白光LED 照明色溫調節方法詳析

時任廣東省副省長宋海題詞，省科技廳主管，省半導體照明產業聯合創新中心、省半導體光源產業協會、深圳市LED產業聯合會（5A級）聯合主辦。

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， 但由於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採用；（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晶片主波長與激發螢光粉效率不同， 要使色溫調節從２７００Ｋ到６５００Ｋ， 且色容差小於７， 須考慮如下幾點：暖白光ＬＥＤ 隨驅動電流變化與色溫的關係；冷白光ＬＥＤ隨驅動電流變化與色溫的關係；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。

1.1　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。其中ＭｃＣａｍｙ近似公式法最簡單且容易操作。

ＭｃＣａｍｙ於１９９２年提出了由色坐標x、y 直接計算相關色溫（Tｃ）的函數關係式：

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。

根據待測光源的色溫選擇參照照明體， 待測光源的相關色溫低於５０００Ｋ時， 參照照明體應是普朗克輻射體的光譜功率分布； 待測光源的相關色溫高於５０００Ｋ時， 參照照明體應是不同時相日光的光譜功率分布（標準照明體Ｄ）。待測光源（色度坐標uｋ， vｋ） 與參照照明體（色度坐標uｒ， vｒ）之間的色度差：

兩種色溫白光ＬＥＤ均選用同等數量０.１Ｗ小功率貼片式螢光粉塗覆型ＬＥＤ，且實驗ＬＥＤ採用相同支架、ＩｎＧａＮ基藍光ＬＥＤ 晶片、主波長為４４０～４６０ｎｍ，螢光粉為不同比例ＹＡＧ黃色螢光粉與紅色螢光粉混合。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。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。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。

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。

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係式。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，然後逐漸減小暖白光ＬＥＤ驅動電流，同時逐漸增大冷白光ＬＥＤ驅動電流。

從下表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於７（根據ＧＢ／Ｔ２９２９４—２０１２ＬＥＤ筒燈性能要求， 色容差應小於６）。

本文通過對同等數量的螢光粉塗覆型暖白光ＬＥＤ與冷白光ＬＥＤ 驅動電流與色溫關係的分析， 得出了兩種ＬＥＤ的驅動電流之比與混合色溫的關係，隨著暖白光佔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，在冷白光與暖白光碟機動電流的近似１∶１.２點處是一個較為明顯的拐點，在此點之後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／Ｔ２９２９４—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。

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