LED与传统光源光效比较分析_LED用于普通照明市场的前景

© 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net 2006 年 12 月 第 17 卷 　第 4 期 照明学报 ZHAOMING GONGCHENG XUEBAO Dec. 　2006 Vol117 　No14 刘木清　周德成　梅　毅 (复旦大学光源与照明工程系 , 上海 　200433) 摘 　要 : 本文从实验测量及软件模拟的角度来比较各种传统明光源包括白炽灯、节能灯、高压钠灯、金卤灯和 发光二极管 LED 的光效高低 , 并阐述了影响这些光源光效提高的理论及技术限制。并通过比较传统光源与 LED 的 光效及未来发展趋势 , 来分析 LED 用于未来普通照明市场的前景。 关键词 : 光效 ; 固态光源 ; 发光二极管 The Comparison of Light Efficacy between LED and Traditional Light Sources Liu Muqing 　Zhou Decheng 　Mei Yi ( Department of Light Sources and Illuminating Engineering Fudan University , Shanghai 　200433) Abstract 　 From the point of view of experiments and software simulation , this article analyzed and compared the light efficacy of different illuminating light sources , including incandescent lamp , energy2saving lamp , high2pressure sodium lamp and the metal2halide lamp . Limits on increasing light efficacy of the light sources included LED were discussed to evaluate the application of LED in general lighting. Key words : light efficacy ; solid light sources ; light2emitting diode 1 　引言 近年来 , 随着以节约能源、保护环境为宗旨的 绿色照明工程的开展 , 高效节能光源的开发得到明 显进步 , 而衡量一个照明光源节能性能的关键参数 就是该光源的发光效率 (简称光效) 。光效是指一个 照明光源所发出的光通量 Fv 和该光源所消耗的电 功率 Pl 之比 , 其单位是 lmΠW。由于 , 加在光源上 的电功率并不全部变成可见光 , 其中有相当一部分 是变成其他形式的能量 (譬如热量) 。因此 , 光效η 可以表示为 : η = FvPl = Km∫ 780 380 PλV (λ) dλ Pl = ∫ 780 380 Pλdλ Pl · Km∫ 780 380 PλV (λ) dλ ∫ 780 380 Pλdλ = ηv K (1) η = FvPl = ηv K (2) 式中 , Pλ 为光谱辐射通量 ; V (λ) 为明视觉的光 谱光效率 ; Km 为辐射量和光度量之间的比例系数 ; K = Km∫ 780 380 PλV (λ) dλ ∫ 780 380 Pλdλ 是当ηv = 1 (即输入功率全部 © 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net 转换成可见光) 时灯的发光效率 , 称为辐射发光效 率[1 ] 。ηv =∫ 780 380 Pλdλ Pl 表示可见辐射通量在输入功率 Pl 中所占的比例。显然 K是由灯在可见光区的光谱 能量分布情况决定的。既然各种灯在可见光区都有 自己独特的光谱能量分布形式 , 因此也就有各自的 辐射发光效率。本文从实验测量兼软件光谱模拟的 角度来分析各类照明光源———白炽灯、节能灯、高 压钠灯、金卤灯和发光二极管 LED 的光效高低 , 并 进行比较 , 进而分析LED 用于普通照明的前景。 2 　实验 211 　实验原理 本实验选取白炽灯、节能灯 ( Philips 15W) 、高 压钠灯 (亚明 70W) 、金卤灯 (亚明 70W) 、LED 为 测量对象 , 在 380～780nm 波长范围内由自行 研制的 SPA2256 掌上型光谱仪测试各类光源的光谱 能量分布 Pλ 及光通量 Fv , 并用电表测试灯功率 　　　 Pl 。由 (1) 式可计算出辐射光效 K 值及ηv 。分析 ηv 的各组成部分的理论限制及当前技术限制以评估 各光源的发展前景。 212 　实验方法与结果 图 1 　测量连接示意图 图 1 是实验的装置示意图。对于 LED 测量所使 用的光通球是定制的小型光通球 , 测量原理相同。 下面将所测照明光源分为两大类 ———传统光源和固 态光源LED。 (1) 传统光源 (白炽灯、节能灯、高压钠灯和金卤 灯) 图 2 是约 2800K的白炽灯、低色温节能灯、高 压钠灯及金卤灯的典型光谱分布 , 根据光谱能量分 布计算出各光源的 K值。表 1 列出该 K值及测试光 通量及功率计算得到的实际光效。 图 2 　光谱能量分布图 表 1 　传统光源光效特性表 光源种类 辐射光效 K (lmΠW) 可见辐射所占比例ηv 实际光效η (lmΠW) 显色指数 Ra 色温 Tc ( K) 白炽灯 154 1011 % 1516 100 2800 节能灯 289 2014 % 59 80 2410 高压钠灯 338 3611 % 122 20 1480 金卤灯 288 34 % 98 72 3766 24 照明工程学报 2006 年 12 月 　 © 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net 　　表中可见 , 各种光源的实际光效远未达到辐射 光效 , 也就是说灯的输入功率并没有像理想情况下 那样全部转换成可见光 , 即可见光所占比例ηv 值均 不大。对于白炽灯 , 除部分热导损失外 , 辐射功率 的 80 %是红外辐射[1 ] , 可见辐射所占的比例很小。 对于节能灯 , 除去电极损耗 , 管壁损失外 , 其余部 分经汞蒸汽放电产生 25317nm 的紫外线 (还有少量 可见光) 照射荧光粉形成二次发光。由于该紫外线 光子能量是二次发光光子能量平均值的约 213 倍这 意味着二次发光已经造成机理上的损失近 55 % , 加 上荧光粉的量子效率 (90 %以上) 损失得到二次发 光的损失接近 60 % , 这是荧光灯光效的主要限制。 对于高压钠灯、金卤灯 , 其可见辐射所占总能量比 例约为 34 %～36 % , 主要损失是热导约 50 %、红外 紫外辐射约 15 %[2～3 ] , 这些理论及技术上的瓶颈决 定了光效提高的难度。 (2) 固态光源 (LED) 对于固体光源 , 由 SPA2256 型光谱仪测量了红、 绿、蓝、白四种颜色的LED 光谱。图 3 是几个典型的 实测光谱图 (实线部分) , 分别对应红、绿、蓝及白 光LED。白光 LED 是由蓝光 LED 加上荧光粉产生黄 光而实现的 , 这是目前实现白光LED 较常用的方法。 图 3 　各色LED 及模拟光谱图 　　采用软件用高斯曲线或洛仑兹曲线进行拟合 , 在最佳拟合方差 (与实际光谱曲线对比) 时的 光谱特性作为LED 模型光谱 , 见图 3 虚线所示。图 中可见 , 实线部分与虚线部分较为接近 , 即可用高 斯曲线或洛仑兹曲线对 LED 光谱进行理论模拟。为 计算方便 , 下面的讨论LED 采用理论模拟光谱进行。 模拟光谱的中心波长及光谱宽度见表 2。 表 2 　模拟 LED 光谱的主要参数 LED 红色 LED 绿色 LED 蓝色 LED 激发蓝色 LED 黄色 荧光粉 中心波长 (nm) 614 546 465 455 570 光谱半宽度 (nm) 20 30 20 25 120 　　目前 , 商品化的红绿蓝合成的白光 LED (RGB2 LED) 并不多见 , 这种方法合成白光除价格高外 , 主要问题在于合成白光所要求的各种单色 LED 的输 出光通量随时间和温度有不同的变化而造成合成白 光的颜色漂移[4 ] 。市场上白光 LED 的主流是蓝光 LED 外涂黄色荧光粉合成白光 ( PC2LED) 。这两种 方法均可用上面的模拟光谱产生。考虑到本文仅讨 论 LED 用于普通照明 , 即白光照明。为分析方便 , 将产生的白光定义为 : (1) 色坐标 x、y、z 均 0133 左右 ; (2) 同时显色指数 80 左右或更高。 可以计算出为最好地满足此要求 , 两种合成白 光的方法其光谱图见图 4。根据该光谱图可计算出 辐射光效、色度坐标、显色指数等参数 , 见表 3、 表 4。可见 , RGB2LED 白光的辐射光效 (理论最高 光效) 可达 355lmΠW , 显色指数也较高。PC2LED 方 式 , 辐射光效 (非理论最高光效 , 因必须考虑荧光 粉的二次发光效率 , 见下文) 可达 320lmΠW , 显色指 数也较高。这两个数值均是理论值 , 与高压钠灯、 金卤灯数值相当。进一步 , 我们按照式 (2) 分析 LED 的实际光效。对 LED , ηv 叫外量子效率 , 是内 量子效率和出光效率之积。内量子效率是指激发区 34第 17 卷第 4 期 刘木清等 : LED 与传统光源光效比较分析 - LED 用于普通照明市场的前景 © 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net 中参与辐射复合电子数量占整个复合电子数的百分 比 , 出光效率是产生的可见光子出射到封装外的比 率。下图是现在所能实现的外量子效率与波长的关 系图[5 ] 。图中将视见画出以作比较。 图 4 　白光LED 模拟光谱图 表 3 　RGB2LED 产生白光辐射光效分析 LED 波长 (nm) 光谱 带宽 辐射光 效 ( K) 能量 (W) 光通 量 综合 红 614 20 31116 1 31116 绿 546 30 64019 112 76911 蓝 465 20 5415 1 5415 辐射光效 355lmΠW ,x = 013505 , y = 013225Ra = 87 表 4 　PC2LED 产生白光辐射光效分析LED 波长(nm) 光谱带宽 辐射光效 ( K) 能量(W) 光通量 综合蓝 455 25 36177 0136 1310黄 70 120 42019 1 42019 辐射光效 31919lmΠW ,x = 01324 , y = 01326Ra = 7417 图 5 　内量子效率与波长关系图 　　由图 5 可见 , 红光的外量子效率较高 , 可以达 到 45 %以上 , 绿光、黄光较低 , 仅 5 %左右 , 蓝光 　　　 也可达到约 3415 %。以出光效率 50 %计算 , 可得内 量子效率红、绿、蓝光 LED 分别为 90 %、10 %、 69 %。可见 , 要提高 LED 的发光效率 , 除提高出光 效率外 , 应提高绿光 LED 及蓝光 LED 的内量子效 率。 将图 5 对应的数据代入式 (2) , 可计算 LED 的 实际光效。结果见表 5、表 6。表中对现有的LED 进 行了光效分析 , 并对不远未来可能到达的 LED 内量 子效率、出光效率进行假设 , 在此假设基础上 , 分 析白光LED 可能到达的光效及最大理论光效。 表 5 　RGB2LED 产生白光光效分析 LED 波长 (nm) 光谱带宽 辐射光效 ( K) 内量子效率 假定出光效率 外量子效率 能量 (W) 光通量 综合光效 红 614 20 31116 85 % 50 % 4215 % 2135 31116 绿 546 30 64019 10 % 50 % 5 % 24 76911 39lmΠW 蓝 465 20 5415 69 % 50 % 3415 % 219 5415 假定 内量子效率 : 红色LED 85 % 　　　　　出光效率 : 50 % →70 % 绿色LED 10 % →40 % 蓝色LED 69 % →80 % 理论极限 内量子效率 : 100 %出光效率 : 100 % 得出 14614lmΠW 355lmΠW 表 6 　PC2LED 产生白光光效分析 LED 波长 (nm) 光谱 带宽 辐射 光效 ( K) 内量子 效率 假定出光 效率 外量子 效率 所需光 通量 所需 能量 (W) 荧光粉转 换效率 二次发光 所需蓝光 总蓝光 (W) 所需输入 能量 综合光效 蓝 455 25 36177 69 % 50 % 3415 % 1310 0136 黄 570 120 42019 42019 1 5112 % 1195 假定 蓝色LED 内量子效率 : 80 % , 出光效率 : 70 % 荧光粉量子效率 : 60 % 理论极限 蓝色LED 内量子效率 : 100 % , 出光效率 : 100 % 荧光粉量子效率 : 80 % 2131 710 得出 6514lmΠW 12613lmΠW 284lmΠW 44 照明工程学报 2006 年 12 月 　 © 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net 　　表 5 分析 RGB 白光 LED 的光效 , 得出 39lmΠW 的结果 , 与实际现在能达到的是较符合的。对 PC - LED 白光方式 , 对当前技术计算结果是 6514lmΠW , 比实际情况略高 , 主要是未考虑荧光粉对光的吸收。 对内量子效率、出光效率的假设条件是根据资料报 道所作的较为乐观的估计 , 并据此算出 LED 的光 效。同时也算出了理论最大光效 , RGB2LED 的最大 理论光效即辐射光效 355lmΠW , 与美国 Sandia 国家 实验室的 Jeff Y TSao 计算的 371lmΠW 是很接近的[6 ] 。 PC2LED 要考虑蓝光到黄光的二次发光损失 , 其理论 最高值即平均波长比约为 80 % , 所以辐射光效为 320lmΠW , 但理论最大光效只有 284lmΠW。 3 　讨论 从上面测量计算所得实验数据来看 , 白炽灯、 节能灯、高压钠灯和金卤灯等传统光源 , 其发光原 理限制了光效的提高 : 对于白炽灯等基于热辐射的 光源 , 其绝大部分输入电功率都变成了红外辐射 , 以及较大的热损失 , 落在可见区的辐射所占比例就 比较小 , 因而其光效不容易有突破性的提高。而对 于基于气体放电发光原理的光源来说 , 荧光灯由于 受到 25317nm 紫外线转换成可见光的能量效率的制 约 , 其光效提高也有限 ; 高压钠灯、金卤灯等光效 已经可以超过 100lmΠW , 但由于热导及紫外、红外 等的损失 , 使光效也很难有较大的提高。LED 的出 现 , 作为新型高效固体光源 , 具有寿命长、节能、 环保等显著优点 , 从理论上来说将可能是人类照明 史上继白炽灯、荧光灯、高压气体放电灯的又一次 飞跃。但目前LED 由于光效不高 , 以及由于光效不 高而造成的相关问题如散热、单颗光通量太小等原 因而大大限制了它在照明领域的应用。目前市场化 的白光LED 的光效仅 30～50lmΠW , 但发展很快 , 已 有实验室样品报道光效达到 100lmΠW , 我们可以乐观 地相信 , 在不久的将来技术上可实现量产白光 LED 达到 100lmΠW 甚至更高的光效。但是 , 100lmΠW 光效 的LED 产品可以在普通照明市场大量应用吗 ? 我们 看一个例子 , 以 100W 普通白炽灯为例 , 假设其光效 15lmΠW , 那总光通量就是 1500lm , 如果我们希望用 LED 来取代这只白炽灯 , 按很多乐观的预测的 5 年 或 10 年达到 150lmΠW 来计算 , 我们知道需要 10W 的LED , 现在 , 我们来看看这个 10W 的 LED 的散热 情况。根据能量守恒原理 , 输入的 10W 一部分变为 光输出 , 按前分析的辐射光效 355lmΠW , 这部分对 应能量为 1500lmΠ (355lmΠW) 即为 412W , 其余的能 量即 518W 将转换成热量 , 这就是散热问题。要在 LED 芯片 (常常小于 1 平方毫米) 的范围上散出 518W的热量 , 这是很难的 ! 这个例子可见 , LED 要 想取代白炽灯等传统光源进入普通照明市场 , 三种 可能的思路 : (1) LED 的光效继续做大 , 达到比 150lmΠW 还要高且高的比较多 , 这还需要 LED 上、 中游行业的多年的共同努力 ; (2) 采用工艺方法如 多芯片封装以解决散热问题 , 但必须解决这些工艺 带来的其它问题 ; (3) 用多颗小功率 LED 获得大光 通量的输出 , 但价格问题又形成一个高的门槛。 参 考 文 献 [1 ] 　周德成 , 刘木清. 光源的光效实验研究. 照明工 程学报 , 17 , 1 , 2006 [2 ] 　蔡祖泉. 电光源原理引论. 上海 : 复旦大学出版 社 , 1988 [3 ] 　周太明. 光源原理与设计. 上海 : 复旦大学出版 社 , 1988 [4 ] 　Keith Scott , Brent York , Grant Harlow. 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