高亮度白光LED混色理论及其实验研究

刘 康 郭震宁 林介本 曾 海 曾茂进

(华侨大学信息科学与工程学院，福建厦门 361021)

1 引言

白光LED具有低压、低功耗、高可靠性、环保、长寿命等一系列优点［1］，正在逐步取代含汞成份的荧光灯等传统光源，进入户外和室内照明市场，尤其是在智能照明领域。目前，LED照明灯具大部分只能实现单一的色温模式。随着生活水平的提高以及对照明光源认识的进步，人们希望在同一空间内拥有不同的光环境，使得制造可实现多种色温模式的LED照明灯具成为LED产业重要的议题［2］。

据报道，实现白光色温可调的方法有:(1)采用红、绿、蓝单色LED，通过混合来生成白光，也称作RGB技术［3～5］。RGB技术能支持丰富的色彩和可调的白光。其技术的缺点是显色指数低，不适合于室内照明的可调光源［6～7］。(2)采用多芯片集成白光LED［8～9］。通过芯片组合和电流调节实现色温可调。该方案的缺点是大多数多芯片封装由于低驱动电流的限制，光通量密度较低［6］。(3)通过调节白光LED、蓝光LED和红光LED三个支路的亮度来实现照明系统色温的变化［10］。该方法的缺点是红光LED芯片和蓝光LED芯片 (白光LED采用蓝光LED芯片激发)的材料不同，两者的衰减特性不一致，且白、蓝、红的空间颜色分布不均匀。(4)采用白光LED和黄光LED组合实现色温调节［11］。该技术的缺点是黄光LED的发光光谱较窄，破坏白光LED光谱的均衡性，导致照明灯具显色性的降低。

为了解决上述问题，本文研制了不同色温的白光LED，提出采用不同色温白光进行混光，通过光谱和色温的研究验证了白光LED的混色原理。实验采用低色温 (2700～2900K)和高色温 (7000～8000K)两种白光LED样品进行串联和并联混色，研究混色后白光LED的光谱、光色电参数及其随正向电流变化的调光效果。

2 白光LED混色理论

沈海平［12］等人研究了一种改进的高斯模型来表示LED光谱，如下式:

其中:S(λ)表示LED的相对光谱功率分布;

λ0——峰值波长;

Δλ——光谱半高;

波长的单位为nm。

利用上式公式，本文采用以下函数来表示白光LED的相对光谱功率分布:

已知两种不同色温 (Tc1和Tc2)的白光LED进行混色，将分别拟合出的两种光源的相对光谱功率分布转换成绝对光谱功率分布后进行叠加，然后将叠加后的数值归一化后得出混色光源的相对光谱功率分布P(λ)，再根据

计算出白光的色坐标值x，y。由色坐标 (x，y)便可得到混色后白光的色温Tc。

3 白光LED混色实验

3.1 串联可调

实验采用相同支架、InGaN基蓝光LED芯片、胶水和不同YAG荧光粉配比制备两种高亮度低衰减白光LED样品，其色温分别为:2700～2900K和7000～8000K，从中随机抽取样品分别记为:S1、S2，将其串联后记为 S串，S1、S2、S串的光色电参数采用杭州远方光电信息有限公司的PMS-80紫外—可见光—近红外光谱分析系统和LED620光强分布测试仪测试与记录。在室温下，调节正向电流IF，记录IF为10mA、20mA、30mA情况下S1、S2、S串的光谱、色温Tc、色坐标 (x，y)及显色指数Ra等参数及其变化规律。

3.1.1 串联光谱特性和光通量变化

如图1(a)、(b)、(c) 所示为S1、S2、S串分别在10mA、20mA、30mA情况下的绝对光谱图，图2为S1、S2在10mA电流下实验测量S串白光绝对光谱与理论计算S串白光绝对光谱的比较。研究表明:(1)S串的绝对光谱图是S1、S2绝对光谱图的叠加，即串联后每个波长上光源辐射的功率等于S1各波长辐射功率与S2各波长辐射功率相加;(2)S1、S2在10mA电流下，实验测量S串白光绝对光谱的均方差为0.0481，理论计算S串白光绝对光谱的均方差为0.0491，两者基本吻合。

图1

图2 IF=10mA混色白光绝对光谱图

3.1.2 色温、色坐标与正向电流的关系

如图3(a)所示，随着正向串联电流IF增大(10～30mA)，S1色温变化范围为68K，S2色温变化范围为367K，S串白光色温变化范围为113K，偏向于色温低的S1。而且，低色温白光LED色温比高色温白光LED色温变化小，色温越低的白光LED的色温变化越小，否则反之。

这是因为:(1)白光光谱是由InGaN芯片发射的蓝光和被激发的荧光谱组成，InGaN芯片发射的蓝光的性质与正向电流的大小有密切关系［13］，而荧光体的发光谱与正向电流无直接关系［14］。随着白光LED的色温降低，光谱中InGaN芯片发射的蓝光成份逐渐减少，而荧光体的发光却占主导地位。在低色温中，由于光谱中蓝成份所占比例很小，所以正向电流增加所带来的色温变化幅度小，而高色温LED则反之［15～16］。 (2)串联混色后荧光粉的发光谱接近于低色温样品S1，如图1(a)、(b)、(c)所示。

如图3(b)所示，串联后的色坐标在S1、S2连接的直线上，从图中可以看出实验测得的混色的色坐标与理论计算的串联后的色坐标基本重合，其误差小于0.9%。随着正向串联电流IF的增大，色坐标x，y均随之减小［16］，且x－y关系曲线的斜率减小，高色温LED样品S2的色坐标减小量大于低色温LED样品S1的色坐标减小量。

3.1.3 串联混色显色指数变化

样品S1在正常工作电流下显色指数Ra为67，样品S2在正常工作电流下显色指数Ra为88，S串显色指数如图4所示，串联电流从5～30mA变化，从图中看出串联混色后的显色指数Ra保持在80以上，显色指数较高，适应于照明市场。

图3 串联混色

图4 串联混色显色指数变化曲线

3.2 并联可调

将上述选取的样品S1、S2白光LED进行并联混色，并记为S并，在室温下，给定其中一样品某一电流 (10～30mA)，将另一样品电流从5～30mA变化，记录S并白光光谱、色温、色坐标、显色指数等参数及其变化规律。

3.2.1 串联光谱特性和光通量变化

如图5(a)、(b)、(c)所示为IS1=10mA和IS2=20mA并联，IS1=20mA和IS2=10mA并联，IS1=30mA和IS2=10mA并联绝对光谱图，图6为S1、S2分别在30mA和10mA电流下实验测量S并白光绝对光谱与理论计算S并白光绝对光谱的比较。研究表明:(1)S并的绝对光谱图是S1、S2绝对光谱图的叠加，与串联情况相同;(2)S1、S2分别在30mA和10mA电流下，实验测量S并白光绝对光谱的均方差为0.0714，理论计算S并白光绝对光谱的均方差为0.0711，两者基本吻合。

图5

图6 IS1=30mA和IS2=10mA并联混色白光绝对光谱图

3.2.2 色温、色坐标与正向电流的关系

如图7(a)、(b)所示，分别给定S2恒定电流10mA、20mA、30mA，将S1电流IF1从5～30mA变化，在S2电流IF2不变的情况下，S并白光色温随着IF1增大而减小，色坐标x，y则均随着IF1的增大而增大。当 IF1从 5mA并以5mA的增长量增加到30mA，S并白光色温的减小速率 (K/mA)下降。如IF2=10mA时，IF1从5mA增加到10mA，S并白光色温减小速率为104.4K/mA，当IF1从25增加到30，S并白光色温减小速率为11.6K/mA。当S2的恒定电流IF2增加时，S并白光色温与IF1的关系曲线上移，色温值均上升。当 IF2电流从 10mA增加到20mA，S并白光色温上移量比IF2电流从20mA增加到30mA要大。由于高色温样品S2的电流IF2恒定而增加低色温样品S1的电流IF1，则并联后的混色白光中低色温样品S1的比重加大，其重心更加接近低色温样品S1。所以，S并白光色温随IF1增大而减小，色坐标则反之。当提高给定的样品S2恒定电流IF2的同时，高色温比重加大，S并白光色温亦提高。

如图8(a)、(b)所示，分别给定S1恒定电流10mA、20mA、30mA，将S2电流从5～30mA变化，在S1电流不变的情况下，S并白光色温随着S2的电流IF2增大呈亚线性增大趋势，色坐标x，y均随着S2的电流IF2增大而减小。当IF2从5mA并以5mA的增长量增加到30mA，S并白光色温的增加速率 (K/mA)下降。如IF1=10mA时，IF2从5mA增加到10mA，S并白光色温增加速率为92.6K/mA，当IF2从25mA增加到30mA，S并白光色温增加速率为40.8K/mA。当S1的恒定电流IF1增加时，并联后的混色白光色温与IF2的关系曲线下移，色温值均降低。当IF1电流从10mA增加到20mA，S并白光色温下移量比IF1电流从20mA增加到30mA要大。由于低色温样品S1的电流IF1恒定而增加高色温样品S2的电流IF2，则并联后的混色白光中高色温样品S2的比重加大，其重心更加接近高色温样品S2。所以，S并白光色温随IF2增大而增大，色坐标则反之。当提高给定的样品S1恒定电流IF1的同时，低色温比重加大，S并白光色温亦减小。正好与图7(a)、(b)相反。

由图7(a)、图8(a)与图3(a)比较表明:S1、S2并联时比两者串联时可调色温的范围更大一些，并联可实现色温可调范围在2700～6000K以上。并联方式可单独控制各自白光的变化，可调性更大，更适合应用于智能照明市场，通过对不同环境的需求，调节电流变化，获得不同的色调。

图7 并联混色且S2电流恒定

3.2.3 并联显色指数变化

如图9(a)所示，IS2=10mA恒定电流下，S1电流从5～30mA变化，并联混色后白光显色指数保持在75以上，图9(b)所示，IS1=10mA恒定电流下，S2电流从5～30mA变化，并联混色后白光显色指数保持在79以上，可以看出并联混色显色指数仍保持较好的值。

图8 并联混色且S1电流恒定

图9 并联混色

4 结论

基于色度学和混色原理，采用相同InGaN蓝光LED芯片，制备低色温 (2700～2900K)和高色温(7000～8000K)草帽白光LED并通过串联和并联方式测试混色的光谱、色温和色坐标，通过光谱函数拟合计算与实验研究表明:串并联混色的绝对光谱符合各高低色温白光LED样品绝对光谱的叠加，混色后的色坐标符合各高低色温白光LED色坐标连接的直接线，符合色度学色光混合的基本规律。高低色温白光LED串联时，串联后的色温接近于低色温白光，色温随电流的增大而增大，色坐标随之减小。高低色温白光LED并联时，当给定高色温白光LED一恒定电流，混色后的色温随着低色温白光LED的电流增大而减小，当高色温白光LED恒定电流增大时，混色后整体色温也相应提高;当给定低色温白光LED一恒定电流时，混色后的色温则随着高色温白光LED的电流增大呈亚线性增大，当低色温白光LED恒定电流增大时，混色后整体色温均降低。通过串并联方式对比发现并联混色比串联混色可调色温范围要大，更适合应用于LED智能照明市场。目前高低色温白光LED都能做到较好的显色指数，混色后的白光显色性也较好，串联混色显色指数均保持在80以上，并联混色显色指数保持在75以上。较好的显色指数对照明市场提供了更大的优势。

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