光的簡史 ―― 從宇宙大爆炸到今天

引言與背景
「神說，要有光，就有了光。神看光是好的，就把光和黑暗分開了。」我敢肯定，對《創世紀》中開頭這兩句話，我們大多數人都很熟悉，而且無論你信不信，事實依然是，我們這個世界確實有黑暗和光。不過光是什麼? 光從哪裡來? 它是怎麼產生的? 它未來會是什麼樣?

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這些問題都很好，但在本文中，我不想一一回答。我只想回顧一下光的簡史，從大約 140 億年前到今天。為什麼從 140 億年前開始呢? 因為我們知道，根據美國航空航天局威爾金森微波各向異性探測器 (Wilkinson Microwave Anisotropic Probe --- WMAP) 的探測，140 億年大約就是宇宙的年齡。該探測器用來以精細的準確度探測宇宙，檢測來自最遙遠的宇宙深處之微波，那裡就是宇宙大爆炸本身形成的那個正在冷卻的火球。當然，我們自己的太陽系 (包括太陽和地球) 要比宇宙本身年輕得多，年齡僅約 45 億年。因此，地球上光的主要來源是太陽。後來，大約 40 億年前，月亮形成了。沒人準確知道月亮是怎樣形成的，儘管有 4 個主要的假設，即融合、捕獲、共同形成和大撞擊 (如需更多有關這些假設的信息，請見維基百科)。然而，不管月亮是怎樣形成的，通過將太陽的光子反射回地球表面，月亮在夜間為我們提供了一個額外的光源。

人們普遍認為，地球上出現人類 (直立人) 的時間大約在 100 萬年之前，而 100 萬年在宇宙的銀河中只不過是一眨眼的功夫! 顯然，太陽是這些早期人類的主要照明光源，因為直到很久以後，才有了人造照明光源。實際上，很多科學家認為，有無可辯駁的證據證明，大約 12.5 萬年以前，早期人類創造了可控制的火。也就是，人類造出了火把，而且火把成了第一種人造光源。然而，直到 1 萬 7 千年以前，史前人類才用燈來照明。這些燈通常是用貝殼、巖石或動物角做成的，裡面裝入動物油或植物油作燃料，並使用一種纖維燈芯。又過了 1 萬年，這些燈的燃料才包括了橄欖、堅果、芝麻或魚油。在接下來的 5000 年中，這些燈使用的材料又經過了很多次變化。然後，大約在公元前 500 年，畢達哥拉斯提出了光的「粒子」理論。該理論假設所有可見物體都會發出穩定的粒子流，這些粒子轟擊我們的眼睛。他又進一步提出，「光由射線組成，這些射線像觸鬚一樣，射線從眼睛到物體以直線傳播，當這些射線觸碰到物體時，就獲得了視覺。」

直到公元 400 年，照明領域的下一次進步才出現，即發明了蠟燭。在接下來的 1400 年間，蠟燭成了主要的照明光源。然而，對現代照明具有重大意義的重要發現出現在 1666 年，當時才 23 歲的艾薩克•牛頓 (Isaac Newton) 做了他著名的稜鏡實驗。他注意到並記錄下來，陽光是白色光，其中包含光譜的所有顏色。類似地，1752 年，班傑明•富蘭克林 (Benjamin Franklin) 用風箏做了他的著名實驗。他發明了避雷針，並解釋了正負電現象。班傑明•富蘭克林的工作具有重要意義，大約 100 年後發明白熾燈泡時，利用了他的發明和原理。接下來，到了 1792 年，威廉•默多克 (William Murdock) 通過給煤加熱產生氣體，並用該氣體給他在英國康沃爾郡的家和辦公室照明。這是第一次將氣體作為燃料，產生了人造光。之後，在 19 世紀初，發現了天然氣以後，在家庭、辦公室、工廠和路燈中，採用氣體照明才成為主流。

1877 年，託馬斯•愛迪生 (Thomas Edison) 對電力照明產生了興趣並做了實驗。一年以後，在朋友的幫助下，他創建了愛迪生電燈公司 (Edison Electric Light Company)，公司的目標是：「擁有、製造和經營用來通過電產生光、熱或動力的各種不同裝置，並提供這類裝置的使用許可。」儘管愛迪生沒有發明採用燈絲的電燈，但是他確實將理論轉變為一種切實可行的形式，而且是首批成功地經銷白熾燈的其中一要員。第一項涵蓋白熾燈的專利實際上是由亨利 • 伍德沃德 (Henry Woodward) 和馬修 • 埃文斯 (Matthew Evans) 於 1874 年提交的，大約比愛迪生開發電燈早 5 年。不過，也許德國化學家 Herman Sprengel 才是首先發明真空燈泡的人，他於 1865 年發明了這種燈泡。

儘管 100 多年來白熾燈泡一直獨佔鰲頭，也免不了遭遇新技術的威脅，另一種新技術即將顛覆白熾燈在照明領域的主導地位，這就是白光發光二極體 (即 LED)。

白光 LED 和行將消亡的白熾燈
LED 是一種半導體器件，當被施加正向偏置電壓時將發出非相干窄譜光，從而產生一種電致發光的現象。換句話說，固態磷光體在電場作用下，將電能直接轉換成了光。所發光的顏色取決於所用半導體材料的化學組成，可以是近紫外、可見或紅外光。

過去幾年，LED 技術已經顯著增強了，在散熱、封裝和加工方面取得很大進步的同時，不斷湧現出更高亮度、更高效率、更長壽命和更低成本的 LED。與白熾燈泡不同，LED 沒有會燒壞的燈絲，而且 LED 工作時溫度往往較低。此外，白熾燈泡浪費了 95% 的電能，將其轉化為熱量消耗掉了。

大功率或高亮度 (HB) LED 的光輸出已經跨越了每瓦 100 流明 (即 100 lm/W) 的關鍵裡程碑。實際上，有些製造商已經宣布，在實驗室中實現了 200 lm/W 的光輸出。那麼顯然，就發光效率而言，LED 已經超過了白熾燈泡 (典型 60W 燈泡的光輸出為 15 lm/W)。或者，發光效率還可以換一種方式來說，即以流明為單位衡量之光源的光輸出量與以瓦為單位衡量產生該光輸出所消耗的功率之比。情況還不止於此，預計在未來一年，光輸出為 150 lm/W 的 LED 也將在市場上穩定供貨。LED 的另一個好處是壽命長。視計算方法的不同而有所不同，白光 LED 燈至少有 5 萬小時的壽命，有些甚至聲稱超過了 10 萬小時，而白熾燈的壽命僅約 1200 至 1500 小時。

高亮度 LED 燈的價格也在非常快速地下降。幾年前，單個白光二極體 (幾個這樣的二極體組成一個 LED 燈，並佔 LED 燈成本的大部分) 的價格約為 4 美元，現在已經下降為不到 1 美元了。很多 LED 行業分析師都預測，在未來一年中，用 LED 燈替換白熾燈的費用將達到消費者可接受的程度。有些 LED 製造商宣布，已經設計出可為 LED 燈供電的發光晶片，使 LED 燈產生的光輸出可與大多數家庭普遍使用的 75W 白熾燈相媲美。這類 LED 晶片要產生同樣的照明量，通常僅需要大約 9W 功率。

這些進步有著重要意義，因為美國能源部已經表示，照明消耗美國所產電力的 22%。LED 照明的廣泛使用有可能將照明耗電量削減一半。要正確理解這一點，可以看以下數據，到 2027 年，LED 照明有可能減少的年度能源使用量相當於 5 億桶石油，伴隨而來的是二氧化碳排放量也降低了。

汽車也需要 LED
今年，高亮度 LED 的市場規模預計將達到 120 億美元，到 2015 年，預計將增長到 202 億美元，年複合增長率達到了 30.6% (根據Strategies Unlimited 的研究)。驅動這種顯著增長的關鍵應用領域之一是用於汽車中的 LED。應用包括從前燈、白天行車燈和剎車燈到儀錶板顯示器背光照明、以及所有種類的車內梳妝照明。不過，為了保持這種令人印象深刻的增長率，LED 不僅必須提供更高的可靠性、更低的功耗和更緊湊的外形尺寸，還必須在對比度和顏色準確度方面做出改進。此外，在汽車環境中，所有這些改進都必須進行優化，同時還要承受相對苛刻的汽車電氣及物理環境的考驗。不言而喻，用在汽車中的解決方案必須提供非常扁平和緊湊的佔板面積，同時還要提高總體成本效益。

不過，汽車照明領域這種令人印象深刻的增長潛力是由哪些因素支撐的呢? 首先，LED 的發光效率是白熾燈泡的 10 倍，而且幾乎是螢光燈 (包括冷陰極螢光燈) 的兩倍， 因此降低了提供給定的光輸出量 (以 lm/W 為單位衡量) 所需的電功率。隨著 LED 的進一步發展，其效用或從電源產生光輸出的能力只會繼續提高。其次，我們是一個關注環保的世界，而 LED 照明不需要處理、暴露和棄置於冷陰極螢光燈 (CCFL) 中常見的有毒水銀蒸氣。簡言之，LED 是「綠色」的。最後，白熾燈泡在使用約 1000 小時以後，常常需要更換，而螢光燈可以持續使用長達 1 萬小時。不過，與 LED 照明提供超過 10 萬小時的壽命相比，這些數字就相形見絀了。

在大多數應用中，這種更長的工作壽命使 LED 能永久性地嵌入到最終應用中。這對汽車儀錶板、儀器以及信息娛樂系統顯示器的背光照明而言，顯然非常重要，不過，對於前燈和剎車燈來說，長工作壽命也成了「必須具備」的成份，因為在汽車工作壽命期內，這些燈就不需要更換了。此外，LED 的外形比其他燈可小好幾個位量級，也更緊湊，而且通過紅、綠和藍光 LED 配置，可以提供無限多種顏色。

不過，汽車照明系統設計師面臨的最大障礙之一是，怎樣優化最新一代 LED 具有的所有特色和益處。因為 LED 一般需要一個準確和高效率的電流源和一種調光方法，LED 驅動器 IC 必須設計成能在多種工作條件下滿足這些要求。另外，它們的電源解決方案必須非常高效、堅固和可靠，同時還必須非常緊湊和富有成本效益。可以說，就驅動 LED 而言，最苛刻的應用之一將是前燈組裝 (由遠光燈和近光燈、白天行車燈、霧燈和轉向信號指示燈組成)，因為這些燈處於嚴酷的汽車電氣環境中，同時必須適應範圍很寬的溫度變化。與此同時，這些燈還必須能放入非常受限的空間中，並具富吸引力的成本結構。

面向汽車前燈應用的新型 LED 驅動器 IC
LT3791 是一款同步 4 開關降壓-升壓型 LED 驅動器和穩壓器控制器，非常適用於驅動汽車前燈應用中的高亮度 LED。該控制器用高於、低於或等於輸出電壓的輸入電壓工作。該器件具有 4.5V 至 60V 的輸入範圍和 0V 至 60V 的輸出範圍，還能在工作模式之間無縫轉換。

圖 1：LT3791 以高達 100W 的功率驅動一個 3A LED 陣列

一個以地為參考的基準電壓反饋引腳 (FB) 用作幾個 LED 保護功能的輸入，並使轉換器能作為恆定電壓源工作，如圖 1 原理圖所示。該器件提供故障保護，以承受並報告 LED 開路或短路情況，同時定時器允許 LT3791 連續運行、在發生故障時鎖斷或重啟。

LT3791 具有專有的電流模式拓撲和控制架構，在降壓或升壓模式均使用電流檢測電阻器。被檢測的電感器電流由 VC 引腳上的電壓控制 (參見圖 2)，該引腳是反饋放大器 A11 和 A12 的輸出。

圖 2：LT3791 方框圖

該 VC 引腳由 3 個輸入控制，一個來自輸出電流環路，另一個來自輸入電流環路，最後一個來自反饋環路。哪一個反饋環路電壓較高，哪一個就優先，從而強制轉換器或者進入恆定電流模式，或者進入恆定電壓模式。

LT3791 設計為在兩種工作模式之間徹底轉換。再次參見圖 2 所示的方框圖，電流檢測放大器 A1 檢測 IVINP 和 IVINN 引腳之間的電壓，並向放大器 A11 提供預增益。當 IVINP 和 IVINN 之間的電壓達到 50mV 時，A1 的輸出就提供 IVINMON_INT，以使 A11 的輸出倒相，而且轉換器處於恆定電流模式。如果電流檢測電壓超過 50mV，那麼 A1 的輸出就提高，從而引起 A11 的輸出降低，進而降低提供給輸出的電流。電流檢測電壓以這種方式調節到 50mV。

輸出電流放大器的工作過程與輸入電流放大器類似，但是具 100mV 電壓而不是 50mV。輸出電流檢測值是通過 CTRL 引腳可調的。強制 CTRL 達到低於 1.2V，就可強制 ISMON_INT 達到與 CTRL 相同的值，從而提供電流大小控制。輸出電流放大器提供軌至軌工作。類似地，如果 FB 引腳高於 1.2V，那麼 A11 的輸出就降低，以減少電流值，並調節輸出。這是恆定電壓模式。

LT3791 提供監視引腳 IVINMON 和 ISMON，這兩個引腳的電壓分別與輸入和輸出電流放大器上的電壓成正比。

結論
在任何類型環境 (包括汽車) 中使用 LED 照明的好處具有多項積極的意義。首先，這些 LED 燈從不需要更換，因為它們的可靠壽命超過了 10 萬小時，相當於 11.5 個使用年限。以汽車前燈為例，這允許汽車製造商永久性地將 LED 燈嵌入到車體中，而不需要為了更換而讓 LED 燈能拿出來。款式也有可能有很大的改變，因為 LED 照明系統不需要白熾燈泡那麼大的深度或面積。最後，在提供光輸出 (以 lm/W 為單位衡量) 方面，LED 一般還比螢光燈效率高。這產生了兩個積極影響。首先，LED 燈消耗更低的汽車總線電功率，另外，同樣重要的是這降低了需要在前燈中散出的熱量，從而不再需要笨重、昂貴的散熱器。

最後，希望您喜歡這篇光的簡史，從近 140 億年前的宇宙大爆炸到今天 LED 開始佔據主導地位，光的發展可謂多彩多姿。回顧過去，我們可以清晰地看到，人造光源的創新步伐已達到了以指數規律加快。顯然，LED 的未來一片光明，而白熾燈時代已經顯露黯然之態。不過，我們仍然有一個揮之不去的問題：「照明領域的下一件大事會是什麼?」敬請關注。