发光与红外二极管器件的特性优化

1.发光二极管

发光二极管（Light Emitting Diode，LED）是一种能把电能转换为光能的特殊器件。这种二极管不仅具有普通二极管的正、反向特性，而且当给发光二极管施加正向偏压时，发光二极管还会发出可见光和不可见光（即电致发光）。目前应用的有红、黄、绿、蓝、紫等颜色的发光二极管。此外，还有变色发光二极管，即根据所加电压高低发出不同颜色，当通过二极管的电流改变时，发光颜色也随之改变。可用做指示灯和微光照明。发光二极管具有工作电压低、电流小、发光稳定、体积小等优点。发光二极管还包括数码管、符号管、米字管及点阵式显示屏（简称矩阵管）等。外形可以做成圆形、方形、圆柱形、矩阵形等多种，可用做测试装置、遥测遥控设备等。发光二极管常用器件实物外形如图2-25所示。

普通发光二极管的封装外形如图2-26所示。

发光二极管加2～3V正向电压时，只要有正向电流通过，一般就能发出红、绿、黄和蓝色的可见光。主要应用于指示、显示器件，数码管和符号管、米字管及点阵式显示屏中的每个发光单元也是一个发光二极管。发光二极管又有单色和三色两种，三色发光二极管一般有三个引脚，一个为公共端，在另外两个上分别加电压可发出红或绿光，如果同时加电压可发出黄色光，三色点阵式显示屏中的每个发光单元是一个三色发光二极管。照明也成为发光二极管的一个应用方向，LED手电筒一般是由多只高亮发光二极管构成的。

发光二极管与普通二极管一样，由一个PN结构成，其伏安特性曲线及电路符号如图2-27所示。

图2-25 发光二极管常用器件实物外形

图2-26 发光二极管的封装外形

图2-27 发光二极管的伏安特性曲线及电路符号

（1）小电流发光二极管的主要参数

1）电学参数。主要有工作电流、最大工作电流、正向压降和反向耐压。工作电流不宜过大，最大工作电流值为50mA。正向起辉电流约为1mA，测试电流为10～30mA。发光二极管工作电流大，发光亮度高，但长期连续使用会造成亮度衰退，使用寿命降低。选用的材料不同，工艺不同，发光二极管的正向压降值也不同，一般压降在1.5～3V范围内。发光二极管的反向耐压一般小于6V，最高不会超过十几伏，不同于一般二极管，为了防止接错电源极性或其他原因进来的反向电压造成发光二极管击穿，可以在输入端加入一个反向二极管用于保护PN结。

2）光学参数。包括发光波长、发光亮度等。可见光发光二极管的波长在5000～7000Å之间。光通量是一个重要指标，一般用mlm表示即可，该数值越大，亮度越强。

（2）发光二极管的测量、判别方法与技巧

发光二极管是一种能将电能转换为光能的半导体器件，是一种冷光源，它的正向管压降为2V左右，工作电流为5～15mA，反向耐压60V左右。

1）发光二极管极性的目测判断：单色发光二极管的管体一般都用透明塑料制成，所以可以用眼睛观察来区分它的正、负电极，从二极管侧面观察两条引线形状，较小的一端为正极，较大的一端为负极。或将发光二极管放在光线较明亮的地方，看发光二极管的内部，接触二极管内部金属片较大的引脚为负极，接触二极管内部金属片较小的引脚为正极。

2）发光二极管性能的检测，可用下面的三种方法进行：

方法一：用万用表“R×1kΩ”挡测量发光二极管的正、反向电阻值，正、反向电阻值均应趋于无穷大，再改用万用表“R×10kΩ”挡测量发光二极管的正、反向电阻值，若此时正向电阻值（即万用表黑表笔接发光二极管的正极，红表笔接发光二极管的负极）约为10～20kΩ，且如果灵敏度较高的发光二极管会同时发出微光，反向电阻值（即万用表黑表笔接发光二极管的负极，红表笔接发光二极管的正极）约为250kΩ以上，则说明该发光二极管完好无损，否则说明该发光二极管已损坏。

测量发光二极管要用万用表的“R×10kΩ”挡，此时表内是15V或9V的叠层电池，满足管压降的要求。测量发光二极管的正、反向电阻，其值与普通二极管一样，好坏判别也一样。但是，测量时需要观察它是否发光，有的发光二极管测得正、反向电阻正常，就是不发光，是因为它的工作电流太大，万用表不能提供。此时，可用稳压电源提供6V直流电压，在稳压电源的输出端串联一个可变电阻器后，接在发光二极管的两个电极上，再观察它是否发光，如果能发光说明是好的，反之是坏的。

方法二：找一只220μF/25V的电解电容器，选用万用表“R×10kΩ”挡，黑表笔接电容器的正极，红表笔接电容器的负极，对电容器充电。然后再将该电容器正极接发光二极管的正极，负极接发光二极管的负极（相当于用该电容器做电源向发光二极管放电）。此时如果发光二极管发出很强的闪光，说明该发光二极管完好无损，否则说明该发光二极管已损坏。

方法三：选万用表“R×10Ω”或“R×100Ω”挡，找一节1.5V的干电池，将万用表黑表笔接电池的负极，红表笔接发光二极管的负极。再将1.5V干电池的正极与发光二极管的正极相连，即将它们三个串联起来，如图2-28所示。如果发光二极管正常发光，则说明该发光二极管完好无损，否则说明该发光二极管已损坏。

不能使用“R×1Ω”挡测量发光二极管，使用“R×1Ω”挡串联1.5V干电池后会使测试电流较大，很容易损坏单色发光二极管。

（3）发光二极管的检测技巧

方法一：发光二极管反向电阻的测量如图2-29所示。

发光二极管正向电阻的测量如图2-30所示。

方法二：发光二极管的发光测量如图2-31所示。

图2-28 发光二极管的极性检测

图2-29 发光二极管的反向电阻的测量

图2-30 发光二极管正向电阻的测量(www.xing528.com)

2.光电二极管

光电二极管的结构与普通二极管的结构基本相同，在它的PN结处，通过管壳上的一个玻璃窗口接收外部的光照。PN结在反向偏置状态下运行，其反向电流随光照强度的增加而上升，如图2-32所示。光电二极管的主要特点是其反向电流大小与光照强度成正比。

光电二极管和发光二极管一样是由一个PN结构成，但它的结面积较大，可接收入射光。

光电二极管的主要参数有：暗电流、光电流、最高工作电压等。

其光学参数有：

1）灵敏度：给定波长的入射光产生的光电流与光照强度的比值。

2）频谱范围：光电二极管所能接受的光的频谱范围。

3）峰值波长：光电二极管达到最大灵敏度时入射光的波长。

4）响应时间：光电二极管将光信号转化为电信号所需要的时间。

图2-31 发光二极管的发光测量

图2-32 光电二极管的符号和特性曲线

光电二极管的反向电阻随光的强弱而变化，光越强其阻值越小。在实际应用中，主要是通过接收光源（可见光或红外线）实现光控。图2-33所示为由光电二极管构成的简单光电控制电路。

3.红外发光二极管

图2-33 光电二极管的应用电路

红外发光二极管是一种能把电能直接转换成红外光能的发光器件，因其在电路中的作用是将红外光辐射到空间中去，所以也称为红外发射二极管。红外发光二极管用砷化镓材料制成，也具有半导体PN结，通常使用折射率较大的环氧树脂封装，目的是为了提高发光效率。红外发光二极管发出的光波是不可见的，它所发出的峰值波长为940nm左右红外波段，与一般半导体硅光敏器件的峰值波长（900nm）相近，从波长角度看，选用红外发光管来触发硅光敏器件是最理想的。红外发光二极管适合短距离、小容量和模拟调制系统中使用，被广泛应用于红外线遥控系统中的发射电路。红外发光二极管的电路符号和外形与LED相同。

红外发光二极管在正向电压下工作，它的正向特性与普通二极管相同。一般由其伏安特性曲线可知I_F和U_F的关系，I_F为10mA时，U_F都应小于1.3V。当光束被硅光敏器件接收到时，可使硅光敏管有电流输出，也可使光控晶闸管导通。由于红外发光二极管是在正向电流下工作的，因此发光强度随着正向电流的增加而增加。使用时，应在规定的极限正向电流内，选择一最佳正向电流，使输出光功率（即发光强度）尽可能的大。

红外发光二极管一般是用半导体材料制成的，而半导体材料的性能都会受环境温度的影响，温度升高，会使红外发光二极管的输出光功率降低。50℃时的输出光功率仅是25℃时的75%，当温度升至90℃时，输出光功率只有25℃时的50%；反之，在低温下，可提高输出光功率。但是，由于红外发光二极管总是与光敏器件一起使用，而在温度升高时，光敏器件输出的光电流也会升高，这就会使环境温度上升。红外发光二极管的输出光功率下降。光敏器件的输出光电流上升，会使相对传输比随环境温度的变化不那么明显。

红外发光二极管可以把它和光敏器件做在一起，成为光耦合器。光耦合器件的发光和受光器件密封在一个腔体内，通过电—光—电的信号转换来传输，这在控制回路和主回路间实现了电隔离，避免了干扰，从而提高了电路的抗干扰能力。

红外发光二极管的检测方法：

（1）外观观察

二极管使用透明树脂封装，红外发光二极管的管心下部有一个浅盘。用直观法将红外发光二极管放在光线较明亮的地方，看红外发光二极管的管心下部，引脚接触管内部电极较宽较大的为负极，接触二极管内电极较窄较小的为正极。全塑封装的Φ3或Φ5型红外发光二极管的侧向呈一小平面，靠近小平面的引脚为负极。或者通过引脚的长短来判别，一般引脚长的是正极，引脚短的是负极。有时通过红外发光二极管的形状也能判别出来，一般靠近管身小平面一侧的引脚是负极，而另一引脚即为正极。

（2）极性测量

若用万用表“R×1kΩ”挡测量正、反向电阻值，测量时，用手捏住红外发光二极管，不让其受光（也可用黑纸包住），用红、黑表笔分别接触管子的引脚，将正向电阻和反向电阻测出，一般正向电阻值为15～40kΩ，反向电阻大于500kΩ时，红外发光二极管是正常的。测得电阻值小的那组接法，其黑表笔所接引脚为正极，红表笔所接引脚为负极。

（3）好坏检测

若用万用表“R×1kΩ”挡测量正、反向电阻值，一般测得正向电阻值（即万用表黑表笔接二极管的正极）为30kΩ左右，反向电阻大于500kΩ的红外发光二极管才可以正常使用。若反向电阻只有几万欧，则此时红外发光二极管不能使用；若正、反向电阻值都是无穷大或都是0，则说明被测红外发光二极管的内部已经断路或已经击穿损坏。如果反向电阻值比500kΩ小许多，则说明该管已漏电损坏。

4.激光二极管

半导体激光二极管是激光头中的核心器件。它是一种近红外激光管，波长在780nm左右，额定功率为3～5mW。这种激光二极管具有体积小、质量轻、功耗低、驱动电路简单、调制方便、耐机械冲击、抗振动等特点。但对过电压、过电流、静电干扰极为敏感，在使用中不加注意，容易使谐振腔局部受损，造成永久性损坏。

目前小功率激光二极管的额定工作电流均在100mA以下，只有在谐振腔发生损坏性故障时，才会出现电流剧增且不可控制的现象。激光二极管在工作时，从侧面观看出光窗口时呈暗红色，从侧面看透镜时可略看到辉光。