高亮度白光LED混色理論及其實驗研究

劉 康 郭震寧 林介本 曾 海 曾茂進

(華僑大學信息科學與工程學院，福建廈門 361021)

1 引言

白光LED具有低壓、低功耗、高可靠性、環保、長壽命等一系列優點［1］，正在逐步取代含汞成份的熒光燈等傳統光源，進入戶外和室內照明市場，尤其是在智能照明領域。目前，LED照明燈具大部分只能實現單一的色溫模式。隨著生活水平的提高以及對照明光源認識的進步，人們希望在同一空間內擁有不同的光環境，使得制造可實現多種色溫模式的LED照明燈具成為LED產業重要的議題［2］。

據報道，實現白光色溫可調的方法有:(1)采用紅、綠、藍單色LED，通過混合來生成白光，也稱作RGB技術［3～5］。RGB技術能支持豐富的色彩和可調的白光。其技術的缺點是顯色指數低，不適合于室內照明的可調光源［6～7］。(2)采用多芯片集成白光LED［8～9］。通過芯片組合和電流調節實現色溫可調。該方案的缺點是大多數多芯片封裝由于低驅動電流的限制，光通量密度較低［6］。(3)通過調節白光LED、藍光LED和紅光LED三個支路的亮度來實現照明系統色溫的變化［10］。該方法的缺點是紅光LED芯片和藍光LED芯片 (白光LED采用藍光LED芯片激發)的材料不同，兩者的衰減特性不一致，且白、藍、紅的空間顏色分布不均勻。(4)采用白光LED和黃光LED組合實現色溫調節［11］。該技術的缺點是黃光LED的發光光譜較窄，破壞白光LED光譜的均衡性，導致照明燈具顯色性的降低。

為了解決上述問題，本文研制了不同色溫的白光LED，提出采用不同色溫白光進行混光，通過光譜和色溫的研究驗證了白光LED的混色原理。實驗采用低色溫 (2700～2900K)和高色溫 (7000～8000K)兩種白光LED樣品進行串聯和并聯混色，研究混色后白光LED的光譜、光色電參數及其隨正向電流變化的調光效果。

2 白光LED混色理論

沈海平［12］等人研究了一種改進的高斯模型來表示LED光譜，如下式:

其中:S(λ)表示LED的相對光譜功率分布;

λ0——峰值波長;

Δλ——光譜半高;

波長的單位為nm。

利用上式公式，本文采用以下函數來表示白光LED的相對光譜功率分布:

已知兩種不同色溫 (Tc1和Tc2)的白光LED進行混色，將分別擬合出的兩種光源的相對光譜功率分布轉換成絕對光譜功率分布后進行疊加，然后將疊加后的數值歸一化后得出混色光源的相對光譜功率分布P(λ)，再根據

計算出白光的色坐標值x，y。由色坐標 (x，y)便可得到混色后白光的色溫Tc。

3 白光LED混色實驗

3.1 串聯可調

實驗采用相同支架、InGaN基藍光LED芯片、膠水和不同YAG熒光粉配比制備兩種高亮度低衰減白光LED樣品，其色溫分別為:2700～2900K和7000～8000K，從中隨機抽取樣品分別記為:S1、S2，將其串聯后記為 S串，S1、S2、S串的光色電參數采用杭州遠方光電信息有限公司的PMS-80紫外—可見光—近紅外光譜分析系統和LED620光強分布測試儀測試與記錄。在室溫下，調節正向電流IF，記錄IF為10mA、20mA、30mA情況下S1、S2、S串的光譜、色溫Tc、色坐標 (x，y)及顯色指數Ra等參數及其變化規律。

3.1.1 串聯光譜特性和光通量變化

如圖1(a)、(b)、(c) 所示為S1、S2、S串分別在10mA、20mA、30mA情況下的絕對光譜圖，圖2為S1、S2在10mA電流下實驗測量S串白光絕對光譜與理論計算S串白光絕對光譜的比較。研究表明:(1)S串的絕對光譜圖是S1、S2絕對光譜圖的疊加，即串聯后每個波長上光源輻射的功率等于S1各波長輻射功率與S2各波長輻射功率相加;(2)S1、S2在10mA電流下，實驗測量S串白光絕對光譜的均方差為0.0481，理論計算S串白光絕對光譜的均方差為0.0491，兩者基本吻合。

圖1

圖2 IF=10mA混色白光絕對光譜圖

3.1.2 色溫、色坐標與正向電流的關系

如圖3(a)所示，隨著正向串聯電流IF增大(10～30mA)，S1色溫變化范圍為68K，S2色溫變化范圍為367K，S串白光色溫變化范圍為113K，偏向于色溫低的S1。而且，低色溫白光LED色溫比高色溫白光LED色溫變化小，色溫越低的白光LED的色溫變化越小，否則反之。

這是因為:(1)白光光譜是由InGaN芯片發射的藍光和被激發的熒光譜組成，InGaN芯片發射的藍光的性質與正向電流的大小有密切關系［13］，而熒光體的發光譜與正向電流無直接關系［14］。隨著白光LED的色溫降低，光譜中InGaN芯片發射的藍光成份逐漸減少，而熒光體的發光卻占主導地位。在低色溫中，由于光譜中藍成份所占比例很小，所以正向電流增加所帶來的色溫變化幅度小，而高色溫LED則反之［15～16］。 (2)串聯混色后熒光粉的發光譜接近于低色溫樣品S1，如圖1(a)、(b)、(c)所示。

如圖3(b)所示，串聯后的色坐標在S1、S2連接的直線上，從圖中可以看出實驗測得的混色的色坐標與理論計算的串聯后的色坐標基本重合，其誤差小于0.9%。隨著正向串聯電流IF的增大，色坐標x，y均隨之減小［16］，且x－y關系曲線的斜率減小，高色溫LED樣品S2的色坐標減小量大于低色溫LED樣品S1的色坐標減小量。

3.1.3 串聯混色顯色指數變化

樣品S1在正常工作電流下顯色指數Ra為67，樣品S2在正常工作電流下顯色指數Ra為88，S串顯色指數如圖4所示，串聯電流從5～30mA變化，從圖中看出串聯混色后的顯色指數Ra保持在80以上，顯色指數較高，適應于照明市場。

圖3 串聯混色

圖4 串聯混色顯色指數變化曲線

3.2 并聯可調

將上述選取的樣品S1、S2白光LED進行并聯混色，并記為S并，在室溫下，給定其中一樣品某一電流 (10～30mA)，將另一樣品電流從5～30mA變化，記錄S并白光光譜、色溫、色坐標、顯色指數等參數及其變化規律。

3.2.1 串聯光譜特性和光通量變化

如圖5(a)、(b)、(c)所示為IS1=10mA和IS2=20mA并聯，IS1=20mA和IS2=10mA并聯，IS1=30mA和IS2=10mA并聯絕對光譜圖，圖6為S1、S2分別在30mA和10mA電流下實驗測量S并白光絕對光譜與理論計算S并白光絕對光譜的比較。研究表明:(1)S并的絕對光譜圖是S1、S2絕對光譜圖的疊加，與串聯情況相同;(2)S1、S2分別在30mA和10mA電流下，實驗測量S并白光絕對光譜的均方差為0.0714，理論計算S并白光絕對光譜的均方差為0.0711，兩者基本吻合。

圖5

圖6 IS1=30mA和IS2=10mA并聯混色白光絕對光譜圖

3.2.2 色溫、色坐標與正向電流的關系

如圖7(a)、(b)所示，分別給定S2恒定電流10mA、20mA、30mA，將S1電流IF1從5～30mA變化，在S2電流IF2不變的情況下，S并白光色溫隨著IF1增大而減小，色坐標x，y則均隨著IF1的增大而增大。當 IF1從 5mA并以5mA的增長量增加到30mA，S并白光色溫的減小速率 (K/mA)下降。如IF2=10mA時，IF1從5mA增加到10mA，S并白光色溫減小速率為104.4K/mA，當IF1從25增加到30，S并白光色溫減小速率為11.6K/mA。當S2的恒定電流IF2增加時，S并白光色溫與IF1的關系曲線上移，色溫值均上升。當 IF2電流從 10mA增加到20mA，S并白光色溫上移量比IF2電流從20mA增加到30mA要大。由于高色溫樣品S2的電流IF2恒定而增加低色溫樣品S1的電流IF1，則并聯后的混色白光中低色溫樣品S1的比重加大，其重心更加接近低色溫樣品S1。所以，S并白光色溫隨IF1增大而減小，色坐標則反之。當提高給定的樣品S2恒定電流IF2的同時，高色溫比重加大，S并白光色溫亦提高。

如圖8(a)、(b)所示，分別給定S1恒定電流10mA、20mA、30mA，將S2電流從5～30mA變化，在S1電流不變的情況下，S并白光色溫隨著S2的電流IF2增大呈亞線性增大趨勢，色坐標x，y均隨著S2的電流IF2增大而減小。當IF2從5mA并以5mA的增長量增加到30mA，S并白光色溫的增加速率 (K/mA)下降。如IF1=10mA時，IF2從5mA增加到10mA，S并白光色溫增加速率為92.6K/mA，當IF2從25mA增加到30mA，S并白光色溫增加速率為40.8K/mA。當S1的恒定電流IF1增加時，并聯后的混色白光色溫與IF2的關系曲線下移，色溫值均降低。當IF1電流從10mA增加到20mA，S并白光色溫下移量比IF1電流從20mA增加到30mA要大。由于低色溫樣品S1的電流IF1恒定而增加高色溫樣品S2的電流IF2，則并聯后的混色白光中高色溫樣品S2的比重加大，其重心更加接近高色溫樣品S2。所以，S并白光色溫隨IF2增大而增大，色坐標則反之。當提高給定的樣品S1恒定電流IF1的同時，低色溫比重加大，S并白光色溫亦減小。正好與圖7(a)、(b)相反。

由圖7(a)、圖8(a)與圖3(a)比較表明:S1、S2并聯時比兩者串聯時可調色溫的范圍更大一些，并聯可實現色溫可調范圍在2700～6000K以上。并聯方式可單獨控制各自白光的變化，可調性更大，更適合應用于智能照明市場，通過對不同環境的需求，調節電流變化，獲得不同的色調。

圖7 并聯混色且S2電流恒定

3.2.3 并聯顯色指數變化

如圖9(a)所示，IS2=10mA恒定電流下，S1電流從5～30mA變化，并聯混色后白光顯色指數保持在75以上，圖9(b)所示，IS1=10mA恒定電流下，S2電流從5～30mA變化，并聯混色后白光顯色指數保持在79以上，可以看出并聯混色顯色指數仍保持較好的值。

圖8 并聯混色且S1電流恒定

圖9 并聯混色

4 結論

基于色度學和混色原理，采用相同InGaN藍光LED芯片，制備低色溫 (2700～2900K)和高色溫(7000～8000K)草帽白光LED并通過串聯和并聯方式測試混色的光譜、色溫和色坐標，通過光譜函數擬合計算與實驗研究表明:串并聯混色的絕對光譜符合各高低色溫白光LED樣品絕對光譜的疊加，混色后的色坐標符合各高低色溫白光LED色坐標連接的直接線，符合色度學色光混合的基本規律。高低色溫白光LED串聯時，串聯后的色溫接近于低色溫白光，色溫隨電流的增大而增大，色坐標隨之減小。高低色溫白光LED并聯時，當給定高色溫白光LED一恒定電流，混色后的色溫隨著低色溫白光LED的電流增大而減小，當高色溫白光LED恒定電流增大時，混色后整體色溫也相應提高;當給定低色溫白光LED一恒定電流時，混色后的色溫則隨著高色溫白光LED的電流增大呈亞線性增大，當低色溫白光LED恒定電流增大時，混色后整體色溫均降低。通過串并聯方式對比發現并聯混色比串聯混色可調色溫范圍要大，更適合應用于LED智能照明市場。目前高低色溫白光LED都能做到較好的顯色指數，混色后的白光顯色性也較好，串聯混色顯色指數均保持在80以上，并聯混色顯色指數保持在75以上。較好的顯色指數對照明市場提供了更大的優勢。

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