LED 燈的光色複配（pèi）及發光性能探究

1. 課題背景

1.1 微型實驗室“科（kē）探方舟”

“科探方舟”(課題研究項目)， 自 2019 年與微創博誌教育聯合（hé）啟動，已成為大草莓直（zhōu）市科技（jì） 創新（xīn）教育的一張閃（shǎn）亮名片。  “科探方舟”為學生（shēng）提供“教具集成包”內容涵蓋基礎科學、生命科 學、工程（chéng）技術、資源環境、人文科學、未來（lái）科學技術（shù）等（děng）六大領域，包含十個不同方向的課題。 都 是基於當下、基於生活和生產實踐、基於（yú）同學們所見所聞所（suǒ）思所想，是真問題，課題具有前瞻性 和鮮明的目的性和計（jì）劃性。

“科探方舟”以（yǐ）探究（jiū）性科學實驗裝置為（wéi）支柱，在專（zhuān）業探究課程專（zhuān）家的指（zhǐ）導下完（wán）成“小課題研 究”。主要目的是培養學生（shēng）的創新思維和科研能（néng）力（lì）， 幫助學生提升科學素養，培育科學精神（shén）。高 中是培養學生創新思維的（de）黃金（jīn）時期，而小課題研究又是一項縝密的科學（xué）實驗（yàn）活動，通過自主學  習、動手（shǒu）實驗、成果匯報和答辯的形式， 激發科學探（tàn）索熱情，也為社會播下了科技創新的種（zhǒng）子。

1.2 課題簡介

隨著全（quán）球能源短缺和環境問題的日益嚴峻（jun4），照明領域的技術革新顯得尤為（wéi）重（chóng）要（yào）。LED (Light Emitting Diode) 作為（wéi）一種新型的固體光源， 以其高效節能、長壽命、安全穩定、智能可控等特點， 逐漸成為照明技術革（gé）新的重要方向。近年來， 隨著 LED 技術的快速發展和（hé）成本的不斷降低（dī）， 其市 場占有率迅速上升， LED 照明產品已廣泛應用於室內外不同場所、不同領域，如智慧照明、健康 醫療（liáo）照明、可見光通信等。

LED 的光色複配及發光（guāng）性能是（shì） LED 照明技術中的核心問題（tí）之一。LED 的發光原理是利用 PN 結中載流子複合產生過剩能量並轉化為（wéi）光能。通過調整 LED 芯片材料、摻雜濃度、熒光粉種類（lèi）及 其配（pèi）比， 可以實現不同顏色和光（guāng）效的 LED 光源。然而， LED 的光色（sè）一致性和發光性能受到多（duō）種因 素的影響（xiǎng）， 包括芯片材料、封裝工藝、環境溫度（dù）等， 這些（xiē）因素直接關係到 LED 照明產品的品質和 應用效果。

本研究（jiū）的目的是在探究 LED 燈產生白色光色光源的機製（zhì）及發光的性能，了解（jiě） LED 燈與其他 電學器件間的差異、 LED 燈的節能（néng）潛力。上述研究有利於豐富（fù）物理中光學的知識，提升個人科學 素養，並對 LED 照明巨大前景和廣闊的應用領（lǐng）域充滿了信心（xīn）。

2.實驗（yàn）過程

2.1 實驗伊（yī）始

當實驗箱發到我（wǒ）手裏的（de）時候， 激動的（de）心情難以言表， 於（yú）是迫不及待打開了實驗箱。實驗箱裏配 備了各種（zhǒng）實驗所需的器材、熒光粉和鹵素燈等（děng）。為我們接下（xià）來（lái）的實（shí）驗提供（gòng）了充分的條件。

2.2 實驗過程

實驗（yàn）前準備

首（shǒu）先對實驗所（suǒ）需知識進行了充分的學習， 之後通過微信建立了一個工作群， 共同製定了實驗計（jì） 劃。課題主（zhǔ）要由三個實驗組成：

·實驗一（yī）： 探究 LED 燈產生白色光源（yuán）的機（jī）製

自變量：燈色與（yǔ）熒光粉色

因（yīn）變量：發出光的（de）顏色

·實驗二： 探究 LED 燈與其他電（diàn）學器件間的差（chà）異

自變量（liàng）： LED 燈正（zhèng）反接與電壓（yā）

因（yīn）變量：電流、功（gōng）率

·實驗三： 探究 LED 燈的節能潛力

自變量： LED 燈正反（fǎn）接與電壓

因變量：電流（liú）、功率（lǜ）

2.3 結果分析

實驗結果受到多種因素的影響，科學的分（fèn）析才能得到正（zhèng）確的結（jié）果。在進行實（shí）驗（yàn）二的 LED 器

件伏安曲線反接測定實（shí）驗時，我們對實驗結果（guǒ）產生了很（hěn）大的疑惑：在 LED 反接的時（shí）候也測出（chū）了 電流（liú）？針對此問題進行了分析並查找了相（xiàng）關資料，然後進行了多次實驗（yàn）操作，發現在 PN 節邊緣 的（de）空穴和電子仍然會（huì）形成一個濃度梯度，所以（yǐ）有非常少量的在 P 區電子（zǐ）擴散到 N 區而（ér）產生微小的 電流。

結論： LED 燈反接時不發光，在超過（guò）擊穿電壓後會有極其微小的電流（liú）。 LED 燈在正接時（shí）超 過閾值電壓後，發光電流指數級增長。鹵（lǔ）素燈正反接均發光，電壓與電流成非線性變化；定（dìng）值（zhí）電 阻正反接均有（yǒu）電流，電流與電壓成正比。

3.課題報告

LED 燈的光色複配及發光性能探究

王騰嶽

摘要：探究了 LED 燈產生白色光色光源的機製及發光的性能（néng）， 以紅、綠、藍三色 LED 燈及三色熒光粉組（zǔ）合形成不同光色， 實驗對比白熾燈與各色 LED 燈的功率， 光效， 光 通量等發光（guāng）性（xìng）能，討論了 LED 燈的（de）節能潛力。結果表明： 1)紅、綠、藍三色組合的 任意 LED 燈和熒光粉均能產生白（bái）光， 其（qí）中（zhōng）紅、綠（lǜ）、藍三色組合（hé）的 LED 燈效果最好（hǎo）。 2) LED 燈與其他電學器件不同， 在電壓方向不同時（shí）伏安特性曲線也不（bú）同， 而且變化（huà）是（shì） 非（fēi）線性的。 3) 一般情況下， 相同規格的 LED 燈和白熾（chì）燈，在相同條件下 LED 燈光（guāng）亮 度更高，而且（qiě）功率更大。也（yě）就是說， LED 燈對比白熾燈節能（néng）潛力更大。

關鍵詞：LED 燈；光色複配；發光性能；節能潛力

1 ．研究背景（jǐng）

LED  (Light Emitting Diode)作為一種新型的固（gù）體光源（yuán），以其高效節能、長壽命、 安全穩（wěn）定、智能可控等特點， 逐漸成為照明技術革新的重要方向。 LED 燈不僅顯著提 升了照明效率（lǜ），還有效（xiào）降低了能耗。 LED  的光色複（fù）配及發光性能（néng）是 LED 照明技術中 的核心問題之一。LED 的發光原理是利用 PN 結中載流子複合（hé）產生過剩能量並轉化為 光能。通過（guò）調整（zhěng） LED 芯片材料、摻雜濃度、熒光（guāng）粉（fěn）種類及其配比， 可以實現不同顏（yán）色 和光效的 LED 光源。然而（ér）， LED 的光色一致性和發光性能受到多種因素的影響， 包括 芯片材料、封裝工藝、環境溫度等， 這些因素直接關係到 LED 照明產品的品質和應用 效果。

本研究（jiū）的目的（de）是在探究 LED 燈產生白色光色光源的機製及發光的性能（néng），了解 LED 燈（dēng）與其他電學器件間的差異、 LED 燈（dēng）的節能潛（qián）力。上（shàng）述研（yán）究有利於豐富物（wù）理中光學的 知識，提升個人科學（xué）素養，並對 LED 照明巨大前景和廣闊的應用領域充滿了信（xìn）心。

2 ．實驗材料

本文主要進行 3 項實驗，實驗一探究 LED 燈產生（shēng）白色光源的機（jī）製，實驗二探究 LED 燈與其他電學器件間的差異，實驗三探究 LED 燈的節能潛力。實驗相關材料如

表 1 所示。

表（biǎo） 1  實驗主要材料列表

3 ．研（yán）究過程

1. 實驗一： 探究（jiū） LED 燈產生（shēng）白色光源（yuán）的機製

1.1 連接並改進電路

在相同亮度的各種光中， 藍光的波長相對較短， 能量高於綠光和紅光。所以單位 時間每一條支路消耗相同的電能， 發出的紅光最（zuì）亮， 綠光次之， 藍光最暗，由此在混 合不同顏色的光時，紅光總是占據主（zhǔ）導地位。重（chóng）幹擾了實驗的進行， 為此我們重新（xīn）設

計了電路（lù），盡量增加紅色 LED 支（zhī）路上的電阻從而降低紅色 LED 的亮度。 采用電路如（rú） 圖 1 所示（shì）。

圖 1  實驗設計電路圖（tú）

1.2 混合不同的等亮（liàng）度的色光和熒光粉（fěn）

圖 2  混合不同的等亮度的色光和熒光（guāng）粉

2. 實驗二： 探究 LED 燈與其他電學器件間的（de）差異

2.1 連接電路並（bìng）分析

經過分析，采用分壓式電（diàn）路測量範圍更廣(如圖 3 所示)。

圖 3 分壓式電路設計圖

2.2 將不同發（fā）光元器（qì）件進（jìn）行正（zhèng）反（fǎn）接

分別正反接紅（hóng）綠藍 LED 燈（dēng）和（hé）鹵素燈（dēng），觀察是否發光並記錄相（xiàng）關電學（xué）數據。

2.3 移動滑動變阻器（qì）以改變發光元器（qì）件兩端的電壓

通（tōng）過移動滑動變阻器的（de）滑片，可以改變其接入電路的阻值， 從而實現對發光元器 件兩端電壓的控製。

3. 實（shí）驗三： 探究 LED 燈的節能潛力

3.1 連接（jiē）電路

通過討論，使用限流式電路比使用限壓式電路更加節省能源(如圖 4 所示)，避 免浪費。

圖 4  限流式電路設計圖

3.2 測定（dìng）光照度

根（gēn）據實（shí）驗（yàn）方法，先區別了不同的物理量之間的關係：

1)光（guāng）通量(Lm) =光照度(Lux)×受照麵積(m2 )

2)光通量(Lm) =光效（xiào）(Lm/W) ×功率（lǜ）(W)

3)功率(W) =電壓(U) × 電流（liú）(I)

4)麵積計算公式如下：    A = r2

采用遊（yóu）標卡尺測（cè）量光照度（dù）計的受照麵積（jī），測量過程如圖 5 所示。通（tōng）過（guò）測量（liàng）數據采 用上述公式進行光照度（dù）的計算。

圖 5 光照度及受照麵積的測量過程

4 ．結果與分析

1. 探究 LED 燈產生白色光源（yuán）的實驗結（jié）果與分析

LED 燈產生白（bái）色光源的實（shí）驗結果如圖7 所示。

圖 7  不同 LED 燈組合方式

通過圖（tú） 7 可（kě）知： 不同LED 燈組合方式中， 能產生（shēng）白色光的是紅綠藍（lán）光， LED 燈組 合產生的光， 中間和邊緣的光色分布不均勻； 不同 LED 燈和熒光粉的組合中， 能發出 白色光的是藍光（guāng）和（hé）黃色熒光粉， 不同 LED 燈和（hé）熒（yíng）光粉組合產生的光， 中間和邊緣的光（guāng） 色分布均勻。因此， 為（wéi）了保證照（zhào）明的均勻，LED 照（zhào）明一般使用藍色 led 與黃色熒光粉， 這正好符合現實（shí）中 led 照明的發展。

2. LED 燈與其他電（diàn）學器件間的差異實驗結果與分析

LED 燈（dēng）與其（qí）他電（diàn）學器件間的差異實驗結（jié）果如圖 8- 10 所（suǒ）示。

600 500 400 300 200 100 0 -100	0             0. 5              1 1 . 5              2 2 . 5             3 3	紅色LED燈 綠色LED燈 藍色LED燈
		5
電壓(V)

圖 8 LED 器件伏安曲線正接（jiē）測定實驗表

分析上述實驗結果表明， LED 燈反接時不（bú）發光， 在（zài）超過擊穿電壓後會有極其微小 的電流。 LED 燈在正接時超過閾值電壓後， 發光電流指數級增長。 鹵素燈正分接均發（fā） 光，電壓與電流成非線性變化，定值電阻正反接均有電流，電流與（yǔ）電壓成正比。

3. LED 燈的（de）節能潛（qián）力實驗結果與分析

LED 燈的節能潛力實驗結果如圖（tú） 11 所示。

圖 11  不同條（tiáo）件下 LED 燈各色燈光光效（xiào）

通過分析可知， 在（zài）各燈泡中， 光效從大到小排序為： 藍色>白色>綠色>紅色， 其中 藍色光效為 573.8，約為（wéi）綠光 LED 的（de） 1.5 倍約為紅光 LED 的 2.5 倍。所以最適合製作 為白色 LED 的是藍（lán）色 LED，而這與實（shí）際相符。白色 LED 和藍色 LED 相比，功率相（xiàng） 同，藍色（sè） LED 的光效大於白色 LED，大概是因（yīn）為藍光照射到黃色熒光粉上時， 會損失（shī） 一部分光能。此外，隨著電流的增加，不（bú）同發光器件的光效都在減小，可能（néng）是因為由 於（yú）電流變（biàn）大，轉換成的熱能更多（duō）。

5 ．結論

1. 根據實驗目的，選取各色 LED 燈及其他燈光，設置了三組不同的實驗。

2. 為了保證照（zhào）明的均勻， LED 照明一般（bān）使用藍色 LED 與（yǔ）黃色熒光粉。了解光的

三原色（sè）及（jí）藍色激發黃色熒光粉而發出（chū）白光，以及兩種發光方式（shì）的優劣。

3. LED 燈反（fǎn）接時不發光， 正接時超過閾值電壓後發光電流指數級增（zēng）長（zhǎng）； 鹵素燈正 反接均發光，電壓與電流成非線性變化； 定值電（diàn）阻正反接均有電流， 電流與電壓成正 比。

4. 在各燈泡中（zhōng），光效從大到小排序為（wéi）：藍色>白色>綠色>紅色，且隨著電流的增 加，不同（tóng）發光器件的光（guāng）效都在減小。 通過對比發現 LED 較鹵素燈更加節能。

如今（jīn）已經步入（rù）一個“萬物皆可實現（xiàn）”的年代， 隨著 5G、物聯網（wǎng）等（děng）產業的騰飛， LED 的用途將會更加豐富、市（shì）場規模將進一步（bù）擴（kuò）大。經過我們的探（tàn）究， LED 未來的發（fā）展方（fāng） 向除了節能、延長使用（yòng）年限這些特點外， 產品（pǐn）性能上會一直優化高對比度和刷新率。 我們相信 LED 產品的應（yīng）用場景將變得更廣， 未來的前景一片光（guāng）明，值得（dé）大家的期待。