LED 灯中隐藏的大学问

2022-10-29刘玉柱南京信息工程大学教授博导江苏省科普作家协会会员蔡津竺南京信息工程大学

科学大众 2022年19期

关键词：荧光粉灯丝白炽灯

●文/刘玉柱南京信息工程大学教授、博导，江苏省科普作家协会会员蔡津竺南京信息工程大学

夜晚，霓虹灯绚丽、璀璨，流光溢彩，一座座城市被装点得格外美丽、梦幻。而这些璀璨灯光的背后，LED 灯是头等功臣！

其实，生活中到处都有LED 灯的身影，同学们对它也一定非常熟悉。那么，LED 灯到底靠什么原理发光？它和普通的白炽灯又有什么区别呢？

LED灯的组成及发光原理

LED的全称是Light Emitting Diode，是发光二极管的英文缩写。简单来说，它是一种可以将电能直接转化为可见光的半导体材料器件，能发出红、黄、蓝、绿、青、橙、紫以及白色的光。

它的内部半导体晶片结构由两部分组成——N 型半导体和P 型半导体。N 型半导体中主要含有电子，而P 型半导体中空穴占主导地位。当这两部分半导体连接在一起的时候，它们就形成了“PN 结”。电流通过这个PN 结时，电子和空穴相结合，产生自发辐射光。而二极管的材料不同，产生的光的颜色就不同，也便成了我们所看到的各种颜色的LED 灯，这便是LED 灯的发光原理。这半导体晶片是它的“心脏”所在。

3 种灯的光谱波长范围

但是，我们平时最常见到的白光不是那么容易就能获得的。最简单的一种方式就是利用红、绿、蓝三色混合产生白光，这种方式可以轻松调出所需的色温、色光，但在电源供应设计方面比较复杂，并且存在不均匀发光问题。此外，我们还可以利用荧光粉涂层方式，发光效率强，但是白光均匀度易受到多种因素的影响。

生活中，我们还能看到另外一种由特殊芯片构成的LED灯能发出白光，它们由GaN 芯片和钇铝石榴石（YAG）封装在一起构成。GaN 芯片发出蓝光后，一部分蓝光将YAG 荧光粉激发，使其发出黄色光，另一部分蓝光与荧光粉发出的黄光混合，从而得到白光。我们可以通过改变荧光粉的化学组成和厚度，来获得不同类型的白光。

LED灯如何省电节能

LED 灯能在灯泡市场的更新迭代中成为胜者，将白炽灯、荧光灯、高强度气体放电灯等成员一一淘汰，一定有它独有的优势所在，那就是节能性！

自从爱迪生改良灯泡以来，白炽灯一直占据着主要市场，但是它的光电转换效率只有2%～4%。在全面普及节能减排、绿色环保的今天，LED 灯无疑是时代的宠儿，它在发光强度、使用时间以及发光效率方面都呈现出较明显的优势特点，发光效率的实际值可以高达90%。在同等光亮强度的条件下，LED 灯只需要损耗白炽灯发光电能的1/10，1 000 小时仅耗几千瓦时电，这样的节能差距之大显而易见。不仅如此，LED 灯的使用寿命也非常长，可以达到10 万小时。

而普通的日光灯，它的两端各有一灯丝，灯管内充有微量的氩和稀薄的汞蒸气，灯管壁上涂有荧光粉，两根灯丝之间的气体导电时发出紫外线，让荧光粉发出可见光。这种灯具的特点在于，它在使用前需要一个很高的电压来激发，正常发光时又只允许通过不大的电流，这种电压的不稳定性不仅耗电，还增加了它本身的损坏率。

而LED 灯的工作电压较低，低于人体安全电压，比普通民用电源更为安全可靠，也非常适用于公共场合的照明。不仅如此，LED 灯无灯丝，靠半导体芯片发光，不受振动影响，也不随外部电压和环境温度的改变而改变。同时，它的光线中不含紫外线和红外线，不产生辐射，对人体更健康。在一些边远地区，LED 灯同样具有很大优势，它可以通过直流供电。电池和太阳能都能为其供电，在野外也能使用。

LED灯的广泛应用

可以毫不夸张地说，LED灯在我们的生活中随处可见，几乎所有的光亮之处都有它的身影。在专卖店和大型商场，商家针对某些特殊产品的展示光源偏好，用LED 灯营造出其他传统照明光源无法比拟的高质量光环境；在博物馆、美术陈列馆等对照明环境要求较高的特殊场合，展品的特殊性要求照明光源不含紫外线，没有热辐射，LED 灯很好地满足了这一要求……当然，在我们的家中也有它们的存在，客厅里的吊灯、房间里的照明灯大部分都是由LED 灯组成的。