一、课题背景

1.1微型实验室“科探方舟”

“科探方舟”(课题研究项目)，自2019年与微创博志教育联合启动，已成为徐州市科技创新教育的一张闪亮名片。“科探方舟”为学生提供“教具集成包”内容涵盖基础科学、生命科学、工程技术、资源环境、人文科学、未来科学技术等六大领域，包含十个不同方向的课题。都是基于当下、基于生活和生产实践、基于同学们所见所闻所思所想，是真问题，课题具有前瞻性和鲜明的目的性和计划性。

“科探方舟”以探究性科学实验装置为支柱，在专业探究课程专家的指导下完成“小课题研究”。主要目的是培养学生的创新思维和科研能力，帮助学生提升科学素养，培育科学精神。高中是培养学生创新思维的黄金时期，而小课题研究又是一项缜密的科学实验活动，通过自主学习、动手实验、成果汇报和答辩的形式，激发科学探索热情，也为社会播下了科技创新的种子。

1.2课题简介

随着全球能源短缺和环境问题的日益严峻，照明领域的技术革新显得尤为重要。LED(Light Emitting Diode)作为一种新型的固体光源，以其高效节能、长寿命、安全稳定、智能可控等特点，逐渐成为照明技术革新的重要方向。近年来，随着LED技术的快速发展和成本的不断降低，其市场占有率迅速上升，LED照明产品已广泛应用于室内外不同场所、不同领域，如智慧照明、健康医疗照明、可见光通信等。

LED的光色复配及发光性能是LED照明技术中的核心问题之一。LED的发光原理是利用PN结中载流子复合产生过剩能量并转化为光能。通过调整LED芯片材料、掺杂浓度、荧光粉种类及其配比，可以实现不同颜色和光效的LED光源。然而，LED的光色一致性和发光性能受到多种因素的影响，包括芯片材料、封装工艺、环境温度等，这些因素直接关系到LED照明产品的品质和应用效果。

本研究的目的是在探究LED灯产生白色光色光源的机制及发光的性能，了解LED灯与其他电学器件间的差异、LED灯的节能潜力。上述研究有利于丰富物理中光学的知识，提升个人科学素养，并对LED照明巨大前景和广阔的应用领域充满了信心。

二、实验过程

2.1实验伊始

当实验箱发到我手里的时候，激动的心情难以言表，于是迫不及待打开了实验箱。实验箱里配备了各种实验所需的器材、荧光粉和卤素灯等。为我们接下来的实验提供了充分的条件。

2.2实验过程

实验前准备

首先对实验所需知识进行了充分的学习，之后通过微信建立了一个工作群，共同制定了实验计划。课题主要由三个实验组成：

实验一：探究LED灯产生白色光源的机制

自变量：灯色与荧光粉色

因变量：发出光的颜色

实验二：探究LED灯与其他电学器件间的差异

自变量：LED灯正反接与电压

因变量：电流、功率

实验三：探究LED灯的节能潜力

自变量：LED灯正反接与电压

因变量：电流、功率

2.3结果分析

实验结果受到多种因素的影响，科学的分析才能得到正确的结果。在进行实验二的LED器件伏安曲线反接测定实验时，我们对实验结果产生了很大的疑惑：在LED反接的时候也测出了电流？针对此问题进行了分析并查找了相关资料，然后进行了多次实验操作，发现在PN节边缘的空穴和电子仍然会形成一个浓度梯度，所以有非常少量的在P区电子扩散到N区而产生微小的电流。

结论：LED灯反接时不发光，在超过击穿电压后会有极其微小的电流。LED灯在正接时超过阈值电压后，发光电流指数级增长。卤素灯正反接均发光，电压与电流成非线性变化；定值电阻正反接均有电流，电流与电压成正比。

三、课题报告

摘要：探究了LED灯产生白色光色光源的机制及发光的性能，以红、绿、蓝三色LED灯及三色荧光粉组合形成不同光色，实验对比白炽灯与各色LED灯的功率，光效，光通量等发光性能，讨论了LED灯的节能潜力。结果表明：1)红、绿、蓝三色组合的任意LED灯和荧光粉均能产生白光，其中红、绿、蓝三色组合的LED灯效果最好。2)LED灯与其他电学器件不同，在电压方向不同时伏安特性曲线也不同，而且变化是非线性的。3)一般情况下，相同规格的LED灯和白炽灯，在相同条件下LED灯光亮度更高，而且功率更大。也就是说，LED灯对比白炽灯节能潜力更大。

关键词：LED灯；光色复配；发光性能；节能潜力

1．研究背景

LED(Light Emitting Diode)作为一种新型的固体光源，以其高效节能、长寿命、安全稳定、智能可控等特点，逐渐成为照明技术革新的重要方向。LED灯不仅显著提升了照明效率，还有效降低了能耗。LED的光色复配及发光性能是LED照明技术中的核心问题之一。LED的发光原理是利用PN结中载流子复合产生过剩能量并转化为光能。通过调整LED芯片材料、掺杂浓度、荧光粉种类及其配比，可以实现不同颜色和光效的LED光源。然而，LED的光色一致性和发光性能受到多种因素的影响，包括芯片材料、封装工艺、环境温度等，这些因素直接关系到LED照明产品的品质和应用效果。

本研究的目的是在探究LED灯产生白色光色光源的机制及发光的性能，了解LED灯与其他电学器件间的差异、LED灯的节能潜力。上述研究有利于丰富物理中光学的知识，提升个人科学素养，并对LED照明巨大前景和广阔的应用领域充满了信心。

2．实验材料

本文主要进行3项实验，实验一探究LED灯产生白色光源的机制，实验二探究LED灯与其他电学器件间的差异，实验三探究LED灯的节能潜力。实验相关材料如表1所示。

表1 实验主要材料列表

3．研究过程

1.实验一：探究LED灯产生白色光源的机制

1.1连接并改进电路

在相同亮度的各种光中，蓝光的波长相对较短，能量高于绿光和红光。所以单位时间每一条支路消耗相同的电能，发出的红光最亮，绿光次之，蓝光最暗，由此在混合不同颜色的光时，红光总是占据主导地位。重干扰了实验的进行，为此我们重新设计了电路，尽量增加红色LED支路上的电阻从而降低红色LED的亮度。采用电路如图1所示。

图1实验设计电路图

1.2混合不同的等亮度的色光和荧光粉

图2 混合不同的等亮度的色光和荧光粉

2.实验二：探究LED灯与其他电学器件间的差异

2.1连接电路并分析

经过分析，采用分压式电路测量范围更广(如图3所示)。

图3 分压式电路设计图

2.2将不同发光元器件进行正反接

分别正反接红绿蓝LED灯和卤素灯，观察是否发光并记录相关电学数据。

2.3移动滑动变阻器以改变发光元器件两端的电压

通过移动滑动变阻器的滑片，可以改变其接入电路的阻值，从而实现对发光元器件两端电压的控制。

3.实验三：探究LED灯的节能潜力

3.1连接电路

通过讨论，使用限流式电路比使用限压式电路更加节省能源(如图4所示)，避免浪费。

图4 限流式电路设计图

3.2测定光照度

根据实验方法，先区别了不同的物理量之间的关系：

1)光通量(Lm)=光照度(Lux)×受照面积(m2)

2)光通量(Lm)=光效(Lm/W)×功率(W)

3)功率(W)=电压(U)×电流(I)

4)面积计算公式如下：A=r2

采用游标卡尺测量光照度计的受照面积，测量过程如图5所示。通过测量数据采用上述公式进行光照度的计算。

图5 光照度及受照面积的测量过程

四、结果与分析

1.探究LED灯产生白色光源的实验结果与分析

LED灯产生白色光源的实验结果如图7所示。

图7不同LED灯组合方式

通过图7可知：不同LED灯组合方式中，能产生白色光的是红绿蓝光，LED灯组合产生的光，中间和边缘的光色分布不均匀；不同LED灯和荧光粉的组合中，能发出白色光的是蓝光和黄色荧光粉，不同LED灯和荧光粉组合产生的光，中间和边缘的光色分布均匀。因此，为了保证照明的均匀，LED照明一般使用蓝色led与黄色荧光粉，这正好符合现实中led照明的发展。

2.LED灯与其他电学器件间的差异实验结果与分析

LED灯与其他电学器件间的差异实验结果如图8-10所示。

图8 LED器件伏安曲线正接测定实验表

图9 卤素灯伏安曲线测定实验记录表

图10 定值电阻伏安曲线测定实验记录表

分析上述实验结果表明，LED灯反接时不发光，在超过击穿电压后会有极其微小的电流。LED灯在正接时超过阈值电压后，发光电流指数级增长。卤素灯正分接均发光，电压与电流成非线性变化，定值电阻正反接均有电流，电流与电压成正比。

3.LED灯的节能潜力实验结果与分析

LED灯的节能潜力实验结果如图11所示。

图11不同条件下LED灯各色灯光光效

通过分析可知，在各灯泡中，光效从大到小排序为：蓝色>白色>绿色>红色，其中蓝色光效为573.8，约为绿光LED的1.5倍约为红光LED的2.5倍。所以最适合制作为白色LED的是蓝色LED，而这与实际相符。白色LED和蓝色LED相比，功率相同，蓝色LED的光效大于白色LED，大概是因为蓝光照射到黄色荧光粉上时，会损失一部分光能。此外，随着电流的增加，不同发光器件的光效都在减小，可能是因为由于电流变大，转换成的热能更多。

五、结论

1.根据实验目的，选取各色LED灯及其他灯光，设置了三组不同的实验。

2.为了保证照明的均匀，LED照明一般使用蓝色LED与黄色荧光粉。了解光的

三原色及蓝色激发黄色荧光粉而发出白光，以及两种发光方式的优劣。

3.LED灯反接时不发光，正接时超过阈值电压后发光电流指数级增长；卤素灯正反接均发光，电压与电流成非线性变化；定值电阻正反接均有电流，电流与电压成正比。

4.在各灯泡中，光效从大到小排序为：蓝色>白色>绿色>红色，且随着电流的增加，不同发光器件的光效都在减小。通过对比发现LED较卤素灯更加节能。

如今已经步入一个“万物皆可实现”的年代，随着5G、物联网等产业的腾飞，LED的用途将会更加丰富、市场规模将进一步扩大。经过我们的探究，LED未来的发展方向除了节能、延长使用年限这些特点外，产品性能上会一直优化高对比度和刷新率。我们相信LED产品的应用场景将变得更广，未来的前景一片光明，值得大家的期待。

六、参考文献

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199.DOI:10.19650/j.cnki.cjsi.2007.s1.055.

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[3]金尚忠,张在宣,郭志军,等.白光照明LED灯温度特性的研究[J].发光学报,2002,(04):399-402.

[4]曹振华.LED显示屏组装与调试全攻略[M].电子工业出版社:201907.299.

[5]郭安福,郭宏亮,陈林林,等.电子与控制实验[M].电子工业出版社:201908.167.

[6]赵小强,李晶,王彦本.物联网系统设计及应用[M].人民邮电出版社:201509.353.