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    LED照明燈具的光效和光色品質如何達到平衡?

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    LED照明燈具的光效和光色品質如何達到平衡?

    發布日期:2019-03-21 00:00 來源:http://www.chinalanmuju.com 點擊:


     去年某公司的LED光效取得重大突破,達303lm/W,很多業內人士在嘖嘖贊嘆的同時,各種“磚家”也開始進行下一步的大膽預測,400lm/W,500lm/W,1000lm/W……

      今天我們來扒一扒:光的最大極限光效是多少?

      我們從小就知道:有了電,多方便,電的用處說不完。其中之一就是解放了人類夜生活的電燈泡。

      電是怎么轉化為光的呢?不同的光源各有不同原理,但總的來說都是這樣:

      所以,燈泡的發光效率的計算公式大家都很熟悉,即光通量除以總功率。

      辣么,這個發光效率的極限又是多少呢?這個恐怕就不是所有人的都知道了。

      電在燈泡里都變成了啥?

      首先我們來回憶一下,當年初中物理老師在我們耳朵邊一直嘮叨的“能量守恒定律”(指在能量轉換過程中能量必須保持守恒),這是不能違背的自然規律。

      以LED燈泡為例,如果所有的電功率我們都用上了,LED器件工作在轉化電功率P時,會產生兩種:一種用來發光(光功率PV),一種用來發熱(熱功率PH)。

      所以,上面那個公式也可以變個形(學數學和物理跟我一樣最討厭變形的舉個手?):

      我們來舉個栗子,下面這個圖呢,是一個COB器件的光電測試報告(不知道你看不看得懂?):

      圖:光電測試報告

     報告中用紅色標示的輻射通量Φe就是光功率,從能量守恒的角度理解就是LED消耗了31.21W的電功率,有11.97W(占38.36%)變成了光功率,19.24W(占61.64%)轉化成熱功率,發出了3922lm的光。

      如果不考慮熱功率(假裝只耗了11.97W的電),這個器件能達到的極限光效或光視效能(LER)就是:

      光視效能(LER)是個什么鬼?

      上面我們說到了一個專業名詞光視效能(LER),可是媽蛋,這是個什么鬼?憋急,問我。

      現在假設我們發明了一種理想的LED,不產生熱量,可將電功率P100%轉換成光功率PV。(在理論世界里,理想還是要有的,雖然總也實現不了)

      這時的光效就是理論最大值了,這個值還有個學名,叫光視效能(luminous efficacy of radiation,簡稱LER)。

      LER的理論計算公式如下(我知道你看不懂~~):

      公式中的Km叫最大光視效能,等于683lm/W,意思是人眼最敏感的黃綠光(555nm),1W的光功率相當于683lm光通量。

      當光譜的形狀確定了,光視效能(LER)也就確定了。(測光譜有個便攜神器你知道嗎?)

      理論和公式不好(yong)懂,再舉個栗子吧。

      上面圖中,我們可以看到鹵素燈的光視效能(LER)只有130lm/W,也就是說鹵素燈理論上的最高光效能做130lm/W,主要是鹵素燈的光譜里面包含了大量的紅光,從視見函數V(λ)(黑色虛線所示)上看,這些紅光人眼都是不敏感的,導致光視效能(LER)比較低。

      而LED1去掉了比較多的紅光,光譜里面大部分是人眼敏感的黃綠光,所以光視效能(LER)可達到330lm/W,但是因紅光去得比較多,導致顯指只有80。

      LED2則包含較多的紅光,顯指有97,光視效能(LER)也能達到260lm/W。

      所以,回到前面說的貨幣兌換的比喻(原文點這里:《從貨幣兌換的角度理解LED光通量》):

      LER的意思相當于你手上有很多種光(貨幣)根據V(λ)視見函數(匯率)折算成統一的光通量(價值)。

      人眼最敏感的光是555nm的黃綠光,它的光視效能(LER)是683lm/W,這就是理論上的最高光效。(所以,LED再牛逼,也是追不上尾號683這輛車的?。谋?中也可以看到,455nm的藍光的光視效能(LER)只有32.8lm/W。

      光效和光色品質,自古萬事難兩全

      2013年美國Po-ChiehHung等在IEEE期刊<JOURNAL OF DISPLAY TECHNOLOGY>發表過一篇文章,文章中他模擬計算了各種顯指、色溫的極限光效,并整理成一個圖表,如下圖6所示。

    圖:最大理論光效

      從圖中我們可以看到,白光理論上的最高光效只有480lm/W,而且這時候的顯指只有30,顯色效果極差。

      如果為了提高顯指,光譜中需要包含更多人眼不敏感的藍光和紅色(相當于手上拿了很多不值錢的貨幣,面值再高,折算下來的價值還是很低)。

      光效和光色品質,就這么在一個燈泡里,相生相克相愛相殺著。也正因為如此,照明設計時選擇光源時,往往沒有最好,只有最合適。

      現在,您明白白光的光效為什么做不到1000lm/W了嗎?

      PS:本文講的V(λ)都是明視覺視見函數。

     

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