LED 燈的光色複配及發光（guāng）性能探究

1. 課題背景（jǐng）

1.1 微型實驗室“科探方舟”

“科探（tàn）方（fāng）舟”(課題研究項目)， 自（zì） 2019 年與微創博誌教育聯合啟動，已成為徐州（zhōu）市科技 創新教育的一張（zhāng）閃亮名片。  “科探方舟”為學生提供（gòng）“教具集成包”內容涵蓋基礎科（kē）學、生（shēng）命科 學、工程技術、資源環境（jìng）、人文科學（xué）、未來科學技（jì）術等六大領域，包含十個不同方向的課題。 都（dōu） 是基（jī）於當下、基於生活和（hé）生產實（shí）踐、基於同學（xué）們所見（jiàn）所聞所思所想，是真問（wèn）題，課題具有前瞻性 和鮮明的（de）目的性和計劃性。

“科（kē）探方舟”以探究性科學實驗裝置為支柱，在專業探究課程專家的指導下（xià）完成“小課題（tí）研 究（jiū）”。主要目的是培養學生的（de）創新思維和科研能力， 幫助學（xué）生提升科學素養，培育科學精神（shén）。高 中是培（péi）養（yǎng）學生創新思維的黃金時期，而（ér）小課題研究又是一項縝密的科學實驗活動，通過自主（zhǔ）學  習、動手實（shí）驗、成果匯報和（hé）答辯的（de）形式， 激發科學探索熱（rè）情，也為（wéi）社會播下（xià）了（le）科技創新的種子。

1.2 課題簡介

隨著全球（qiú）能源短缺和環境問題的日（rì）益嚴峻，照明領域的技術革新顯得尤為重要。LED (Light Emitting Diode) 作（zuò）為一種新型的固體（tǐ）光源， 以（yǐ）其高效節能、長壽命、安全穩定、智能可控等特點， 逐漸成（chéng）為照明技術革新的重要方向。近年來， 隨著（zhe） LED 技術的快速發展和成（chéng）本（běn）的不斷降低， 其市 場占有率迅速上升， LED 照明（míng）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 醫療照（zhào）明、可見光通信等。

LED 的光色複配及發光性能是 LED 照明技術中的核心問題之一。LED 的發（fā）光（guāng）原理是利（lì）用 PN 結中載流子複合（hé）產生過（guò）剩能量並（bìng）轉化為光能。通過調整 LED 芯片材料、摻（chān）雜濃度、熒光粉種類及 其配比， 可以實現不同顏色和光效的 LED 光源。然而， LED 的光色一致性（xìng）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。

本研究的目的是在（zài）探究 LED 燈產生白色光色（sè）光源的機製及發光的性（xìng）能，了解 LED 燈與其他（tā） 電（diàn）學器件間的差異、 LED 燈的節能潛力。上述研究有（yǒu）利於豐富物理中光學的知識，提升個人科學 素養，並對（duì） LED 照明巨大前景和廣闊的應用領（lǐng）域充滿了信心。

2.實驗過程

2.1 實驗伊始

當實驗（yàn）箱發到我手裏的時候， 激動的（de）心情難（nán）以言表， 於是迫不及待打開了實驗箱。實驗箱裏配 備了各種實驗所需的器材、熒（yíng）光粉和（hé）鹵素燈等（děng）。為91成人版接下來的實驗提供了充分的條件。

2.2 實驗過程

實驗前準備

首（shǒu）先對實（shí）驗所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（zhì）定了（le）實驗計 劃。課題主要由三個實驗（yàn）組成：

·實驗一： 探究 LED 燈產生白色光源的機製

自（zì）變量：燈色與熒光粉（fěn）色（sè）

因變量：發出光的顏色

·實驗二： 探究 LED 燈與其他電學器（qì）件間的差異

自變量（liàng）： LED 燈正反接與電壓

因變量：電流、功率

·實驗三： 探（tàn）究 LED 燈的節能潛力

自變量（liàng）： LED 燈正反接與電壓（yā）

因變量：電流、功率

2.3 結果分析

實驗結果受到多種因素的影響，科（kē）學的分析才能得到正確的（de）結果。在進行實驗二的 LED 器（qì）

件伏安曲線反接測定實驗（yàn）時，91成人版對實（shí）驗結果產生了很大的（de）疑惑：在 LED 反接的時候也測出了（le） 電流？針對此問（wèn）題進行了（le）分析並查找了相關資料，然後進行了多次實驗操作，發現在 PN 節邊緣 的空穴和電子仍然會形成一個濃度梯度，所以有非常少量的（de）在（zài） P 區電子擴散到 N 區而產生微小的 電流。

結論： LED 燈反（fǎn）接時不發光，在超過擊穿電壓後會有極其微小的電流。 LED 燈（dēng）在正接時超 過閾值電壓後（hòu），發光（guāng）電（diàn）流指（zhǐ）數級增長（zhǎng）。鹵素燈正反（fǎn）接均發光，電壓與電流成非線性（xìng）變化；定值電（diàn） 阻（zǔ）正反接均有電流，電流與電壓成（chéng）正比（bǐ）。

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（dēng）產生白色光色光源的機製及發光的性能， 以紅、綠、藍三（sān）色 LED 燈及三（sān）色熒光粉組合形成不同光色， 實驗對比白熾燈與各色 LED 燈的功率， 光效， 光 通量（liàng）等發光性能，討論了 LED 燈的節能潛（qián）力。結果表（biǎo）明： 1)紅、綠、藍三色組合的 任意 LED 燈和熒光粉均能產（chǎn）生白光， 其中紅、綠、藍三色組合的 LED 燈效果最好。 2) LED 燈與其他電學器件（jiàn）不同， 在電壓方向不同時伏安特性曲線也不（bú）同， 而且變化是 非線性的。 3) 一般情況下， 相同規格（gé）的 LED 燈和白熾燈，在（zài）相同條件下 LED 燈光（guāng）亮 度更（gèng）高，而且（qiě）功率更大。也就是說， LED 燈（dēng）對比白熾燈節能潛力更大。

關鍵詞：LED 燈；光色複配；發光性能；節能潛（qián）力（lì）

1 ．研究（jiū）背景

LED  (Light Emitting Diode)作為一種新型的固體光源，以其高效（xiào）節能（néng）、長壽命、 安全穩定（dìng）、智能可控等（děng）特點， 逐漸成為照（zhào）明技術革新的重要方向。 LED 燈不（bú）僅顯著提（tí） 升（shēng）了照（zhào）明效率，還有效降低了能耗。 LED  的光色複配及（jí）發光性能是 LED 照明技術中 的核心問題之一。LED 的發光原（yuán）理是利用 PN 結中載（zǎi）流子（zǐ）複（fù）合產生（shēng）過剩能量並轉（zhuǎn）化為 光能。通過調整（zhěng） LED 芯片材料、摻雜濃度、熒光粉種類及其配比， 可（kě）以實現（xiàn）不（bú）同顏色 和光（guāng）效的 LED 光源。然而， LED 的光色一致性和發光性能受到多種因素的（de）影（yǐng）響， 包（bāo）括 芯片材料、封裝（zhuāng）工藝、環境（jìng）溫（wēn）度等（děng）， 這些（xiē）因素直接關係到 LED 照（zhào）明產品的品質和應用 效果。

本研究的目的是在探究 LED 燈產生白色光色光（guāng）源的機製及發光的（de）性能，了解 LED 燈與其他（tā）電學器件間的差異、 LED 燈的節能潛力。上述研究有利於豐富物理中光學的 知識，提升個人科學素（sù）養，並對 LED 照明巨大前景和廣闊的應（yīng）用領（lǐng）域充滿了信心。

2 ．實驗（yàn）材料

本（běn）文主要進行 3 項實驗，實驗一探究 LED 燈產生白色（sè）光源的機製，實驗二探究（jiū） LED 燈與其他電學器件間的差異，實驗三探究（jiū） LED 燈（dēng）的節（jiē）能潛力。實驗相（xiàng）關材料如

表（biǎo） 1 所示。

表 1  實驗主（zhǔ）要材料列表

3 ．研究過程

1. 實驗一： 探究 LED 燈產生白色光源的機製

1.1 連接並改進電（diàn）路

在相同亮度（dù）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（jiān）每（měi）一條支路（lù）消耗相同的電能， 發出的紅光最亮， 綠（lǜ）光次之， 藍光最暗，由此（cǐ）在混 合不同顏色的光時，紅（hóng）光總是占據主導地位。重幹擾了實驗的進（jìn）行， 為此91成人版重新設

計了電路，盡量增加紅（hóng）色 LED 支路上（shàng）的電阻（zǔ）從（cóng）而降低紅色（sè） LED 的亮度。 采用電路如 圖 1 所（suǒ）示。

圖 1  實驗設計電路圖

1.2 混合不同的等亮度的（de）色光和熒光粉

圖（tú） 2  混合不同的等亮度（dù）的色（sè）光（guāng）和熒光（guāng）粉

2. 實驗二： 探究 LED 燈與其他電學器件間的差異

2.1 連接電路並分析

經過（guò）分析，采（cǎi）用分壓（yā）式電路（lù）測量範（fàn）圍更廣(如（rú）圖 3 所示)。

圖 3 分壓式電路設計（jì）圖

2.2 將不同發光元器件進行正反接

分別正反接紅綠藍 LED 燈（dēng）和鹵（lǔ）素燈，觀察是否發光並（bìng）記錄相關電學數（shù）據。

2.3 移動滑動變阻器以（yǐ）改變發光元器件兩端的電壓

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

3. 實驗（yàn）三： 探究 LED 燈的節能（néng）潛力

3.1 連接電路

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（tú）

3.2 測定光照度

根據實驗方法（fǎ），先區別了不同的物理（lǐ）量之間的關係：

1)光通量(Lm) =光照度(Lux)×受照麵積(m2 )

2)光通量(Lm) =光（guāng）效(Lm/W) ×功（gōng）率(W)

3)功率(W) =電壓(U) × 電流(I)

4)麵積計算公式如（rú）下：    A = r2

采用遊標卡尺測量光照度（dù）計的（de）受照麵積，測量過（guò）程如圖（tú） 5 所示。通過測量數據采 用上述公式進（jìn）行光照度的計算。

圖 5 光照度及受照麵積的測量過程

4 ．結果（guǒ）與分析

1. 探究 LED 燈產生白色光源的實（shí）驗結果（guǒ）與分（fèn）析

LED 燈產生白色光源的（de）實驗結果（guǒ）如圖7 所示（shì）。

圖 7  不同 LED 燈組合方式

通過圖 7 可知（zhī）： 不同LED 燈（dēng）組合方式中， 能產生白色光的是紅綠藍光， LED 燈組 合產生的光， 中間和（hé）邊緣（yuán）的光色分（fèn）布（bù）不均勻； 不同（tóng） LED 燈和熒光粉的組合中， 能發出 白色光的是藍光和黃色熒光粉， 不同 LED 燈和（hé）熒光粉組合產生（shēng）的光， 中（zhōng）間和邊緣的光 色分布（bù）均勻。因此， 為了（le）保證照明的均勻，LED 照（zhào）明一般使用藍色 led 與黃色熒光粉， 這正好（hǎo）符合現實中 led 照明的發展。

2. LED 燈與其他電學器件（jiàn）間的差異（yì）實驗結果與（yǔ）分析

LED 燈與（yǔ）其（qí）他電學器件間（jiān）的差異（yì）實驗結果如圖 8- 10 所示。

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

圖 8 LED 器件伏安曲（qǔ）線正接測定實驗表

分析上述實驗結果表明， LED 燈反接時不發光， 在超過擊穿電壓後會有極（jí）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（jiē）均發 光（guāng），電壓與電流成非線性變（biàn）化，定值電阻正（zhèng）反接均有電流，電流與電壓成正比（bǐ）。

3. LED 燈的節能潛力實驗結果與分（fèn）析

LED 燈的節能潛力實驗結果如（rú）圖 11 所示。

圖（tú） 11  不同條件下 LED 燈各色燈光光效（xiào）

通過（guò）分析可知， 在各燈泡中， 光效從（cóng）大到小排序為： 藍色>白色>綠色>紅色， 其中 藍色（sè）光效為 573.8，約為綠光 LED 的 1.5 倍約為紅光 LED 的 2.5 倍。所以最適合製作 為白（bái）色 LED 的是藍色 LED，而這與實際相符。白色（sè） LED 和藍色 LED 相比（bǐ），功率相 同，藍色（sè） LED 的光效大（dà）於（yú）白（bái）色 LED，大概（gài）是因為（wéi）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（zhe）電流的增加，不同發光器件的光效都在減小，可能是因為由 於電流變大，轉換成的熱能更多。

5 ．結論

1. 根據（jù）實驗目的，選取各色 LED 燈及（jí）其他（tā）燈光，設（shè）置了三組不同的實驗。

2. 為了保證照明（míng）的均勻， LED 照（zhào）明一般使（shǐ）用藍色 LED 與黃色熒光（guāng）粉。了解光（guāng）的

三原（yuán）色及藍色激發黃（huáng）色熒光（guāng）粉而發出（chū）白光，以（yǐ）及兩種發光方式的優（yōu）劣。

3. LED 燈反接（jiē）時不發光， 正接時超過（guò）閾值電壓後發光電流指數（shù）級增長； 鹵素（sù）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（yā）成正 比。

4. 在各燈泡中，光效從大到小排序為：藍色>白色>綠色>紅（hóng）色，且隨著電流的增 加，不同發光器件的光效都在減（jiǎn）小。 通過對比發現 LED 較鹵素燈更（gèng）加節（jiē）能。

如今已經步入（rù）一個（gè）“萬（wàn）物皆可實現”的年代（dài）， 隨著 5G、物聯（lián）網（wǎng）等產業的騰飛， LED 的用途將（jiāng）會更加豐（fēng）富、市場規模將進一步擴大。經過91成人版的探究， LED 未來的發展方 向除了節能、延長使用年限這些特點外， 產品性能上會一直優化（huà）高對比度和刷新率（lǜ）。 我（wǒ）們相信 LED 產品的應用場景將（jiāng）變得（dé）更廣， 未來的前景一片光明，值（zhí）得大家的期待。