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
