為遠(yuǎn)程熒光粉應(yīng)用選擇LED時(shí)需考慮哪些因素

白色LED - 從釔鋁石榴石（YAG）熒光粉發(fā)出的“白色”光與藍(lán)色LED一起工作 - 是許多照明燈具核心的成熟技術(shù)。然而，一種名為遠(yuǎn)程熒光粉的替代技術(shù)正在取得進(jìn)展，因?yàn)樗峁└叩墓πА?/p>

與白光LED類似，該技術(shù)使用皇家藍(lán)LED作為光子泵，而不是將LED和熒光粉結(jié)合到一起在單個(gè)封裝中，器件通過(guò)分離這兩個(gè)關(guān)鍵元件來(lái)獲得優(yōu)勢(shì)。

這確實(shí)使設(shè)計(jì)過(guò)程復(fù)雜化，因?yàn)?a target="_blank">工程師無(wú)需為單個(gè)供應(yīng)商指定集成的LED/熒光粉封裝現(xiàn)在必須考慮兩個(gè)不同的部分。

此外，熟悉白光LED的工程師通過(guò)考慮諸如光通量（流明 - 流明）和功效（流明/瓦特）等參數(shù)來(lái)比較器件之間的比較。流明/瓦）。然而，比較離散的皇家藍(lán)色LED是不同的;制造商歷史上已經(jīng)指定了LED的輻射通量（以毫瓦 - 瓦為單位）而不是發(fā)光度，并且效率已經(jīng)讓位于效率（毫瓦/W-mW/W）。

本文對(duì)數(shù)據(jù)表進(jìn)行了解碼皇家藍(lán)LED通過(guò)解釋在為遠(yuǎn)程熒光粉應(yīng)用選擇LED時(shí)應(yīng)考慮的關(guān)鍵參數(shù)。

自然界短暫改變

根據(jù)英國(guó)圖書館和其他機(jī)構(gòu)的調(diào)查結(jié)果在古典希臘文學(xué)中，沒(méi)有任何關(guān)于“藍(lán)色”的詞匯。希臘作家傾向于將大海描述為深色（紅色）葡萄酒色，天空為白色。學(xué)者們傾向于認(rèn)為希臘人從未將藍(lán)色視為單獨(dú)的顏色，因?yàn)樗诒举|(zhì)上是相對(duì)罕見(jiàn)的。因此，即使蔚藍(lán)的地中海人正盯著他們，他們也不認(rèn)識(shí)藍(lán)色。

從他們對(duì)科學(xué)，數(shù)學(xué)，建筑和民主的貢獻(xiàn)來(lái)看，希臘人并非傻瓜。此外，事實(shí)證明，他們并不是唯一一個(gè)忽視藍(lán)色的人，因?yàn)槿藗冊(cè)诟兄伾矫嬉话愣际翘焐亩虝鹤兓?/p>

圖1顯示了眼睛對(duì)不同波長(zhǎng)的反應(yīng)。電磁波譜的可見(jiàn)部分。視網(wǎng)膜中的顏色感應(yīng)錐對(duì)波長(zhǎng)為555nm（綠色）的光最敏感。這些特殊細(xì)胞的靈敏度迅速向光譜的藍(lán)色（和紅色）部分傾斜。例如，錐體對(duì)472 nm藍(lán)光的敏感度僅為555 nm綠光的10％。

圖1：人類作為電磁輻射波長(zhǎng)函數(shù)的眼睛靈敏度。

高亮度LED制造商在設(shè)計(jì)產(chǎn)品時(shí)將人眼的反應(yīng)作為主要考慮因素。他們意識(shí)到，如果設(shè)備將電能轉(zhuǎn)換為幾乎看不見(jiàn)的光波長(zhǎng)，則沒(méi)什么用處。這就是為什么白色LED從中央藍(lán)色設(shè)備吸收藍(lán)光然后在很寬的可見(jiàn)波長(zhǎng)范圍內(nèi)重新發(fā)射它，包括一些綠色和紅色，以及大量的黃色。

圖2顯示了光譜來(lái)自高性能白光LED - 在這種情況下是歐司朗OSLON SSL設(shè)備 - 疊加在人眼的靈敏度功能（Vλ）上。請(qǐng)注意442 nm處的峰值對(duì)應(yīng)于藍(lán)色LED直接發(fā)出的光線，該光線未受到熒光體斯托克斯位移的影響（參見(jiàn)TechZone文章“更白，更亮LED”）。

此峰值出現(xiàn)在人眼的靈敏度較差的位置，因此無(wú)法顯著提高設(shè)備的明顯“亮度”。對(duì)于今天的高功率LED，這種“浪費(fèi)”的光不是一個(gè)大問(wèn)題，因?yàn)樗鼈儠?huì)產(chǎn)生一個(gè)以555 nm為中心的次級(jí)峰 - 就在眼睛的靈敏度最高的地方。 （這不僅僅是一個(gè)快樂(lè)的巧合;制造商花費(fèi)了大量研究資金“調(diào)整”他們的熒光粉，以確保在這個(gè)最佳點(diǎn)發(fā)光。）

圖2：歐司朗OSLON SSL白光LED的相對(duì)輸出與人眼靈敏度功能的比較。請(qǐng)注意，442 nm處的峰值（由于來(lái)自藍(lán)色LED的非斯托克斯移位光）出現(xiàn)在眼睛的靈敏度較差但次要峰值與高度敏感區(qū)域重合的位置。 （由OSRAM提供。）

白光LED的關(guān)鍵參數(shù)

在為照明項(xiàng)目選擇高性能白光LED時(shí)，工程師可以選擇。像Cree，OSRAM和首爾半導(dǎo)體這樣的公司生產(chǎn)的高效設(shè)備價(jià)格不斷下降。

制造商也使設(shè)備比較簡(jiǎn)單。檢查數(shù)據(jù)表揭示了關(guān)鍵事實(shí)，如光通量（流明）和功效（流明/瓦特）。光通量是光源的可見(jiàn)光能量或表觀亮度的量度，因此考慮了眼睛的靈敏度函數(shù)。 （光通量與輻射通量不同，輻射通量是從光源發(fā)出的電磁輻射的總功率的量度，包括紅外線，可見(jiàn)光和紫外線。）

從純粹的科學(xué)考慮，那里有幾種方法可以測(cè)量光源的發(fā)光“功效”（即，達(dá)到所需結(jié)果的能力）。然而，由于我們關(guān)注的是主流照明，從工程角度來(lái)看，最有用的定義是發(fā)出的光通量（lm）與用于為光源供電的電功率（W）之比。

發(fā)光效率（lm/W）是LED的關(guān)鍵參數(shù)，因?yàn)樗试S與其他形式的照明（如白熾燈和熒光燈）直接（通常是討人喜歡）比較（參見(jiàn)TechZone文章“材料和制造改進(jìn)提高LED效率”）。該措施還考慮了產(chǎn)生熱量和非可見(jiàn)電磁輻射而不是可見(jiàn)光浪費(fèi)的功率。

有了這些信息，工程師可以選擇適合幾乎任何應(yīng)用的白色LED。例如，Cree的XLamp?XP-G2是現(xiàn)在照明工程師可以使用的典型設(shè)備。使用350 mA的驅(qū)動(dòng)電流，XP-G2可以產(chǎn)生122流明的效率和124流明/瓦的功效。歐司朗和首爾半導(dǎo)體制造類似的同類產(chǎn)品。毫無(wú)疑問(wèn)，效率超過(guò)120流明/瓦的LED正在迅速進(jìn)入主流照明市場(chǎng)。傳統(tǒng)的白熾燈泡難以達(dá)到10至18 lm/W的效率。 LED也比緊湊型熒光燈（CFL）（35至60 lm/W）和熒光燈管（80至100 lm/W）更好。 1

效率，而不是功效

LED是一種新興技術(shù)，市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)激烈，因此芯片供應(yīng)商互相宣傳，宣布技術(shù)改進(jìn)，提高LED效率（見(jiàn)TechZone的文章“LED功效改善沒(méi)有顯示出減緩的跡象”。）

盡管如此，仍有很多工作要做。事實(shí)證明，白光LED的理論極限約為263 lm/W. 2 （順便提一下，任何光源的最高功效都是555 nm綠光 - 人眼的波長(zhǎng)。最敏感 - 可達(dá)到683 lm/W. 3 ）

遠(yuǎn)程熒光粉是一種越來(lái)越受歡迎的技術(shù)。該技術(shù)建立在倫斯勒理工學(xué)院的研究基礎(chǔ)之上，該研究表明，將熒光粉從藍(lán)色模具中移開(kāi)可將效率提高多達(dá)30％（參見(jiàn)TechZone文章“遠(yuǎn)程熒光粉提供白光LED替代品”）?？梢允褂蒙虡I(yè)解決方案將該概念以磷光盤或球體的形式付諸實(shí)踐。其中一種產(chǎn)品是來(lái)自Intematix的ChromaLit。

熒光盤必須與作為光子源的皇家藍(lán)色LED一起使用。有很多可供選擇，但對(duì)于只熟悉白光LED的設(shè)計(jì)人員而言，事情會(huì)讓人感到困惑。

皇家藍(lán)LED非常高效 - 大約50％的輸入功率轉(zhuǎn)換為光子 - 但是如上所述，人眼看不到大部分發(fā)射的輻射。因此，發(fā)光度非常低，大約為10到15流明，并且功效（就每瓦電能產(chǎn)生的可見(jiàn)光而言）同樣受到限制。

然而，光度差用于傳統(tǒng)白光LED和遠(yuǎn)程熒光粉設(shè)計(jì)的皇家藍(lán)LED具有較小的后果，因?yàn)樵撗b置本身對(duì)照明裝置的整體照明貢獻(xiàn)很小。相反，LED充當(dāng)光子泵，發(fā)射被磷光體吸收并在人眼最敏感的波長(zhǎng)處重新發(fā)射的輻射流。熒光粉的亮度是最重要的，而不是LED光子泵的亮度。

Cree的皇家藍(lán)色XLamp XT-E LED（圖3）等設(shè)備的數(shù)據(jù)表不包括光通量的數(shù)字。相反，輸出定義為475 mW的輻射通量，并沒(méi)有提到功效;相反，制造商引用的效率為501 mW/W.同樣，歐司朗的皇家藍(lán)色OSLON SSX LED的額定輻射通量為160 mW，效率為346 mW/W. （請(qǐng)注意，此處的效率是過(guò)功率輸出時(shí)的無(wú)量綱（百分比）功率測(cè)量值。）

圖3：Cree的皇家藍(lán)XLamp XT-E LED適用于遠(yuǎn)程熒光燈照明應(yīng)用。

說(shuō)明皇家藍(lán)色LED的輻射通量和效率 - 而不是光通量和功效 - 對(duì)于LED供應(yīng)商來(lái)說(shuō)并不是很明智，更像是公認(rèn)的慣例。

< p>輻射通量決定了熒光粉可用于轉(zhuǎn)換的光子數(shù)。效率是衡量皇家藍(lán)LED將電能轉(zhuǎn)換為輻射通量的有效程度，并確定給定輸出的功耗。

最佳激發(fā)

用于白色的熒光粉LED和遠(yuǎn)程熒光燈專門設(shè)計(jì)用于在人眼的“最佳點(diǎn)”周圍發(fā)光。然而，只有當(dāng)可用于轉(zhuǎn)換的入射光子包含與熒光體激發(fā)頻率相匹配的非常窄的波段時(shí)，它們才能做到這一點(diǎn)。

圖4顯示YAG熒光粉的激發(fā)和發(fā)射光譜與皇家藍(lán)（470nm），綠色（520nm）和紅色（625nm）LED的發(fā)射光譜。可以看出，皇家藍(lán)色LED幾乎完全對(duì)應(yīng)于磷光體的激發(fā)峰，而綠色具有有限的效果，紅色沒(méi)有影響。 4

圖4：YAG熒光粉的激發(fā)和發(fā)射光譜與皇家藍(lán)色，綠色和紅色LED的輸出相比。

可以看出YAG的激發(fā)強(qiáng)度（和隨后的發(fā)射強(qiáng)度）磷光體與入射光子的波長(zhǎng)強(qiáng)烈相關(guān)。不幸的是，光子泵浦皇家藍(lán)LED的結(jié)溫確實(shí)會(huì)影響發(fā)射光子的波長(zhǎng)。 （請(qǐng)注意，溫度對(duì)LED和熒光粉的轉(zhuǎn)換效率也會(huì)產(chǎn)生其他不利影響。）

圖5顯示了溫度升高如何改變藍(lán)色，綠色和紅色LED發(fā)出的光子的主要波長(zhǎng)。工程師需要注意的重要事實(shí)是制造商指定所選皇家藍(lán)色LED的主波長(zhǎng)（通常為80到90oC）的溫度，并設(shè)計(jì)夾具以確保模具不會(huì)超過(guò)此點(diǎn)（參見(jiàn)TechZone文章“LED熱管理的基礎(chǔ)知識(shí)”）。否則，最終設(shè)計(jì)的輸出將受到不利影響。

圖5：藍(lán)色，綠色和紅色LED的主波長(zhǎng)與結(jié)溫的偏移。 （由首爾半導(dǎo)體公司提供。）

利用遠(yuǎn)程熒光粉

白光LED是一種成熟且流行的技術(shù)，但固態(tài)照明繼續(xù)快速發(fā)展，主流照明的替代技術(shù)正在出現(xiàn)。遠(yuǎn)程熒光粉的推動(dòng)者聲稱，與在相同正向電流下運(yùn)行的白光LED相比，它提供了15％至30％的功效改進(jìn)。這引起了一些設(shè)計(jì)師的興趣。

那些設(shè)計(jì)師需要意識(shí)到單個(gè)LED/熒光粉封裝的便利性被單獨(dú)的皇家藍(lán)色LED和異形熒光盤取代。許多商用LED可用于遠(yuǎn)程熒光粉設(shè)計(jì)，但是熟悉白光LED規(guī)格表對(duì)于為特定應(yīng)用指定合適的皇家藍(lán)色設(shè)備幾乎沒(méi)有幫助。

相反，工程師需要比較其入選LED的輻射通量，效率和溫度穩(wěn)定性決定了用于預(yù)期目的的最佳芯片。明智的選擇將在快速發(fā)展的領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)卓越的設(shè)計(jì)。