一定色溫下白光LED理論光效的簡易計算方法
文章來源:恒光電器
發(fā)布時間:2015-01-27
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由于白光LED具有高效節(jié)能、尺寸小、壽命長等眾多優(yōu)點，它被認為將代替?zhèn)鹘y(tǒng)的白熾燈與熒光燈，作為通用照明的主流光源。對白光LED的考量除了一般顯色指數(shù)CRI外，節(jié)能與環(huán)保，最重要的就是光效，即輸入電功率到輸出光通量的轉(zhuǎn)換效率。它包含兩部分：從電能到光能的轉(zhuǎn)換效率（又稱輻射效率），以及從光能到光通量的轉(zhuǎn)換效率（又稱光視效能LER）。其中LER由光源的光譜功率分布就可確定，是唯一可以通過光譜的優(yōu)化來提高的效率，從而使白光LED的整體光效得到提升。LER的計算公式如下：
白光LED的實現(xiàn)有兩種基本的方法：第一種是通過熒光粉的轉(zhuǎn)換得到白光，稱為PC LED（phosphor-converted LED），超市照明，另一種是把不同顏色的芯片封裝在同一個器件中，多芯片混合發(fā)出白光，簡稱MC LED（multi-chip LED）。前者的光效較高，ROSH認證，但顯色性在紅區(qū)較差，且難以合成4000K色溫以下的白光，而后者雖能進行更靈活的光譜調(diào)制，但由于各芯片熱特性的差異，容易造成光斑或色漂等現(xiàn)象，在通用照明領(lǐng)域應(yīng)用較少。
近日，美國科銳公司宣布其白光LED實驗室光效達到303lm/W。這一新紀錄是在標準室溫、5150K色溫和350mA驅(qū)動電流條件下實測得出的。本文擬根據(jù)已知的該光源相關(guān)色溫，使用PC LED模型推算出該芯片的實際光譜功率分布，并由此探討白光LED理論光效的優(yōu)化規(guī)律和極限所在。
1計算
1.1 光譜模型的建立
高光效的白光LED一般由峰值波長約460nm的InGaN紫藍光LED（光譜半高寬度=20nm）激發(fā)峰值波長約570nm的YAG黃綠光熒光粉（光譜半高寬度=100nm）組合而成。我們把以上4個參數(shù)作為初始變量，使用Yoshi Ohno的LED光譜高斯分布數(shù)學(xué)模型定義：
由于熒光粉的不同濃度會導(dǎo)致轉(zhuǎn)換比例乃至白光光譜所有參數(shù)的變化，LED照明品牌，節(jié)能與環(huán)保，我們假設(shè)黃光峰值波長功率是藍光的K倍。接下來只需要求得K值，便能得到該LED的光譜以及光視效能與顯色指數(shù)等所有參數(shù)。
1.2 計算過程
色溫一定時，計算LED光譜功率分布的具體步驟如下：
以上計算實質(zhì)是在CIE 1931 xy色空間中，求兩條直線交點的過程，見圖2所示。其中直線l1是由光源的相關(guān)色溫和McCamy公式確定的等色溫線，直線l2由兩種初始光色的色坐標確定，可以通過模型的相對光譜功率分布計算得到。要注意的是，McCamy公式通過三次曲線方程對相關(guān)色溫與色坐標的關(guān)系進行擬合，會有兩個冗余解，需要對最終光譜的相關(guān)色溫進行驗證后排除。
1.3 光譜的特性參數(shù)
由K值即可得到混光后白光的光譜功率分布，見圖3。
2 討論
從以上計算結(jié)果推斷，技術(shù)資訊，疊加上輻射效率（包括藍光外量子效率90%與熒光粉轉(zhuǎn)換效率85%）后，恒光電器,照亮您的生活，該光譜可以達到271lm/W的實際光效。誤差主要由光譜數(shù)學(xué)模型與實際光譜的差異導(dǎo)致。
分別微調(diào)該模型的4個初始條件參數(shù)（藍光與黃光光譜的峰值波長與半高寬度），技術(shù)資訊，經(jīng)過迭代優(yōu)化計算，恒光電器,照亮您的生活，得到在目前常用的藍光峰值波長46010nm，黃光峰值波長57010nm范圍內(nèi)，一個較高的LER=399（CRI=55，Duv=0.0337）。對應(yīng)的實際光效約為305lm/W，與科銳公司的最新研發(fā)成果相符。然而，該光譜的Duv值過高，已偏離CIE對傳統(tǒng)“白光”的定義范圍（Duv<0.0054），色調(diào)偏綠，需要更精細的熒光粉配比對其進行矯正。其光譜功率分布如圖4所示。
我們嘗試把色溫擴展到4000K, 5000K, 6000K三種，半高寬度確定為20nm（藍光）和100nm（黃光）后，在藍光峰值波長46010nm，ROSH認證，黃光峰值波長57010nm范圍內(nèi)，使用如上方法計算得到的LER和CRI結(jié)果如表1所示，LED球泡燈，其中“-”表示無解，粗體結(jié)果表示該光譜的Duv值<0.0054，即顯色指數(shù)有意義。
從以上結(jié)果，也發(fā)現(xiàn)了光譜優(yōu)化的一般規(guī)律：對于最常用的藍光加黃色熒光粉的PC LED，較低的目標色溫可以提高最高LER值，但該值也是有極限的，國內(nèi)資訊，在4000K色溫下約為355lm/W；固定目標色溫后，藍光峰值波長的變化對光譜整體的參數(shù)影響微乎其微，而黃光峰值波長越接近555nm的峰值處，所能達到的理論光效也就越高。而此時K值也較大，因為少量的藍光成分只被用于糾正色溫，在光效和顯色性上幾乎沒有作用。而且，這樣的光譜可能僅在理論上存在，未必能找到合適峰值波長和轉(zhuǎn)換效率的熒光粉來實現(xiàn)，恒光電器,照亮您的生活，并且其色坐標大多已偏離黑體輻射曲線。
高光效照明對節(jié)能的重要意義不言而喻，也使得更小巧、低成本的照明解決方案成為可能。通過理論計算可以看出為了實現(xiàn)提升光效的目標，商業(yè)照明燈具，對光譜優(yōu)化設(shè)計方向的要求，同時我們也應(yīng)注意到高光效必然伴隨著顯色指數(shù)的降低，可能僅在道路照明等不注重顯色效果的場合適用。另外，在把高光效白光LED應(yīng)用于實際場合前，恒光，具有性價比的、可量產(chǎn)化的產(chǎn)品才是具有現(xiàn)實意義的。
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