Пример питања о светлећим диодама (ЛЕД)
Светлећа диода (LED) је полупроводнички уређај који емитује светлост када кроз њега протиче електрична струја. Феномен иза LED диода познат је као електролуминисценција, где полупроводнички материјал емитује светлост када је побуђен електричном струјом. LED диоде су постале веома популарне у разним применама због своје високе ефикасности и дугог века трајања у поређењу са традиционалним изворима светлости као што су сијалице са жарном нити.
У овом чланку ћемо размотрити неке примере проблема везаних за ЛЕД диоде и детаљно објаснити њихова решења и дискусије како бисмо разумели концепт који стоји иза овог феномена.
Пример питања 1: Основна својства ЛЕД диода
Питање: ЛЕД диода има потенцијал да емитује светлост таласне дужине од 650 nm (нанометара). Израчунајте енергију фотона које емитује ова ЛЕД диода у електрон-волтима (eV).
пембахасан:
Енергија фотона се може израчунати помоћу Планкове једначине:
\[ E = \frac{hc}{\lambda} \]
Где:
– \( E \) је енергија фотона,
– \( h \) је Планкова константа (\(6.626 \пута 10^{-34} \текст{ Js}\)),
– \( c \) је брзина светлости (\(3 \пута 10^8 \текст{ м/с}\)),
– \( \lambda \) је таласна дужина светлости (650 nm или \(650 \пута 10^{-9} \text{ m}\)).
Заменом ових вредности у једначину добија се:
\[
E = ∫₁₁₁₁ x 10⁻⁴ + 3 + 10⁻⁴ + 650 + 10⁻⁴
= \frac{1.9878 \пута 10^{-25}}{650 \пута 10^{-9}}
= 3.05 пута 10^{-19} \text{ J}
\]
Затим, претварамо џуле у електрон-волте користећи конверзију \(1 \text{ eV} = 1.602 \times 10^{-19} \text{ J}\):
\[
E = 3.05 пута 10⁻¹⁵ (1.602 пута 10⁻¹⁵)
≈ 1.90 \text{ eV}
\]
Дакле, енергија фотона коју емитује ЛЕД диода таласне дужине 650 nm је око 1.90 eV.
Пример 2: Напон ЛЕД диоде унапред
Питање: Црвена ЛЕД диода има директни напон од 2 V и захтева струју од 20 mA да би правилно радила. Израчунајте снагу коју ЛЕД диода троши.
пембахасан:
Да бисмо израчунали снагу коју апсорбује ЛЕД диода, користимо основну једначину за снагу, наиме:
\[ P = V \пута I \]
Где:
– \( P \) је снага у ватима (W),
– \( V \) је напон у волтима (V),
– \( I \) је струја у амперима (A).
Замените ове вредности у једначину:
\[
P = 2 V x 20 mA
= 2 \text{ V} \puta 0.02 \text{ A}
= 0.04 \text{ W}
\]
Дакле, снага коју апсорбује црвена ЛЕД диода која ради на директном напону од 2V и струји од 20mA је 0.04 вати.
Пример 3: Ефикасност ЛЕД диода
Питање: Плава ЛЕД диода има квантну ефикасност од 30%. Ако ЛЕД диода користи 0.1 W електричне снаге, колико енергије се емитује као светлост?
пембахасан:
Квантна ефикасност (η) је однос снаге ослобођене у облику светлости (P_luminous) и уложене електричне снаге (P_input):
\[ η = \frac{P_{\text{светлећи}}}{P_{\text{улазни}}} \]
Да бисте пронашли \( P_{\text{luminous}} \), користите следећу једначину са вредношћу ефикасности од 30% или 0.30:
\[
0.30 = \frac{P_{\text{светлеће}}}{0.1 \text{ W}}
\]
Дакле:
\[
P_{\text{светлеће}} = 0.30 \puta 0.1 \text{W}
= 0.03 \text{ W}
\]
Дакле, снага коју ЛЕД диода ослобађа у облику светлости је 0.03 вата.
Пример проблема 4: Серијско ЛЕД коло
Питање: Имате три ЛЕД диоде са напоном од 2V свака које треба повезати серијски. Ако је извор напона 9V, одредите вредност отпорника потребног за ограничавање струје на 20 mA.
пембахасан:
Када су ЛЕД диоде повезане серијски, укупан потребан напон је збир директних напона сваке ЛЕД диоде:
\[
В_{укупно} = В_ф1 + В_ф2 + В_ф3
= 2V + 2V + 2V
= 6В
\]
Преостали напон који отпорник мора да расипа је:
\[
V_{R} = V_{извор} – V_{укупно}
= 9V – 6V
= 3В
\]
Са жељеном струјом од 20 mA, вредност отпорника се израчунава помоћу Омовог закона:
\[
R = \frac{V_{R}}{I}
= 3V/20 mA
= \frac{3V}{0.02A}
= 150 \Омега
\]
Дакле, потребна вредност отпорника је 150 ома.
Пример 5: Паралелно коло за ограничавање струје ЛЕД диоде
Питање: У колу су две ЛЕД диоде постављене паралелно, свака са директним напоном од 2 V и струјом од 20 mA. Колика је укупна струја потребна из извора напона од 5 V ако се за сваку ЛЕД диоду користи отпорник?
пембахасан:
За ЛЕД диоде постављене паралелно, свака ЛЕД диода ће искусити исти напон, наиме њихов одговарајући директни напон, а пошто им је потребно 20 mA струје по ЛЕД диоди, укупна струја је:
\[
I_{укупно} = I_1 + I_2
= 20 \тект{ мА} + 20 \тект{ мА}
= 40 \text{ mA}
\]
Да бисте израчунали вредност отпорника за сваку ЛЕД диоду:
\[
V_{R} = V_{извор} – V_f
= 5V – 2V
= 3В
\]
Вредност отпорника за ограничавање струје у свакој ЛЕД диоди је:
\[
R = \frac{V_{R}}{I}
= 3V/20 mA
= \frac{3V}{0.02A}
= 150 \Омега
\]
Дакле, свака ЛЕД диода захтева отпорник од 150 ома. Укупна струја потребна за напајање од 5 V је 40 mA.
Закључак
ЛЕД диоде су кључне компоненте у модерној електроници због своје способности да обезбеде високо ефикасно осветљење са дугим веком трајања. Разумевање основних концепата као што су директни напон, струја, снага, квантна ефикасност и како их конфигурисати у колу пружиће солидну основу за практичне примене. Горе наведени примери су први корак ка савладавању различитих примена и прорачуна везаних за употребу ЛЕД диода у електронским колима.
