Een LED (Light Emitting Diode) is een diode die licht uitzendt als deze in de doorlaatrichting geschakeld is. In figuur 1 staan de (U,I)-karakteristieken van een aantal LED’s met verschillende kleuren.
In figuur 2 is een schakeling getekend waarin een rode LED in serie geschakeld is met een weerstand. De spanning U = 3,00 V. Door de rode LED in figuur 2 loopt een stroomsterkte van 0,60 mA.
Opgaven
a) Bepaal de grootte van de weerstand R.
De rode LED in de schakeling wordt vervangen door een groene LED. De stroomsterkte door de groene LED is ook 0,60 mA.
b) Beredeneer of de waarde van de weerstand R dan groter of kleiner gekozen moet worden.
In figuur 3 is de bouw van een LED vereenvoudigd weergegeven. Een LED is opgebouwd uit twee materialen, A en B. In de materialen A en B hebben de geleidings-elektronen een verschillend energieniveau. De keuze voor de materialen A en B bepaalt de kleur van het licht dat de LED uitzendt.
In figuur 4 staan vier schema’s met energieniveaus van de geleidings-elektronen weergegeven.
In één van de schema’s is het proces waarbij in een LED licht ontstaat juist weergegeven.
c) Leg uit in welk schema dat is.
Een bepaalde, blauwe, LED zendt fotonen uit met een golflengte van 470 nm en zendt een vermogen van 0,075 W aan licht uit. De stroomsterkte door de LED bedraagt 50 mA.
Uit deze gegevens volgt dat niet bij alle geleidings-elektronen die door deze LED gaan, een ‘blauw’ foton vrijkomt. Dit gebeurt slechts bij een bepaald percentage van de geleidings-elektronen.
d) Bereken dat percentage.
Uitwerkingen
Open het antwoord op de vraag van jouw keuze.
Uitwerking vraag (a)
Voor de weerstand geldt:
$R=\frac{U}{I}$
Hierin is I de stroomsterkte, die gelijk is aan 0,60 mA. De totale spanning in de schakeling is 3,00 V. De LED en de weerstand staan in serie. De spanning verdeelt zich dus over de LED en de weerstand. De spanning die over de LED staat, is af te lezen in figuur 1 en is gelijk aan 1,64 V. De spanning over de weerstand is dan 3,00 - 1,64 = 1,36 V.
De weerstand is gelijk aan:
$R=\frac{U}{I}=\frac{1,36}{0,60\cdot 10^{-3}}=2266,67=2,3\cdot 10^3~\Omega$
Uitwerking vraag (b)
De groene LED heeft een grotere spanning bij dezelfde stroomsterkte (zie figuur 1). De spanning over de weerstand wordt dan dus kleiner, terwijl de stroomsterkte hetzelfde blijft. De waarde van weerstand R moet dus kleiner gekozen worden.
Uitwerking vraag (c)
De geleidings-elektronen bewegen van - naar +. Ze zullen dus van B naar A bewegen.
Een foton wordt uitgezonden als een geleidings-elektron van een hoger naar een lager energieniveau terugvalt.
Schema III geeft het proces waarbij in een LED licht ontstaat dus juist weer.
Uitwerking vraag (d)
Per seconde zendt de LED 0,075 J aan licht uit.
De totale stroomsterkte is 50 mA. Elke seconde passeert er dus in een punt in de schakeling 50 mC aan lading. Dit komt overeen met 50 · 10-3 / 1,602 · 10-19 = 3,121 · 1017 elektronen.
De energie die vrijkomt als er één foton uitgezonden wordt is:
$E_f=hf=h\cdot\frac{c}{\lambda}=6,626\cdot 10^{-34}\cdot \frac{2,9979\cdot 10^8}{470\cdot 10^{-9}}=4,226\cdot 10^{-19}~\mathrm{J}$
Wanneer elk geleidings-elektron zou resulteren in het uitzenden van een foton zou de totale energie die per seconde uitgezonden wordt gelijk zijn aan:
$3,121\cdot 10^{17}\cdot 4,226\cdot 10^{-19}=0,1319~\mathrm{J}$
Het percentage elektronen waarbij er een foton vrijkomt is dan dus gelijk aan:
$\frac{0,075}{0,1319}\cdot 100\% = 57\%$
