白光LED照明色温调节方法的研究

邸元国，郑利红

(1.上海时代之光照明电器检测有限公司，上海 201100；2.上海亚明照明有限公司，上海 201800)



白光LED照明色温调节方法的研究

邸元国1，郑利红2

(1.上海时代之光照明电器检测有限公司，上海 201100；2.上海亚明照明有限公司，上海 201800)

通过建立驱动电流与LED白光光谱的色坐标的关系曲线，得到了两种色温白光LED的各路驱动电流与混合色温的关系，进而调节白光LED色温从2700K到6500K。

色温;冷白光LED;暖白光LED;驱动电流

引言

白光LED照明调节色温的方法有：(1)白光LED与单色光R/G/B LED混合，调节各路的驱动电流来调节色温。这种方法的优点是光谱较宽，显色指数较高，但由于单色光激发效率较低，整体光效不高，且各单色光随时间温度变化的波长偏移，整体色温不易控制，所以这种方法没有被广泛采用；(2)行业上常用的方法是暖白光LED(2700K)与冷白光LED(6500K)混合调节色温，但是暖白光LED与冷白光LED的蓝光LED芯片主波长与激发荧光粉效率不同，要使色温调节从2700K到6500K，且色容差小于7[1]，须考虑如下几点：暖白光LED随驱动电流变化与色温的关系；冷白光LED随驱动电流变化与色温的关系；以及冷白光LED与暖白光LED各自调节驱动电流时的混合色坐标值。

1 色温与色容差的计算

1.1 色温计算

色温是描述光源的发光特性的一个基本参数，是颜色测量中的一个重要指标。白炽灯以外的其他光源，其光色在色度图上不一定准确地落在绝对黑体轨迹上，所以只能用光源与黑体轨迹最近的颜色来确定该光源的色温，称为相关色温。相关色温的计算方法主要有三角插值法、黑体轨迹法、模拟黑体轨迹弧线法以及McCamy近似公式法[2]。其中McCamy近似公式法最简单且容易操作。

McCamy于1992年提出了由色坐标x、y直接计算相关色温(Tc)的函数关系式：

1.2 色容差的计算

光源发出的光谱与标准光谱之间的差别即色容差。

2 白光LED色坐标与驱动电流的变化关系

两种色温白光LED均选用同等数量0.1W小功率贴片式荧光粉涂覆型LED，且实验LED采用相同支架、InGaN基蓝光LED芯片[4]、主波长为440～460nm，荧光粉为不同比例YAG黄色荧光粉与红色荧光粉混合。白光LED受多重因素影响，其中色度稳定性和均匀性、散热条件对LED性能影响比较大[5]。研究发现，电流变化对绿光光谱影响最大，对白光光谱影响最小[6]。其中蓝光LED主波长随驱动电流的增加而变短即蓝色加深，如图1所示，致使驱动电流变化白光LED色坐标随之变化，即色温会向高色温方向偏移。

图1 蓝光LED芯片主波长与驱动电流的关系曲线Fig.1 Curve: The relations between dominant wave length and drive current of blue LED chip

图2 电流增大冷白光LED色坐标变化曲线Fig.2 Curve: Cool white LED chromaticity coordinate change with current change

图3 电流增大暖白光LED色坐标变化曲线Fig.3 Curve: Warm white LED chromaticity coordinate change with current change

从图2、图3可以看出，无论冷白光LED还是暖白光LED，随着驱动电流的增加色坐标均蓝移，即色温增大。

3 冷白光LED与暖白光LED混合调节色温变化

为了使混合色温从2700K到6500K连续调节，需要知道两种LED同时调节电流与色温的关系式。根据第2节，可以得出如下思路：为了使色温由暖色逐渐变为冷色，可以先把暖白光LED驱动到最大允许电流，而把冷白光LED驱动到最小可点亮电流，然后逐渐减小暖白光LED驱动电流，同时逐渐增大冷白光LED驱动电流。

从表1数据可以看出两种光色LED均在电流最大时混合的色温为正白光，暖白光LED电流由最大逐渐减为最小，而同时冷白光LED由最小点亮电流到最大电流，两者混合色温从2700K逐渐增大到6500K，从而验证了最初的思路。色温调节曲线图见图4。

由图5可以看出，色温从2700K到6500K色坐标的色容差全部小于7(根据GB/T 29294—2012 LED筒灯性能要求，色容差应小于6)。

表1 暖白光LED与冷白光LED驱动电流与色温的数据Table 1 Date:LED drive currents and color temperature of cool white LED and warm white LED

图4 暖白光LED与冷白光LED电流之比与 混合调节后色温曲线图Fig.4 Curve: The current proportion of Warm white LED with cool white LED and the result color temperature

图5 色坐标图(色容差≤7)Fig.5 LED chromaticity coordinate (color allowance less than or equal to 7)

4 小结

本文通过对同等数量的荧光粉涂覆型暖白光LED与冷白光LED驱动电流与色温关系的分析，得出了两种LED的驱动电流之比与混合色温的关系，随着暖白光占的比例越大色温向暖色温方向移动，反之向冷色温方向移动，在调节过程中等间隔比例调节无法实现色温的无级调节(根据以上试验结果，无级调节的前提是电流的非等间隔调节，但这一点的实际应用价值不大，因为随着色温的升高人眼对色温变化的敏感度是成下降趋势的)。由图4可见，在冷白光与暖白光驱动电流的近似1∶1.2点处是一个较为明显的拐点，在此点之后等间隔调节色温变化曲线斜率降低，即变化减缓，在此点之前，等间隔调节色温变化曲线斜率可认为近似相同，但也是缓慢降低的趋势(即实现无级调节的要求是调节电流间隔需要逐渐增大，但需要更进一步试验来确定具体值)。如果根据GB/T 29294—2012标准中初始相关色温的要求的相关规定来界定色温调节区段，综合图4可以得出结论：当设置调节电流间隔值为20mA时可满足标准要求，即实现色温从2700K到6500K八挡连续调节。

[1] 中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局，中国国家标准化管理委员会.GB/T 24823—2009 普通照明用LED模块-性能要求[S].北京：中国标准出版社，2010.

[2] 张浩，徐海松，光源相关色温算法比较研究[J].光学仪器，2006，28.

[3] 中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局.GB/T 5702—2003 光源显色性评价方法[S].北京：中国标准出版社，2003.

[4] 刘康，郭震宁，林介本，等.高亮度白光LED混色理论及其实验研究[J].照明工程学报，2012,23(1)：51-57.

[5] 张寅,施丰华,徐文飞，等.大功率白光LED封装技术[J].照明工程学报，2012,23(3):52-55.

[6] 谈茜，饶丰，张永林，等.LED光谱特性及其在中间视觉下的应用[J].照明工程学报，2012，23(4):52-55.

The Regulating Method for Color Temperature of White LED System

Di Yuanguo1, Zheng Lihong2

(1.ShanghaiAlphaLightingEquipmentTestingCo.Ltd.,Shanghai201100,China;2.ShanghaiYaMingLightingCo.,Ltd.,Shanghai201800,China)

According to the relationship between drive current and color coordinate of white LED spectrum, the relationship for the electric current and the mixed color temperature of the two color temperature LED white light was obtained, then the LED system color temperature was regulated from 2700K to 6500K.

color temperature; cool white LED; warm white LED; electric current

TM923

A

10.3969/j.issn.1004-440X.2015.02.013