一定色溫下白光LED理論光效的簡易計(jì)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(diǎn),，它被認(rèn)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(jì)算公式如下：
白光LED的實(shí)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(rèn)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(jìn)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(shí)驗(yàn)室光效達(dá)到303lm/W。這一新紀(jì)錄是在標(biāo)準(zhǔn)室溫,、5150K色溫和350mA驅(qū)動電流條件下實(shí)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(shí)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(jì)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(lán)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(lán)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(jì)算過程
色溫一定時,，計(jì)算LED光譜功率分布的具體步驟如下：
以上計(jì)算實(shí)質(zhì)是在CIE 1931 xy色空間中,，求兩條直線交點(diǎn)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(biāo)確定，可以通過模型的相對光譜功率分布計(jì)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(biāo)的關(guān)系進(jìn)行擬合，會有兩個冗余解,，需要對最終光譜的相關(guān)色溫進(jìn)行驗(yàn)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(jì)算結(jié)果推斷,，技術(shù)資訊，疊加上輻射效率（包括藍(lán)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(dá)到271lm/W的實(shí)際光效。誤差主要由光譜數(shù)學(xué)模型與實(shí)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(lán)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(jì)算,，恒光電器,照亮您的生活,，得到在目前常用的藍(lán)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(shí)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(xì)的熒光粉配比對其進(jìn)行矯正,。其光譜功率分布如圖4所示,。
我們嘗試把色溫?cái)U(kuò)展到4000K, 5000K, 6000K三種，半高寬度確定為20nm（藍(lán)光）和100nm（黃光）后,，在藍(lán)光峰值波長46010nm,，ROSH認(rèn)證,，黃光峰值波長57010nm范圍內(nèi)，使用如上方法計(jì)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(lán)光加黃色熒光粉的PC LED,，較低的目標(biāo)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(biāo)色溫后，藍(lán)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(dá)到的理論光效也就越高,。而此時K值也較大,，因?yàn)樯倭康乃{(lán)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(shí)現(xiàn),，恒光電器,照亮您的生活,，并且其色坐標(biāo)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(jì)算可以看出為了實(shí)現(xiàn)提升光效的目標(biāo),，商業(yè)照明燈具,，對光譜優(yōu)化設(shè)計(jì)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(shí)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(shí)意義的,。
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