現(xiàn)代LED如何在亮度和功效方面超越傳統(tǒng)照明

在其早期版本中，固態(tài)照明（SSL）難以與傳統(tǒng)照明競(jìng)爭(zhēng)，因?yàn)樗鼉r(jià)格昂貴，而且坦率地說，并不是很明亮。然而，隨著制造商提高其設(shè)備的產(chǎn)量和效率以及更好的制造技術(shù)壓低價(jià)格，SSL在照明市場(chǎng)的份額迅速擴(kuò)大。今天來自主要供應(yīng)商的優(yōu)質(zhì)產(chǎn)品提供了前所未有的光度和效率，并且雖然進(jìn)一步改進(jìn)了很可能，現(xiàn)代產(chǎn)品的性能已經(jīng)轉(zhuǎn)移到提高LED燈的“質(zhì)量”。芯片制造商現(xiàn)在花費(fèi)他們的研究資金開發(fā)具有改進(jìn)的顯色指數(shù)（CRI）和有限的相關(guān)色溫（CCT）隨溫度和調(diào)光變化的產(chǎn)品。

本文描述了現(xiàn)代LED如何在功效方面超越傳統(tǒng)照明。價(jià)格差距急劇縮小。然后，文章解釋了制造商如何將注意力轉(zhuǎn)向光質(zhì)量，甚至用戶控制器“色彩調(diào)整”，以進(jìn)一步提高其市場(chǎng)份額。

照明LED的簡(jiǎn)史

許多工程師都驚訝地發(fā)現(xiàn)1907年，當(dāng)英國(guó)HJ Round of Marconi Labs用碳化硅晶體和貓須探測(cè)器進(jìn)行實(shí)驗(yàn)時(shí)，LED的歷史延續(xù)了一個(gè)多世紀(jì)，發(fā)現(xiàn)了電致發(fā)光。

然而，第一個(gè)關(guān)鍵的發(fā)現(xiàn)導(dǎo)致了今天的高亮度白光LED發(fā)生在1962年，是Nick Holonyak Jr.開發(fā)激光二極管的副產(chǎn)品。 Holonyak受雇于貝爾實(shí)驗(yàn)室，他正在研究含有砷化鎵磷化物的半導(dǎo)體二極管，他發(fā)現(xiàn)向砷化鎵材料中加入更多的磷會(huì)增加其帶隙，從而將發(fā)射光的波長(zhǎng)從紅外線縮短為可見紅色。由于光線不連貫，Holonyak的設(shè)備是“發(fā)光”二極管而不是激光二極管。

進(jìn)一步的實(shí)驗(yàn)產(chǎn)生了不同顏色的LED。然而，從Holonyak在60年代初期的最初發(fā)現(xiàn)，直到90年代初期，缺少藍(lán)色設(shè)備（白光源的關(guān)鍵組件）將LED指向任務(wù)，例如指示，而不是一般照明。

第二重點(diǎn)發(fā)現(xiàn)始于1986年，當(dāng)時(shí)日本名古屋大學(xué)的Isamu Akasaki和Hiroshi Amano想出了一種在藍(lán)寶石襯底上制造氮化鎵（GaN）晶體的方法。其他人已經(jīng)探索了GaN作為發(fā)光半導(dǎo)體的潛力，但沒有人能夠生長(zhǎng)出合適質(zhì)量的晶體或生產(chǎn)制造LED結(jié)所需的p型材料。到20世紀(jì)80年代末，Asaki和Amano已經(jīng)解決了這兩個(gè)問題與此同時(shí)，為日本化學(xué)公司Nichia工作的Shuji Nakamura獨(dú)立開發(fā)GaN作為藍(lán)色LED的基礎(chǔ)。他找到了一種比Asaki和Amano更便宜的方法，通過加熱晶體而不是用電子束轟擊它來生產(chǎn)p型材料。

后來，Nichia研究員Yasunobu Noguchi開發(fā)出一種可以轉(zhuǎn)換的釔鋁石榴石（YAG）熒光粉藍(lán)色光子變黃，最后，Kensho Sakano將Noguchi的熒光粉與藍(lán)色LED芯片組合成白色LED。 Asaki，Amano和Nakamura因發(fā)明藍(lán)色LED1而獲得2014年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)（圖1）。

圖1：藍(lán)色LED啟用了今天的固體產(chǎn)品國(guó)家照明。

Nichia的1996年首款商用白光LED產(chǎn)量可達(dá)5流明/瓦。隨著公司的快速發(fā)展，該公司到2003年將這一數(shù)字提高到50流明/瓦。這使得固態(tài)照明成為白熾燈泡（效率為10到18流明/瓦）和其他照明技術(shù)（如緊湊型熒光燈）的可行替代品。燈（35至60流明/瓦）和熒光燈管（80至100流明/瓦） - 雖然購(gòu)買公眾中的早期采用者價(jià)格很高。從那時(shí)起，Cree，OSRAM，Philips Lumileds等制造商，和首爾半導(dǎo)體在功效和光度方面取得了進(jìn)一步的快速提升。他們努力的結(jié)果是，在一種稱為Haitz定律的趨勢(shì)（類似于基于CMOS的芯片的摩爾定律）之后，大約每三年發(fā)光度和效率翻倍。與此同時(shí)，按每美元流出量計(jì)算，價(jià)格每年下降20％（圖2）。

圖2：與其他照明技術(shù)相比，LED的功效和成本。 （美國(guó)能源信息管理局提供）

現(xiàn)在，在推出Nichia首款白光LED后不到二十年，商用設(shè)備的功效約為早期LED的30倍。例如，對(duì)各個(gè)制造商最新發(fā)布的評(píng)論顯示，Cree的XLamp XP-L采用Philips Lumiled的LUXEON Z（500 mA，2.8 V）產(chǎn)生145 lm/W（正向電流1.05 A，正向電壓2.95 V），產(chǎn)生108 lm/W。就其本身而言，首爾半導(dǎo)體提供的Z5-M1白光LED可提供140流明/瓦（350毫安，2.95伏）。 （請(qǐng)注意，此處列出的設(shè)備不一定是直接等效設(shè)備，僅作為示例。所有列出的制造商都提供各種LED，提供不同的功效和光度，工程師應(yīng)檢查數(shù)據(jù)表是否有完整的規(guī)格。）

專注于質(zhì)量

由于白光LED的亮度和功效現(xiàn)在已足以滿足消費(fèi)者的期望，制造商已將注意力轉(zhuǎn)向提高設(shè)備光的“質(zhì)量”，而不是進(jìn)一步增加“數(shù)量”。每瓦流明。

有兩個(gè)關(guān)鍵參數(shù)用于量化白光LED的光質(zhì)量：CRI和CCT。

CRI是光源忠實(shí)再現(xiàn)各種物體顏色的能力的定量測(cè)量與理想或自然光源相比。 CRI由8個(gè)CIE標(biāo)準(zhǔn)顏色樣品的色度（或“顏色外觀”）的差異計(jì)算，當(dāng)被測(cè)試光源照射時(shí)，然后由相同CCT的參考光源照射。參考光源和被測(cè)光之間的八個(gè)樣本的色度的平均差異越小，CRI越高。自然光被歸類為CRI為100，是最好的。白熾燈的CRI高于95，鹵素?zé)?0或更高，以及緊湊型熒光燈（CFL）80。今天的LED表現(xiàn)良好，記錄值為80到90.例如，歐司朗的SSL 150白光LED的顯色指數(shù)為83。

不滿足于傳統(tǒng)光源的CRI，LED制造商一直努力提高其產(chǎn)品的CRI，當(dāng)包含8個(gè)標(biāo)準(zhǔn)樣品時(shí)，它們包含鮮艷的紅色（R9）。以前，LED的擴(kuò)展測(cè)試記錄得分低至20，因?yàn)樗鼈兊墓庾V功率分布（SPD）往往包含很少的紅色波長(zhǎng);因此，紅色或主要是紅色的物體看起來很暗淡。白色LED制造商通過修改YAG熒光粉以增強(qiáng)SPD中的紅色波長(zhǎng)并用藍(lán)色LED取代紫外線以獲得進(jìn)一步改善，在一定程度上解決了這一缺陷。 》新型熒光粉確實(shí)會(huì)對(duì)器件的功效產(chǎn)生影響，但由于LED現(xiàn)在具有如此高的內(nèi)在功效，許多制造商認(rèn)為，當(dāng)R9包含在測(cè)試中時(shí)，小損失是合理的商業(yè)折衷以改善CRI。例如，飛利浦Lumileds LUXEON T系列包括一個(gè)CRI為95的設(shè)備，當(dāng)R9不包括在測(cè)試中時(shí)為90，而時(shí)為90。該芯片的功效仍為82 lm/W（2.51 V，700 mA。

限制顏色變化

LED制造商也在努力開發(fā)LED，其發(fā)光與傳統(tǒng)光源發(fā)出的照明顏色（或“溫度”）非常接近，以滿足消費(fèi)者的苛刻要求。制造商生產(chǎn)白色LED，其輸出分為“暖白”（2，600至3，700 K CCT），“中性白”（3，700至5，000 K CCT）和“冷白”（5，000至8，300 K CCT），分為“箱”組成顏色輸出非常相似的設(shè)備。希望為他或她的燈具使用LED陣列的照明設(shè)計(jì)師從同一箱中選擇設(shè)備以確保整個(gè)陣列的顏色一致性。

CCT使用Commission Internationale de l‘Eclairage（CIE）色度空間定義（ CIE 1931 x，y，z）。 LED的輸出位于或接近普朗克軌跡，對(duì)應(yīng)于白熾燈“黑體”隨溫度變化而呈現(xiàn)的顏色（圖3）。

圖3 ：CIE xy 1931色度圖，帶有普朗克軌跡和相關(guān)色溫線。不幸的是，隨著LED溫度的升高，構(gòu)成芯片的晶格構(gòu)成的原子振動(dòng)更大，這略微增加了晶格常數(shù)（晶體“單位晶胞”的尺寸。這反過來減小了帶隙，這增加了發(fā)射光子的波長(zhǎng)。

凈效應(yīng)是藍(lán)色LED“光子泵”的輸出略微偏移到光譜的紅色端，并發(fā)出黃色光子從熒光粉反過來受到輕微影響。 SSL的輸出 - 來自這兩個(gè)光源的光譜的組合 - 也被改變。雖然制造商已經(jīng)嘗試最小化由于其產(chǎn)品的溫度導(dǎo)致的CCT變化，但是一些漂移是不可避免的。芯片制造商在25°C時(shí)指定其器件的CCT，然后在規(guī)格表中提供有關(guān)特定器件的CCT隨溫度升高而漂移的信息。好消息是它確實(shí)需要相當(dāng)大的溫度升高才能使人體眼睛的CCT變化明顯。制造商將產(chǎn)品分組的箱子由CIE色彩空間的四邊形定義，其邊界為表明在事情變得明顯之前CCT隨溫度變化的極限。例如，Cree XLamp XP-E的數(shù)據(jù)表顯示，只要結(jié)溫不超過90°C，器件就不會(huì)出現(xiàn)可感知的CCT偏移（圖4）。

圖4：CIE 1976 L，u’，v‘顏色空間中的Cree XP-E LED色度偏移。 （由Cree提供）

當(dāng)然，LED在高于90°C的結(jié)溫時(shí)可以很好地運(yùn)行，但除了不可接受的CCT偏移外，高工作溫度也會(huì)縮短LED的使用壽命，因此設(shè)計(jì)師有責(zé)任通過適當(dāng)?shù)臒峁芾韺⑵湓O(shè)備溫度降至合理水平。但是，不僅僅是溫度會(huì)改變LED的顏色，模擬調(diào)光 - 用于調(diào)暗許多傳統(tǒng)光源的廉價(jià)技術(shù) - 也會(huì)影響它。

出現(xiàn)這個(gè)問題是因?yàn)樵诮o定正向電壓下來自給定LED的每個(gè)發(fā)射光子的波長(zhǎng)不完全相同。波長(zhǎng)根據(jù)以主頻率為中心的鐘形曲線而變化。

LED的亮度與正向電流成正比，而正向電流又與正向電壓（高于閾值電壓）成正比。事實(shí)證明，降低正向電壓以使LED變暗會(huì)使鐘形曲線發(fā)生偏移，使得主頻率出現(xiàn)在稍短的波長(zhǎng)處，從而改變顏色。制造商通過實(shí)施結(jié)合數(shù)字調(diào)光的LED驅(qū)動(dòng)器解決了這個(gè)問題。該技術(shù)保持恒定的正向電壓（和正向電流），但使用脈沖寬度調(diào)制（PWM）來快速啟動(dòng)和關(guān)閉LED。通過改變脈沖序列的占空比，可以使光線變暗而不會(huì)出現(xiàn)顏色變化。

21世紀(jì)的照明

盡管制造商取得了成功保持色彩一致性，一些LED制造商正在尋求利用LED的靈活性，通過積極鼓勵(lì)消費(fèi)者改變顏色來區(qū)分他們的產(chǎn)品與傳統(tǒng)照明 - 但這次是以受控的方式。

結(jié)合紅色，綠色和藍(lán)色（ RGB）LED是產(chǎn)生白光的另一種方法。然而，由于綠色LED的功效低下導(dǎo)致整體性能下降，這些設(shè)備一直難以獲得市場(chǎng)份額然而，現(xiàn)在，Philips Lumileds的Rebel ES系列（圖5）的綠綠LED正在幫助解決這個(gè)問題。石灰綠色設(shè)備不是純色LED，而是藍(lán)色發(fā)光體和專有石灰磷光體的組合，可以克服綠色設(shè)備的效率問題。根據(jù)Philips Lumileds的數(shù)據(jù)表，這種藍(lán)色LED/綠色熒光粉組合的功效可達(dá)190 lm/W（2.75 V，350 mA）。

圖5：飛利浦Lumileds在彩色可調(diào)應(yīng)用中為RGB光引擎提供石灰綠LED。

飛利浦的Hue燈泡采用了石灰綠LED，適用于標(biāo)準(zhǔn)燈座，并允許消費(fèi)者改變燈泡的輸出使用無線連接的基于智能手機(jī)或平板電腦的應(yīng)用程序。該應(yīng)用程序?qū)ED輸出顏色與彩虹調(diào)色板相匹配，甚至與用戶喜歡的圖像相匹配。

其他制造商正在直接解決純色綠色LED的低功效問題。市場(chǎng)上已有一些令人印象深刻的設(shè)備;例如，Cree的XLamp XP-E系列的528 nm綠色芯片可產(chǎn)生84 lm/W（3.4 V，350 mA）.LED正在快速成熟。該技術(shù)總是提供比傳統(tǒng)照明更高效和更持久的潛力，但現(xiàn)在，經(jīng)過多年的研究和商業(yè)化投資，這一承諾已經(jīng)實(shí)現(xiàn)。這些設(shè)備的性能優(yōu)于幾乎所有類型的傳統(tǒng)照明，價(jià)格繼續(xù)下降。此外，制造商在解決顏色質(zhì)量和一致性方面取得了很大進(jìn)展，使得由于溫度或調(diào)光而導(dǎo)致的LED照明裝置的色調(diào)的任何變化都是不可察覺的。下一步，將LED作為未來的照明技術(shù)，用戶控制的調(diào)光和色調(diào)，通過智能手機(jī)控制，以適應(yīng)消費(fèi)者的心情。