LED灯的特性及在实验中的创新应用——从“蓝光LED”获2014年诺贝尔物理学奖谈起

周培宇 周平原

（1.台州中学，浙江 台州 317000；2.临海市回浦中学，浙江 台州 317000）

北京时间10月7日消息，2014年度诺贝尔物理学奖授予日本名古屋大学的赤崎勇，天野浩以及美国加州大学圣巴巴拉分校的中村修二，以表彰他们在发明一种新型高效节能光源方面的贡献，即蓝色发光二极管（LED）.

红色与绿色发光二极管已经伴随我们超过半个世纪，但我们还需要蓝光的到来才能彻底革新整个照明技术领域，因为只有完整的采用红、绿、蓝三原色之后，我们才能产生照亮我们世界的白色光源.尽管工业界和学界付出了巨大的努力，但产生蓝色光源的技术挑战仍然持续了超过30年之久.

1986年，赤崎勇和天野浩首次制成高质量的氮化镓晶体，他们所采用的方法是在蓝宝石衬底上涂上一层氮化铝材料，并在上面生长氮化镓晶体.到1992年，他们终于制成第一个发蓝光的二极管.中村修二则从1988年开始研制他的蓝光LED.在二十世纪九十年代，两个研究组都在对LED技术的持续改进工作中取得很大进展，使该技术更趋完善.他们研制了不同的氮化镓合金，掺入了铝和铟，而LED的结构也变得愈发复杂精细.随后发明了一种蓝色激光器，其核心部件正是一个沙粒大小的蓝光LED组件.由于蓝光的波长很短，其可以被压缩到更高的密度，相比红外光，蓝光可以存储多出4倍的信息.这一技术很快衍生出了存储能力更强的蓝光光盘以及更高质量的激光打印机设备.很多家用电器中同样采用了LED技术.比如电视机、计算机以及手机的LED屏幕，还有无数的灯具和相机闪光灯.

由于他们开发的技术，大量更高效、更便宜、更智能的照明设备正在被开发出来.白光LED可以采用两种方法制作：一种方式是采用蓝光来激发荧光体，导致后者发出红色与绿色光源，当所有色彩光源具备之后便可以得到白色光；另一种方式则是直接采用红绿蓝三种LED光源同时发光，让我们的眼睛自己将它们合成为白色光.可见，LED灯是可以非常灵活运用的光源技术，从中已经衍生出数百万种不同色彩的光源，根据需要的不同，可以合成各式各样的色彩和亮度，面积达数百平米的屏幕，闪烁、变换色彩与图形，而且这一切都可以用计算机进行控制.对光线色彩的控制还意味着LED灯可以模仿自然光源，让我们的生物钟能够更好地适应.

总之，随着全社会对节能减排的迫切要求以及LED照明技术的快速发展，LED灯已在各种照明领域中广泛应用.与传统光源比较，LED灯比白炽灯节约90%的能源，比节能灯节约50%以上，而且其发光效率还在不断提升.它具有无频闪、无辐射、无铅、无汞等优点，节能省电、寿命长、健康环保等优势.如果说白炽灯照亮了整个20世纪，那么21世纪将是LED灯的时代.因此中小学师生有必要对LED灯的结构和特性有所了解，而且对物理教学来讲，利用LED灯可以设计出一个绝佳的演示断电自感现象的实验方案.

1 LED灯的结构和发光原理

LED是英文light emitting diode（发光二极管）的缩写，它是一种能够将电能直接转化为可见光的固态半导体器件.

图1

1.1 LED灯的结构

如图1所示，家居照明用的LED球泡灯由以下部件组成：螺口、底座（绝缘套）、驱动电路（一般由高频恒流源和线性恒流源组成，输入为市电交流电）、散热器、LED灯板（灯珠）、灯壳（均光罩）.对球泡灯的质量来说，最重要的是散热器、驱动电路和LED灯珠.

1.2 LED灯发光原理

发光二极管的核心部分是P型半导体和N型半导体组成的晶片，在P型半导体和N型半导体之间有一个过渡层，称为PN结.P型半导体内部有大量带正电荷的空穴和带负电荷的电离杂质，在电场的作用下，空穴是可以移动的，而电离杂质（离子）是固定不动的.N型半导体内部有带负电的自由电子和固定的正离子.利用PN结的单向导电性，在半导体晶片的两极（引线架）加上正向电压时，在某些半导体材料的PN结中，注入的少数载流子与多数载流子复合时会把多余的能量以光的形式释放出来，从而把电能直接转换为光能.

2 LED灯的优势和特点

2.1 省电节能

LED灯将电能转换成光能的能量转换系数高，所以亮度高，专业的光学系统提供精准的配光和均匀的亮度，光利用率高达90%.与白炽灯相比，LED灯能节约90%的能源；与紧凑型荧光灯相比，可节约50%的能源.

2.2 实用耐用

（1）体积小.由于元器件较小，便于控制，因此能够突破常规，实现新型灯具设计.

（2）宽电压.灯壳标注AC220V的LED灯，只要电压在85V至265V之间，灯都能正常发光（有例外）.

（3）低热电.LED为固体冷光源，不存在灯丝发光易烧、热沉积、光衰等缺点.与白炽灯相比，LED照明能减少80%多的二氧化碳排放量.

（4）可调控.通过调整LED灯的电流，可使LED灯产生不同的颜色.如小电流时为红色，随着电流的增加，可以依次变为橙色、黄色，最后为绿色.若加上数码控制，更可达到绚丽多彩的动态效果.

（5）耐冲击.LED灯的晶片用环氧树脂封装，不怕震动，比传统灯具更为坚固耐用.

（6）寿命长.LED性能稳定，可在－30～＋50℃环境下正常工作，即使频繁开关也基本不会影响寿命.在恰当的工作电压和电流条件下，使用寿命可达十万小时，目前国内厂家标注的使用寿命一般为25000～50000h，是紧凑型荧光灯（CFL）6000h寿命的4～8倍.

2.3 健康环保

（1）低UV.白色LED发出的光，波长在可视范围内，基本无紫外线和红外线，因此可以安心使用，不用担心贵重物品因受红外线和紫外线辐射的影响而褪色或受损.

（2）不招虫.LED灯不含400nm以下波长的光（紫外线）.因此不会像传统灯具那样，有很多蚊虫围绕在灯源旁，室内会变得干净卫生.

（3）无频闪.白炽灯、荧光灯、节能灯均存在频闪现象.频闪现象是导致人眼疲劳和损坏人的视力的主要“杀手”，LED灯把交流电转换为直流电，不存在频闪效应，光线柔和，保护眼睛.

（4）无辐射.白炽灯、荧光灯、节能灯都有不同程度的紫外线辐射.LED光源在直流、低压状态下工作，无电磁辐射，不产生噪音.

（5）无铅汞.LED为固体光源，不含铅、汞及有害气体，对环境无污染.

3 实验探究LED球泡灯发光所需的电压条件

市场上所售的家居照明用LED灯，灯壳上标注的额定电压为AC220V，资料上介绍能在85V至265V的宽电压范围内正常发光，那么电压加到多大时灯泡能发光呢？我准备通过实验来探究一下.为此专门购买了一台型号为TDGC2-0.5的广伐牌数显接触调压器，利用它测试3个品牌10种型号的LED球泡灯发光所需的电压条件.这10种灯泡的灯头全部是E27的规格，9种灯泡色温规格是6500 K（正白光），只有第8种是3000K（暖白光）.实验得到的数据如表1所示，其中序号为1，型号为SJQP-E27-2W的本邦牌LED水晶灯在电压分别为54V、55V、56V、57V、65V、85V时的发光情况如图2、图3所示.

表1

图2

图3

实验结论：上述10种灯泡中，第9种灯在电压仅为1V时灯珠就发亮，而第7种灯电压加到77V时灯珠才发亮，到89V时灯泡才发微光.9种灯泡在电压达到85V时都比较接近在额定电压下工作时的亮度，此后，随着电压的提高，灯泡的亮度会继续有所增加.各种LED球泡灯开始发光所需的电压为什么相差这么多，这是因为生产厂家和灯泡型号的不同，灯泡内部的驱动电路和LED灯珠是不同的，所以灯珠发光所需的电压条件也不同.

4 LED灯在断电自感现象实验中的创新应用

人教版3-2教材中的“互感和自感”一节，是利用图4中的电路图做断电自感现象的实验，现象是在开关突然断开时，会观察到小灯泡闪亮一下后熄灭.现在笔者设计的实验方案是：把图4电路中的小灯泡换成额定电压为AC220V的LED球泡灯，而且仅用1节5号干电池做电源，在电路接通后，因为电压只有1.5V，LED球泡灯不会发光.突然把电源断开时，希望会观察到球泡灯闪亮一下后熄灭.为增加实验成功的机会，灯泡选用了功率仅为2W，型号为SJQP-E27-6500K的本邦牌LED水晶球泡灯，线圈选用了自感系数较大的老式30W日光灯的电感镇流器（如图5所示），结果在电源突然断开时，非常清楚地观察到球泡灯闪亮了一下后熄灭.不断地将电源接通断开，灯泡也不断地闪亮，实验效果非常好（第一次断开时灯泡亮度稍暗一些）.

图4

图5

用1节1.5V的干电池竟然能点亮额定电压为220 V的LED灯泡，这清楚地表明在断电后瞬间，线圈产生了比原来的电源电压高得多的自感电动势.原来总有一些学生对线圈产生的自感电动势可能大于原来的电源电压觉得接受不了.相信他们看到LED灯被点亮后就会信服了.

实验器材的选取：从表1中的数据可以看出，各种LED球泡灯开始发光所需的电压相差较大，因此有时需要增加电池节数才能点亮灯泡，实验表明，表中序号为1、2、9的LED灯用1节干电池就能点亮，序号为5、10的需要2节电池串联才能点亮，序号为3、4、6、8的需要3节电池，序号为7的用3节电池也没有成功.实验器材若当地缺少，可在淘宝网上选购，建议购买功率3W以下的AC220V的LED灯（网上价格已很便宜，低至3元的也有），线圈可以用教学用可拆变压器模型的1400匝，也可以在网上购买“国荣”T8日光灯电感镇流器（比老式的效果差一些，要增加电池），电源用几节干电池通过试验确定.

1 http：//tech.sina.com.cn/d/2014－10－07/17509669920.shtml

2 楼一斌，楼超雄.LED灯开启新时代绿色照明之路［J］.管理学家，2013（7）.

3 黄振业.家居用LED灯的普及与发展问题探讨［J］.城市建设理论研究（电子版），2013（3）.