Exempelfrågor som diskuterar lysdioder (LED)
En lysdiod (LED) är en halvledarkomponent som avger ljus när en elektrisk ström flyter genom den. Fenomenet bakom lysdioder är känt som elektroluminescens, där ett halvledarmaterial avger ljus när det exciteras av en elektrisk ström. Lysdioder har blivit mycket populära i en mängd olika tillämpningar på grund av sin höga effektivitet och långa livslängd jämfört med traditionella ljuskällor som glödlampor.
I den här artikeln kommer vi att diskutera några exempelproblem relaterade till lysdioder och förklara deras lösningar och diskussioner i detalj för att hjälpa till att förstå konceptet bakom detta fenomen.
Exempelfråga 1: Grundläggande egenskaper hos lysdioder
Fråga: En lysdiod har potential att avge ljus med en våglängd på 650 nm (nanometer). Beräkna energin hos de fotoner som avges av denna lysdiod i elektronvolt (eV).
Diskussion:
Fotonenergin kan beräknas med Plancks ekvation:
[E = \frac{hc}{\lambda} \]
Där:
– \(E \) är fotonenergin,
– \(h \) är Plancks konstant (\(6.626 \times 10^{-34} \text{Js}\)),
– \(c \) är ljusets hastighet (\(3 \times 10^8 \text{ m/s}\)),
– \( \lambda \) är ljusets våglängd (650 nm eller \(650 \× 10^{-9} \text{ m}\)).
Att ersätta dessa värden i ekvationen ger:
\[
E = \frac{6.626 \times 10^{-34} \times 3 \times 10^{8}{650 \times 10^{-9}}
= 1.9878 × 10⁻⁸ (-25) × 650 × 10⁻⁸ (-9)
= 3.05 × 10⁻⁹ J
\]
Därefter omvandlar vi joule till elektronvolt med hjälp av omvandlingen (1 eV = 1.602 × 10-19 J):
\[
E = 3.05 × 10⁻⁹/1.602 × 10⁻⁹
≈ 1.90 eV
\]
Så är fotonenergin som avges av en LED med en våglängd på 650 nm cirka 1.90 eV.
Exempel 2: LED-framspänning
Fråga: En röd lysdiod har en framspänning på 2V och kräver en ström på 20 mA för att fungera korrekt. Beräkna den effekt som lysdioden förbrukar.
Diskussion:
För att beräkna den effekt som absorberas av lysdioden använder vi den grundläggande ekvationen för effekt, nämligen:
\[ P = V \× I \]
Där:
– \(P \) är effekten i watt (W),
– \(V \) är spänningen i volt (V),
– \(I \) är strömmen i ampere (A).
Ersätt dessa värden i ekvationen:
\[
P = 2 V × 20 mA
= 2 V × 0.02 A
= 0.04 \text{ W}
\]
Så, effekten som absorberas av en röd lysdiod som arbetar med en framspänning på 2V och en ström på 20 mA är 0.04 watt.
Exempel 3: LED-effektivitet
Fråga: En blå LED har en kvantverkningsgrad på 30 %. Om LED-lampan använder 0.1 W elektrisk effekt, hur mycket effekt avges som ljus?
Diskussion:
Kvanteffektiviteten (η) är förhållandet mellan den frigjorda effekten i form av ljus (P_luminous) och den elektriska ineffekten (P_input):
\[ η = \frac{P_{\text{luminous}}}{P_{\text{input}}} \]
För att hitta \( P_{\text{luminous}} \), använd följande ekvation med ett verkningsgradsvärde på 30% eller 0.30:
\[
0.30 = \frac{P_{\text{luminous}}}{0.1 \text{ W}}
\]
Således:
\[
P_{\text{luminous}} = 0.30 × 0.1 W
= 0.03 \text{ W}
\]
Så, effekten som frigörs av lysdioden i form av ljus är 0.03 watt.
Exempelproblem 4: Seriell LED-krets
Fråga: Du har tre lysdioder med en framspänning på 2V vardera som behöver seriekopplas. Om spänningskällan är 9V, bestäm värdet på det motstånd som behövs för att begränsa strömmen till 20 mA.
Diskussion:
När lysdioder är seriekopplade är den totala spänningen som krävs summan av framspänningarna för varje lysdiod:
\[
V_{total} = V_f1 + V_f2 + V_f3
= 2V + 2V + 2V
= 6V
\]
Den restspänning som måste avledas av motståndet är:
\[
V_{R} = V_{källa} – V_{totalt}
= 9V – 6V
= 3V
\]
Med en önskad ström på 20 mA beräknas motståndsvärdet med hjälp av Ohms lag:
\[
R = \frac{V_{R}}{I}
= ∫3V/20 mA
= \frac{3V}{0.02A}
= 150 Ω
\]
Så det erforderliga motståndsvärdet är 150 ohm.
Exempel 5: Parallell LED-strömbegränsarkrets
Fråga: I en krets finns det två parallellkopplade lysdioder, var och en med en framspänning på 2V och en ström på 20 mA. Vilken total ström krävs från en 5V spänningskälla om ett motstånd används för varje lysdiod?
Diskussion:
För parallellt anordnade lysdioder kommer varje lysdiod att uppleva samma spänning, nämligen deras respektive framspänning, och eftersom de kräver 20 mA ström per lysdiod är den totala strömmen:
\[
I_{totalt} = I_1 + I_2
= 20 \text{ mA} + 20 \text{ mA}
= 40 mA
\]
För att beräkna motståndsvärdet för varje lysdiod:
\[
V_{R} = V_{källa} – V_f
= 5V – 2V
= 3V
\]
Motståndsvärdet för att begränsa strömmen i varje lysdiod är:
\[
R = \frac{V_{R}}{I}
= ∫3V/20 mA
= \frac{3V}{0.02A}
= 150 Ω
\]
Således kräver varje lysdiod ett motstånd på 150 ohm. Den totala strömmen som krävs från en 5V strömförsörjning är 40 mA.
slutsats
Lysdioder är avgörande komponenter i modern elektronik på grund av deras förmåga att ge mycket effektiv belysning med lång livslängd. Att förstå grundläggande begrepp som framspänning, ström, effekt och kvanteffektivitet och hur man konfigurerar dem i en krets ger en solid grund för praktiska tillämpningar. Exemplen ovan är ett första steg mot att bemästra de olika tillämpningarna och beräkningarna relaterade till användningen av lysdioder i elektroniska kretsar.
