X 光下的灯泡，从左至右分别为白炽灯、（紧凑型）荧光灯和 LED 灯，题图来源：topmetrology.ro

前言

民用领域，现今已是白炽灯、荧光灯和 LED 灯三分天下。白炽灯垂垂老矣，荧光灯已值中年，LED 羽翼渐丰。
三种灯的原理不一，白炽灯通过『热辐射』发光，荧光灯利用『气体放电』发光，LED 灯采用『固体电致发光』。

白炽灯

各式白炽灯，来源：gelighting.com

白炽灯（Incandescent Lamp），顾名思义，光色偏白，炽热如火。白炽灯结构简单，主体就是灯丝+玻璃壳+灯头，再充入含少量氮的氩气。

白炽灯的构造，『照明手册』 - 日本照明学会

白炽灯怎么发光？按下开关，电路接通，电子流经灯丝（钨丝），灯丝逐渐升温。

通电发热的白炽灯丝，来源：discovermagazine.com

随着温度升高，灯丝即可散发出包含『可见光』在内的热辐射。

发光的钨丝，来源：youtube.com

白炽灯点亮过程中钨丝会蒸发出钨原子，其附着在玻璃壳上，时间一长，玻璃壳就会变黑。

钨丝蒸发出钨原子，来源：edisontechcenter.org

玻璃壳变黑，温度随之上升，长期使用，灯泡可能鼓起或破裂。怎么处理？方法之一是在填充气体内加入卤族元素，改造结构，白炽灯就变身为卤素灯（Halogen Lamp，也叫卤钨灯）。

各式卤素灯，来源：gelighting.com

荧光灯

各式荧光灯，来源：edisontechcenter.org

荧光灯『Fluorescent Lamp』，顾名思义，利用『荧光粉』发光的一种灯。荧光灯是『气体放电灯』的一种，高压汞灯、高压钠灯、金属卤化物灯同属气体放电灯。

直管荧光灯构造，来源：『照明手册』 - 日本照明学会

荧光灯类型和样式众多，有『热阴极』和『冷阴极』之别，热阴极一般用于照明，冷阴极一般用于显示器背光。

荧光灯有『单头』和『双头』两种样式，双头多为直管造型，单头有 H 形、U 形、双 U 形、环形、球形、螺旋形等等造型。

不同形状的荧光灯，来源：『照明手册』 - 日本照明学会

灯泡样式的荧光灯就是坊间所谓的『节能灯』，全称是『紧凑型荧光灯』（Compact Fluorescent Lamp，缩写为 CFL ），自带镇流器，灯座和白炽灯通用。

节能灯内置镇流器，来源：edisontechcenter.org

荧光灯怎么发光？

荧光灯的发光原理简图，来源：『照明手册』 - 日本照明学会

按下开关，电流先经『镇流器』调整，再流过灯丝（钨丝），灯丝发射『热电子』。

灯丝发射热电子，来源：edisontechcenter.org

热电子碰撞『水银蒸气』中的『水银原子』，原子激发而发出『紫外线』。

热电子碰撞水银蒸气中的水银原子，来源：edisontechcenter.org

水银原子受电子激发发出紫外线，来源：edisontechcenter.org

紫外线到达玻璃管，经荧光粉转换，变为『可见光』。

荧光粉把紫外线转换为可见光，来源：edisontechcenter.org

套上荧光粉外壳的灯管，来源：edisontechcenter.org

下面便是是荧光灯启动（点灯）的整个过程：

荧光灯的启动（点灯）过程，来源：edisontechcenter.org

荧光灯需要电流维持在适当的值，因此需要镇流器启动和控制电流。

各式镇流器，来源：tradeee.com

常见的镇流器有两种，旧式的『电感镇流器』和新式的『电子镇流器』。

左为电子镇流器，右为电感镇流器，来源：touchstoneenergy.com

旧式的直管形荧光灯通常需要『电感镇流器』和『启辉器』（提供点灯启动时的高压）相互配合。
新式的荧光灯（如节能灯）一般用『电子镇流器』，无需启辉器。

LED 灯

一种灯泡形 LED 的各组件，来源：mashable.com

LED 就是『发光二极管』（Light Emitting Diode），种类和用途不一，本文只讨论用于照明的白光 LED 灯。

LED 的各式用途，来源：『LED封装技术』 - 苏永道

LED 灯的构造比白炽灯和荧光灯复杂，一般包含散热基板、半导体晶片、荧光体、树脂材料、封装材料、光学透镜等等，我们放大看看：

传统 LED 的构造，来源：『LED照明驱动电源与灯具设计』 - 毛兴武

LED 灯采用电致发光（Electroluminescence）原理，直接将电能转化为光能，一般用『固体材料』在『电场』激发下发光，所以也叫做『电激发光』、『场致发光』。除开 LED 灯，利用电致发光的还有『OLED 灯』和『EL 灯』。

我们先简单概括 LED 的发光步骤：

• 两个半导体，电子多的为 N 型（Negative，负的），空穴多的为 P 型（Positive，正的），中间的区域叫『 PN 结』。

• 通电，N 型半导体上的『电子』与 P 型半导体上的『空穴』相对流动。

• 『电子』与『空穴』在 PN 结上一结合，便发射出『光子』，电能就此转换为光能。

PS：电子带负电。『空穴』（Electron Hole），也叫『电洞』，电子流失留下的空位，可视为带正电。

LED 发光原理示意，来源：『LED封装技术』 - 苏永道

拆分来看，第一步，拿出两种半导体，一个种为 P 型，另一种为 N 型。

来源：youtube.com

第二步，把两个挨在一起，通电。

来源：youtube.com

第三步，N 型半导体身上有『电子』，P 型半导体身上有『空穴』，两者相对运动：

来源：youtube.com

最后，发出『光线』（光子）：

来源：youtube.com

让我们再从外到内看一遍：

从 LED 灯外面进入里面，来源：youtube.com
带电子（负电荷）与带空穴（正电荷）的两种半导体，来源：youtube.com
电子与空穴结合发光，来源：youtube.com

能发光，不代表能发出日常照明所需的白光。白有多种类型，也有很多种实现方式，白炽灯通过热辐射发光，只要把灯丝加热到一定温度就会发出『白光』，荧光灯通过激发水银蒸汽发出紫外线，只需加上荧光体就可以把『紫外线』变成『白光』。

三原色混合产生白色，『照明基础知识』 - 飞利浦照明

红绿蓝按照一定比例混合就能产生白色，三种颜色的 LED 灯，组合使用就能发出白光，所以直到上世纪 90 年代蓝光 LED 出现，白光 LED 才诞生。

三色 LED 混合产生白光，『LED封装技术』 - 苏永道

对于人眼来说，蓝光和黄光混合就可以得到近似白光的光线，所以也可以用单色 LED + 荧光体的方式发出白光。

三种实现白光 LED 的方式，来源：『白光LED照明技术』- 田民波、朱焰焰

• 蓝光 LED + 黄色荧光体，就有了近似白光的、质量一般的白光。

• 蓝光 LED + 红色荧光体 + 绿色/黄色荧光体，就有了质量较高的白光。

• 紫外线 LED +红色荧光体 + 绿色荧光体 +蓝色荧光灯，产生的就是高质量的白光。

蓝光 LED + 黄色荧光体产生白光，来源：edisontechcenter.org

主要信息来源

edisontechcenter.org

popularmechanics.com

howstuffworks.com

youtube.com

Lamps and Light - Jeremy Myerson、Sylvia Katz

照明手册 - 日本照明学会

照明设计手册 - 北京照明学会

照明设计入门 - 中岛龙兴

照明基础知识 - 飞利浦照明

白光 LED 照明技术 - 田民波、朱焰焰

LED 封装技术 - 苏永道