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LED照明灯具的光效和光色品质如何达到平衡?

来源:ofweek 日期:2017/5/2 13:50:26 浏览量:... 分享到:
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……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:

图片1.png

  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?):

图片2.png

  我们来举个栗子,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?):

图片3.png

  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:

图片4.png

  光视效能(LER)是个什么鬼?

  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~~):

图片5.png

  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,再举个栗子吧。

图片6.png

  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。

图片7.png

  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。

图片8.png

  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。

  光效和光色品质,自古万事难两全

  2013年美国Po-ChiehHung等在IEEE期刊<JOURNAL OF DISPLAY TECHNOLOGY>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6所示。

图片9.png

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?

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