發(fā)光二極管簡(jiǎn)稱(chēng)發(fā)光管(英文簡(jiǎn)稱(chēng)LED),它是采用特殊的磷化鎵(GaP)或磷砷化鎵(CaAsP) 等半導(dǎo)體材料制成的、能夠?qū)㈦娔苤苯愚D(zhuǎn)換成為光能的半導(dǎo)體器件。發(fā)光二極管雖然與普通二極管一樣也是由 PN 結(jié)構(gòu)成的,也具有單向?qū)щ娦?,但發(fā)光二極管不是應(yīng)用它的單向?qū)щ娦裕亲屗l(fā)光作指示(顯示)、照明器件。
當(dāng)給發(fā)光二極管通過(guò)一定正向電流時(shí),它就會(huì)發(fā)光。與帶燈絲的普通小電珠相比,發(fā)光二極管具有體積小、色彩艷麗、耗電低、發(fā)光效率高、響應(yīng)速度快、耐振動(dòng)和使用壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn),可廣泛應(yīng)用于各種電子、電器裝置及儀表設(shè)備中。
發(fā)光二極管的識(shí)別
1. 單色發(fā)光二極管
單色發(fā)光二極管實(shí)際上就是我們經(jīng)常用到的普通發(fā)光二極管,通電后只能發(fā)出單一顏色的亮光來(lái)。單色發(fā)光二極管按其管殼形狀可分為圓形、方形和異形3 種,圓形尺寸主要有φ3mm、φ5mm、φ10mm,方形尺寸主要有2mm×5mm。按發(fā)光亮度來(lái)劃分,有發(fā)光亮度一般的普通發(fā)光二極管和高亮度發(fā)光二極管。
表征普通發(fā)光二極管特性的參數(shù)包括電學(xué)和光學(xué)兩類(lèi),主要參數(shù)有以下幾項(xiàng):
① 發(fā)光強(qiáng)度(I V)
②最大工作電流(I FM),國(guó)產(chǎn) BT-104(綠色)、BT-204(紅色)型發(fā)光二極管的最大工作電流均為30mA
③正向電壓降(U F),發(fā)光二極管的正向電壓降比普通二極管要高,一般在1.8 ~ 3.8V 范圍內(nèi)。不同顏色和不同制造工藝的發(fā)光二極管其工作電壓也不同,如紅色發(fā)光二極管的正向電壓降約為 1.8V,黃色發(fā)光二極管的正向電壓降約為 2V,綠色發(fā)光二極管的正向電壓降約為 2.3V,白色發(fā)光二極管的正向電壓降通常高于 2.4V,藍(lán)色發(fā)光二極管的正向電壓降通常高于3V…… 7
④ 最 大 反 向 電 壓(U RM), 發(fā)光二極管的最大反向電壓一般在 6V 左右, 最高不超過(guò)十幾伏特,這是與普通二極管大不相同的地方。使用中不應(yīng)使發(fā)光 二極管承受超過(guò) 5V 的反向電壓,否則發(fā)光二極管將可能被擊穿。
發(fā)光二極管的參數(shù)還有發(fā)光波長(zhǎng)、最大耗散功率等,業(yè)余使用時(shí)可不必考慮,只要選擇自己喜歡的顏色和形狀就可以了。
發(fā)光二極管的外形很有特色,所以可方便地用眼睛進(jìn)行極性識(shí)別。常見(jiàn)的普通發(fā)光二極管,通常較長(zhǎng)的一條引腳線為其正極,較短的引腳線為其負(fù)極,如圖 1(a)所示,識(shí)別口訣是“長(zhǎng)正短負(fù)”(這與電解電容器引腳極性判斷法一致)。如果觀察發(fā)光二極管內(nèi)部, 可以發(fā)現(xiàn)里面的兩個(gè)電極一大一小,如圖 1(b)所示。一般來(lái)說(shuō),電極較小的一端是發(fā)光二極管的正極,電極較大的一端是它的負(fù)極。但也有個(gè)別的發(fā)光二極管(一般都是進(jìn)口管芯)例外,其內(nèi)部管芯小的一端是負(fù)極、大的一端是正極。所以在碰到進(jìn)口發(fā)光二極管時(shí), 為了保險(xiǎn)起見(jiàn),還是借助萬(wàn)用表測(cè)量一下為好。
2. 電壓型發(fā)光二極管
電壓型發(fā)光二極管內(nèi)部構(gòu)成如圖2所示。從外觀上看,它與普通單色發(fā) 光二極管幾乎沒(méi)有兩樣,但內(nèi)部結(jié)構(gòu)卻與普通發(fā)光二極管有所區(qū)別。其內(nèi)部由一只限流電阻器 R 和一個(gè)發(fā)光二極管管芯串聯(lián)組成。R可將發(fā)光二極管的正向工作電流限定在允許值(一般為 10mA 或15mA)。使用時(shí),只要在電壓型發(fā)光二極管的正、負(fù)極兩端加上額定工作電壓,即可讓其正常發(fā)光??梢?jiàn),電壓型發(fā)光二極管與 普通發(fā)光二極管相比較,省去了外接限流電阻器的麻煩,使電路 設(shè)計(jì)和安裝更簡(jiǎn)單。
國(guó)產(chǎn)電壓型發(fā)光二極管的系列產(chǎn)品,常見(jiàn)的有6種標(biāo)稱(chēng)電壓,分別為:5V、9V、12V、15V、18V和24V。其發(fā)光顏色為紅色、黃色、綠色等。
3. 閃爍發(fā)光二極管
閃爍發(fā)光二極管也叫自閃發(fā)光二極管,它是一種由CMOS集成電路(互 補(bǔ)對(duì)稱(chēng)金屬氧化物半導(dǎo)體集成電路的英文縮寫(xiě))和發(fā)光二極管組成的特殊發(fā)光器件,是光電技術(shù)與半導(dǎo)體集成工藝相結(jié)合的新產(chǎn)品。這種發(fā)光二極管應(yīng)用于各種信號(hào)指示(顯示)裝置、電子玩具等時(shí),具有電路簡(jiǎn)單、耗電量小、醒目美觀等特點(diǎn)。
常用閃爍發(fā)光二極管的外形和內(nèi)部功能方框圖如圖3所示。其外表與普 通發(fā)光二極管完全一樣,最大特點(diǎn)在于:內(nèi)部封裝有CMOS大規(guī)模集成電 路,當(dāng)外加一定電壓時(shí),內(nèi)部振蕩器便產(chǎn)生一定頻率的方波脈沖,經(jīng)分頻 器變換為超低頻脈沖,再通過(guò)驅(qū)動(dòng)放大器推動(dòng)發(fā)光二極管管芯閃爍發(fā)光。 閃爍發(fā)光二極管的顏色主要有紅色、橙色、黃色和綠色4種。
閃爍發(fā)光二極管的正、負(fù)極引腳識(shí)別與普通發(fā)光二極管完全相同。如果用眼睛來(lái)觀察閃爍發(fā)光二極管內(nèi)部,可以發(fā)現(xiàn)里面有一大一小的兩個(gè)電極,并且小電極上面有一個(gè)小黑塊——CMOS集成電路,參見(jiàn)圖3(a) 所示。一般來(lái)說(shuō),電極較小、并附有小黑塊的一端是閃爍發(fā)光二極管的正極,電極較大的一端是它的負(fù)極。
閃爍發(fā)光二極管的參數(shù)除了正向工作電流、發(fā)光強(qiáng)度等以外,還有標(biāo)稱(chēng)工作電壓、反映閃光速度的閃爍頻率和表示亮滅時(shí)間比的占空比等,附表給出了國(guó)產(chǎn)常用閃爍發(fā)光二極管的主要參數(shù)。
4. 變色發(fā)光二極管
變色發(fā)光二極管只用一只發(fā)光二極管就能變換發(fā)出幾種顏色光,因此在電子裝置、電子玩具、儀器設(shè)備等上面多作為不同狀態(tài)指示或發(fā)出多種警告信號(hào)。
變色發(fā)光二極管的外形和內(nèi)部構(gòu)成如圖4所示,它的最大特點(diǎn)是在一只管殼中封裝了兩個(gè)發(fā)光二極管(通常 為紅、綠或紅、黃兩色)管芯,對(duì)外有3根引線腳和兩根引線腳之分。
對(duì)外有3根引線腳的變色發(fā)光二極管,其內(nèi)部構(gòu)成如圖4(b)所示。通常將紅色和綠(黃)色發(fā)光管芯的正極分別引出,而將它們的負(fù)極連接在一起,通過(guò)一根公共負(fù)極線引出。當(dāng)在紅色發(fā)光二極管的正極與公共負(fù)極引線腳之間加上2V左右的直流電壓,使之通過(guò)合適的電流(一般為3~10 m A)時(shí),管子發(fā)出紅光。同樣,當(dāng)在綠(黃)色發(fā)光二極管的正極與公共負(fù)極間加上 2 V 電壓和同樣電流時(shí),管子發(fā)出綠光。當(dāng) 紅 、綠(黃)發(fā)光二極管的正、負(fù)極之間都通電時(shí),即發(fā)出紅光與綠(黃)光的混合光——橙(桔紅)色光。當(dāng)紅光管芯通過(guò)較大電流( 如 10mA)、 綠( 黃 )光管芯不通電時(shí),然后逐漸減小紅光管芯電流、而同時(shí)加大綠(黃)光管芯電流,則管子發(fā)光顏色會(huì)連續(xù)地從紅光經(jīng)過(guò)一系列中間混合光向綠(黃)光轉(zhuǎn)變,反之亦然,這即所謂變色發(fā)光的含義。
對(duì)外只有兩根引線腳的變色發(fā)光二極管的內(nèi)部構(gòu)成如圖4(c)所示, 管內(nèi)紅、綠(黃)發(fā)光二極管管芯的正、負(fù)極反向并聯(lián)后,再通過(guò)兩根引線腳引出。當(dāng)給兩根引線腳接上2V左 右的直流電壓(電流限制在3~10mA 之間)時(shí),其中一個(gè)管芯會(huì)處于正向?qū)顟B(tài),該管即通電發(fā)出紅光或綠(黃)光。當(dāng)調(diào)換電壓極性后,另一個(gè)管芯會(huì)處于正向?qū)顟B(tài),使其通電發(fā)出截然不同的綠(黃)光或紅光。當(dāng)在兩根引線腳接上2V左右的交流電時(shí),紅、綠(黃)管芯分別在交 流電的正、負(fù)半周時(shí)導(dǎo)通,人眼會(huì)看到紅光與綠(黃)光的混合光——橙(桔紅)色光。
國(guó)產(chǎn)變色發(fā)光二極管的典型產(chǎn)品有2EF301(紅+黃綠 色 = 淺 橙 )、2EF302( 紅 + 綠 = 橙 )、 BT315( 紅 + 綠 = 橙 )、BT362057RG( 紅 + 綠 = 橙 )、BT362057RG( 紅 + 綠 = 橙 )、 BT362057RY( 紅 + 黃 = 桔 紅 )、 BT362057YG( 黃 + 純 綠 = 淺 綠 )、 BT3621526RG( 紅 + 綠 = 橙 )。 業(yè) 余 條件下使用時(shí),可不必考慮型號(hào)和參數(shù), 一般只要選擇所需要的顏色和形狀就可以了。
常用變色發(fā)光二極管的管腳識(shí)別如圖5所示。對(duì)于有三根引線腳的變色發(fā)光二極管,如果管腳排布呈三角形,則將管腳對(duì)準(zhǔn)自己,從管殼凸出塊開(kāi) 始,按順時(shí)針?lè)较?,依次為?nèi)部紅色發(fā)光二極管管芯的正極引出腳、綠(黃) 色管芯的正極引出腳,公共負(fù)極引出腳。如果管腳呈一字排列,其左右兩邊的管腳分別為內(nèi)部紅、綠(黃)發(fā)光二極管管芯的正極引出腳,并且管腳引線稍長(zhǎng)的為紅色管芯的正極引出腳,稍短的為綠(黃)色管芯的正極引出腳,中間的管腳為公共負(fù)極引出腳。有兩根引線腳的變色發(fā)光二極管,雖然和普通發(fā)光二極管一樣有長(zhǎng)、短引線腳之分,但并不是表示正、負(fù)極性。一般稍長(zhǎng)的引線腳表示內(nèi)部紅色發(fā)光二極管管芯的正極引出腳,稍短的引線表示綠(黃)色管芯的正極引出腳。
5. 七彩發(fā)光二極管
七彩發(fā)光二極管是一種新穎的高亮度自動(dòng)變色發(fā)光二極管,目前已廣泛應(yīng)用于各種電子產(chǎn)品的裝飾、電子玩具等,可起到增輝添彩的神奇效果。
七彩發(fā)光二極管的外表與普通發(fā) 光二極管完全一樣,其外形和內(nèi)部功能框圖如圖6所示。七彩發(fā)光二極管內(nèi)部封裝有大規(guī)模集成電路控制的紅、綠、藍(lán)“三基色”發(fā)光管芯。當(dāng)外加3~4V 直流電壓時(shí),內(nèi)部振蕩器便產(chǎn)生頻率可自動(dòng)變化(范圍為2~6Hz)的方波 脈沖,經(jīng)時(shí)序分配器和三路驅(qū)動(dòng)放大器后,推動(dòng)紅、綠、藍(lán)3個(gè)發(fā)光管芯按一定順序搭配工作,從而對(duì)外發(fā)出不斷循環(huán)變化的紅、綠、藍(lán)、黃、紫、 青、白等7種顏色閃光來(lái)。
七彩發(fā)光二極管的正、負(fù)極引腳識(shí)別方法與普通發(fā)光二極管完全相同。如果用眼睛來(lái)觀察七彩發(fā)光二極管的內(nèi)部,可以發(fā)現(xiàn)里面有兩個(gè)基本對(duì)稱(chēng)的電極,但其中一個(gè)電極的上面有一個(gè)小黑塊——CMOS集成電路,參見(jiàn)圖6(a)所示。一般來(lái)說(shuō),電極附有小黑塊的引出腳是七彩發(fā)光二極管的正極,電極無(wú)小黑塊的引出腳是它的負(fù)極。
發(fā)光二極管的使用
1. 檢測(cè)方法
我們可以像檢測(cè)普通二極管那樣,用普通指針式萬(wàn)用表來(lái)判斷發(fā)光二極管的好壞和區(qū)分電極。將萬(wàn)用表?yè)艿?ldquo;R×10k” 擋,測(cè)量發(fā)光二極管的正、反向電阻。一般在測(cè)正向電阻時(shí),表針應(yīng)偏轉(zhuǎn)過(guò)半,同時(shí)發(fā)光二極管中有一發(fā)亮光點(diǎn)。注意:由于萬(wàn)用表內(nèi)的電池正極通黑表筆、負(fù)極通紅表筆,所以這時(shí)黑表筆所接引腳為 發(fā)光二極管的正極、紅表筆所接為負(fù)極。對(duì)調(diào)兩表筆后測(cè)其反向電阻,表針應(yīng)幾乎不動(dòng)(阻值應(yīng)為無(wú)窮大),發(fā)光二極管中無(wú)發(fā)亮光點(diǎn)。在檢測(cè)中,若發(fā)現(xiàn)正、反向電阻相差很少,這只發(fā)光二極管很可能發(fā)光極弱或不發(fā)光。若是兩次測(cè)量都呈短路(表針 偏轉(zhuǎn)到頭)或斷路(表針不動(dòng)),則表明管子已壞了。
用萬(wàn)用表檢測(cè)發(fā)光二極管時(shí)注意,必須使用“R×10k”擋。因?yàn)榘l(fā)光二極管的管壓降一般大于1.5V,而萬(wàn)用表“R×1k”及其以下各電阻擋全 部接表內(nèi)1.5V電池,電壓低于發(fā)光二極管的管壓降,無(wú)論正、反向接入,發(fā)光二極管都不可能導(dǎo)通,也就無(wú)法檢測(cè)。而采用“R×10k”擋時(shí)(見(jiàn)圖7),表內(nèi)接有 15V(有些萬(wàn)用表為9V)高壓電池,電壓高于管壓降,所以可以用來(lái)檢測(cè)發(fā)光二極管。
電壓型發(fā)光二極管的檢測(cè)方法與上面檢測(cè)普通發(fā)光二極管的方法基本相同。用萬(wàn)用表“R×10k”擋測(cè)量閃爍發(fā)光二極管、七彩發(fā)光二極管的正、反向電阻時(shí),表針均會(huì)偏轉(zhuǎn)過(guò) 半,但正向?qū)〞r(shí),表針均會(huì)輕微抖動(dòng)(振蕩),并且發(fā)光二極管中有閃亮的光點(diǎn)。這是由于發(fā)光二極管內(nèi)部的集成電路在萬(wàn)用表電池電壓的作用下起振,所輸出的脈沖電流使表針產(chǎn)生了輕微抖動(dòng)。此時(shí)黑表筆所接的引腳為正極,紅表筆所接的引腳為負(fù)極。測(cè)反向電阻時(shí),表針既不會(huì)輕微抖動(dòng),發(fā)光二極管也不會(huì)產(chǎn)生閃亮光點(diǎn)。如果檢測(cè)中發(fā)現(xiàn)正、反向電阻非常?。ū磲樒D(zhuǎn)到頭),或非常大(表針不動(dòng)),則表明被測(cè)管子內(nèi)部已擊穿或斷路。
變色發(fā)光二極管好壞的檢測(cè)方法、極性判斷和顏色分辨等,均可參照檢測(cè)普通發(fā)光二極管的基本方法進(jìn)行,這里不再贅述。
2. 使用常識(shí)
(1)發(fā)光二極管的型號(hào)比較雜亂 繁多。雖然國(guó)產(chǎn)部標(biāo)型號(hào)為 FGXXXXX,但市場(chǎng)上及設(shè)備上我們?nèi)钥梢?jiàn)到許多以BTXXXX、2EFXXX、LEDXXX 及 TMXXX 等廠標(biāo)型號(hào)命名的發(fā)光二極管。進(jìn)口產(chǎn)品的型號(hào)也是五花八門(mén)。好在一般使用場(chǎng)合對(duì)發(fā)光二極管要求不高,只要外形及顏色相符,大多數(shù)不同型號(hào)的發(fā)光二極管均可互換使用。對(duì)于高亮度或低電壓等特殊型發(fā)光二極管,可查閱相關(guān)產(chǎn)品手冊(cè)或資料后再選用。
(2)普通發(fā)光二極管的發(fā)光顏色一般和它自身的顏色相同,但也有發(fā)出紅、黃、綠、藍(lán)等各種顏色的白色透明殼體的發(fā)光二極管 ;變色發(fā)光二極管、 七彩發(fā)光二極管一般都是白色透明殼體,它們到底發(fā)何種顏色的光、色彩如何變化等,最簡(jiǎn)單的方法就是通電觀察。
(3) 發(fā)光二極管可以用直流電,也可以用交流電或脈沖電流點(diǎn)亮。發(fā)光二極管是一種電流型器件,其發(fā)光亮度與工作電流成正比,而工作電流依它們的型號(hào)不同,一般在5~30mA范圍內(nèi)(照明用發(fā)光二極管除外)。如果在大電流下長(zhǎng)期使用,容易使發(fā)光二極管亮度衰退,降低使用壽命,過(guò)大的電流(指超過(guò)管子所允許的極限值)還會(huì)燒毀管子。為了防止過(guò)大電流燒壞發(fā)光二極管,電路中一定要串聯(lián)合適的限流電阻器,切不可將發(fā)光二極管直接接到電源兩端。
(4)發(fā)光二極管典型的直流供電電路如圖 8 所示。圖中的電阻器 R 用來(lái)限制發(fā)光二極管的工作電流,防止發(fā)光二極管因工作電流過(guò)大而損壞。改變 R 的阻值大小,可以改變發(fā)光二極管的工作電流大小和亮度。R 的阻值由下式估算 :
R =(電源電壓-發(fā)光二極管正向 電壓降)÷工作電流
計(jì)算時(shí),電壓?jiǎn)挝挥梅兀╒),電流單位用安培(A),電阻單位則為歐姆(Ω)
(5)電壓型發(fā)光二極管必須在額定電壓下使用,低于額定值,亮度會(huì)降低,超過(guò)額定值則有可能損壞管子。閃爍發(fā)光二極管的最佳工作電壓一般為3 ~ 6V,電壓偏低,亮度降低、且閃爍會(huì)停止變?yōu)槌A?。如果超過(guò)允許值過(guò)電壓使用,則會(huì)損壞管子。
(6)業(yè)余條件下,電壓型發(fā)光二極管損壞后,可用一只普通發(fā)光二極管串聯(lián)一只限流電阻器代用。電阻值的大小可按上面介紹的公式計(jì)算得出。變色發(fā)光二極管的某一只管芯損壞后,可利用其中未損壞的一只管芯作為單色發(fā)光二極管使用。
(7)由于發(fā)光二極管多是用環(huán)氧 樹(shù)脂等透光性能良好的有機(jī)材料將管芯封裝制成,其軟化溫度在 150℃左右,所以焊接管腳時(shí)要特別注意散熱問(wèn)題, 宜使用 25W 以下的電烙鐵,且不得焊接時(shí)間過(guò)長(zhǎng),以免燙壞管殼。如果安裝空間允許的話,可用鑷子夾住引腳根部, 以幫助散熱。另外注意,發(fā)光二極管的安裝位置應(yīng)盡量遠(yuǎn)離發(fā)熱元器件(例如 功率放大管、電源變壓器等)。
(8)要注意保護(hù)發(fā)光二極管管殼的光潔,不使其受機(jī)械損傷,以免影響透光性能。管體也不能受力,安裝時(shí)其引腳根部(2mm 以?xún)?nèi))不允許彎曲。
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