LED 灯的光色复配及发光性能探究
LED 灯的光色复配及发光性能探究
1. 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。
2.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。
3.课题报告
LED 灯的光色复配及发光性能探究
王腾岳
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
序号 |
实验材料名称 |
数量 |
单位 |
1 |
导线 |
10 |
个(ge) |
2 |
卡纸 |
1 |
个(ge) |
3 |
剪刀 |
1 |
个(ge) |
4 |
透明宽胶带 |
1 |
个(ge) |
5 |
小镊子长 7.7cm |
1 |
个(ge) |
6 |
电池盒 |
3 |
个(ge) |
7 |
电池 |
6 |
个(ge) |
8 |
滑动变阻器 |
1 |
个(ge) |
9 |
荧光粉(黄色) |
1 |
克(g) |
10 |
荧光粉(红色) |
1 |
克(g) |
11 |
荧光粉(绿色) |
1 |
克(g) |
12 |
反光杯 |
1 |
个(ge) |
13 |
RGB 三色 LED 灯 |
1 |
个(ge) |
14 |
金属膜电阻 |
3 |
个(ge) |
15 |
迷你面包板 |
1 |
个(ge) |
16 |
1w 绿光 LED 带铝基板带线 |
1 |
个(ge) |
17 |
1w 红光 LED 带铝基板带线 |
1 |
个(ge) |
18 |
1w 蓝光 LED 带铝基板带线 |
1 |
个(ge) |
19 |
5w 白光 LED |
1 |
个(ge) |
20 |
两脚卤素灯 |
1 |
个(ge) |
21 |
电压表 |
1 |
个(ge) |
22 |
电流表 |
1 |
个(ge) |
23 |
鳄鱼夹导线 |
2 |
个(ge) |
24 |
光照度计 |
1 |
个(ge) |
25 |
游标卡尺 |
1 |
个(ge) |
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
4 ．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。
500 400 300 200 100 0 -100 |
|
|
|||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
5 |
|||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
电压(V) |
|||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
图 8 LED 器件伏安曲线正接测定实验表
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。
5 ．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。
6 ．参考文献
[1]胡建人,秦会斌,王卉,等.我国 LED 照明工程技术与发展策略研究[J].仪器仪表学报,2007,(S1):196-
199.DOI:10. 19650/j.cnki.cjsi.2007.s1.055.
[2]于娜,丁伟智.LED 光源在隧道照明中的应用及节能分析[J].照明工程学报,2016,27(01):32-37. [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.
