白光LED照明色溫調節方法的研究

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)

?

白光LED照明色溫調節方法的研究

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)

通過建立驅動電流與LED白光光譜的色坐標的關系曲線，得到了兩種色溫白光LED的各路驅動電流與混合色溫的關系，進而調節白光LED色溫從2700K到6500K。

色溫;冷白光LED;暖白光LED;驅動電流

引言

白光LED照明調節色溫的方法有：(1)白光LED與單色光R/G/B LED混合，調節各路的驅動電流來調節色溫。這種方法的優點是光譜較寬，顯色指數較高，但由于單色光激發效率較低，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)行業上常用的方法是暖白光LED(2700K)與冷白光LED(6500K)混合調節色溫，但是暖白光LED與冷白光LED的藍光LED芯片主波長與激發熒光粉效率不同，要使色溫調節從2700K到6500K，且色容差小于7[1]，須考慮如下幾點：暖白光LED隨驅動電流變化與色溫的關系；冷白光LED隨驅動電流變化與色溫的關系；以及冷白光LED與暖白光LED各自調節驅動電流時的混合色坐標值。

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光特性的一個基本參數，是顏色測量中的一個重要指標。白熾燈以外的其他光源，其光色在色度圖上不一定準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，稱為相關色溫。相關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x、y直接計算相關色溫(Tc)的函數關系式：

1.2 色容差的計算

光源發出的光譜與標準光譜之間的差別即色容差。

2 白光LED色坐標與驅動電流的變化關系

兩種色溫白光LED均選用同等數量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，其中色度穩定性和均勻性、散熱條件對LED性能影響比較大[5]。研究發現，電流變化對綠光光譜影響最大，對白光光譜影響最小[6]。其中藍光LED主波長隨驅動電流的增加而變短即藍色加深，如圖1所示，致使驅動電流變化白光LED色坐標隨之變化，即色溫會向高色溫方向偏移。

圖1 藍光LED芯片主波長與驅動電流的關系曲線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，隨著驅動電流的增加色坐標均藍移，即色溫增大。

3 冷白光LED與暖白光LED混合調節色溫變化

為了使混合色溫從2700K到6500K連續調節，需要知道兩種LED同時調節電流與色溫的關系式。根據第2節，可以得出如下思路：為了使色溫由暖色逐漸變為冷色，可以先把暖白光LED驅動到最大允許電流，而把冷白光LED驅動到最小可點亮電流，然后逐漸減小暖白光LED驅動電流，同時逐漸增大冷白光LED驅動電流。

從表1數據可以看出兩種光色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。色溫調節曲線圖見圖4。

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

表1 暖白光LED與冷白光LED驅動電流與色溫的數據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 混合調節后色溫曲線圖Fig.4 Curve: The current proportion of Warm white LED with cool white LED and the result color temperature

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

4 小結

本文通過對同等數量的熒光粉涂覆型暖白光LED與冷白光LED驅動電流與色溫關系的分析，得出了兩種LED的驅動電流之比與混合色溫的關系，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，在調節過程中等間隔比例調節無法實現色溫的無級調節(根據以上試驗結果，無級調節的前提是電流的非等間隔調節，但這一點的實際應用價值不大，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節色溫變化曲線斜率降低，即變化減緩，在此點之前，等間隔調節色溫變化曲線斜率可認為近似相同，但也是緩慢降低的趨勢(即實現無級調節的要求是調節電流間隔需要逐漸增大，但需要更進一步試驗來確定具體值)。如果根據GB/T 29294—2012標準中初始相關色溫的要求的相關規定來界定色溫調節區段，綜合圖4可以得出結論：當設置調節電流間隔值為20mA時可滿足標準要求，即實現色溫從2700K到6500K八擋連續調節。

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

[2] 張浩，徐海松，光源相關色溫算法比較研究[J].光學儀器，2006，28.

[3] 中華人民共和國國家質量監督檢驗檢疫總局.GB/T 5702—2003 光源顯色性評價方法[S].北京：中國標準出版社，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[J].照明工程學報，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用[J].照明工程學報，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