmais solis ceļā uz dažādu pielietojumu un aprēķinu apgūšanu, kas saistīti ar gaismas diožu izmantošanu elektroniskajās shēmās.
