可调色温白光led能效和显色性仿真分析

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1、可调色温白光LED能效和显色性仿真分析潘建军1，沈海平2，冯华军21.杭州远方光电信息有限公司，杭州310053；2.浙江大学光学电子信息工程学院,杭州　310035摘要:白光LED的能效和显色性是其作为普通照明光源最重要的两项指标，对于可调色温的白光LED照明光源，同时实现高能效和高显色性非常重要。多芯片白光LED的色温、能效(辐射光效)和显色性可以通过选择LED芯片的峰值波长以及改变各个LED芯片的相对功率来进行调节与优化。本文提出了一个新的更接近实际的LED相对光谱功率分布曲线数学模型，在此模型的基础上利用软件仿真的方法分析了可调色温白光LED的能效和显色性,并且给出了几个比较满意的典

2、型结果,可用于指导白光LED的设计，而且运用此方法还可以预测出白光LED在某些物理条件下的极限能效。关键词:白光LED；可调色温；能效；显色性；仿真分析；高斯模型1引言LED正以前所未有的速度发展着。由于在节能上的巨大潜力，在不久的将来大功率白光LED有望成为主流通用的照明光源。白光LED是在发光机制和外观表述上与其他照明光源很不一样的光源。目前，白光LED通常有以下三种实现方式：1.混合三基色芯片或者多芯片直接合成；2.利用蓝光LED的偏蓝色光去激活黄光荧光粉；3.由紫外LED激活三色荧光粉的三色荧光混合。第一种方式下，由三片或多片芯片组成的白光LED在光谱组成上具有较高的自由度。通过改变

3、单个芯片的电流和输入功率，便可灵活的调节LED的相关色温。对于白光LED，特别是对于可调色温的白光LED，实现高能效和高显色性是一件极具价值及挑战性的工作。本文介绍了一种以CIE光度和色度学原理为基础的利用计算机软件对三芯片或四芯片可调谐白光LED的发光效率和显色性进行仿真的方法以及一些典型案例仿真分析的结果。2通用照明光源和白光LED的色温、发光效率以及显色性通用照明光源的相关色温一般在2700K-6500K范围里。可调谐白光LED应该根据不同的季节、场合，甚至氛围机型设计，从而进一步改善照明质量和丰富生活色彩。总发光效率包括以下两个方面：（1）插座效率，指电能转换成辐射能量的效率，与光源

4、的材料和封装有关系；（2）辐射光效，指辐射能量转换成光通量的效率。这其实理论上的极限发光效率仅由光源的相对光谱能量分布所决定。光源的发光效率是插座效率和辐射光效的乘积。本文仅模拟光源的辐射光效。图1为白光LED和几种传统照明光源的发光效率的比较。高压钠灯、金卤灯、荧光灯的发光效率相对较高，大概能达到100lmPW，而目前的白光LED只有10lmPW-60lmPW，远远低于传统光源。人们正努力使未来的白光LED照明光源的发光效率能到达200lmPW-300lmPW。发光效率/(lm/W)（附加镇流器的灯）图1白光LED和几种传统照明光源的发光效率在光源的色温的这个领域中，显色指数（CRI）在8

5、5以上的光源更适用于对色彩复制具有搞要求的场合；显色指数在80以上的高品质通用照明光源适合用于室内照明；显色指数在50以下的光源将不能分辨其色彩。高显色指数要求在555nm单色辐射下在较宽光谱能量分布范围内有高发光效率。因此，如何在两者之间寻找一个平衡点将成文本文的重点。对于通用照明光源而言，显色指数应该在80以上。通过结合芯片的选取，可调谐白光LED的发光效率和理想显色性应该被保持在一个相对色温可调的过程中。3仿真分析Y.ohno指出在没有通用照明光源和两芯片白光LED的情况下不可能实现显色性。三芯片的白光LED能够实现通用照明光源的必要显色性，但其关键在于峰值波长的选择。而四芯片的白光L

6、ED应该能实现更好的显色性。本文将分别模拟分析三芯片和四芯片的可调色温白光LED。3.1原理参照实际的92系列LED芯片的相对光谱能量分布图，如图2所示，我们发现单高斯模型并不能准确地描述出来。因此，我们对高斯模型做一些修改：其中λ0指的是LED的波长，在区域选择上具有很大的自由度，但碍于目前相关的LED技术水平不高，在黄光波段（550nm-580nm）中插座效率并不高。因此，本文的模拟将避免在这个波长范围之内选择LED芯片；△λ指半波长，一般范围在20nm-40nm。在这里，我们将根据实际情况，分别进行选择；一个是指峰值功率，可作为每个LED芯片之间相对功率的规范。适当的混合多种单色LED

7、可以组合形成白光LED。如图2示我们可以发现，改良后的模型可较好地模拟出实际的LED芯片的相对光谱能量分布。下式为光效的辐射的计算公式：其中，S(λ)rel指白光LED的相对光谱能量分布；Km等于683lm/W，这是绝对光谱光效的辐射引发明视觉条件下的最大极限值；V(λ)指引起功能标准的观察者产生明视觉的光谱发光效率。显色指数的计算依据：色差计算。其中，U*r，i、V*r，i和W*r，i都是由光源的色度坐标来