课程设计实验报告基于LM3914电源电压变化指示设计.docx
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课程设计实验报告基于LM3914电源电压变化指示设计
课程设计实验报告-基于LM3914电源电压变化指示设计
论文题目:
基于LM3914的电压变化指
示器的设计与制作
摘要:
19世纪兴起的数字电路以其先天的便捷、稳定的优点在现代电子技术电路中占有越来越重要的地位。
随着人们生活环境的不断改善和美化，在许多场合可以看到彩色流水灯。
LED彩灯由于其丰富的灯光色彩，低廉的造价以及控制简单等特点而得到了广泛的应用，用彩灯来装饰街道和城市建筑物已经成为一种时尚。
但目前市场上各式样的LED彩灯控制器大多数用全硬件电路实现，电路结构复杂、功能单一，这样一旦制作成品只能按照固定的模式闪亮，不能根据不同场合、不同时间段的需要来调节亮灯时间和变化。
本实验设计中，音频变色灯由该放大电路采用三只三极管及外围电路、LED电平指示器LM3914组成,通过音频信号可以自动对彩灯或霓虹灯及节日灯的控制。
音频变色等控制电路可在音频信号的驱动下，控制三基色，从而达到彩灯泡发出千姿百态的色彩变化，其变化规律与音频信号的频率及电平大小相对应。
在这样灯光可实现跳变、缓变、定色、组图、照明五种形式，适用于家庭、宾馆、舞厅、剧院、广告等领域，用途广泛，丰富现代社会生活。
关键字:
音频变色灯LM3914音频信号
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B目录
1.前言„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„32.系统的组成及工作原理„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„43.电路设计„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„5
3.1对比方案„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„5
3.2改进方案„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„54.LM3914的电压变化指示器硬件组成介绍„„„„„„„„„„„„„7
4.1实验元器件清单„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„7
4.2实验元器件构成及功能分析说明„„„„„„„„„„„„„„„„8
4.2.1条图显示器和LM3914集成电路的原理、功能以及应用„„„„„8
4.2.2电阻器„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„10
4.2.3电容„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„13
4.2.4二极管„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„16
4.2.5三极管„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„19
4.2.6万用板„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„265.焊接和调试电路„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„27
5.1组装成品焊接„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„27
5.2调试使用的仪器„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„28
5.3测试最终结果„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„28
5.4调试中出现的故障及解决方案„„„„„„„„„„„„„„28
5.5调试注意事项„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„296（作品优势与发展空间„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„297（实验心得与体会„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„308（参考文选„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„31
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基于LM3914的电压变化指示器的设计与制作
前言
19世纪兴起的数字电路以其先天的便捷、稳定的优点在现代电子技术电路中占有越来越重要的地位。
随着人们生活环境的不断改善和美化，在许多场合可以看到彩色流水灯。
LED彩灯由于其丰富的灯光色彩，低廉的造价以及控制简单等特点而得到了广泛的应用，用彩灯来装饰街道和城市建筑物已经成为一种时尚。
随着人们生活水平的提高，大家的生活环境也不断改善和美化。
忙碌的一天生活过去，人们往往会去娱乐场所放松一下。
节日的到来，城市中张灯结彩，举办节目来庆祝节日的到来。
LED彩灯由于其丰富的灯光色彩，低廉的造价以及控制简单等特点而得到了广泛的应用，用彩灯来装饰街道和城市建筑物已经成为一种时尚。
。
但目前市场上各式样的LED彩灯控制器大多数用全硬件电路实现，电路结构复杂、功能单一，这样一旦制作成品只能按照固定的模式闪亮，不能根据不同场合、不同时间段的需要来调节亮灯时间。
因此，在原有的基础上改进，设计这款音频变色灯随之产生了，音频变色等控制电路可在音频信号的驱动下，控制三基色，从而达到彩灯泡发出千姿百态的色彩变化，避免了现在目前市场上各式样的LED彩灯控制器大多数用全硬件电路实现，电路结构复杂。
功能单一的缺点。
音频变色灯并便于受众顺着有规律的节奏，给人以变幻的吸引力，又要主次分明，没有色彩和图案紊乱的感觉。
变换、闪烁、跳跃式的霓虹灯为促进销售，为营造欢乐、多姿多彩的生活正越来越受到人们的重视与欢迎。
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2.系统的组成及工作原理:
电路主要部分见图
（1），REFOUTV=1.28（1+R2/R1）I（LED）?
12.5/R1此电路的核心是LM,,1,芯片，通过信号脚SIG电压的不同选择LED的通或断，进而起到指示作用。
图（,）电路主要部分
LM3914是10位发光二极管驱动器，它可以把输入模拟量转换为数字量输出驱动10位发光二极管来进行点显示或柱显示。
4脚和6脚之间连接有10个精密分压电阻，7脚和8脚之间是一个参考电压源，9脚为点,柱模式选择，5脚为信号输入端。
LM3914参考电压源输出约5V，即在7脚和8脚之间维持一个5V的基准电压Vref，该基准可以直接给内部分压器使用，这样当Vin（5脚）输入一个0,5V电压时，通过比较器即可点亮0,10个发光二极管，芯片内部主要结构见下图（5）。
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3.电路设计:
3.1对比方案:
经过对比网上的资料及LM3914芯片的生产厂家提供的相关资料，最终我选择了厂家提供的LM3914典型应用电路图（图1），这个电路简单实用，并且可以用并不复杂的一些元件来实现功能，满足课程设计要求。
但其功能单一，虽能明显地显现出发光二极管随着电压变化的变化，但其是由外接信号的改变进行改变，详细电路图见下图（3）。
图
（2）
3.2改进方案:
为了使电路能够更为简单的实现功能，故我在这个电路的基础上，经过改设电路为“LM3914构成的闪光电压变化指示器电路”，采用一些额外的元件，通过可调电阻进行手动改变信号脚电压或接入RC电路让信号脚的电压进行自动改变，进而免去外界信号脚的麻烦，避免电路因外接信号对电路造成调试上的麻烦，使电路效果简单且现象明显，LM3914芯片的工作电压为3到18伏，考虑到电源的来源，从简便、方便的想法出发，我们采用5伏电压对电路进行供电，因为5伏电压为常见电压，为多数电路的最佳工作电压，来源广泛，制作简单，其方框图和原理图如下:
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（RC电路或
可调电阻）模数转换显示模块
信号输入
图（3）方框图
图（4）电路原理图
在电路中增加了RC电路，利用RC电路的充放电原理改变信号脚SIG（第五脚）电压，使LED随着电压的变化而亮或灭，进而具有自动功能（电压由0变到5伏或由5伏变为0付），因为此电路也可用作电容的充放电原理显示电路。
将信号脚与可调电阻的可调端相连接，可通过改变接入电阻的阻值（手动功能），使信号脚的电压发生改变，使LED随着电压的变化而亮或灭。
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其中开关SW3为自动功能与手动功能的切换开关，往上拨时为选择手动功能，信号脚的电压由可调电阻改变;往下拨时为自动功能，信号脚的电压由于RC电路的充放电而发生变化。
开关SW1拨上时对电容进行充电，信号脚的电压逐渐增到5伏，开关SW2往上拨时，电容进行放电，信号脚的电压逐渐降为0伏。
开关SW4为点,柱模式选择，往上拨时，LM3914芯片第九脚接正电源，选择柱模式，LED一个个的亮，呈柱子状。
往下拨时，LM3914芯片第九脚与第十一脚相连接，为点选模式LED是一个个交替的亮
其中的参数由下面公式计算:
公式一:
REFOUTV=1.28（1+R2/R1）
公式二:
I（LED）?
12.5/R1
公式三:
T=RC*Ln[（V1-V0）/（V1-Vt）]REFOUT参考电压
I（LED）为LED的工作电流
V0为电容上的初始电压值;
V1为电容最终可充到或放到的电压值;
Vt为t时刻电容上的电压值。
4（LM3914的电压变化指示器硬件组成介绍4.1实验元器件清单
LED电平指示器LM3914芯片1个，
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0.47uf电容、220uf电容、100uf电容各1个，
5.6k电阻、100欧电阻各1个，
18k电阻、10电阻、100K电阻、560欧各1个，
耳机插座、音频线、电源插座，
8550三极管、8050三极管、945三极管各1个，
红色发光二极管10个，
4.2实验元器件构成及功能分析说明
4.2.1条图显示器和LM3914集成电路的原理、功能以及应用
LM3914是LED条图驱动器的,条图显示器也叫光柱显示器。
用条图显示器（光柱显示器）组成的条图显示方法是继数字显示方法之后出现的另一种新型模拟显示方式，它除可以显示被测量的大小外，还可以直观地反映被测量的变化、变化趋势及量程范围等。
条图显示器（光柱显示器）采用电子技术，由电子器件组成，因具有显示直观、亮度均匀、可靠性高、成本低、抗振动、耐冲击、无阻尼、抗干扰能力强、对被测量的变化反映迅速、真实等优点，已广泛用于各种显示调节仪表、工业控制设备中，作为过程量或控制量等参数的模拟指示。
可见，它具有指针式仪表和数字式仪表的一些共同优点。
LCD条图显示器（光柱显示器）功耗低，显示时一般需要背光配合，否则，不适合在光线极弱的场合使用。
LED条图显示器（光柱显示器）的发光体是发光二极管，亮度大，基本适用于所有场合，但功耗较大。
LED条图显示器（光柱显示器）简介
条图显示器（光柱显示器）由一串发光或不发光的点（条）状显示器排成长条（直线或圆弧状）组成。
长条边有标度尺，发光点在标度尺上的位置反映被测量的大小。
显示方式既可以用点方式，也可以用条方式。
点显示方式下，只显示参考点（通常为。
点）和被测量值点;条显示方式下，显示。
点至被测量值点的所有点。
LED条图显示器（光柱显示器）是由若干LED管芯按规定长度等距排列而组成的，具有红、绿、橙、黄等不同颜色。
一般有128线、101线（或100线）,64线、51线等规格，线数为所含LED数。
其中一个LED（对101线、51线等产品）一般用于电源指示，也可以作其他用途或不用。
其他LED一般组成×8或×10
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结构，采用行列扫描方式以节省资源。
如，100线有10×10结构和8×13结构。
线间距有1mm,0.9mm,0.75mm等，有共阴型和共阳型可选。
在使用中，除了购买成品外，也可根据需要自行设计条图显示器（光柱显示器）的LED颜色、布局、形状等。
我们在某自动化设备的技术改造中，自行设计的LED条图显示器（光柱显示器），使用效果很好。
-18封而LM3914是美国国家半导体公司生产的VL条图驱动器。
它采有DIP装，电源电压范围是+3~+25V。
其内部框图如图所示，
主要包括1.25V基准电压源E0,10个电压比较器,由10只1KΩ电阻构成的分压器,缓冲器和模式选择放大器.输入直流电压U1N经过缓冲器接至10个电压比较器的同相输入端。
将其第7脚与第6脚短接时，E0经过分压后获得参考电压U1到U10，电压值依次为0.125V、0.25V、0.375V、1.25V,依次相差0.125V..电压比较器的输出端分别接发光二极管VL1~VL10的负极.当UIN>U10时,10个电压比较器均输出低电平,发光二极管全亮;UIN若U6.因此,被点亮的LED个数与UIN成正比,这就是LED条图显示器的工作原理。
LM3914的第9脚为模式选择端,接U+时选项择条图显示模式;开路时为单点显示模式,即该点以下和以上部分的LED均处于消隐状态.1片LM3914只能驱动10点（或10段）LED条图.将两片LM3914进行级联时,基准电压由高位LM3914来提供,低位LM,3914所需基准电压由高位基准电压分压后得到.显然,按照静态方式驱动100段LED条图，就需要10片LM3914。
若采用动态扫描方式，仅需一片LM3914即可。
仪表量程取决于基准电压值，使用片内1.25V基准电源时，满量程电压UM=1.25V。
Eo也可设计成可调节器式，尽各显神通第7、8两脚之间的电压值为1.25V，但利用外部分压器可提高第7脚对地的电压UR，使之高于1.25V，UR就作为基准高（RHI）与基准低（RLO）之间的基准电压。
此外，也可用电位器调节器节LED的亮度，当第7脚输出1MA电流时，每只LED的工作电流为10MA，若选项外冲毁高稳定度基准确无误电压源MC1403、MC1404、AK581，则量程分别扩展到2.5V、5V、10V。
当仪表采用+12V电源，外基准电压为10V时，经分压后得
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到1V、2V、。
。
。
。
10V的10路电压。
5.2.1LM3914的内部框图如下:
图44.2.2电阻器
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图4-1本次试验设计中选用的电阻/可变电阻
表4-2电阻阻值读取方法色谱图表
导体对电流的阻碍作用就叫该导体的电阻。
主要职能就是阻碍电流流过,应用于限流、分流、降压、分压、负载与电容配合作滤波器及阻匹配等。
电阻器简称电阻（Resistor，通常用“R”表示）是所有电子电路中使用最多的元件。
电阻的主要物理特征是变电能为热能，也可说它是一个耗
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能元件，电流经过它就产生内能。
电阻在电路中通常起分压分流的作用，对信号来说，交流与直流信号都可以通过电阻。
电阻都有一定的阻值，它代表这个电阻对电流流动阻挡力的大小。
电阻的单位是欧姆，用符号“Ω”表示。
欧姆是这样定义的:
当在一个电阻器的两端加上1伏特的电压时，如果在这个电阻器中有1安培的电流通过，则这个电阻器的阻值为1欧姆。
在国际单位制中，电阻的单位是Ω（欧姆），此外还有（千欧），K,M,（兆欧）。
其中:
1=1000，1=1000Ω。
M,K,K,
电阻的阻值标法通常有色环法，数字法。
色环法在一般的的电阻上比较常见。
由于一些电路中的电阻比较小，很少被标上阻值，即使有，一般也采用数字法，即:
10^1——表示10Ω的电阻;10^2——表示100Ω的电阻;10^3——表示1的电阻;10^4——表示10的电阻;10^6——表示1的K,K,M,电阻;10^7——表示10M,的电阻。
如果一个电阻上标为22，10^3，则这个电阻为22。
K,
数码法是用三位数字表示元件的标称值。
从左至右，前两位表示有效数位，第三位表示10n（n=0,8）。
当n=9时为特例，表示10^（-1）。
塑料电
，阻器的103表示1010^3=10k。
片状电阻多用数码法标示，如512表示5.1，K,。
电容上数码标示479为4710^（-1）=4.7pF。
而标志是0或000的电阻器，表示是跳线，阻值为0Ω。
数码法标示时，电阻单位为欧姆，电容单位为，电感一般不用数码标示。
电阻器的电气性能指标通常有标称阻pF
值,误差与额定功率等。
它与其它元件一起构成一些功能电路，如RC电路等。
电阻是一个线性元件。
说它是线性元件，是因为通过实验发现，在一定条件下，流经一个电阻的电流与电阻两端的电压成正比——即它是符合欧姆定律:
IUR,/
常见的碳膜电阻或金属膜电阻器在温度恒定，且电压和电流值限制在额定条件之内时，可用线性电阻器来模拟。
如果电压或电流值超过规定值，电阻器将因过热而不遵从欧姆定律，甚至还会被烧毁。
电阻的种类很多，
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通常分为碳膜电阻，金属电阻，线绕电阻等:
它又包含固定电阻与可变电阻，光敏电阻，压敏电阻，热敏电阻等。
测试:
使用万用表判断出电阻的好坏:
将万用表调节在电阻挡的合适挡位，并将万用表的两个表笔放在电阻的两端，就可以从万用表上读出电阻的阻值。
应注意的是，测试电阻时手不能接触到表笔的金属部分。
4.2.3电容若干
电容是表征电容器容纳电荷的本领的物理量。
我们把电容器的两极板间的电势差增加1伏所需的电量，叫做电容器的电容。
很多电子产品中，电容器都是必不可少的电子元器件，它在电子设备中充当整流器的平滑滤波、电源和退耦、交流信号的旁路、交直流电路的交流耦合等。
电容在电路中一般用“C”加数字表示（如C13表示编号为13的电容）。
电容是由两片金属膜紧靠，中间用绝缘材料隔开而组成的元件。
电容的特性主要是隔直流通交流。
电容容量的大小就是表示能贮存电能的大小，电容对交流信号的阻碍作用称
为容抗，它与交流信号的频率和电容量有关。
电容的符号是C。
在国际单位制里，电容的单位是法拉，简称法，符号是F,常用的电容单位有毫法（）、微法（）、纳法（）和皮法（）（皮法又称微微法）,FpFmFnF
等，换算关系是:
1法拉（F）=1000毫法（）,1000000微法（）,FmF
1微法（）=1000纳法（）=1000000皮法（）。
FpFnF
相关公式:
一个电容器，如果带1库的电量时两级间的电势差是1伏，这个电容器的电容就是1法，即:
CQU,/但电容的大小不是由Q或U决定的，即:
。
其中，ε是一个常数，S为电容极板的正对面积，d为电容Cskd,,,/4
极板的距离，k则是静电力常量。
电容器的电势能计算公式:
E=CU^2/2
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图4-3本次试验设计中选用的瓷片电容名称:
低频瓷介电容（CT）
电容量:
10p—4.7μ
额定电压:
50V--100V
主要特点:
体积小，价廉，损耗大，稳定性差应用:
要求不高的低频电路
图4-4本次试验设计中选用的CD11-16V型电解电容
名称:
铝电解电容
电容量:
0.47--10000μ
额定电压:
6.3--450V
主要特点:
体积小，容量大，损耗大，漏电大
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图4-5电解电容内部原理图
电解电容是电容的一种介质有电解液涂层有极性，分正负不可接错。
电容（Electriccapacity），由两个金属极，中间夹有绝缘材料（介质）构成。
电解电容有以下几个特点:
a、单位体积的电容量非常大，比其它种类的电容大几十到数百倍。
b、额定的容量可以做到非常大，可以轻易做到几万μf甚至几f（但不能和双电层电容比）。
c、价格比其它种类具有压倒性优势，因为电解电容的组成材料都是普通的工业材料，比如铝等等。
制造电解电容的设备也都是普通的工业设备，可以大规模生产，成本相对比较低。
电解电容器通常是由金属箔（铝/钽）作为正电极，金属箔的绝缘氧化层（氧化铝/钽五氧化物）作为电介质，电解电容器以其正电极的不同分为铝电解电容器和钽电解电容器。
铝电解电容器的负电极由浸过电解质液（液态电解质）的薄纸/薄膜或电解质聚合物构成;钽电解电容器的负电极通常采用二氧化锰。
由于均以电解质作为负电极（注意和电介质区分），电解电容器因而得名。
有极性电解电容器通常在电源电路或中频、低频电路中起电源滤波、退耦、信号耦合及时间常数设定、隔直流等作用。
一般不能用于交流电源电路，在直流电源电路中作滤波电容使用时，其阳极（正极）应与电源电压的正极端相连接，阴极（负极）与电源电压的负极端相连接，不能接反，否则会损坏电容器。
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无极性电解电容器通常用于音箱分频器电路、电视机S校正电路及单相电动机的起动电路。
电解电容器广泛应用于家用电器和各种电子产品中，其容量范围较大，一般为1~1000，额定工作电压范围为6.3~450V。
其缺点是介质损耗、,F
容量误差较大（最大允许偏差为+100%、-20%），耐高温性较差，存放时间长容易失效。
1容抗（f表示交流信号的频率，C表示电容容量）电话机中常,,XCfc2
用电容的种类有电解电容、瓷片电容、贴片电容、独石电容、钽电容和涤纶电容等。
容量大的电容其容量值在电容上直接标明，如10μF/16V
容量小的电容其容量值在电容上用字母表示或数字表示
字母表示法:
1m=10001P2=1.21n=1000,FpFpF
数字表示法:
三位数字的表示法也称电容量的数码表示法。
三位数字的前两位数字为标称容量的有效数宇，第三位数宇表示有效数字后面零的个数，它们的单位都是。
pF
如:
102表示标称容量为1000。
pF
221表示标称容量为220。
pF
224表示标称容量为22x10（4）。
pF
在这种表示法中有一个特殊情况，就是当第三位数字用"9"表示时，是用有效数宇乘上10-1来表示容量大小。
如:
229表示标称容量为22x（10-1）=2.2。
pFpF
允许误差?
1%?
2%?
5%?
10%?
15%?
20%4.2.4二极管
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图4-6本次试验设计选用的二极管
pn,晶体二极管为一个由p型半导体和n型半导体形成的结，在其界面处两侧形成空间电荷层，并建有自建电场。
当不存在外加电压时，由于pn,结两边载流子浓度差引起的扩散电流和自建电场引起的漂移电流相等而处于电平衡状态。
当外界有正向电压偏置时，外界电场和自建电场的互相抑消作用使载流子的扩散电流增加引起了正向电流。
当外界有反向电压偏置时，外界电场和自建电场进一步加强，形成在一定反向电压范围内与反向偏置电压值无关的反向饱和电流I0。
pn,当外加的反向电压高到一定程度时，结空间电荷层中的电场强度达到临界值产生载流子的倍增过程，产生大量电子空穴对，产生了数值很大的反向击穿电流，称为二极管的击穿现象。
本次设计中使用二极管进行了整流、检波等功能的应用。
（6）发光二极管
图4-7发光二极管
发光二极管简称为LED。
由镓（Ga）与砷（AS）、磷（P）的化合物制成
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的二极管，当电子与空穴复合时能辐射出可见光，因而可以用来制成发光二极管，在电路及仪器中作为指示灯，或者组成文字或数字显示。
磷砷化镓二极管发红光，磷化镓二极管发绿光，碳化硅二极管发黄光。
它是半导体二极管的一种，可以把电能转化成光能;常简写为LED。
发光二极管与普通二极管一样是由一个PN结组成，也具有单向导电性。
当给发光二极管加上正向电压后，从P区注入到N区的空穴和由N区注入到P区的电子，在PN结附近数微米内分别与N区的电子和P区的空穴复合，产生自发辐射的荧光。
不同的半导体材料中电子和空穴所处的能量状态不同。
当电子和空穴复合时释放出的能量多少不同，释放出的能量越多，则发出的光的波长越短。
常用的是发红光、绿光或黄光的二极管。
发光二极管的反向击穿电压约5伏。
它的正向伏安特性曲线很陡，使用时必须串联限流电阻以控制通过管子的电流。
限流电阻R可用下式计算:
（）EUF,R,IF
式中E为电源电压，UF为LED的正向压降，IF为LED的一般工作电流。
发光二极管的两根引线中较长的一根为正极，应按电源正极。
有的发光二极管的两根引线一样长，但管壳上有一凸起的小舌，靠近小舌的引线是正极。
与小白炽灯泡和氖灯相比，发光二极管的特点是:
工作电压很低（有的仅一点几伏）;工作电流很小（有的仅零点几毫安即可发光）;抗冲击和抗震性能好，可靠性高，寿命长;通过调制通过的电流强弱可以方便地调制发光的强弱。
由于有这些特点，发光
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