物理解释

Question 1

LED 不像普通（白炽灯）灯泡那样工作。

主要区别（对于初学者来说有点简化）：

它们具有极性，因此必须使用尊重该极性的 DC 供电。反转极性，它们将不起作用。如果您在相反方向施加超过 ~4V-5V 的电压，您也可能会损坏它们（这些是安全值；确切的最大容许值取决于特定设备）。
仅当达到某个电压（阈值电压）时才开始发光，在该电压下发光可以忽略不计。因此，如果您的电池电压低于 LED 的阈值电压，那么您就不走运了，除非您使用更复杂的电路（例如焦耳窃贼或升压 DC-DC 转换器）为 LED 供电。
达到阈值电压后，任何非常轻微的电压增加都会使 LED 严重导通，即吸收巨大的电流。因此，您需要串联一个电阻器来将该电流限制在安全范围内。本网站上还有其他问题/答案，解释了如何计算限流电阻的值。
一旦导通，发出的光强度大致与二极管中流动的电流（而不是电压）成正比（因此，如果降低限流电阻的值，则会得到更亮的 LED）。这达到了 LED 的最大电流限制。达到该限制后，设备会发出 POOF！

您还问为什么会发生这一切，但答案相当复杂，因为它取决于二极管内部半导体晶体的物理结构。物理解释在于量子力学和固态物理学，这些都是非常难的学科。

关于 LED的Wikipedia 文章仅涉及 LED内部工作的表面，仍然相当复杂。

Question 2

我看到洛伦佐已经直接回答了你的问题（+1）。以下是你可以做些什么来点亮你的 LED，看看你有什么。

LED 是二极管，因此只能在一个方向上传导。与普通灯泡不同，方向很重要。如果 LED 没有以一种方式点亮，请将其翻转并重试。

要安全地试验几乎所有 LED，请使用串联电阻至少为 180 Ω 的 5 V 电源。使用更高的电阻会起作用，但会使 LED 的亮度更暗。即使串联 1 kΩ，您仍然可以看到任何可见光 LED 在室内亮起。

使用 5 V 电源的原因是为了限制反向连接时 LED 两端的反向电压。大多数 LED 可以承受至少 5 V 的反向电压。

可见光 LED 将至少下降 1.8 V。这会在电阻器上留下 (5 V)-(1.8 V) = 3.2 V。几乎任何 LED 都可以处理 20 mA 的正向电流。根据欧姆定律，(3.2 V)/(20 mA) = 160 Ω。我说最小 180 Ω 有一点余量，因为这是一个常见的值。

LED 正向电压取决于颜色。例如，常见的绿色 LED 下降约 2.1 V。“白色”LED 通常是真正的紫外 LED，其荧光粉在可见光谱中重新发光。那些可能会下降约 3.5 V。

使用 200 Ω 电阻器和 3.5 V LED，您可以得到 (1.5 V)/(200 Ω) = 7.5 mA。即使它可以处理 20 mA 或更多电流，这样的 LED 仍然会以 7.5 mA 的电流非常明显地亮起。

一旦你的 LED 点亮，你就可以测量它的正向电压，然后调整电阻器以允许具有该正向电压的最大电流。假设最大值为 20 mA，除非您有数据表并且另有说明。

Question 3

物理解释

电灯泡

白炽灯与其说是真正的光源，不如说是一种加热元件。任何通过电线的电流都会将其加热一点（焦耳加热定律）；一旦电线高于室温，它就会通过黑体辐射发出净能量。这种能量的发射速率取决于温度的四次方，即温度越高越亮^†。电流越大（或等效地^‡电压越高），电线的温度就越高。

黑体发光背后的基本物理过程是：一块温暖的材料中的原子因热运动而四处摇晃。这种运动是完全混乱的，所以即使每个原子的平均能量相当低，表面上的一个原子每隔一段时间就会受到多个邻居的推动，从而收集足够的能量来发射可见光子（至少 $2.6\times10^{-19}$ 焦耳）。但更常见的是，它只有足够的能量来发射不可见的红外光子。

发光二极管

相比之下，LED 将原子直接泵送到发射可见光所需的能量。他们通过巧妙地利用半导体的带隙来做到这一点。这是像硅这样的晶体的量子力学特征，它“禁止”电子在一定范围内具有能量。然后，您取一块掺杂的半导体，使电导电子都在带隙之上，而在它们都在带隙之下的地方。然后，当电流流过结时，每个电子都会损失适量的能量来激发原子以产生具有正确能量可见的光子——同样，对于红光，这大约是 $2.6\ldots3.2\times10^{-19}$ 焦耳。

只是……为什么电子会继续越过结？电子穿过结后，不会再倾向于爬过带隙；这会消耗电子没有的能量。...除非你给它来自外部来源的能量：你施加到电路上的每一伏特都可以为电子提供能量 $1.6\times10^{-19}\:\mathrm{J}$ ，物理学家称之为电子伏特的量。所以当你施加一个电压 $U$ 对于带隙能量为的 LED $U\times1\:\mathrm{eV}$ ，你可以跟上潮流。该电压实际上并不取决于实际通过 LED的电流量，因此无法通过调整电压来有效调节亮度——您需要调节电流。如果电压低于带隙，电流将完全停止，因为电导电子根本不会进入n掺杂域。

^†_{这有点太简单了：Stefan-Boltzmann 描述了在整个电磁频谱上积分的强度。实际上只有一个窄带是可见的（这就是白炽灯比 LED 效率低得多的原因）。由于峰值强度的波长也取决于温度，因此亮度实际上不仅仅与温度有关。 $T^4$ 但是对于一个更复杂的关系，但仍然是：更高的温度总是对应于更亮的光。}

^‡_{同样，欧姆定律在这里并不完全正确，因为电阻率取决于温度。但是定性依赖更高的电压⇒更高的电功率仍然成立。}

Question 4

您刚刚获得了关于 LED 是如何非线性的实物课程。

白炽灯泡一旦点亮就是线性的。线性意味着它就像一个电阻器：电流消耗与电压成正比：电压的一半，电流的一半，功率的 1/4。白炽灯可以满足您的期望。

LED 具有非常陡峭的电压-电流曲线：电压的微小变化会导致电流消耗的巨大变化。你不在那个图表的底部，因此没有光。

陡峭的曲线使 LED 非常跳跃，小的电压变化会导致大的（和破坏性的）电流变化。更糟糕的是，曲线会根据温度、分级和年龄而变化。因此，LED 的额定电流是特定的，而不是电压。对于指标，您可以使用电阻器限制电流。对于需要峰值性能的照明，最好使用有源驱动电路来调节电流以达到规格。

此类电路还有助于提高或降低电源电压以适应 LED。Joule Thief 是一个简单的电路，可以解决用单个 1.5V 电池驱动照明 LED 的问题。

就其价值而言，使用第三种光——电弧放电灯——荧光灯、氖灯、金属卤化物、汞蒸气和高/低压钠灯的情况更糟。它们是绝缘体，直到电弧触发时达到一定电压……之后它们几乎完全短路。限流是强制性的。

Answer 1

LED 不像普通（白炽灯）灯泡那样工作。

主要区别（对于初学者来说有点简化）：

它们具有极性，因此必须使用尊重该极性的 DC 供电。反转极性，它们将不起作用。如果您在相反方向施加超过 ~4V-5V 的电压，您也可能会损坏它们（这些是安全值；确切的最大容许值取决于特定设备）。
仅当达到某个电压（阈值电压）时才开始发光，在该电压下发光可以忽略不计。因此，如果您的电池电压低于 LED 的阈值电压，那么您就不走运了，除非您使用更复杂的电路（例如焦耳窃贼或升压 DC-DC 转换器）为 LED 供电。
达到阈值电压后，任何非常轻微的电压增加都会使 LED 严重导通，即吸收巨大的电流。因此，您需要串联一个电阻器来将该电流限制在安全范围内。本网站上还有其他问题/答案，解释了如何计算限流电阻的值。
一旦导通，发出的光强度大致与二极管中流动的电流（而不是电压）成正比（因此，如果降低限流电阻的值，则会得到更亮的 LED）。这达到了 LED 的最大电流限制。达到该限制后，设备会发出 POOF！

您还问为什么会发生这一切，但答案相当复杂，因为它取决于二极管内部半导体晶体的物理结构。物理解释在于量子力学和固态物理学，这些都是非常难的学科。

关于 LED的Wikipedia 文章仅涉及 LED内部工作的表面，仍然相当复杂。

Answer 2

我看到洛伦佐已经直接回答了你的问题（+1）。以下是你可以做些什么来点亮你的 LED，看看你有什么。

LED 是二极管，因此只能在一个方向上传导。与普通灯泡不同，方向很重要。如果 LED 没有以一种方式点亮，请将其翻转并重试。

要安全地试验几乎所有 LED，请使用串联电阻至少为 180 Ω 的 5 V 电源。使用更高的电阻会起作用，但会使 LED 的亮度更暗。即使串联 1 kΩ，您仍然可以看到任何可见光 LED 在室内亮起。

使用 5 V 电源的原因是为了限制反向连接时 LED 两端的反向电压。大多数 LED 可以承受至少 5 V 的反向电压。

可见光 LED 将至少下降 1.8 V。这会在电阻器上留下 (5 V)-(1.8 V) = 3.2 V。几乎任何 LED 都可以处理 20 mA 的正向电流。根据欧姆定律，(3.2 V)/(20 mA) = 160 Ω。我说最小 180 Ω 有一点余量，因为这是一个常见的值。

LED 正向电压取决于颜色。例如，常见的绿色 LED 下降约 2.1 V。“白色”LED 通常是真正的紫外 LED，其荧光粉在可见光谱中重新发光。那些可能会下降约 3.5 V。

使用 200 Ω 电阻器和 3.5 V LED，您可以得到 (1.5 V)/(200 Ω) = 7.5 mA。即使它可以处理 20 mA 或更多电流，这样的 LED 仍然会以 7.5 mA 的电流非常明显地亮起。

一旦你的 LED 点亮，你就可以测量它的正向电压，然后调整电阻器以允许具有该正向电压的最大电流。假设最大值为 20 mA，除非您有数据表并且另有说明。

Answer 3

物理解释

电灯泡

白炽灯与其说是真正的光源，不如说是一种加热元件。任何通过电线的电流都会将其加热一点（焦耳加热定律）；一旦电线高于室温，它就会通过黑体辐射发出净能量。这种能量的发射速率取决于温度的四次方，即温度越高越亮^†。电流越大（或等效地^‡电压越高），电线的温度就越高。

黑体发光背后的基本物理过程是：一块温暖的材料中的原子因热运动而四处摇晃。这种运动是完全混乱的，所以即使每个原子的平均能量相当低，表面上的一个原子每隔一段时间就会受到多个邻居的推动，从而收集足够的能量来发射可见光子（至少 $2.6\times10^{-19}$ 焦耳）。但更常见的是，它只有足够的能量来发射不可见的红外光子。

发光二极管

相比之下，LED 将原子直接泵送到发射可见光所需的能量。他们通过巧妙地利用半导体的带隙来做到这一点。这是像硅这样的晶体的量子力学特征，它“禁止”电子在一定范围内具有能量。然后，您取一块掺杂的半导体，使电导电子都在带隙之上，而在它们都在带隙之下的地方。然后，当电流流过结时，每个电子都会损失适量的能量来激发原子以产生具有正确能量可见的光子——同样，对于红光，这大约是 $2.6\ldots3.2\times10^{-19}$ 焦耳。

只是……为什么电子会继续越过结？电子穿过结后，不会再倾向于爬过带隙；这会消耗电子没有的能量。...除非你给它来自外部来源的能量：你施加到电路上的每一伏特都可以为电子提供能量 $1.6\times10^{-19}\:\mathrm{J}$ ，物理学家称之为电子伏特的量。所以当你施加一个电压 $U$ 对于带隙能量为的 LED $U\times1\:\mathrm{eV}$ ，你可以跟上潮流。该电压实际上并不取决于实际通过 LED的电流量，因此无法通过调整电压来有效调节亮度——您需要调节电流。如果电压低于带隙，电流将完全停止，因为电导电子根本不会进入n掺杂域。

^†_{这有点太简单了：Stefan-Boltzmann 描述了在整个电磁频谱上积分的强度。实际上只有一个窄带是可见的（这就是白炽灯比 LED 效率低得多的原因）。由于峰值强度的波长也取决于温度，因此亮度实际上不仅仅与温度有关。 $T^4$ 但是对于一个更复杂的关系，但仍然是：更高的温度总是对应于更亮的光。}

^‡_{同样，欧姆定律在这里并不完全正确，因为电阻率取决于温度。但是定性依赖更高的电压⇒更高的电功率仍然成立。}

Answer 4

您刚刚获得了关于 LED 是如何非线性的实物课程。

白炽灯泡一旦点亮就是线性的。线性意味着它就像一个电阻器：电流消耗与电压成正比：电压的一半，电流的一半，功率的 1/4。白炽灯可以满足您的期望。

LED 具有非常陡峭的电压-电流曲线：电压的微小变化会导致电流消耗的巨大变化。你不在那个图表的底部，因此没有光。

陡峭的曲线使 LED 非常跳跃，小的电压变化会导致大的（和破坏性的）电流变化。更糟糕的是，曲线会根据温度、分级和年龄而变化。因此，LED 的额定电流是特定的，而不是电压。对于指标，您可以使用电阻器限制电流。对于需要峰值性能的照明，最好使用有源驱动电路来调节电流以达到规格。

此类电路还有助于提高或降低电源电压以适应 LED。Joule Thief 是一个简单的电路，可以解决用单个 1.5V 电池驱动照明 LED 的问题。

就其价值而言，使用第三种光——电弧放电灯——荧光灯、氖灯、金属卤化物、汞蒸气和高/低压钠灯的情况更糟。它们是绝缘体，直到电弧触发时达到一定电压……之后它们几乎完全短路。限流是强制性的。

为什么我不能用 1.5 V 电池点亮 LED？

物理解释

电灯泡

发光二极管