白光LED照明色溫調(diào)節(jié)方法的研究

邸元國，鄭利紅

(1.上海時代之光照明電器檢測有限公司，上海 201100；2.上海亞明照明有限公司，上海 201800)

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白光LED照明色溫調(diào)節(jié)方法的研究

邸元國1，鄭利紅2

(1.上海時代之光照明電器檢測有限公司，上海 201100；2.上海亞明照明有限公司，上海 201800)

通過建立驅(qū)動電流與LED白光光譜的色坐標(biāo)的關(guān)系曲線，得到了兩種色溫白光LED的各路驅(qū)動電流與混合色溫的關(guān)系，進(jìn)而調(diào)節(jié)白光LED色溫從2700K到6500K。

色溫;冷白光LED;暖白光LED;驅(qū)動電流

引言

白光LED照明調(diào)節(jié)色溫的方法有：(1)白光LED與單色光R/G/B LED混合，調(diào)節(jié)各路的驅(qū)動電流來調(diào)節(jié)色溫。這種方法的優(yōu)點是光譜較寬，顯色指數(shù)較高，但由于單色光激發(fā)效率較低，整體光效不高，且各單色光隨時間溫度變化的波長偏移，整體色溫不易控制，所以這種方法沒有被廣泛采用；(2)行業(yè)上常用的方法是暖白光LED(2700K)與冷白光LED(6500K)混合調(diào)節(jié)色溫，但是暖白光LED與冷白光LED的藍(lán)光LED芯片主波長與激發(fā)熒光粉效率不同，要使色溫調(diào)節(jié)從2700K到6500K，且色容差小于7[1]，須考慮如下幾點：暖白光LED隨驅(qū)動電流變化與色溫的關(guān)系；冷白光LED隨驅(qū)動電流變化與色溫的關(guān)系；以及冷白光LED與暖白光LED各自調(diào)節(jié)驅(qū)動電流時的混合色坐標(biāo)值。

1 色溫與色容差的計算

1.1 色溫計算

色溫是描述光源的發(fā)光特性的一個基本參數(shù)，是顏色測量中的一個重要指標(biāo)。白熾燈以外的其他光源，其光色在色度圖上不一定準(zhǔn)確地落在絕對黑體軌跡上，所以只能用光源與黑體軌跡最近的顏色來確定該光源的色溫，稱為相關(guān)色溫。相關(guān)色溫的計算方法主要有三角插值法、黑體軌跡法、模擬黑體軌跡弧線法以及McCamy近似公式法[2]。其中McCamy近似公式法最簡單且容易操作。

McCamy于1992年提出了由色坐標(biāo)x、y直接計算相關(guān)色溫(Tc)的函數(shù)關(guān)系式：

1.2 色容差的計算

光源發(fā)出的光譜與標(biāo)準(zhǔn)光譜之間的差別即色容差。

2 白光LED色坐標(biāo)與驅(qū)動電流的變化關(guān)系

兩種色溫白光LED均選用同等數(shù)量0.1W小功率貼片式熒光粉涂覆型LED，且實驗LED采用相同支架、InGaN基藍(lán)光LED芯片[4]、主波長為440～460nm，熒光粉為不同比例YAG黃色熒光粉與紅色熒光粉混合。白光LED受多重因素影響，其中色度穩(wěn)定性和均勻性、散熱條件對LED性能影響比較大[5]。研究發(fā)現(xiàn)，電流變化對綠光光譜影響最大，對白光光譜影響最小[6]。其中藍(lán)光LED主波長隨驅(qū)動電流的增加而變短即藍(lán)色加深，如圖1所示，致使驅(qū)動電流變化白光LED色坐標(biāo)隨之變化，即色溫會向高色溫方向偏移。

圖1 藍(lán)光LED芯片主波長與驅(qū)動電流的關(guān)系曲線Fig.1 Curve: The relations between dominant wave length and drive current of blue LED chip

圖2 電流增大冷白光LED色坐標(biāo)變化曲線Fig.2 Curve: Cool white LED chromaticity coordinate change with current change

圖3 電流增大暖白光LED色坐標(biāo)變化曲線Fig.3 Curve: Warm white LED chromaticity coordinate change with current change

從圖2、圖3可以看出，無論冷白光LED還是暖白光LED，隨著驅(qū)動電流的增加色坐標(biāo)均藍(lán)移，即色溫增大。

3 冷白光LED與暖白光LED混合調(diào)節(jié)色溫變化

為了使混合色溫從2700K到6500K連續(xù)調(diào)節(jié)，需要知道兩種LED同時調(diào)節(jié)電流與色溫的關(guān)系式。根據(jù)第2節(jié)，可以得出如下思路：為了使色溫由暖色逐漸變?yōu)槔渖梢韵劝雅坠釲ED驅(qū)動到最大允許電流，而把冷白光LED驅(qū)動到最小可點亮電流，然后逐漸減小暖白光LED驅(qū)動電流，同時逐漸增大冷白光LED驅(qū)動電流。

從表1數(shù)據(jù)可以看出兩種光色LED均在電流最大時混合的色溫為正白光，暖白光LED電流由最大逐漸減為最小，而同時冷白光LED由最小點亮電流到最大電流，兩者混合色溫從2700K逐漸增大到6500K，從而驗證了最初的思路。色溫調(diào)節(jié)曲線圖見圖4。

由圖5可以看出，色溫從2700K到6500K色坐標(biāo)的色容差全部小于7(根據(jù)GB/T 29294—2012 LED筒燈性能要求，色容差應(yīng)小于6)。

表1 暖白光LED與冷白光LED驅(qū)動電流與色溫的數(shù)據(jù)Table 1 Date:LED drive currents and color temperature of cool white LED and warm white LED

圖4 暖白光LED與冷白光LED電流之比與 混合調(diào)節(jié)后色溫曲線圖Fig.4 Curve: The current proportion of Warm white LED with cool white LED and the result color temperature

圖5 色坐標(biāo)圖(色容差≤7)Fig.5 LED chromaticity coordinate (color allowance less than or equal to 7)

4 小結(jié)

本文通過對同等數(shù)量的熒光粉涂覆型暖白光LED與冷白光LED驅(qū)動電流與色溫關(guān)系的分析，得出了兩種LED的驅(qū)動電流之比與混合色溫的關(guān)系，隨著暖白光占的比例越大色溫向暖色溫方向移動，反之向冷色溫方向移動，在調(diào)節(jié)過程中等間隔比例調(diào)節(jié)無法實現(xiàn)色溫的無級調(diào)節(jié)(根據(jù)以上試驗結(jié)果，無級調(diào)節(jié)的前提是電流的非等間隔調(diào)節(jié)，但這一點的實際應(yīng)用價值不大，因為隨著色溫的升高人眼對色溫變化的敏感度是成下降趨勢的)。由圖4可見，在冷白光與暖白光驅(qū)動電流的近似1∶1.2點處是一個較為明顯的拐點，在此點之后等間隔調(diào)節(jié)色溫變化曲線斜率降低，即變化減緩，在此點之前，等間隔調(diào)節(jié)色溫變化曲線斜率可認(rèn)為近似相同，但也是緩慢降低的趨勢(即實現(xiàn)無級調(diào)節(jié)的要求是調(diào)節(jié)電流間隔需要逐漸增大，但需要更進(jìn)一步試驗來確定具體值)。如果根據(jù)GB/T 29294—2012標(biāo)準(zhǔn)中初始相關(guān)色溫的要求的相關(guān)規(guī)定來界定色溫調(diào)節(jié)區(qū)段，綜合圖4可以得出結(jié)論：當(dāng)設(shè)置調(diào)節(jié)電流間隔值為20mA時可滿足標(biāo)準(zhǔn)要求，即實現(xiàn)色溫從2700K到6500K八擋連續(xù)調(diào)節(jié)。

[1] 中華人民共和國國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗檢疫總局，中國國家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會.GB/T 24823—2009 普通照明用LED模塊-性能要求[S].北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，2010.

[2] 張浩，徐海松，光源相關(guān)色溫算法比較研究[J].光學(xué)儀器，2006，28.

[3] 中華人民共和國國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗檢疫總局.GB/T 5702—2003 光源顯色性評價方法[S].北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，2003.

[4] 劉康，郭震寧，林介本，等.高亮度白光LED混色理論及其實驗研究[J].照明工程學(xué)報，2012,23(1)：51-57.

[5] 張寅,施豐華,徐文飛，等.大功率白光LED封裝技術(shù)[J].照明工程學(xué)報，2012,23(3):52-55.

[6] 談茜，饒豐，張永林，等.LED光譜特性及其在中間視覺下的應(yīng)用[J].照明工程學(xué)報，2012，23(4):52-55.

The Regulating Method for Color Temperature of White LED System

Di Yuanguo1, Zheng Lihong2

(1.ShanghaiAlphaLightingEquipmentTestingCo.Ltd.,Shanghai201100,China;2.ShanghaiYaMingLightingCo.,Ltd.,Shanghai201800,China)

According to the relationship between drive current and color coordinate of white LED spectrum, the relationship for the electric current and the mixed color temperature of the two color temperature LED white light was obtained, then the LED system color temperature was regulated from 2700K to 6500K.

color temperature; cool white LED; warm white LED; electric current

TM923

A

10.3969/j.issn.1004-440X.2015.02.013