[教师也创客]创客教育材料漫谈——发光二极管

有些创客教育产品会将电子元件分为电源、输入、连接、输出4种类型，并用不同的颜色标示出来。学生看到元件的颜色就能明白它在创作中的应用。前面我们已经介绍了创客教育所用的电源、作为连接的导线和开关、作为输入设备的传感器，这篇文章我们聊聊创客教育所用的输出设备。

传感器是将外界的环境和变化的物理信号转变为电信号，传达给控制器的输入元件。输出元件则与输入元件相反，接收到控制器的电信号后，将电信号转变为可被我们理解的物理信号。生活中我们每天都会接触到许多输出设备，如显示器、扬声器、打印机等。

创客教育用到的输出设备也是种类繁多，例如输出为光的灯泡、发光二极管，输出为声音的扬声器、蜂鸣器，输出为机械运动的电动机等。这里，我们以发光二极管为例，认识这种输出设备的原理和应用。

发光二极管（LED）是创客教育的基础输出元件之一。LED灯珠极为便宜、使用简单，适合在创客课堂中广泛应用。以LED为主题的创客教育作品可以很简单，许多中小学的电子创客第一课就是“点亮一颗LED”。LED主题作品也可以设计得很复杂，即使是资深的创客也热衷于制作数百个LED排列而成的“光立方”，通过程序设计让光立方呈现出迷人的立体图案。

发光二极管（LED）是一种特殊的二极管，顾名思义，它除了有二极管的基本功能之外，还能发出不同颜色的光。在20世纪六七十年代，科学家相继发明了红光、橙光、黄光、绿光、翠绿光LED，但却迟迟未能发明出蓝光LED。没有蓝光，就无法凑齐三原色，意味着无法产生白光，LED的使用就会受到极大的限制。

经过了十几年的努力，直至1993年，可商用的蓝光LED才由赤崎勇、天野浩、中村修二3位科学家发明出来，LED的广泛使用才成为了可能。他们因此也获得了2014年的诺贝尔物理学奖。

LED的出现带来了第二次照明革命，与传统的白炽灯、荧光灯相比，LED的照明效率更高，生产更加环保，使用寿命也更久，还可以做得更小，LED的照明革命正在悄无声息地改变我们的生活，只需稍加留意就可发现，很多道路上昏黄的路灯不见了，换上了明亮的LED路灯。

除了照明，LED还被应用于信息显示和信息传输上。我们每天使用的手机、电脑、电视的屏幕上的每一个像素就是由一组LED构成的，在控制器的指令下，LED呈现出不同的颜色和亮度，我们在显示屏上看到的图像是数以百万计的LED共同作用的效果。LED还能作为信息传输功能，在未来，只需要打开具有LiFi功能的LED灯，就可以享受速度比现在WiFi高上百倍的上网体验。

到这里，我们对LED的原理和应用有了一定的了解，这些知识将帮助我们更好地将它应用到创客教育之中。创客教育比较常用到的LED灯珠有直插式、贴片式和食人鱼式，这3种LED的主要区别在于连接的方式。

此外，开源硬件作品有时候还会用到集成了其他功能的LED模块，如RGB LED模块、LED点阵屏、LED显示屏等。接下来我们就以最常用的插入式LED灯珠为例，看看在创客教育中使用LED有哪些值得注意的地方。

LED是一种二极管，它的两根引脚分别是阳极和阴极，能否正确判断引脚的极性关系到制作的成败。判断直插式LED极性最简单的方法是观察引脚长度，引脚长的为阳极，引脚短的为阴极。这种方法简单快速，但前提是LED的引脚必须没有被破坏。

有的创客制作需要把引脚长度剪齐，我们还有什么方法可以判断LED的极性呢？一个简单的办法是根据封装边缘形状判断，直插式LED的外壳边缘通常是圆的，但它的阴极附近却变成了一个平面，就像被整齐地切了一刀，我们可以根据这点判断引脚的极性。

此外，我们还可以观察LED的内部接点（即LED的“灯芯”形状）判断极性，阳极的接点是一个较小的正梯形，阴极的接点是一个较大的反梯形，反梯形上有一块内反射腔（即发光的地方）。

我们还需要注意LED的颜色。许多刚接触LED的人有个误解，认为LED的颜色只是外壳的颜色不一样，事实上，LED的颜色取决于所使用半导体材料。选择LED颜色的时候经常会看到“红发红”“白发红”之类“A发B”的术语，其中A是指LED本来的颜色，B是指发光的颜色，“白发红”就是说LED的外壳是白（透明）的，点亮之后发出红光。

创客教育使用的LED灯珠功率通常为0.06 W，工作电压在1.73.5V之间。不同颜色LED的工作电压不一样，这也是创客教师需要注意的一点。通常来说，红光、黄光LED的工作电压为1.72.1V；白光、蓝光、暖白光、粉红光、紫色光LED的工作电压为2.83.6V；绿光LED工作电压为2.63.4V。若不注意工作电压的区别，就容易造成在作品中有的LED亮度不足，而有的LED却几近烧毁。

有的教师会用LED代替小灯泡，帮助学生认识欧姆定律，这种做法是有问题的。与小灯泡不同，LED的电阻不是定值，电流和电压不是线性相关的，而是遵循伏安特性曲线。定性地说，当LED正向偏置（电池的正极连接LED阳极，电池负极连接LED阴极）时，所施加的电压越大，电阻变小，电流增强；当LED反向偏置（电池的正极连接LED阴极，电池负极连接LED阳极）时，电压增大，电流几乎为0（相当于一个很大的电阻），一旦电压大于击穿电压（通常在50 V左右），电流瞬间增大，LED烧毁。

LED烧毁后果严重，甚至可能会造成火灾，所以，我们在使用LED的时候通常需要串联电阻，将电流和电压限制在一定的范围内，保护LED正常工作。而LED模块通常会内置电阻，这种情况就不需要另外串联电阻了。

这就是LED的工作原理和基本使用方法，作为创客教师，我们要了解它的原理，熟悉它的操作，才能为学生带来安全高效的创客课堂。

本文原载于《中国科技教育》2018年第11期“新技能”专栏，作者陈染，有删减。

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