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
發布時間:2015-01-27
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由于白光LED具有高效節能、尺寸小、壽命長等眾多優點，它被認為將代替傳統的白熾燈與熒光燈，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CRI外，節能與環保，最重要的就是光效，即輸入電功率到輸出光通量的轉換效率。它包含兩部分：從電能到光能的轉換效率（又稱輻射效率），以及從光能到光通量的轉換效率（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的實現有兩種基本的方法：第一種是通過熒光粉的轉換得到白光，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制，但由于各芯片熱特性的差異，容易造成光斑或色漂等現象，在通用照明領域應用較少。
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驅動電流條件下實測得出的。本文擬根據已知的該光源相關色溫，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理論光效的優化規律和極限所在。
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個參數作為初始變量，使用Yoshi Ohno的LED光譜高斯分布數學模型定義：
由于熒光粉的不同濃度會導致轉換比例乃至白光光譜所有參數的變化，LED照明品牌，節能與環保，我們假設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等所有參數。
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色溫與色坐標的關系進行擬合，會有兩個冗余解，需要對最終光譜的相關色溫進行驗證后排除。
1.3 光譜的特性參數
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
從以上計算結果推斷，技術資訊，疊加上輻射效率（包括藍光外量子效率90%與熒光粉轉換效率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。誤差主要由光譜數學模型與實際光譜的差異導致。
分別微調該模型的4個初始條件參數（藍光與黃光光譜的峰值波長與半高寬度），技術資訊，經過迭代優化計算，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，一個較高的LER=399（CRI=55，Duv=0.0337）。對應的實際光效約為305lm/W，與科銳公司的最新研發成果相符。然而，該光譜的Duv值過高，已偏離CIE對傳統“白光”的定義范圍（Duv<0.0054），色調偏綠，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，使用如上方法計算得到的LER和CRI結果如表1所示，LED球泡燈，其中“-”表示無解，粗體結果表示該光譜的Duv值<0.0054，即顯色指數有意義。
從以上結果，也發現了光譜優化的一般規律：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換效率的熒光粉來實現，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提升光效的目標，商業照明燈具，對光譜優化設計方向的要求，同時我們也應注意到高光效必然伴隨著顯色指數的降低，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應用于實際場合前，恒光，具有性價比的、可量產化的產品才是具有現實意義的。
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