白光LED的光效究竟能到多少

一、什么是可用于的照明白光

　　照明的白光一定要有可用的顯色指數(shù)和舒適的色溫．天然光和白熾光都是自然界賦予的。是人類制造的人工光源追求的目標(biāo)，它們分別代表了高色溫(5000K以上)和低色溫(3000K以下)的顯色指數(shù)接近100的理想光源．到目前為止。人工光源中除了白熾燈(低色溫)和氙燈(高色溫)以外幾乎沒有這樣好的顯色性的光源．

　　然后，在目前照明領(lǐng)域的所有場合中，不是一定要光源的顯色指數(shù)有100才能應(yīng)用．顯色性只有50的鹵磷酸鈣熒光粉的熒光燈不是也用了大半個(gè)世紀(jì)嗎?顯色性只有20左右的高壓鈉燈不是在道路上也應(yīng)用了半個(gè)世紀(jì)嗎?因此不能一概而論。必須按照周圍環(huán)境和使用條件才能劃出好用和不好用的界線．
　　但是，當(dāng)今技術(shù)發(fā)展的大背景下。不可否認(rèn)地看到這樣的事實(shí)：
　　1．綠色和低碳要求我們使用光效越來越高的光源，滿足減少耗能的目的。新的產(chǎn)品必須有高的發(fā)光效率．例如：用三基色熒光粉替代鹵磷酸鈣熒光粉制成的熒光燈光的光源的發(fā)光效率可以提高約50％(從22501m(40W鹵磷酸鈣熒光燈)提高至U3350 Im(36W---"基色熒光燈))：彩色的LED已經(jīng)全面替代了傳統(tǒng)白色光源加濾色片的這種發(fā)出彩色光的模式，如此等等：

　　2．顯色性已經(jīng)越來越得到重視．顯色性差的光源往往在許多場合中是不能用或不建議用的．最清楚的例子就是低壓鈉燈有接近2001m／W的發(fā)光效率，但單色的黃色光使它只能用于道路照明和極少的其它場合．有更大受眾面的室內(nèi)環(huán)境，要求的顯色性更高。像美國能源部(DOE)對(duì)用于室內(nèi)照明的LED燈的顯色指數(shù)已從原來的70(2007，8)提高到近來規(guī)定的≥80了(2009．12)H]．在國內(nèi)的照明設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)中，也規(guī)定有辦公室和賓館飯店中的顯色指數(shù)應(yīng)在80以上的要求．還有。高顯色指數(shù)(Ra>80)的金鹵燈的出現(xiàn)，使國際上體育場館的照明指標(biāo)中的顯色性從原來的60多提高到>80，一切源出于此．那么，什么是可用于照明的白光呢?高光效和高顯色指數(shù)且符合照明環(huán)境或照明作業(yè)對(duì)象的白光才是最好的白光．在當(dāng)前情況下，高光效意味著比傳統(tǒng)光源的發(fā)光效率要高。因?yàn)楝F(xiàn)在不同場合現(xiàn)在都有傳統(tǒng)光源在充當(dāng)主角，將發(fā)光效率高的傳統(tǒng)光源裝入燈具內(nèi)作為標(biāo)桿，再將新光源裝入此燈具(如LED燈具)后做比較，不失為一種比較好的方法。DOE目前文件中就有將普通燈泡、MRl6和熒光燈這方面的標(biāo)桿．至于顯色指數(shù)，各種不同場合下的顯色指數(shù)是人為規(guī)定的一個(gè)數(shù)值，有些場合中沒有規(guī)定，如室外照明，有的已經(jīng)作出詳細(xì)規(guī)定，特別是室內(nèi)照明中的要求頗多，例如家居環(huán)境中顯色指數(shù)在80以上，已經(jīng)成為俗成的要求了。因此，比傳統(tǒng)光源有高的效率和顯色指數(shù)大于80似乎應(yīng)該是衡量室內(nèi)照明用白光LED的一個(gè)界限。

　　用LED驅(qū)動(dòng)傳統(tǒng)光源的趨勢已經(jīng)明朗，高的光線和不太低的顯色指數(shù)，已經(jīng)在一些室內(nèi)外照明中展露頭角，顯現(xiàn)出不俗的成績和強(qiáng)勁的發(fā)展勢頭，必須引起注意。

　　二、LED產(chǎn)生白光的顯色指數(shù)

　　目前有兩種產(chǎn)生白色LED的方法：熒光法和RGB法，它們有不同的色溫和顯色指數(shù)，圖上的光譜曲線就表示了不同的色溫和顯色指數(shù)。

圖1熒光法(BY法)得到白光幾種色溫和顯色指數(shù)

圖2 RGB得到白光的色溫和顯色指數(shù)

圖上的曲線說明了兩個(gè)問題：

　　1、 用BY法得到的白光的顯色指數(shù)在80以下。由于熒光法得到的是連續(xù)光譜，在與傳統(tǒng)光源比較時(shí)，采用傳統(tǒng)方法計(jì)算顯色指數(shù)，不能說是一個(gè)還有缺陷的方法：眼下DOE規(guī)定了一體化燈的顯色指數(shù)指標(biāo)為80以上后，更需要重視了。
　　2、用傳統(tǒng)的顯色指數(shù)計(jì)算方法計(jì)算由RGB方法得到白光見圖2，它的顯色指數(shù)比較低。

　　三、產(chǎn)生白光的光源的理論極限光效的計(jì)算—光譜設(shè)計(jì)和光電效率轉(zhuǎn)換

　　以為LED是單色光源，可以由RGB或者BY兩種方法產(chǎn)生白光，因此，對(duì)RGB法形成白光可以看出拼湊出來的一種白光光源，它的光譜可變，色溫和顯色性也可變，以適合各種需要。而BY法產(chǎn)生的白光就不會(huì)又太多的變化了。

　　眾所周知一種光源，光譜的可變表示了它的發(fā)光效率、色溫和顯色指數(shù)是有變化余地的。有的變得光效更高和顯色更好，也有變得更差。顯然，任何制造商都想朝著將這些參數(shù)向越來越好的方向發(fā)展。當(dāng)然LED的光譜設(shè)計(jì)就變得特別重要了。我們知道，白色LED光源的極限光效A=Wo*We。其中Wo為光源光功率的理論效率，由光譜線上個(gè)譜線的光功率折算為光通量計(jì)算來的，如按照人眼光譜光視效能最高的電功率1W的555nm黃綠光相當(dāng)于光功率是683lm,即光電轉(zhuǎn)換效率是683lm/w。We為光源發(fā)光機(jī)理算出的電功率轉(zhuǎn)換為光功率的理論效率。

　　不同光譜的光譜線有不同的光功率，不同的組合就有不同的光功率的理論效率。
典型的白色光源可設(shè)計(jì)成圖3中的三種光譜構(gòu)成：
1、可見光區(qū)域內(nèi)等能量分布；
2、以555nm為最大值的三角形分布；
3、與人眼光譜光視效率曲線相同技術(shù)可得表1的結(jié)果。

圖3

　　光電轉(zhuǎn)換效率We由光源的發(fā)光機(jī)理決定，對(duì)LED光源來說：RGB和BY法得到白光LED的光電轉(zhuǎn)換效率由英國科學(xué)家代表團(tuán)組織在2006年發(fā)表的一個(gè)LED技術(shù)報(bào)告中給出，圖4是RGB法得到的白光的最高轉(zhuǎn)換效率。

圖4 RGB法得到的白光的最高轉(zhuǎn)換效率

　　最高光電轉(zhuǎn)換效率We是66%

圖5是BY法得到的白光的最高轉(zhuǎn)換效率。

　　最高光電轉(zhuǎn)換效率We是56%。

　　將上述兩個(gè)內(nèi)容結(jié)合起來就可以得到RGB法和BY法得到的白光LED的最高光效，然后在實(shí)際應(yīng)用中還得考慮一下事實(shí)：上面三種假想的光譜分布實(shí)際上有現(xiàn)實(shí)意義的就是顯色指數(shù)在80以上的室內(nèi)照明要用到的三角形光譜。等能量分布的很難制造出來，況且它的發(fā)光效率不高，V分布的顯色指數(shù)太低，只有三角形分布才有有可能制造出來。

　　三角形光譜的Wo為324lm/W。有可能做到接近它的水平（因?yàn)椴豢赡芄庾V是一模一樣的）也許只有300lm/W左右。即Wo=300lm/W。這樣一來，LED最高光效的數(shù)值：

　　RGB法：300*66%=198lm/W
　　BY法：300*56%=168lm/W

　　至于在顯色指數(shù)要求不高的室外，如以V分布為光譜分布的追求目標(biāo)，在最高Wo為511lm/W的基礎(chǔ)上打一折扣，認(rèn)為可達(dá)到450lm/W的話，用BY法得到的最高光效是：450*56%=252lm/W。不過，這種顏色的光發(fā)青黃色，很難看，也不能被人們接受。因此在看LED的光效時(shí)一定要關(guān)心它的顯色指數(shù)。只講光效，沒有顯色指數(shù)是沒有實(shí)用意義的。