正确认识和使用发光二极管

正确认识和使用发光二极管

——中学物理教师参考资料

（北京市第四中学 刘彬生）

当前，发光二极管（LED ）已经在许多方面得到广泛的应用，生活中也随处可见，例如在家用手电筒里，白光LED 已取代了小灯泡。多种多样的LED ，以它那绚丽的色彩、玲珑的体型、很低的工作电压、小的耗电量、较高的发光效率、超长的寿命和越来越低廉的价格，确实让不少人着迷，也从多方面被引入教学实验的领域。

要在教学中安全地使用和更好地发挥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，近来见到几位老师使用发光二极管或激光二极管时屡屡损坏的事。笔者和他们探讨，发现其原因是误认为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，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，缺乏阅读有关技术资料的意识和习惯。

本文将就此进行一些介绍和说明。

一、发光二极管的特性

小灯泡是一种电阻生热发光光源。它标有“额定电压”，通常使用时要求加上额定电压，使钨丝能达到足够高的温度，发出一定的光通量来满足照明的需求。它的伏安特性如图1甲所示，当电压增大时，由

于温度升高使电阻也增大，会使电流的增长不太

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

监测灯泡两端的电压来控制它的工作状态。它的

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。

发光二极管的管芯是由某些特殊的半导体材料（例如砷化镓等）制成的P-N 结。当它正向导通时，空穴和自由电子在P-N 结发生复合，就辐射出光子而发光。它的正向伏安特性如图1乙所示，和普通的硅二极管相似，都有一定的正向导通电压（阈值电压）U D ，对于普通的硅二极管，U D 约为0.6V ，而发光二极管的要大些，例如常用的小功率发光管，发红光的约为 1.8V ，发黄、绿、蓝、白色光的在2V 到3V 之间。当所加的正向电压小于U D 时，发光管不导通，因而不会发光。而当它开始导通后，电压稍有增加，电流就会急剧增大，电流过大时就会烧毁P-N 结，必须设法限制。注意，LED 没有额定电压，这和钨丝小灯泡完全不同。厂家在说明书中给出的工作电压，是指在某个正向测试电流（例如20mA ）下发光时LED 两端的电压，它比阈值电压稍大一些而不是阈值电压。工作电压只供使用（例如选择电源电压）时参考，并不要求必须给LED 加上这个数值的电压。

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。例如图 1

红光的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。其光谱与日光并不完全相同。

二、发光二极管的种类

LED 的种类较多，图2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。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。“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。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。

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，可用许多个来组成LED 显示屏。

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。

激光二极管（LD ）的发光的机理在本质上和普通的发光二极管相同，但是在半导体芯片内部制成谐振腔，因而它能够沿特定的方向辐射出很细的强激光束。廉价的、玩具型的微功率（1 ~ 2mW ）红光激光笔已被老师们普遍用于几何光学实验。激光教鞭里的激光管功率较大，一般约几十毫瓦，大的可以有100mW 。使用时一定要注意安全，绝不可让激光直接射入眼中。

三、发光二极管的供电和检测

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，而是必须限制通过的电流。

图 2

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3甲所示。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3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，否则很容易使LED 被击穿而损坏。

检测发光二极管的方法可以有几种，最简

单的是使用指针式多用表的电阻挡。要选用内

装3V 电池的那些型号的，如MF368、J0411等。

使用其R ×1（或R ×10）挡。当黑表笔接LED

的正极、红表笔接负极时，LED 会发出明亮的

光，如图4甲所示。这时电阻挡的内阻就相当

于限流电阻，避免了LED 因检测而损坏。同一

只万用表R ×10挡的内阻比R ×1挡大10倍，

因而用R ×10挡测量时LED 发光较弱。如果万

用表内只装有一节干电池，则可以在外面再串

联一节电池E ，就可以让被测的LED 发光了，

如图4乙所示。

可以用电压表间接测量LED 工作时通过电

流I 的大小。例如图3甲电路中，将电压表与

330Ω的限流电阻R 并联，读出电压值U = 3.2V ，则==R

U I 9.7mA 。如果发生此电路中LED 不发光的故障，用电压表测出R 两端电压为0，且LED 两端电压近似等于电压E 的电压，则可判断故障为LED 断路。

图

3 图 4