Príklady otázok týkajúcich sa svetelných diód (LED)
Svetelná dióda (LED) je polovodičové zariadenie, ktoré vyžaruje svetlo, keď ním preteká elektrický prúd. Jav LED diód je známy ako elektroluminiscencia, kde polovodičový materiál vyžaruje svetlo, keď je budený elektrickým prúdom. LED diódy sa stali veľmi populárnymi v rôznych aplikáciách vďaka svojej vysokej účinnosti a dlhej životnosti v porovnaní s tradičnými svetelnými zdrojmi, ako sú napríklad žiarovky.
V tomto článku sa budeme venovať niektorým príkladom problémov súvisiacich s LED diódami a podrobne vysvetlíme ich riešenia a diskusie, aby sme pomohli pochopiť koncept, ktorý stojí za týmto javom.
Príklad otázky 1: Základné vlastnosti LED diód
Otázka: LED dióda má potenciál vyžarovať svetlo s vlnovou dĺžkou 650 nm (nanometrov). Vypočítajte energiu fotónov vyžarovaných touto LED diódou v elektrónvoltoch (eV).
Diskusia:
Energiu fotónu možno vypočítať pomocou Planckovej rovnice:
\[ E = \frac{hc}{\lambda} \]
ruka:
– \( E \) je energia fotónu,
– \( h \) je Planckova konštanta (\(6.626 \krát 10^{-34} \text{ Js}\)),
– \( c \) je rýchlosť svetla (\(3 \krát 10^8 \text{ m/s}\)),
– \( \lambda \) je vlnová dĺžka svetla (650 nm alebo \(650 \krát 10^{-9} \text{ m}\)).
Dosadením týchto hodnôt do rovnice získame:
\[
E = \frac{6.626 \krát 10^{-34} \krát 3 \krát 10^8}{650 \krát 10^{-9}}
= \frac{1.9878 \krát 10^{-25}}{650 \krát 10^{-9}}
= 3.05 krát 10^{-19} \text{ J}
\]
Ďalej prevedieme jouly na elektrónvolty pomocou konverzie \(1 \text{ eV} = 1.602 \krát 10^{-19} \text{ J}\):
\[
E = \frac{3.05 \krát 10^{-19}}{1.602 \krát 10^{-19}}
≈ 1.90 \text{ eV}
\]
Takže energia fotónov vyžarovaná LED diódou s vlnovou dĺžkou 650 nm je približne 1.90 eV.
Príklad 2: Napätie LED v priepustnom smere
Otázka: Červená LED dióda má priame napätie 2 V a na správnu prevádzku potrebuje prúd 20 mA. Vypočítajte spotrebu energie LED diódou.
Diskusia:
Na výpočet výkonu absorbovaného LED diódou používame základnú rovnicu pre výkon, a to:
\[ P = V \krát I \]
ruka:
– \( P \) je výkon vo wattoch (W),
– \( V \) je napätie vo voltoch (V),
– \( I \) je prúd v ampéroch (A).
Dosadte tieto hodnoty do rovnice:
\[
P = 2 V krát 20 mA
= 2 \text{ V} \krát 0.02 \text{ A}
= 0.04 \text{ W}
\]
Takže výkon absorbovaný červenou LED diódou pracujúcou s priamym napätím 2 V a prúdom 20 mA je 0.04 wattu.
Príklad 3: Účinnosť LED diód
Otázka: Modrá LED dióda má kvantovú účinnosť 30 %. Ak LED dióda spotrebuje 0.1 W elektrickej energie, koľko energie sa vyžaruje ako svetlo?
Diskusia:
Kvantová účinnosť (η) je pomer energie uvoľnenej vo forme svetla (P_luminous) k vstupnému elektrickému výkonu (P_input):
\[ η = \frac{P_{\text{svetelný}}}{P_{\text{vstupný}}} \]
Na nájdenie \( P_{\text{luminous}} \) použite nasledujúcu rovnicu s hodnotou účinnosti 30 % alebo 0.30:
\[
0.30 = \frac{P_{\text{svetelný}}}{0.1 \text{ W}}
\]
Teda:
\[
P_{\text{svetelný}} = 0.30 \krát 0.1 \text{ W}
= 0.03 \text{ W}
\]
Takže výkon uvoľnený LED diódou vo forme svetla je 0.03 Wattu.
Príklad problému 4: Sériový obvod LED
Otázka: Máte tri LED diódy s priamym napätím 2 V, ktoré je potrebné zapojiť sériovo. Ak je zdroj napätia 9 V, určte hodnotu odporu potrebného na obmedzenie prúdu na 20 mA.
Diskusia:
Keď sú LED diódy zapojené sériovo, celkové potrebné napätie je súčtom priamych napätí každej LED diódy:
\[
V_{total} = V_f1 + V_f2 + V_f3
= 2V + 2V + 2V
= 6 V
\]
Zvyškové napätie, ktoré musí rezistor rozptýliť, je:
\[
V_{R} = V_{zdroj} – V_{celkom}
= 9V – 6V
= 3 V
\]
Pri požadovanom prúde 20 mA sa hodnota odporu vypočíta pomocou Ohmovho zákona:
\[
R = \frac{V_{R}}{I}
= \frac{3V}{20 \text{ mA}}
= \frac{3V}{0.02A}
= 150 \omega
\]
Požadovaná hodnota odporu je teda 150 ohmov.
Príklad 5: Obvod obmedzovača prúdu paralelnej LED diódy
Otázka: V obvode sú paralelne zapojené dve LED diódy, každá s priamym napätím 2 V a prúdom 20 mA. Aký je celkový prúd potrebný zo zdroja napätia 5 V, ak sa pre každú LED diódu použije rezistor?
Diskusia:
Pri paralelne usporiadaných LED diódach bude každá LED dióda vystavená rovnakému napätiu, a to príslušnému priamemu napätiu, a keďže na LED diódu je potrebný prúd 20 mA, celkový prúd je:
\[
I_{celkom} = I_1 + I_2
= 20 \text{ mA} + 20 \text{ mA}
= 40 \text{ mA}
\]
Výpočet hodnoty odporu pre každú LED diódu:
\[
V_{R} = V_{zdroj} – V_f
= 5V – 2V
= 3 V
\]
Hodnota odporu na obmedzenie prúdu v každej LED dióde je:
\[
R = \frac{V_{R}}{I}
= \frac{3V}{20 \text{ mA}}
= \frac{3V}{0.02A}
= 150 \omega
\]
Každá LED dióda teda vyžaduje rezistor s odporom 150 ohmov. Celkový prúd potrebný z 5V napájacieho zdroja je 40 mA.
Záver
LED diódy sú kľúčovými súčasťami modernej elektroniky vďaka svojej schopnosti poskytovať vysoko účinné osvetlenie s dlhou životnosťou. Pochopenie základných konceptov, ako je napätie v priamom smere, prúd, výkon, kvantová účinnosť a spôsob ich konfigurácie v obvode, poskytne pevný základ pre praktické aplikácie. Vyššie uvedené príklady sú prvým krokom k zvládnutiu rôznych aplikácií a výpočtov súvisiacich s použitím LED diód v elektronických obvodoch.
