基于“視覺亮度”的白光LED光色性能研究

霍東旭，鄢 波，施建青，隋成華,郭雄彬，沈 煜，魏高堯

(1.浙江工業(yè)大學(xué) 理學(xué)院，浙江 杭州 310023；2.浙江省能源與核技術(shù)應(yīng)用研究院，浙江 杭州 310012)

引言

白光LED以其節(jié)能、環(huán)保、壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)被廣泛地應(yīng)用在指示燈、顯示屏、景觀照明等領(lǐng)域。大多數(shù)的白光LED采用傳統(tǒng)的恒流驅(qū)動(dòng)，在這種驅(qū)動(dòng)模式下，白光LED長(zhǎng)時(shí)間工作后，不斷積累的熱量會(huì)引起器件結(jié)溫升高，從而影響LED的光通量、發(fā)光效率、壽命以及可靠性[1]。因此，為了達(dá)到更好的節(jié)能效果，白光LED需要采用新的驅(qū)動(dòng)模式來提高光通量和解決散熱問題。Bath大學(xué)的研究者發(fā)現(xiàn)PWM脈沖驅(qū)動(dòng)的白光LED具有更高的量子效率和電流密度飽和點(diǎn)[2]。2008年，日本Ehime大學(xué)Masafumi Jinno等人提出了一種可使人眼“視覺亮度”翻倍的新型LED脈沖驅(qū)動(dòng)方式[3]，使人們開始意識(shí)到脈沖驅(qū)動(dòng)更為節(jié)能的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)。

然而，目前關(guān)于脈沖驅(qū)動(dòng)下LED器件性能的深入研究卻很少?；诖?，本文在人眼“視覺亮度”的基礎(chǔ)上，結(jié)合視覺脈沖響應(yīng)函數(shù)、視覺惰性和人眼的感光特性，研究了PWM脈沖驅(qū)動(dòng)下白光LED的光色特性，對(duì)比分析了脈沖驅(qū)動(dòng)和恒流驅(qū)動(dòng)的驅(qū)動(dòng)功率、光通量和色坐標(biāo)等隨著脈沖占空比的變化，進(jìn)一步解釋了脈沖驅(qū)動(dòng)能夠提高“視覺亮度”的機(jī)制，為脈沖驅(qū)動(dòng)的實(shí)際應(yīng)用提供了實(shí)驗(yàn)支持。

1 實(shí)驗(yàn)

為了研究脈沖驅(qū)動(dòng)對(duì)白光LED“視覺亮度”的影響，本實(shí)驗(yàn)測(cè)試了頻率為100Hz，占空比分別為20%、30%、40%、50%、60%、70%、80%的脈沖驅(qū)動(dòng)與直流驅(qū)動(dòng)在人眼“視覺亮度”一致時(shí)白光LED的光色電性能。實(shí)驗(yàn)中，方波脈沖電流由數(shù)字信號(hào)發(fā)生器提供，示波器用來測(cè)量電路總電壓和小電阻兩端的電壓，并監(jiān)測(cè)通過LED的電流情況。采用光譜分析儀、數(shù)字電參數(shù)測(cè)量?jī)x和直徑為0.3m的積分球?qū)Π坠釲ED光色電性能進(jìn)行測(cè)量。此外，測(cè)試所用的燈珠樣品為1W大功率暖白LED，色溫為3200～3500K，燈珠電流350mA，電壓3.0～3.4V。

由于脈沖驅(qū)動(dòng)情況下不宜直接用電壓表和電流表來測(cè)試LED兩端電壓和電流值，故在電路中串聯(lián)一個(gè)穩(wěn)壓小電阻，其阻值為1.23Ω。通過調(diào)節(jié)數(shù)字信號(hào)發(fā)生器的頻率、電位、幅度和占空比使其輸出為方波脈沖信號(hào)，待信號(hào)穩(wěn)定后，從示波器上分別得到電路的總電壓波形圖、小電阻兩端的電壓波形圖和對(duì)應(yīng)的占空比。然后再次通過調(diào)節(jié)數(shù)字信號(hào)發(fā)生器的電位，幅度，使示波器顯示的兩個(gè)波形圖同步同相位，當(dāng)LED發(fā)光穩(wěn)定后讀取電壓值。示波器兩電壓通道的差值即為白光LED兩端的電壓，小電阻兩端電壓與其阻值的比值為通過LED的峰值電流，從而可以得到脈沖白光LED的功率PL為

(1)

其中，U為電路總電壓，UR為小電阻兩端的電壓，R為小電阻阻值，D為脈沖信號(hào)的占空比。

“視覺亮度”屬于人眼的主觀感受，隨不同個(gè)體差異而不同。本研究參照文獻(xiàn)[4]中的方法，將同一批次的兩只1W白光LED燈珠置于邊長(zhǎng)為20cm、高度為60cm的黑色方形暗室一端，分別以直流和脈沖電源驅(qū)動(dòng)，中間用擋板將兩只燈珠發(fā)出的光彼此分開。隨機(jī)選擇20名觀察者，讓其在環(huán)境亮度一致的黑暗環(huán)境中，從暗室另一端的中間位置同時(shí)觀察兩只LED燈珠。在某個(gè)占空比的觀察過程中保持脈沖驅(qū)動(dòng)LED的驅(qū)動(dòng)參數(shù)不變，同時(shí)以脈沖驅(qū)動(dòng)LED的亮度為參考不斷調(diào)整直流驅(qū)動(dòng)LED的電壓值，直至觀察者認(rèn)為兩者亮度相同時(shí)，記錄下相應(yīng)直流驅(qū)動(dòng)的電流和電壓值。然后取20名觀察者對(duì)于直流驅(qū)動(dòng)的電壓和電流平均值，得到平均功率[4]。將此平均功率驅(qū)動(dòng)下人眼感覺的LED亮度，確定為與對(duì)應(yīng)占空比脈沖驅(qū)動(dòng)下人眼感覺的亮度相同。在此平均功率驅(qū)動(dòng)下測(cè)量LED的光通量、色坐標(biāo)、光譜三原色色比值，并與此占空比脈沖驅(qū)動(dòng)下的參數(shù)作對(duì)比。

2 結(jié)果與討論

2.1 光電性能

將20名觀察者在“視覺亮度”一致時(shí)，所測(cè)的直流驅(qū)動(dòng)模式下的平均功率值與相應(yīng)的脈沖驅(qū)動(dòng)功率值進(jìn)行對(duì)比。圖1為兩種驅(qū)動(dòng)模式下的驅(qū)動(dòng)功率值隨占空比的變化曲線。從圖1中可以看出，當(dāng)D<40%時(shí)，脈沖驅(qū)動(dòng)功率明顯比直流驅(qū)動(dòng)功率要小，并且占空比越低，二者的差值也越大。當(dāng)D=20%時(shí)，直流驅(qū)動(dòng)消耗的功率約是脈沖驅(qū)動(dòng)的1.36倍；當(dāng)占空比在50%附近時(shí)，二者消耗的功率值基本相等；然而，當(dāng)D>70%時(shí)，直流驅(qū)動(dòng)功率明顯又高于脈沖驅(qū)動(dòng)的功率值，這主要是由于在直流驅(qū)動(dòng)時(shí)LED產(chǎn)生的熱量不能及時(shí)散出而導(dǎo)致結(jié)溫升高，使其發(fā)光效率和能量轉(zhuǎn)化效率的下降趨勢(shì)比脈沖驅(qū)動(dòng)更為明顯[5-6]。

圖1 “視覺亮度”一致時(shí)驅(qū)動(dòng)功率隨著脈沖占空比的變化Fig.1 Driving power varying with the duty cycle with “visual luminance” considered to be equal

圖2 “視覺亮度”一致時(shí)光通量隨著脈沖占空比的變化Fig.2 Luminous flux varying with the duty cycle with “visual luminance” considered to be equal

最直觀的表征一個(gè)光源亮度的物理量是該光源的光通量。圖2為在“視覺亮度”一致時(shí)，脈沖和直流驅(qū)動(dòng)下的光通量隨脈沖占空比的變化曲線圖。如圖所示，當(dāng)D<70%時(shí)，脈沖驅(qū)動(dòng)的光通量明顯比直流驅(qū)動(dòng)的低，D=20%時(shí)，直流驅(qū)動(dòng)的光通量是脈沖驅(qū)動(dòng)的3.6倍， 符合“視覺亮度”翻倍的報(bào)道。隨著脈沖占空比的增加，二者的差值逐漸減少。當(dāng)D=70%時(shí)，兩種驅(qū)動(dòng)下的光通量趨于相等。然而，當(dāng)D>70%時(shí)，脈沖驅(qū)動(dòng)模式下的光通量值大于直流驅(qū)動(dòng)模式下的光通量值。

由于脈沖光源是以有效光強(qiáng)描述其特性的，經(jīng)過長(zhǎng)期的研究工作[7-8]，Allard提出一種計(jì)算光脈沖有效發(fā)光強(qiáng)度的方法，如下：

(2)

i(t)為人眼感覺光脈沖的瞬時(shí)有效光強(qiáng)，I(t)為瞬時(shí)光脈沖的光強(qiáng)，a為常數(shù)。其中i(t)為I(t)和視覺脈沖響應(yīng)函數(shù)q(t)的卷積，表示為

i(t)=I(t)?q(t)

(3)

(4)

對(duì)于脈沖持續(xù)時(shí)間低于1s的矩形光脈沖，該方法的結(jié)果偏大。因此，Ohno等人提出一種修正的Allard法，將q(t)的表達(dá)式修改為：

(5)

(6)

對(duì)于矩形脈沖，I(t)為在沖擊時(shí)間內(nèi)為常數(shù)I，則i(t)可表示為

(7)

其中τ為脈沖沖擊時(shí)間，T為脈沖周期[9]。

光脈沖的光強(qiáng)和其有效光強(qiáng)的理論模型圖像如圖3所示。圖3(a)表示作用于人眼的光脈沖亮度，圖3(b)表示主觀亮度感覺，它滯后于實(shí)際光脈沖亮度從而形成視覺惰性，τ～T為視覺暫留時(shí)間。當(dāng)脈沖頻率或占空比增加時(shí)，τ～T的積分面積隨著減??；當(dāng)其增加到一定值時(shí)，τ～T的積分面積小到可以忽略，脈沖驅(qū)動(dòng)下的有效亮度與直流驅(qū)動(dòng)接近相等。

圖3 視覺惰性示意圖Fig.3 Schematic plot for visual inertia

由Talbot定律可知，若脈沖頻率非?？?，可以忽略光在人眼的暫留時(shí)間，則人眼對(duì)亮度的感覺是實(shí)際亮度的平均值[10]，即

(8)

式中L(t)為實(shí)際亮度的變化曲線，τ為脈沖沖擊時(shí)間，T為光變化周期。本實(shí)驗(yàn)使用的脈沖光頻率為100Hz，接近于人眼的臨界頻率(45.8Hz)，人眼對(duì)亮度的視覺暫留時(shí)間不能忽略。因此，視覺暫留時(shí)間下的“視覺亮度”也應(yīng)計(jì)算在整體的“視覺亮度”中。這樣方程(8)修正為：

(9)

式中Lp為視覺暫留時(shí)間段的視覺亮度衰減曲線。式(9)中第一項(xiàng)積分為光脈沖沖擊時(shí)間內(nèi)的視覺亮度，第二項(xiàng)積分為視覺暫留時(shí)間內(nèi)的視覺亮度。

當(dāng)脈沖占空比比較低時(shí)(D<70%)，式(9)中的第二個(gè)積分值在每一個(gè)脈沖周期內(nèi)，使0～τ時(shí)間內(nèi)對(duì)人眼的亮度刺激繼續(xù)在τ～T時(shí)間內(nèi)保持較高的水平[11]，有效地增加了人眼的整體亮度感覺。雖然脈沖驅(qū)動(dòng)下的光通量明顯比直流驅(qū)動(dòng)情況下的低，其“視覺亮度”卻能達(dá)到一致。從而很好地解釋了脈沖驅(qū)動(dòng)能夠提高白光LED的人眼“視覺亮度”的現(xiàn)象。隨著占空比的增加，這種亮度提高能力逐漸降低，PWM 驅(qū)動(dòng)的脈沖波形開始與恒流波形趨同，脈沖驅(qū)動(dòng)在高占空比下對(duì)“視覺亮度”的提高并不明顯，所以在D=70%附近脈沖和直流驅(qū)動(dòng)下的光通量趨于相等。當(dāng)D>70%時(shí)，對(duì)應(yīng)的直流驅(qū)動(dòng)下LED的溫度過高，導(dǎo)致LED芯片在發(fā)光區(qū)的輻射復(fù)合效率減少；并且電流的增加可能使載流子擴(kuò)散出勢(shì)阱，不能有效的輻射出光子，導(dǎo)致其發(fā)光效率降低，輻射光通量下降[12]。其結(jié)果驗(yàn)證了脈沖驅(qū)動(dòng)可以有效地提高LED的量子效率、電流密度的飽和點(diǎn)和“視覺亮度”。

2.2 光色性能

表1給出了“視覺亮度”一致時(shí)，脈沖驅(qū)動(dòng)和直流驅(qū)動(dòng)下的色坐標(biāo)及其到等能白光點(diǎn)(E點(diǎn))的距離對(duì)比情況。發(fā)現(xiàn)，在“視覺亮度”一致時(shí)，脈沖驅(qū)動(dòng)下的色坐標(biāo)向E光源偏移，偏移范圍2.5%～4.6%，色純度也相應(yīng)的降低。表2給出了“視覺亮度”一致時(shí)脈沖和直流驅(qū)動(dòng)下光譜三原色色比值的比較?？梢钥闯?，“視覺亮度”一致時(shí)，脈沖驅(qū)動(dòng)下的藍(lán)色色比值大于直流驅(qū)動(dòng)的。

出現(xiàn)表1和表2這種現(xiàn)象的主要原因是：由于脈沖驅(qū)動(dòng)時(shí)沖擊電流比較大，引起芯片內(nèi)量子限制斯塔克效應(yīng)，使芯片InGaN/GaN的禁帶寬度增大，造成LED峰值波長(zhǎng)發(fā)生藍(lán)移，且藍(lán)光波峰部分明顯增大[13]。由于熒光粉距離LED激發(fā)光源較遠(yuǎn)，黃光部分的峰值波長(zhǎng)存在小量的漂移，但是幅度很小，可以忽略不計(jì)[14]。從而導(dǎo)致其光譜三原色的藍(lán)色比增加，增加約為5%，光譜的藍(lán)綠部分比例增多，光譜更接近等能白光光譜，色溫也得到顯著的提高。由于人眼的光譜光視效率曲線的波峰位置在555nm，所以，脈沖驅(qū)動(dòng)增強(qiáng)了白光LED對(duì)人眼的刺激響應(yīng)。進(jìn)一步解釋了在低占空比時(shí)，雖然脈沖驅(qū)動(dòng)下LED的功率和光通量比直流驅(qū)動(dòng)下的低，但卻能達(dá)到相同的“視覺亮度”。

表1 “視覺亮度”一致時(shí)所記錄的脈沖和直流驅(qū)動(dòng)LED的色坐標(biāo)值Table 1 Color coordinates of pulse-driven and DC-driven LEDs with “visual luminance” considered to be equal

表2 “視覺亮度”一致時(shí)脈沖和直流驅(qū)動(dòng)LED的光譜三原色色比值Table 2 The ratio of three primary colors for pulse-driven LEDs and DC-driven LEDs with “visual luminance” considered to be equal

3 結(jié)論

利用脈沖和直流兩種驅(qū)動(dòng)模式，分別驅(qū)動(dòng)同一批次規(guī)格參數(shù)完全相同的白光LED，并在人眼“視覺亮度”一致時(shí)，對(duì)比其光色電性能。研究發(fā)現(xiàn)，在脈沖驅(qū)動(dòng)情況下，由于脈沖驅(qū)動(dòng)時(shí)沖擊電流比較大，使LED的峰值波長(zhǎng)發(fā)生藍(lán)移，發(fā)出的光比直流驅(qū)動(dòng)時(shí)更接近等能白光光源，色溫也明顯得到了提高，增強(qiáng)了對(duì)人眼的亮度刺激響應(yīng)；同時(shí)由于人眼視覺惰性的特性，當(dāng)占空比低于70%時(shí)，雖然脈沖驅(qū)動(dòng)下白光LED的光通量明顯比直流驅(qū)動(dòng)模式下的要低，但卻能與其達(dá)到相同的“視覺亮度”。此外，運(yùn)用修正的Talot定律，能夠很好的解釋脈沖驅(qū)動(dòng)能夠提高人眼“視覺亮度”的現(xiàn)象。

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