正确认识和使用发光二极管

正确认识和使用发光二极管

当前，发光二极管（LED）已经在许多方面得到广泛的应用。要在实验教学中更好地发挥LED的作用，就必须正确认识它的物理特性和技术参数。但令人遗憾的是，常会见到使用不当甚至屡损坏的情况。其原因是误认为LED和钨丝小灯泡是同一类发光元件或者具有相同的电特性，在设计实验时简单地用LED 代替小灯泡或电流表，或照搬小灯泡的供电方式造成的。这反映了一些老师对于新技术不了解，缺乏查询有关技术资料的意识和习惯。

01 发光二极管的发光机理

发光二极管的管芯是用某些特殊的半导体材料（如磷化镓、砷铝化镓、氮化镓等）制成PN结，当它正向导通时。空穴和自由电子发生复合，就辐射出光子而发光。不同材料制成的PN结发射出的光子频率不同，光的颜色就不同。红、绿、蓝、黄等单色发光管射出的并非理想的具有单一频率（或者说单一波长）的单色光，而是一段频带，产品说明书给出的是其峰值波长。看起来发同样颜色光的LED，由于所用半导体材料的不同，峰值波长也会有些差别。例如红光的有625、630、640nm等，黄光的有588、590nm等，绿光的有525、570nm等，蓝光的有460、470nm等。各色光LED的频带宽窄也各自不同，这些都可以用分光镜检测到。白光LED是二次发光机理，管芯内的P-N结发出蓝紫色光，再用这个光激发荧光粉而发出白光，上述过程是在管芯内完成的，外界看不到。白光LED虽含有各色光，但光谱与日光差别较大，光色“发青”，并不适合专业摄影用。

钨丝灯泡是利用金属导体电阻生热发光的，发光机理与LED不同。钨丝灯泡的光谱特点是连续的，包含从红到紫各种颜色的可见光以及红外线。当钨丝温度很高时，其光谱与日光相当接近。

LED虽然也发热，但是它将电能转化为光能的效率要比白炽灯泡高得多。

LED发光响应速度快（延迟时间仅10-7～10-9 s），可以认为一通电就立刻发光。而白炽灯泡则较为迟钝，其钨丝需要一个升温的过程，这在实验中用于显示快速变化的电流是不利的。

02 发光二极管的电学特性

LED 的结构是半导体PN 结，就必然具有单向导电性。但它只有在正向导通时才能发光，所以主要关注的是它的正向伏安特性。

例如：测量一只直径5mm 圆柱形透明外壳、发绿光的高亮度 LED ，并且观察它发光状况，得到的结果和伏安曲线如表1和图1所示。

由观测结果可认为：电压约2.6V 时开始导通发出微光，即将此值称为这种LED 的“阈值电压”。电压2.8~2.9V 时发出的亮光能满足一般工作的需要，可作为它通常的“工作电压”。 表 1

可以看出：从开始发光到极限状态，所加的正向电压仅仅增加了约0.5V 这么微小，而正向电流却急剧增大。因此，控制LED 工作状态的正确方法应当是调节通过它的正向电流，而不宜采用调节电压的方法。

03 钨丝灯泡和发光二极管具有不同的电学特性

钨丝灯泡的伏安特性如图2所示。加上电压就有电流通过，

电压增大时，电流的增长不太剧烈，而且渐趋平缓。所以即使

电压稍大于额定值，一般也不会烧断灯丝。因此使用时，是通

过调节灯泡两端的电压来控制它的工作状态的。所以说钨丝灯

泡是一种电压控制性元件。它一般会标出额定电压。

发光二极管不是随便加上一个电压就能工作，而必须使正向电压达到其阈值U /V I /mA 发光状况 0

0 无 2.00

0 无 2.30

0 无 2.50

0.01 微 2.62

0.05 弱 2.66

0.10 2.71

0.20 稍强 2.77

0.50 2.81

1.00 亮

2.86

2.0 更亮 2.89

3.0 2.93

5.0 很亮 2.99

10.0 3.06 20 极亮 图 1 图 2

电压才能有足够的电流通过而发光。发光颜色不同的LED，阈值电压不同。发光后，需要调节的是电流大小。所以说发光二极管是一种电流控制性元件。说明书标出的“工作电压”可视为其阈值电压，仅供选择电源时参考，而非额定电压。更需要关注的是它允许通过的最大电流。（超过了会烧毁PN结！）

04 常用发光二极管的种类

LED的种类较多，图3展示常用的几种。直径3mm、5mm圆柱形外壳的最常用，消耗的电功率仅几十毫瓦。它的两根管脚中，长的是正极。圆柱形LED 外壳的半球形顶端有聚光作用，

大部分光从此处向前射出。装配

示教板时往往需要LED发出的光

有大的发散角度，使处在不同方

位的学生都能看到，应选用“散

射型”的，其外壳像草帽。商品

称为“食人鱼”型的功率较大，

约100mW，常用在广告灯箱中。

照明用的大功率LED可达到

10W，使用时必须安装散热片。

LED的塑料外壳，分为无色透明的和有色的，前者透光好，后者射出的光比较柔和。为在实验中易于识别它是否发光和光的强弱，要选用无色透明外壳的。同样功率的LED发光效率也有较大差别，分为普通、高亮度和超高亮度的。通常可将超高亮度的作为首选。

双色发光管内部有两个芯，能分别发出红光和绿光，也可以同时发光。当两种色光强度差不多时，混合后看起来是橙色光。三基色发光管内部有三个芯，能

分别发出红光、绿光和蓝光，因而能混合出多种颜色的光。

LED发光响应速度快（延迟时间仅10-7～10-9 s），所以很多大型的视频彩色影显示屏就是用上万个或更多的三基色发光管组成的。还可以用LED制成数码管、字符管、点阵显示器等，用来显示简单的文字和符号。

红外发光管发射出峰值波长850或940nm的红外线。常用在遥控器中发射控制信号，气垫导轨上光电门中也大多用它做光源。图 1

图 3

05 发光二极管的供电

依据LED 的正向伏安特性曲线，可知它是电流控制型半导体器件。因此使用时不是着眼于控制加在它上面的电压，而是必须限制通过它的电流。直接用电池给LED 供电是危险的！

正确的供电方式是给它串联一只限流电阻R 再接

到电源上，电路如图4甲所示。电源E 的电压应稍大

于该LED 的阈值电压。对于常用的Φ5（直径5mm ）

小功率LED ，电流在1~2 mA 时已经能发出较弱的光，

10mA 时就足够亮了，最大不可超过20mA 。功率越大

的LED ，允许通过的最大电流也越大，产品说明书上

会给出具体数值，使用前一定要查阅。在电子电路中配合三极管或集成电路等使用LED 时，也要串联限流电阻或采取其他限流措施。这样做，就可以保证LED 不会被烧毁。

限流电阻R 的阻值，可以用两种方法确定。一是依据电路中相关的参数估算，例如图4甲中电源E 电压为5.0V ，红光LED 的工作电压约1.8V ，希望电流I 控制在10mA ，则Ω=-=32001.0)8.10.5(A

V R ，于是选用标称值330Ω、1/8W 的电阻器。二是接入电流表调试，例如LED 的工作电压未知，则取R 为可调电阻器，并串入毫安表监测，如图3乙所示。调节R 使通过LED 的电流不超过该型号LED 允许的最大值，然后取一个与调好后的R 值接近的定值电阻器来代替可调电阻器。

还要注意：普通的整流用硅二极管能够承受相当大（例如几百伏）的反向电压，而LED 却不行，一般的承受能力不到10V 。所以使用LED 时不可将电源的正负极接反或承受瞬间反向电压的冲击，否则很容易使LED 被击穿而损坏。

LED 的并联： 怎样用一个6V 电池同时给发红光和发绿光的LED 并联供电？乍看起来似乎图5中两种电路都可以。但

实际做一下却不然：（a ）图电路中两个LED

都正常发光，（b ）图电路中却只有红色LED

发光。原因是两种LED 的阈值电压不同，红

色的约1.7V ，从其伏安曲线可知发光最强时

图 4 图 5