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【技术百科】白光LED是否有极限发光效率?
发布时间: 2019-4-29 13:50:08

人造光源是伴随着光源发光效率的提升而发展,白炽灯、荧光灯、气体放电灯等传统光源的发光效率已经没有更多的提高空间,他们的光效在10-140lm/w之间,发光效率高的光源通常相伴的是低显色性,如低压钠灯光效可以达到200lm/w,但其显色指数在44左右。

作为目前主流照明的LED产品,其光效是否存在极限值?这个问题是应该有个明确的答复,之所以现在回答,是因为LED应用已经开始在生物光学范畴展开,与LED照明相比,在生物光学应用中,其特点是参数化产品。


1、光谱流明效率

目前主流LED白光是由蓝光芯片激发黄色荧光粉制成。这种制成的白光发光光效也是最高的。

在物理学中,几乎所有物理计量单位是与人的主观意识无关。我们似乎习惯相信测量仪器的测量结果。

但是,在光度学上,描述光通量的计量单位不仅仅与客观计量有关,而且也与人的主观视觉有关,光通量的计算考量人眼视觉的影响体现在视觉函数上。

视觉函数分明视觉函数与暗视觉函数,这里我们讨论照明LED的发光效率,所用的是明视觉函数V(λ)。


国际上对明视觉函数V(λ)规定,以人眼对555nm波长的光最为敏感,在视觉函数中把人眼对555nm波长的光敏感度定为1,这时对应的V(λ)最大值为683,波长小于或者大于555nm的光敏感度都小于1。

当波长为555mn的辐射功率为1瓦时,人眼睛视觉的光通量为683lm,发光效率是683lm/w。

注意:683lm/w是指辐射功率的光效,不是耗电功率。

生物光学的波段应用范围是380-800nm之间。

白光灯珠波长在380-800nm的光通量计算公式为:

式中:

P(λ)是波长为λ时的辐射功率,单位:瓦(w/λ)

V(λ)是明视觉函数

λ是波长,单位nm, 683是最大光谱视觉能效,单位:lm/w。

从这个公式可以看出,V(λ)是固定的函数,所以,辐射功率越大,光通量越高。

我们把ηλ=683*V(λ)称为光谱流明效率,这是每瓦辐射功率转换为光通量的转换效率,单位:lm/w 。

光谱流明效率是一个与波长相关的效率。

对于波长460nm的光辐射,最大ηλ=40.98 lm/w。


不同波长的光,其光谱流明效率是该波长的发光效率的极限值。

注意:

(1)光谱流明效率是辐射功率对光通量的转换效率,与灯珠的发光效率不同。这个光谱流明效率不是灯珠消耗的电功率产生的发光效率。

(2)光谱流明效率与单色光灯珠的发光效率概念不同,单色灯珠的发光效率是辐射功率分布内,每个波长的光谱流明效率的积分值。

由于白光LED是用蓝光芯片发出的光子激发黄色荧光粉,使得激发后光谱的波长范围向波长大的方向变宽,而且主要集中在黄色光周围,这样变宽的黄光波段的光谱流明效率产生的光通量加大,总的光通量提升,这就是为什么白光LED的光效远高于蓝光LED。

按照色度学概念,蓝光+黄光=白光

这就是白光LED的发光原理。


2、发光效率定义

定义:灯珠的光通量与输入的电功率之比,也就是灯珠消耗的电功率到光通量输出的转换效率。

灯珠的发光效率:

ηWP=Φ/Ptot    单位:lm/w     (2)

式中Ptot是灯珠的耗电功率。

Ptot=IFUF  单位:w  

其中: IF输入电流(A),UF 结电压(V)。

灯珠在施加外部电能时,灯珠损耗的电功率会产生辐射功率,不同的波长芯片产生的辐射功率不同。

由于施加的电功率不会全部转换为辐射光子的辐射功率(也称为光功率),就会存在一个辐射效率的问题。

我们把灯珠输出的辐射功率与输入的电功率(耗散功率)之比称为辐射效率。

辐射效率:η(λ)=P(λ)/Ptot  

P(λ 为辐射功率,Ptot 为输入功率,两者单位都是瓦(w)

所以辐射功率:

P(λ)=η(λ)Ptot=η(λ)IFUF    (3)


LED在恒流驱动和PN结温稳定后,IFUF基本上是常数。

辐射功率P(λ)与辐射效率η(λ)成正比,所以是辐射效率决定灯珠的辐射功率大小。

根据公式(1)(2)(3),白光发光效率可以写为:

由于V(λ)对应每个波长的数值是恒定的,灯珠发光效率ηWP仅仅与辐射效率η(λ)成正比,因此,辐射效率决定灯珠的发光效率。

η(λ)是一个与辐射功率分布形态相关的函数。

公式(4)说明发光效率仅仅与辐射效率和光谱形态相关,与输入功率无关。

一个与输入功率无关的关系式可以从机理上解释清楚白光灯珠的发光效率。

通过对η(λ)相关的效率计算分析,我们发现η(λ)是个与芯片性能相关的函数,而荧光粉与封装工艺在灯珠封装后对η(λ)影响是固定的。

公式(4)表明发光效率仅受辐射效率的影响,对公式(4)的研究可靠性最高。

这是一个与之前白光极限光效研究不同的计算方法,可以从机理上完整表达灯珠发光效率的函数关系。

声明:引用该公式需要注明来源。


3、与灯珠辐射效率相关的各个效率

辐射效率η(λ)是与内量子效率ηint,光子提取效率ηee、封装的光学效率ηoe,荧光粉激发效率ηPhosphor、灯珠内部电路导电效率ηc相关。

这些效率都是表达发光二极管对能源的利用效率。

ηλ)=ηint×ηee×ηPhosphor×ηoe×ηc

各种效率的定义:

内量子效率 ηint

内量子效率是LED的PN结中,电子与空穴复合后产生光子的效率。

并非所有的电子和空穴复合都能产生光子,这与PN结本身有关。

内量子效率还与灯珠输入的电流有关,电流越小,ηint越高,这里我们是以常规的电流密度进行计算。

 ηint与芯片的波长相关,不同波长芯片的电势能影响较大。

每种波长的光子需要的电势能如下图所示

实际测量下,不同波长的内量子效率如下图所示:

子提取效率ηee

光子提取效率是指芯片内产生的光子能够辐射出芯片外的效率。

是与芯片结构、芯片表面导电电极排布,芯片与外部连接电极的位置等有关,也就是与芯片制造工艺相关。

芯片制造性能决定芯片光子提取效率。

芯片制成后,这个效率不会发生变化。

光子提取效率是影响灯珠发光效率的主要因素。

目前全球还没有可以把光子效率提升到70%以上的芯片量产技术。

光子提取效率达到60%都是非常困难的技术,未来白光LED的技术提升主要是光子提取效率的提升。

封装的光学效率ηoe

由封装支架结构、胶水、灯珠上的透镜等引起的光子射出效率。

这个效率与芯片的性能无关,芯片封装后是个固定值。

采用低成本的胶水与支架会降低灯珠发光效率。

荧光粉激发效率ηPhosphor

蓝光光子激发荧光粉而产生的光子转换效率。

如果ηPhosphor=100%,表明蓝光产生的光子数等于白光光子数。

荧光粉效率不会达到100%,首先是没有这种效率的荧光粉,其次白光LED需要保留部分蓝光光子去合成白光,如果蓝光光子全部激发荧光粉,白光合成无法产生。

这一点可以解释,白光灯珠的光量子效率QE值低于蓝光的QE值,因为存在激发的光子数量损失,这个比较是该芯片与该芯片激发的白光进行比较。

荧光粉激发效率会随着灯珠工作时间而逐步降低,这会引起白光发光效率的降低,这就是白光光衰的原因。

目前白光灯珠使用的荧光粉主要是铝酸盐和硅酸盐,铝酸盐光衰低,稳定性好。

灯珠内部电路导电效率ηc

由芯片电极导电率、芯片电极到灯珠引脚的引线材质与直径、灯珠引脚材质的导电率等产生的灯珠内部电路导电效率。

这个效率在灯珠封装后是个固定值。

采用金线和铝线做连接线对灯珠内部电路导电效率影响很大,铝线导致效率低。

此外,导线的直径也影响很大,引线的焊接点接触电阻与灯珠引脚材质也是影响因素。

外量子效率ηext

我们把内量子效率ηint与光提取效率ηee的乘积称为外量子效率ηext

外量子效率 ηextint×ηee

外量子效率 ηext是芯片发射出来的光子数量与芯片产生的光子数量比值。

尽管芯片的内量子效率较高,但光子能够离开芯片射出到芯片外面还是有难以解决的损耗,很多光子被折射或反射回芯片内部而转换为热量。

通常我们用外量子效率表征芯片性能参数,而不是用光子提取效率表征。

外量子效率是决定灯珠发光效率的主要参数。

灯珠的辐射效率可以写为:

ηλ)=ηext×ηPhosphor×ηoe×ηc

η(λ)分布与灯珠光谱形态相关,不同的灯珠光谱形态对应的是不同的白光色温,相同的辐射效率对于不同的色温产生的发光效率略有不同。


4、灯珠辐射效率的计算

从公式(4)可以看出,辐射效率η(λ)是与光谱辐射功率分布(SPD)与芯片性能相关的函数,荧光粉被激发后,同一种色温的光谱形态保持稳定,灯珠辐射效率与输入的电功率无关。

这样,我们根据荧光粉激发后的光谱辐射功率分布形态进行归一化处理,根据不同的辐射效率计算出不同的白光灯珠发光效率。

以两种光谱形态为例:

(1)4100K,Ra=81

(2)6075K,Ra=70

注:蓝色曲线是光谱功率分布图,黑色曲线是光通量分布图。

我们按照灯珠的辐射效率从30%-90%分别计算这两种色温的发光效率,计算结果如下表。



5、灯珠辐射效率分析

通过我们的计算分析有以下结论:

色温6000K±1000K的发光效率值偏差小于1.4%

色温4000K±1000K的发光效率值偏差小于1.7%

采用这两种典型的光谱功率分布形态可以评估出白光灯珠极限光效值。

为了研究白光灯珠发光效率的理论极限值,我们做如下理论极限假设:

封装的光学效率极限值ηoe=100%

荧光粉激发效率极限值ηPhosphor=100%

灯珠内部电路导电效率极限值ηc=100%

光子提取效率极限值ηee:=78%

光子提取效率值是假定芯片内部光子可以全部射出到芯片外,芯片发出的光子仅仅受到导电电极与电极图案阻挡。

内量子效率ηint的计算:

假设PN结中每个复合载流子都能产生一个光子,由于材料和外延工艺不同,产生复合载流子所需的电能与不同LED波长的能带不同。电能到光能的变换存在损耗,这就决定着内量子效率不会达到100%。

假设蓝光芯片是以波长为460nm辐射光子。

设定460nm最低结电压是3.0V,复合载流子的电压是2.6957eV。

ηint=2.6957/3.0=0.8985=89.85%

最大的外量子效率:

ηext=0.78*0.8985=0.7=70%

查询上表:

4000K的发光效率: 225.79lm/w

6000K的发光效率: 231.28lm/w

理论上分析,辐射效率不可能超过70%,可以确定230lm/w为理论极限值。

之前有论文表述,当ηee:=100%时,辐射效率=89.85%,灯珠发光效率达到上表中90%对应的数值,但这种假设是根本不存在的,不做讨论。

通过各个辐射效率的计算分析,蓝光激发荧光灯制成的白光LED可以达到的最大辐射效率为60%,对应的灯珠发光效率为:

4000K的发光效率: 194lm/w

6000K的发光效率: 198lm/w

目前实际应用的白光LED辐射效率在28%-48%之间,灯珠发光效率参考上表。

尽管有报道称白光LED发光效率达到200lm/w以上,但没有相关第三方测量验证和基础理论支持,应该是测量方法问题导致。

最简单的验证是计算和测量灯珠的热功率,并且符合下式:

灯珠消耗功率=辐射功率(光功率)+热功率

这是能量守恒推导的公式,不符合上式的发光效率都是伪命题。


6、虚标的白光灯珠发光效率是如何产生

导致虚标主要有以下几方面

1)大部分是测量方法不对,灯珠发光面直对探头挡板,造成表面上辐射效率升高,测量方法的专业性与规范性很重要。

2)采用点亮后马上测量的发光效率也高,而规范的测量是灯珠点亮30分钟后,灯珠电压变化稳定后开始测量。

业界有所谓瞬态光效和瞬态流明值一说,这个提法没有科学性,也是虚标的主要手段。

3)在测量环境温度低于25℃下测量,也就是通过冷测量获得高发光效率,发光效率与环境温度成反比,温度越低光效越高,而正确的方法是积分球内部温度是25℃,也就是热测量。

4)系统在标定的时候,标定的流明值恶意加大,这样测量的辐射效率也加大,这是恶意虚标的手法。

5)降低额定输入电流,以获得比额定电流下高很多的发光效率,这也是故意虚标的行为。

驱动电流的设定是灯具设计考虑的问题,灯珠提供商不能提供低于额定电流的灯珠发光效率给客户。

6)采用低成本的测量系统,这种测量系统误差大,造成测量不准确。

7)目前宣称发光效率超过200lm/w基本上是没有经过测量的手写光效,对于这种宣传的企业大家应该主动回避。

对于灯珠供应商宣称的白光灯珠光效达到160lm/w以上的灯珠,一定要自己重新测量,或者委托我们植物灯光谱技术共享实验室测量,可发邮件联系:ourled@163.com

有一点是需要明确,企业采购的每批次灯珠一定要自己重新测量,这是最好的自我保护方法。

从事技术工作最悲哀的事情是自己花钱充当白老鼠。

随着LED逐步在生物光学的应用,如植物灯、集鱼灯、养殖灯、医用灯、美容灯等,对灯珠的参数要求更加严格,从事这方面制造的企业需要注重参数的准确性。


7、灯具的发光效率

白光灯珠制成的照明灯具的发光效率一定低于灯珠的发光效率。

影响灯具发光效率主要是灯具效率和电源驱动效率。

灯具效率为60-92%之间。

电源驱动效率为70-99%之间。

灯具的发光效率是灯珠的发光效率的42-91%之间。


8、结束语

我们通过这种白光灯珠发光效率的算法,论证了发光效率的理论极限值与最大值,目的是从机理上认识LED白光的发光效率,避免LED应用企业产品开发的风险,同时也试图抑制一些封装企业与灯珠销售商的虚标参数,让市场回归到客观与科学的应用范畴。

LED灯珠的参数性能的准确性对于使用灯珠的企业商誉至关重要。

灯珠封装企业的技术参数的客观性是体现该企业信用的基础。

任何没有信用的企业最终会被市场淘汰。

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