白光led的溫度-光平衡研究

白光led的溫度-光平衡研究

1多基色合成光led隨著gan綠色能源技術(shù)的發(fā)展，大規(guī)模綠色能源光束得到了廣泛應(yīng)用。通常實現(xiàn)白光LED主要有兩種方法:一種是多基色光混合發(fā)出白光;另一種是熒光粉在藍光的激發(fā)下發(fā)出相應(yīng)顏色的光,再與藍光混合發(fā)出白光。目前,商業(yè)化的白光LED主要是由GaN或InGaN基藍光LED芯片和黃光熒光粉(YAG:Ce3+)構(gòu)成。雖然有文獻報導,對于這種兩基色白光LED,可以改進其YAG熒光粉性能以增強白光中的紅光成分,但應(yīng)用更廣泛的仍是由芯片構(gòu)成的或有熒光粉覆蓋的三基色白光LED。對于白光照明,光視效能(K)和顯色指數(shù)(Ra)是衡量其性能優(yōu)劣的兩個重要指標。然而K和Ra是一對矛盾,通常獲得高K往往是以降低Ra為代價的,折中這兩個參數(shù)對于白光LED具有重要意義。目前,藍綠光LED采用InGaN/GaN多量子阱結(jié)構(gòu),紅黃光LED有源區(qū)采用AlGaInP四元材料,這使得多基色白光LED發(fā)光效率高、多基色組合波長可覆蓋整個可見光區(qū)域、峰值波長和半高寬(FWHM)的選擇范圍很廣。不同的峰值波長和FWHM組合直接影響白光LED的K和Ra,因此合理地搭配峰值波長和FWHM極其重要。相關(guān)色溫(CCT)同樣也是照明技術(shù)的一個重要參量,不同應(yīng)用場合對CCT有不同要求。在低色溫區(qū)域,Pan等在CCT為3200K下,K為400.8lm/W,但Ra只有82.7。Wu等在2952K低CCT下優(yōu)化了藍光芯片激發(fā)紅、綠熒光粉構(gòu)成白光LED的光譜功率分布(SPD),Ra可以高達96,但是光效僅有17.1lm/W。然而,目前針對在低色溫區(qū)域內(nèi)探討K和Ra的折中問題所取得的數(shù)據(jù)都不是很理想,而且有關(guān)峰值波長、FWHM和相對光功率配比對CCT影響的相關(guān)研究報道仍然缺乏。本文針對低色溫3000±10K下進行三基色白光LED光譜模擬,通過組合白光LED的峰值波長、FWHM和相對光功率的配比,可以同時獲得K高和高Ra。分析了峰值波長、FWHM和相對光功率配比分別對K、Ra和CCT的影響。2理論基礎(chǔ)2.1spd、v型K定義為光通量和輻射通量的比值,是輻射產(chǎn)生人眼視覺能力的度量,有K=683∫780380S(λ)V(λ)dλ∫780380S(λ)dλ(1)Κ=683∫380780S(λ)V(λ)dλ∫380780S(λ)dλ(1)其中:S(λ)是光源的SPD,V(λ)是人眼視見函數(shù)。2.2水源的一般顯色指數(shù)Ra是衡量物體在光源下顏色還原能力的指標,由光源的SPD決定。CIE在1974修訂了Ra的計算方法。在選定的14個標準樣品色下計算物體在標準光源和待測光源下的色差ΔEi,得到光源的特殊顯色指數(shù)Ri為Ri=100-4.6ΔEi(2)針對前8個樣品色,計算光源的一般顯色指數(shù)Ra為Ra=18∑i=18Ri(3)Ra=18∑i=18Ri(3)CIE規(guī)定普朗克輻射體或者標準照明體的Ra為100,Ra越接近該值,表示對顏色的還原性越好。盡管當前Ra的算法對單色LED有缺陷,但對多光譜組合而成的寬帶白光LED光譜仍可用。2.3cct速度的計算CCT是衡量白光LED顏色品質(zhì)的重要參量之一,定義為當光源光色與某一溫度下黑體輻射光源光色最接近時,后者溫度即為光源的CCT。Robertson給出了在CIE的1960UCS色品圖上計算CCT的方法。Lin等用二分法精確計算了CCT。3基色led光譜分析考慮到單色光LED光譜為單峰值光譜,采用高斯函數(shù)I=I0exp(-(λ-λc)2/2w2)擬合LED光譜,其中I0、λc和w分別對應(yīng)白光LED光譜的相對光功率、峰值波長和FWHM。具體算法見文獻。經(jīng)實驗,通過適當調(diào)整參數(shù),擬合光譜與實際LED光譜基本吻合。實際應(yīng)用中,對于多個單色光LED芯片或多種熒光粉組合的白光LED可以采用2～4個高斯函數(shù)疊加模擬白光LED光譜。固定CCT為3000±10K,對三基色LED光譜進行擬合并優(yōu)化。首先,進行光譜參數(shù)的選取。目前,商業(yè)應(yīng)用的LED芯片或激發(fā)熒光粉后產(chǎn)生的藍、黃綠和紅光的峰值波長大多分別落在420～490、500～580和590～660nm區(qū)域?？紤]到討論的三基色白光LED為藍、綠(或黃)、紅三基色LED芯片和藍、紅LED芯片加綠(或黃)熒光粉兩種組合方式,故對于FWHM,藍、紅光選取為10～30nm,黃、綠光選取為10～140nm。模擬過程中,峰值波長迭代間隔和FWHM迭代間隔均取1nm,3個相對光功率在1～5范圍內(nèi)隨機選取。通過優(yōu)化峰值波長、FWHM和相對光功率配比的組合,尋求K和Ra的最佳平衡。表1給出部分擬合結(jié)果。結(jié)果表明,通過選取合適的峰值波長、FWHM和相對光功率比組合,可以同時獲得較高的K和Ra。目前,節(jié)能燈的光效為80lm/W左右,而白光LED電-光轉(zhuǎn)換效率約在30%,由表1中最后一組數(shù)據(jù)顯示的K為391lm/W計算得到光效約117.3lm/W,明顯高于節(jié)能燈,同時Ra達到92.6,為目前低CCT下擬合所得的最佳結(jié)果。由圖1可見,CCT為2856K的鹵鎢燈光譜,隨波長變大,相對光功率上升;相對光功率,藍光最低,綠光次之,紅光最高;Ra為92.6、CCT為3009K的白光LED,3個單色峰遞增趨勢與同樣是低色溫下的鹵鎢燈光譜基本一致。4led結(jié)溫同光譜參數(shù)的關(guān)系LED在不同的注入方式下的電致發(fā)光(EL)譜變化是由其pn結(jié)溫度決定的,光譜決定的光效與溫度呈線性關(guān)系地下降。另外,不同電流下CCT、光通量和光效也會發(fā)生改變。Chhajed等也分析了LED結(jié)溫同光譜各參數(shù)的關(guān)系。隨著LED結(jié)溫上升,三基色LED的峰值波長發(fā)生明顯紅移和FWHM增加,導致CCT、K和Ra發(fā)生變化。因此,探討光譜參數(shù)變化對CCT、K和Ra的影響具有重要的意義。4.1不同光柵波長對cct的影響在峰值波長為467、550、618nm以及FWHM為30、71和23nm的組合下,探討光譜參數(shù)變化對CCT、K和Ra的影響。需要指出,在相同CCT的其它數(shù)據(jù)下,分析光譜參數(shù)變化對CCT、K和Ra的影響,結(jié)果一樣。如圖2所示,藍光波長變化對CCT的影響較小,黃綠光和紅光波長的改變對CCT影響較大;CCT隨黃綠光波長先升后降,而紅光則先降后升,且紅光變化對CCT影響最大。黃綠光在峰值波長525nm處,CCT最大;紅光峰值波長在615nm附近CCT最小;此后,CCT隨峰值波長增加而迅速遞增?？梢?三基色LED峰值波長分別選在偏紫藍、偏黃和615nm附近,適合于制作低CCT的三基色白光LED,尤其是黃綠、紅光峰值波長的選取。由圖3可見,紅光光譜的FWHM對CCT的影響最大;隨著紅光FWHM增大,CCT迅速下降;藍光和黃綠光的變化趨勢于紅光正好相反,且變化相對緩慢;黃綠光的FWHM到達一定值時,CCT的變化基本保持恒定。圖3表明,紅光選取較大的FWHM,藍、黃綠光選取較小的FWHM,有利于制作低CCT的LED。如圖4所示,CCT隨藍、黃綠光相對光功率增加而上升,且隨藍光上升速度較快;CCT隨紅光變化趨勢與藍、黃綠光相反。這主要是由于紅光的成分增加時,光譜主波長發(fā)生紅移,致使CCT降低的緣故。因此,在較低的藍、黃綠光和較高的紅光相對光功率下易獲得低CCT。4.2藍、變色、紅光和總光功率k的fwhm-1由圖5可見,對于藍光,K和Ra隨峰值波長變大而逐漸增大,且峰值波長在465～470nm內(nèi)Ra達到90以上;對于黃綠光,K和Ra隨其峰值波長變大而先增大后減小,且在555nm附近K和Ra均達到最佳值。這是因為明視覺條件下,K最大值對應(yīng)波長為555nm。當紅光峰值波長較低時,K較好,但Ra較差;隨其升高,K迅速降低,但Ra上升直至在615～620nm內(nèi)出現(xiàn)拐點,而后下降。此外,峰值波長在500nm處K和Ra均處在最低,且在590nm處Ra也較低。Thornton等分析三基色峰值波長在450、540和610nm時K和Ra較高,而在495和575nm處Ra較低,特別處于495nmK低。本文分析結(jié)果與其基本一致。分析結(jié)果顯示,藍、黃綠和紅光峰值波長分別在465～470、550～555和615～620nm范圍內(nèi)可同時獲取較優(yōu)的K和Ra。由圖6可見,隨著藍、紅光的FWHM增加,K近似線性下降;而黃綠光的FWHM增大,K先升高后降低,并在70nm附近達到最大。Ra隨藍、紅光的FWHM增加而逐漸上升;隨黃綠光的FWHM增加,Ra呈現(xiàn)先上升后趨于穩(wěn)定的趨勢。結(jié)果表明,藍、黃綠、紅光的FWHM并非越寬越好,其選取要考慮到K和Ra的最佳平衡。通過分析圖7可知,隨黃綠光相對光功率增加,K明顯增大;藍光和紅光相對光功率提高,K反而降低。這種變化趨勢是由白光LED中黃綠光成分的增加使主波長向峰值波長555nm移動引起的。圖7還反映了另一個現(xiàn)象,隨藍、黃綠和紅光的相對光功率增加,Ra先升后降。盡管趨勢一樣,但各自取得峰值的點不同?；谒x峰值波長和FWHM組合分析得出,當相對光功率配比為1.00∶1.90∶4.90時,Ra可達到最高。5光譜參數(shù)對cct、k和ra的影響在固定相關(guān)色溫為3000±10K下,利用高斯函數(shù)進行LED光譜擬合,通過調(diào)配構(gòu)成白光LED的三基色峰值波長、FWHM、相對光功率配比的組合模擬并優(yōu)化白光LED的SPD,獲得的K為391lm/W和Ra為92.6。分析了CCT、K和Ra隨光譜參數(shù)變化的關(guān)系。結(jié)果表明,在光譜參數(shù)對CCT的影響上,