【摘要】实验分为三个部分，第一个部分是通过将红绿蓝三色 LED 灯光按照不 同的组合方式混合，在纸板上观察 LED 灯的光色。接着，将红黄绿荧光粉依次 粘在反光杯内部，打开 LED 灯，观察纸板上的颜色。第二个部分，将不同光色 的 LED 灯、定值电阻、卤素灯依次接入相同的电路中，接入滑动变阻器，多次 改变滑动变阻器的阻值，记录下对应的电流电压，绘制成相应的伏安特性曲线。 第三部分，依次将不同光色的 LED 灯与滑动变阻器连入电路，将光照度计对准 纸板上的 LED 灯光，记录下不同的数据。

【关键词】LED 灯；滑动变阻器；荧光粉；卤素灯；定值电阻。

一、研究背景

随着科技的不断发展，LED 照明技术逐渐成为我国照明领域的主流。LED 灯具 以其节能、环保、寿命长、体积小等优点，在室内外照明、景观亮化、显示屏等 领域得到了广泛应用。然而，LED 灯光的色温、显色指数等性能指标对人们的 生理、心理及工作效率有着重要影响。因此，对 LED 灯光色复配及性能进行深 入探究，对于提高 LED 照明质量、满足人们多样化需求具有重要意义。近年来， 我国LED 照明市场规模不断扩大，政府也大力推广绿色照明产品。根据相关数 据显示，我国LED 照明市场规模已超过千亿元，预计未来几年将保持高速增长。 在此背景下，LED 灯光色复配及性能研究显得尤为重要。随着生活水平的提高， 人们对灯光品质的要求也越来越高。不仅要求灯光具有足够的亮度，还要求灯光 色温适中、显色性好，以营造舒适、温馨的照明环境。然而，目前市面上的 LED 灯具在灯光色复配方面存在一定问题，如色温不稳定、显色指数低等，影响了照 明效果。虽然 LED 照明技术取得了显著成果，但在灯光色复配方面仍存在一定 的技术瓶颈。 目前，LED 灯光色复配主要依靠经验公式和试错法，缺乏系统、

科学的理论指导。因此，研究 LED 灯光色复配及性能，有助于提高我国 LED 照 明技术水平。我国政府高度重视节能减排工作，将 LED 照明产业作为战略性新

兴产业予以重点支持。LED 灯光色复配及性能研究有助于提高 LED 照明产品的 能效比，降低能耗，符合国家节能减排政策导向通过对 LED 灯光色复配及性能 的深入研究，可以为 LED 照明企业提供科学、合理的设计方案，提高产品质量， 满足市场需求。通过研究 LED 灯光色复配及性能，可以为人们提供更加舒适、 健康的照明环境，提高生活质量。总之，LED 灯光色复配及性能探究具有重要 的现实意义和理论价值。通过对该领域的研究，有助于推动我国LED 照明产业 的健康发展，满足人们对高品质照明需求，为我国节能减排事业作出贡献。

二、实验材料

实验用品：黄色荧光粉、红色荧光粉、绿色荧光粉、导线、卡纸、剪刀、小镊子、 电池盒、1w 绿光 LED 带铝基板带线、1w 红光 LED 带铝基板带线、1w 蓝光 LED 带铝基板带线、5w 白光 LED 灯、两脚卤素灯、电压表、电流表、鳄鱼夹导线、 反光杯、RGB 三色 LED 灯、金属膜电阻、迷你面包板。

三、研究过程

课题一：探究 LED 灯产生白色光源的机制

1 连接电路

取电源盒 1 个，装入 2 节电池，再取出面包板，用导线将电源、10Ω电阻及 LED 灯相连在面包板上，组成电路；

2 RGB 三色 LED 灯检测

在电阻存在的情况下将电源盒分别连接 RGB 三色 LED 灯不同灯色的正负极，控 制电源盒的开关，若能发出绿、红、蓝三种光，即可进行后面实验；

3 不同 LED 灯组合发光测试

3.1 将 RGB 三色 LED 灯放在反光杯的小口上，使有灯珠的一侧位于反光杯内部， 扣紧；

3.2 将 3 个电源分别连接 3 种颜色的 LED 灯正负极，闭合电路，LED 灯发光， 慢慢抬起反光杯使其垂直于 A4 纸，保持距离约 5cm，观察 A4 纸上的灯光颜色， 记录不同 LED 灯光混合后的复合光色和均匀度，并用手机拍照，拍摄时尽量保 持灯光原色和光圈完整；

3.3 依次测定不同光色 LED 灯的混合光色，记录并拍照； 4LED 灯与荧光粉组合发光测试

4.1 荧光粉准备

4.1.1 在桌子上放一张干净的 A4 纸，用剪刀剪下一块约 4cm×2.5cm 的胶带，粘 面朝上放置于 A4 纸上，用小镊子夹取约 0. 1g 的红色荧光粉，洒在胶带粘面，慢 慢涂抹均匀，涂抹至不能再粘荧光粉时即可，将多余的荧光粉放回原袋中;

4.1.2 用剪刀取下一块约 4cm×3.5cm 的胶带，将粘面与上一步骤中的胶带粘面贴 在一起，使荧光粉位于 2 个胶带中间，然后用剪刀减去没有粘荧光粉的部分胶带 即可；

4.1.3 用同样的方法制作粘有绿色和黄色荧光粉的胶带

4.2 组装电路及测试

4.2.1 取带鳄鱼夹的电源，通过导线将电源正极与 10 电阻相连，电阻的另一端连 接蓝光 LED 灯的正极，通过导线将蓝光 LED 灯的负极与电源负极相连，灯发光 后，断开电路；

4.2.2 在桌面铺上一张干净的 A4 纸，将 RGB 三色 LED 灯连入电路，闭合电路， 拿起反光杯，使杯口垂直于 A4 纸，保持距离约 5cm ，记录发出灯光的颜色，并 用手机拍照；

4.2.3 取下反光杯上的 RGB 三色 LED 灯，将制作好的黄色荧光粉胶带放在反光 杯上方的小口径处，重新将 RGB 三色 LED 灯按到反光杯小口径的凹槽中，使胶 带紧贴 LED 灯；

4.2.4 拿起反光杯，使杯口垂直于 A4 纸，保持距离约 5cm，记录发出灯光的颜色， 并用手机拍照；

4.2.5 依次按相同的操作，记录不同颜色 LED 灯和荧光粉组合发出灯光的颜色， 并用手机拍照；

4.3 图片软件分析

4.3.1 安装 Palette 软件

Palette 软件下载地址 http://m.downcc.com/d/265718。

软件使用说明：RGB 分别代表红色、绿色和蓝色，括号中的数值是对应的颜色 值，颜色值范围为 0-255 ，数值越大表示亮度越大。颜色条后的数值代表颜色在

图中占据的多少，数值越大，表示这种光在图片中占的面积越大，为主要光色；

4.3.2 导入照片

在 Palette 软件中导入拍摄的照片，导入前，裁剪图片，将图片中多余的背景部 分尽可能删去，以减少杂色，分析照片中 LED 灯发出光的颜色；

4.3.3 颜色分析

观察软件分析图，比较人眼观察到的灯光颜色和照片对应颜色及相应数值。由内 到外依次分析对应的颜色条，记录下主要的 RGB 值和后面的数值。

课题二：探究 LED 灯与其他电学器件的差异

1 实验准备

1.1 用电源正负极短暂接触电流表的两端，若电表顺时针转动，则接触电源正极 的一端为正极，接触电源负极的一端为负极，在电流表上标出正负极，连接电路 时需要将电流表正极连接电源正极，用同样的方法确定电压表的正负极；

1.2 取 20Ω滑动变阻器，2 个电池盒，待测 LED 灯、卤素灯、电流表、电压表和 导线，将 1 个电池盒的正极连接另一个电池盒的负极，装入 4 节电池，组成 6v 的电源，注意正负极的连接方式；

2 连接电路

连接电路。分別在滑动变阻器的 A、B 点连接电源正负极，D 点连接电流表，将 滑动变阻器滑片调至电压为 0 的一端(A 端)；电压表一极与电源相连，另一极与 电流表相连，连接时注意正负极。

3 探究不同器件的正负极差异

3.1 取红色 LED 灯，将其正极与电源正极相连，负极与电源负极相连，滑动滑片， 观察电压表和电流表的变化，以及 LED 灯发光情况，然后反接 LED 灯(即正极 与电源负极相连，负极与电源正极相连) ，滑动滑片，观察电压表和电流表的变 化，以及 LED 灯发光情况，记录数据；

3.2 参考红色 LED 灯测试方法，依次测试其他颜色的 LED 灯以及卤素灯，观察 并记录发光情况；

4 探究不同器件的伏安特性曲线差异

4.1 连接电路。取红色 LED 灯和面包板，将红色 LED 灯针脚插入面包板，使其 正极与电源正极相连，负极与电源负极相连，将滑动变阻器滑片调至电压为 0

的一端(A 端) ，滑动滑片，当电压表和电流表显示数值时，停止滑动，并记录此 时的电压和电流值，继续滑动滑片，依次记录至少 4 组电压-电流值(值越多，曲 线越接近真实情况)；

4.2 断开电路，将 LED 灯的正负极调换位置，重新插入面包板，分别测定至少 4 组电压-电流值，记录数据；

4.3 断开电路，更换其他颜色的 LED 灯、卤素灯和定值电阻，重复上述步骤，得 到其各种电学器件的电压-电流值，记录数据。

5 处理数据

分别将 LED 灯、卤素灯和电阻的数据绘制在不同的坐标轴上，且将正向和负向 电压-电流数据绘制在不同的象限，比较不同电学器件伏安特性曲线的差异。

课题三：探究 LED 灯的节能潜力

1 连接电路

1.1 连接电路。将某一 LED 灯安装在电路中，将滑动变阻器调整至最大电阻处， 此时闭合电路，滑动滑片，当 LED 灯能够发光时停止移动滑片，断开电路，再 将滑动变阻器调至最大电阻处；

2 测定光照度

2.1 将反光杯套在 LED 灯上，杯口放在光照度计测光部位，打开光照度计，示数 为 0；

2.2 闭合电路，慢慢滑动滑片，当电流表读数为 0.02A 时，且电压表和光照度计 均有示数，将此时的电压、电流读数和光照度计读数记录在表格中；

2.3 断开电路，换下 LED 灯，依次测定其他颜色 LED 灯在电流为 0.02A 时的电 压、电流和光照度计示数；

2.4 参照步骤 2.1~2.3 ，测定当电流值为 0.04A 和 0.06A 时各 LED 灯的电压、电 流和光照度计示数；

3 测定光照度计受照面积

用直尺测出使用的光照度计受照直径 D ，并计算出受照面积 S ，计算公式为： S=π(D/2)

4数据处理分析参考以下公式：

光通量=光照度×受照面积(单位换算：1Lux=1Lm/m)；

光通量=光效×功率；

光效=光通量/功率，

P=UI(功率=电压×电流)

根据公式和测得的数据计算相应数值，填入表格，进行分析。

四、结果与分析

1 探究 LED 灯产生白色光源的机制

1.1 不同的 LED 灯组合方式中，能产生白光的是红绿蓝，LED 灯组合产生的光， 中间和边缘的 光色不均匀。原因可能是三基色色衰不同导致色温不稳定。

1.2 不同的 LED 灯和荧光粉组合中，能发出白色光的组合有蓝光 LED+红、黄 色荧光粉或红、绿 色荧光粉，不同 LED 灯和荧光粉组合产生的光中，中间和 边缘的光色分布均匀。

1.3 综合比较两种产生的光，palette 取色器中显示的 RGB 值和人眼观察判断的 颜色不一致。根据颜色在光线中的占比多少不可以来判断光的主要颜色。

2 探究 LED 灯与其他电学器件间的差异

2. 1LED 灯接正向电压时，电流随电压的增加而增加，LED 灯能发光。LED 灯 接反向电压时，电流随电压的增加而不变，LED 灯不能发光，说明 LED 灯有 正负极之分。

LED 灯正接伏安特性曲线

LED 灯反接伏安特性曲线

2.2 卤素灯接正向电压时，电流随电压的增加而增加，卤素灯能发光。卤素灯接 反向电压时，电流随电压的增加而增加，卤素灯能发光，说明卤素灯没有正负极 之分。

卤素灯伏安特性曲线

2.3 根据各电学器件的伏安特性曲线图，我们发现不同光色的 LED  灯的伏安特 性曲线为非线性关系。卤素灯的伏安特性曲线为非线性关系，定值电阻的伏安特 性曲线为线性关系。

定值电阻伏安特性曲线

2.4 推测本实验结果产生的原因可能是，定值电阻在不同电流电压的情况下阻值

仍不变。而 LED 灯和卤素灯的电阻电流电压改变时受温度影响大。

3 探究 LED 灯的节能潜力

3.1 在各灯泡中，光效由大到小排序为:蓝色 LED 灯> 白色 LED 灯>绿色 LED 灯>红色 LED 灯，其中，蓝光光效最高，约为绿光 LED 灯的 2 倍，约为红光 LED 灯的 3 倍，最适合制作为白光 LED 灯的是蓝光 LED 灯；

3.2 白光 LED 灯和蓝光 LED 灯相比，功率大，光效强，推测原因可能是能量 损耗与材料技术原因；

3.3 随着电流增加，不同发光器件的光效变化为:蓝色，绿色，白色 LED 灯逐渐 变弱，红色 LED 灯逐渐变强 ，推测原因可能是:①随着电流增加，发光器件的 温度升高；②量子效率。

五、结论

1 不同的 LED 灯组合方式中，能产生白光的是红绿蓝，LED 灯组合产生的光， 中间和边缘的光色不均匀。

2 不同的 LED 灯和荧光粉组合中，能发出白色光的组合有蓝光 LED+红、黄色 荧光粉或红、绿色荧光粉，不同 LED 灯和荧光粉组合产生的光中，中间和边缘 的光色分布均匀。

3 综合比较两种产生的光，palette 取色器中显示的 RGB 值和人眼观察判断的颜 色不一致。根据颜色在光线中的占比多少不可以来判断光的主要颜色

4 LED 灯接正向电压时，电流随电压的增加而增加，LED 灯能发光。LED 灯接 反向电压时，电流随电压的增加而不变，LED 灯不能发光，说明 LED 灯有正 负极之分。

5 卤素灯接正向电压时，电流随电压的增加而增加，卤素灯能发光。卤素灯接反 向电压时，电流随电压的增加而增加，卤素灯能发光，说明卤素灯没有正负极之 分。