LED照明灯具的光效和光色品质如何达到平衡？

2016-04-05 07:40

中国照明 2016年3期

去年某公司的LED光效取得重大突破，达303lm/W，很多业内人士在啧啧赞叹的同时，各种“砖家”也开始进行下一步的大胆预测，400lm/W，500lm/W，1000lm/W……

今天我们来扒一扒：光的最大极限光效是多少？

我们从小就知道：有了电，多方便，电的用处说不完。其中之一就是解放了人类夜生活的电灯泡。

电是怎么转化为光的呢？不同的光源各有不同原理，但总的来说都是这样：

所以，灯泡的发光效率的计算公式大家都很熟悉，即光通量除以总功率。

辣么，这个发光效率的极限又是多少呢？这个恐怕就不是所有人的都知道了。

电在灯泡里都变成了啥？

首先我们来回忆一下，当年初中物理老师在我们耳朵边一直唠叨的“能量守恒定律”（指在能量转换过程中能量必须保持守恒），这是不能违背的自然规律。

以LED灯泡为例，如果所有的电功率我们都用上了，LED器件工作在转化电功率P时，会产生两种：一种用来发光（光功率PV），一种用来发热（热功率PH）。

所以，上面那个公式也可以变个形（学数学和物理跟我一样最讨厌变形的举个手？）：

我们来举个例子，下面这个图呢，是一个COB器件的光电测试报告（不知道你看不看得懂？）：

图：光电测试报告

报告中用红色标示的辐射通量Φe就是光功率，从能量守恒的角度理解就是LED消耗了31.21W的电功率，有11.97W（占38.36%）变成了光功率，19.24W（占61.64%）转化成热功率，发出了3922lm的光。

如果不考虑热功率（假装只耗了11.97W的电），这个器件能达到的极限光效或光视效能（LER）就是：

上面我们说到了一个专业名词光视效能（LER），可是妈蛋，这是个什么鬼？憋急，问我。

现在假设我们发明了一种理想的LED，不产生热量，可将电功率P100%转换成光功率PV。（在理论世界里，理想还是要有的，虽然总也实现不了）

这时的光效就是理论最大值了，这个值还有个学名，叫光视效能（luminous efficacy of radiation，简称LER）。

LER的理论计算公式如下（我知道你看不懂～～）：

公式中的Km叫最大光视效能，等于683lm/W，意思是人眼最敏感的黄绿光（555nm），1W的光功率相当于683lm光通量。

当光谱的形状确定了，光视效能（LER）也就确定了。（测光谱有个便携神器你知道吗？）

理论和公式不好（yong）懂，再举个例子吧。

上面图中，我们可以看到卤素灯的光视效能（LER）只有130lm/W，也就是说卤素灯理论上的最高光效能做130lm/W，主要是卤素灯的光谱里面包含了大量的红光，从视见函数V(λ)（黑色虚线所示）上看，这些红光人眼都是不敏感的，导致光视效能（LER）比较低。

而LED1去掉了比较多的红光，光谱里面大部分是人眼敏感的黄绿光，所以光视效能（LER）可达到330lm/W，但是因红光去得比较多，导致显指只有80。

LED2则包含较多的红光，显指有97，光视效能（LER）也能达到260lm/W。

所以，回到前面说的货币兑换的比喻（原文点这里：《从货币兑换的角度理解LED光通量》）：

LER的意思相当于你手上有很多种光（货币）根据V(λ)视见函数（汇率）折算成统一的光通量（价值）。

人眼最敏感的光是555nm的黄绿光，它的光视效能（LER）是683lm/W，这就是理论上的最高光效。（所以，LED再牛逼，也是追不上尾号683这辆车的！）从表2中也可以看到，455nm的蓝光的光视效能（LER）只有32.8lm/W。

2013年美国Po-ChiehHung等在IEEE期刊发表过一篇文章，文章中他模拟计算了各种显指、色温的极限光效，并整理成一个图表，如下图所示。

图：最大理论光效

从图中我们可以看到，白光理论上的最高光效只有480lm/W，而且这时候的显指只有30，显色效果极差。

如果为了提高显指，光谱中需要包含更多人眼不敏感的蓝光和红色（相当于手上拿了很多不值钱的货币，面值再高，折算下来的价值还是很低）。

光效和光色品质，就这么在一个灯泡里，相生相克相爱相杀着。也正因为如此，照明设计时选择光源时，往往没有最好，只有最合适。

现在，您明白白光的光效为什么做不到1000lm/W了吗？

PS：本文讲的V(λ)都是明视觉视见函数。