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1、1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
2、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
3、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）UD，对于普通的硅二极管，UD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 UD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，
4、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。看起来图 12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 625、630、640nm 等，黄光的有 588、590nm 等，绿光的有 525、570nm
5、 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 100
6、mW，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
7、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。因此使图 23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
8、的电流。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5（直径 5mm）小功率 LED，电流在 12 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 1.8
9、V，希望电流 I控制在 10mA，则，于是选用标称值 330、1/8W 的电32001. 0)8 . 10 . 5( AVR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
10、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 R1（或 R10）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 R10 挡的内阻比 R1 挡大 10 倍，因而用 R10 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 330 的限流电阻 R 并联，读出电压值 U = 3.2V，则 9.7mA。如果RUI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
