CN101815381B - 固定荧光粉配比白光加红光led获得高显色白光的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种固定荧光粉配比不同色温白光加红光LED组合获得高光效高显色LED白光的方法，它由白光LED和红光LED，以及一个控制电路实现。白光LED由蓝光芯片、黄色荧光粉和绿色荧光粉组成，其中黄色荧光粉与绿色荧光粉按特定光通配比混合，通过改变黄绿混合荧光粉与封装材料的百分比来获得具有特定荧光光谱的不同色温高光效白光LED。根据所需LED组合白光色温，选择不同色温的高光效白光LED与红光LED组合，并根据所需LED组合白光光通的要求，通过控制电路分别对白光LED和红光LED提供不同的驱动电流，获得一般显色指数Ra大于90，特殊显色指数R₉大于80的光通可调的高光效高显色LED白光。

Description

固定荧光粉配比白光加红光LED获得高显色白光的方法

技术领域

本发明涉及LED白光技术领域，特别是涉及一种固定荧光粉配比不同色温白光加红光LED组合获得高光效高显色LED白光的方法。

背景技术

随着蓝光LED芯片和相应红色荧光粉、黄色荧光粉和绿色荧光粉的诞生，白光LED得到了迅速发展。然而，这种白光LED的显色性都不高，其显色指数Ra一般低于85。为了提高显色指数，需要增加红色荧光粉，但却大幅降低了其光效，难以得到实际应用。因此，提出了红光LED或芯片替代红色荧光粉，与白光LED组合产生白光的方法，实现了高显色白光，但白光偏离黑体轨迹较大，dC＞0.01，在2700K至6500K色温范围内其特殊显色指数R₉仍较低，实际视觉上显色性并不十分理想，因此需要进一步改进，实现2700K至6500K色温范围内，一般显色指数Ra大于90，特殊显色指数R₉较高的高光效高显色LED白光。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种固定荧光粉配比白光加红光LED组合获得高显色白光的方法，获得在2700K～6500K色温范围内一般显色指数Ra大于90和特殊显色指数R₉大于85的高光效高显色LED白光。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：提供一种固定荧光粉配比白光加红光LED组合获得高显色白光的方法，包括以下步骤：

(1)根据蓝光芯片、黄色荧光粉、绿色荧光粉和红光LED的相对光谱分布，通过仿真模拟确定所需LED组合白光色温下的黄色荧光粉的黄光光通与绿色荧光粉的绿光光通的比例关系，从而确定混合总荧光的最佳色坐标范围，并确定蓝光芯片激发黄绿荧光粉剩余的蓝光、黄色荧光粉被激发的的黄光、绿色荧光粉被激发的绿光和红光的光通百分比，从而确定白光LED的色温范围；

(2)选择所述的所需LED组合白光色温下对应的白光LED组成白光LED回路，并与白光控制电路串联；选择红光LED组成红光LED回路，并与红光控制电路串联；其中，所述的白光LED的白光由所述的蓝光芯片激发所述的黄色荧光粉和绿色荧光粉产生；

(3)根据所述的所需LED组合白光色温和光通的要求，确定白光LED回路和红光LED回路的光通；

(4)根据白光LED回路和红光LED回路的光通与驱动电流的关系，确定白光LED回路和红光LED回路的驱动电流；

(5)通过对应的控制电路，分别对白光LED独立回路和红光LED独立回路提供确定的驱动电流，从而获得所需色温的高显色性白光。

所述的固定荧光粉配比白光加红光LED组合获得高显色白光的方法中所述的蓝光芯片的主峰波长为450～470nm；所述的黄色荧光粉的主峰波长为560～600nm；所述的绿色荧光粉的主峰波长为510～540nm；所述的绿色荧光粉与所述的黄色荧光粉的光通比为0.66～0.74；所述的由蓝光芯片激发黄色荧光粉和绿色荧光粉产生的总荧光色坐标为u＝0.1908，v＝0.3766，色坐标范围为dC＜0.01。

所述的固定荧光粉配比白光加红光LED组合获得高显色白光的方法中所述的蓝光芯片的主峰波长更可取的是455～465nm；所述的黄色荧光粉的主峰波长更可取的是575～585nm；所述的绿色荧光粉的主峰波长更可取的是520～530nm；所述的绿色荧光粉与所述的黄色荧光粉的光通比更可取的是0.69～0.71。

所述的固定荧光粉配比白光加红光LED组合获得高显色白光的方法中所述的红光LED的主峰波长为620～640nm。

所述的固定荧光粉配比白光加红光LED组合获得高显色白光的方法中所述的红光LED的主峰波长更可取的是625～635nm。

所述的固定荧光粉配比白光加红光LED组合获得高显色白光的方法中所述的所需LED组合白光色温的范围为2700K～6500K；其中，对于所需2580K～2870K色温的LED组合白光，所述的白光LED的色温为4500K～4690K；对于所需2871K～3220K色温的LED组合白光，所述的白光LED的色温为4691K～4960K；对于所需3221K～3710K色温的LED组合白光，所述的白光LED的色温为4961K～5430K；对于所需3711K～4260K色温的LED组合白光，所述的白光LED的色温为5431K～6050K；对于所需4261K～4745K色温的LED组合白光，所述的白光LED的色温为6051K～6600K；对于所需4746K～5310K色温的LED组合白光，所述的白光LED的色温为6601K～7150K；对于所需5311K～6020K色温的LED组合白光，所述的白光LED的色温为7151K～7790K；对于所需6021K～7040K色温的LED组合白光，所述的白光LED的色温为7790K～8600K。

所述的固定荧光粉配比白光加红光LED组合获得高显色白光的方法中所述的白光LED的色温通过改变黄绿混合荧光粉与封装材料的百分比来实现的。

所述的固定荧光粉配比白光加红光LED组合获得高显色白光的方法中所述的高显色性白光通过所述的白光控制电路和/或红光控制电路进行光通调节。

所述的固定荧光粉配比白光加红光LED组合获得高显色白光的方法中所述的白光LED独立回路由一颗或至少两颗白光LED进行串联或并联或串并混合连接组成；所述的红光LED独立回路由一颗或至少两颗红光LED进行串联或并联或串并混合连接组成。

所述的固定荧光粉配比白光加红光LED组合获得高显色白光的方法中所述的白光LED和红光LED的颗数根据所述的所需LED组合白光光通的大小以及单颗白光LED和红光LED在额定功率的最大光通来确定。

有益效果

由于采用了上述的技术方案，本发明与现有技术相比，具有以下的优点和积极效果：利用色光混合相加原理和光源显色性评价方法，通过对蓝光芯片的蓝光光谱、黄色荧光粉的黄光光谱、绿色荧光粉的绿光光谱和红光LED光谱的组合进行仿真模拟，得到了满足在2700K～6500K色温范围内，白光一般显色指数Ra大于90、特殊显色指数R₉大于80的特定荧光光谱分布的白光LED和红光LED的组合，并确定了产生特定荧光光谱分布的黄色荧光粉与绿色荧光粉的光通之比范围，黄色荧光粉和绿色荧光粉混合产生总荧光的色坐标范围，所需LED组合白光色温下白光LED的色温范围，以及红光LED的主峰波长范围，从而获得高光效高显色的白光。由于白光LED不使用红色荧光粉，因此，其光效较高。由于本发明中对于不同色温LED组合白光，白光LED采用固定黄绿色荧光粉配比，因此，制作不同色温白光LED只需控制蓝光激发黄绿混合荧光粉剩余蓝光的相对光强就可以了，因此制作方便。

附图说明

图1是本发明的控制电路与LED回路连接示意图；

图2是蓝光芯片的相对光谱分布示意图；

图3是黄色荧光粉的荧光相对光谱分布示意图；

图4是绿色荧光粉的荧光相对光谱分布示意图；

图5是红光LED的相对光谱分布示意图；

图6是黄和绿荧光粉混合总荧光的相对光谱分布示意图；

图7是色温为4584K白光LED的相对光谱分布示意图；

图8是色温为4766K白光LED的相对光谱分布示意图；

图9是色温为5203K白光LED的相对光谱分布示意图；

图10是色温为5746K白光LED的相对光谱分布示意图；

图11是色温为6327K白光LED的相对光谱分布示意图；

图12是色温为6870K白光LED的相对光谱分布示意图；

图13是色温为7425K白光LED的相对光谱分布示意图；

图14是色温为8238K白光LED的相对光谱分布示意图。

具体实施方式

下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。

本发明的实施方式涉及一种固定荧光粉配比白光加红光LED组合获得高显色白光的方法，利用色光混合相加原理和光源显色性评价方法，通过对蓝光芯片的蓝光光谱、黄色荧光粉的黄光光谱、绿色荧光粉的绿光光谱和红光LED光谱的组合进行仿真模拟，得到了满足在所需LED组合白光色温下，LED白光一般显色指数Ra大于90、特殊显色指数R₉大于80的特定荧光光谱分布的白光LED和红光LED的组合，并确定了产生特定荧光光谱分布的黄色荧光粉与绿色荧光粉的光通之比范围，黄色荧光粉和绿色荧光粉混合产生总荧光的色坐标范围，所需LED组合白光色温下白光LED的色温范围，以及红光LED的主峰波长范围。通过选择不同色温白光LED和红光LED组合，可获得在2700K～6500K色温范围内，一般显色指数Ra大于90、特殊显色指数R₉大于80的高光效高显色LED白光。利用本发明制作的灯具可适合用作高显色要求的特殊照明和普通室内照明。

本发明实施例由2颗功率为1W串联的白光LED、1颗功率为1W的红光LED和各自的控制电路组成。白光LED回路由白光控制电路提供给定的驱动电流，红光LED回路由红光控制电路提供给定的驱动电流，控制电路与白光LED回和红光LED回路连接示意图如图1所示。

白光LED的白光由蓝光芯片激发黄色荧光粉和绿色荧光粉产生，蓝光芯片的主峰波长为466.0nm，其相对光谱分布如图2所示；黄色荧光粉的主峰波长为582.0nm，其相对光谱分布如图3所示；绿色荧光粉的主峰波长为530nm，其相对光谱分布如图4所示；红光LED在驱动电流350mA下的主峰波长为629.2nm，其光谱分布如图5所示。

根据蓝光芯片、黄色荧光粉、绿色荧光粉和红光LED的相对光谱分布，通过仿真模拟确定满足在2700K～6500K不同色温和高显色性要求下，黄色荧光粉的黄光光通与绿色荧光粉的绿光光通的比例和黄色荧光粉和绿色荧光粉混合产生的总荧光色坐标。本实施例中白光LED中黄色荧光粉的黄光光通与绿色荧光粉的绿光光通的比例为0.698，黄色荧光粉和绿色荧光粉混合产生的总荧光色坐标为u＝0.1908，v＝0.3766，黄色荧光粉和绿色荧光粉混合产生总荧光的相对光谱分布见图6。

通过仿真模拟确定所需LED组合白光色温下的蓝光激发黄绿荧光粉剩余的蓝光、黄色荧光粉和绿色荧光粉混合产生总荧光和红光的光通百分比，由此可确定在所需LED组合白光色温下白光LED的色温范围。对于所需2700K色温的LED组合白光，本实施例中白光LED在驱动电流350mA下的色温为4584K，其相对光谱分布见图7；对于所需3000K色温的LED组合白光，本实施例中白光LED在驱动电流350mA下的色温为4766K，其相对光谱分布见图8；对于所需3500K色温的LED组合白光，本实施例中白光LED在驱动电流350mA下的色温为5203K，其相对光谱分布见图9；对于所需4000K色温的LED组合白光，本实施例中白光LED在驱动电流350mA下的色温为5746K，其相对光谱分布见图10；对于所需4500K色温的LED组合白光，本实施例中白光LED在驱动电流350mA下的色温为6327K，其相对光谱分布见图11；对于所需5000K色温的LED组合白光，本实施例中白光LED在驱动电流350mA下的色温为6870K，其相对光谱分布见图12；对于所需5700K色温的LED组合白光，本实施例中白光LED在驱动电流350mA下的色温为7425K，其相对光谱分布见图13；对于所需6500K色温的LED组合白光，本实施例中白光LED在驱动电流350mA下的色温为8238K，其相对光谱分布见图14。其中，白光LED的色温通过改变黄绿混合荧光粉与封装材料的百分比，控制蓝光激发混合荧光粉剩余蓝光的光强，从而获得不同色温的白光LED。

根据所需LED组合白光色温和光通的要求，确定白光LED回路的和红光LED回路的光通；白光LED和红光LED的颗数根据单颗白光LED和红光LED在额定功率的最大光通来确定。本实施例中白光LED和红光LED的颗粒数是根据所需LED组合白光光通为200lm条件下，采用上述具体实施方法而确定的，从而可进一步确定单颗白光LED和红光LED的所需光通；根据白光LED和红光LED的光通与驱动电流的关系，初步确定白光LED和红光LED的驱动电流。由于LED的相对光谱分布随驱动电流变化，因此，白光LED和红光LED的驱动电流还要通过仿真模拟进行修正，最终确定在所需白光光通下的白光LED和红光LED的驱动电流。

根据上述具体实施方法，本发明实施例中2700K、3000K、3500K、4000K、4500K、5000K、5700K和6500K色温下的2颗白光LED总光通和红光LED的光通如表1所示

表1

本发明实施例获得的2700K、3000K、3500K、4000K、4500K、5000K、5700K、6500K的LED组合白光的色温(Tc)、色坐标(u，v)、一般显色指数(Ra)、特殊显色指数(R₉)和光效如表2所示：

表2

由此可见，本发明获得的白光在2700K-6500K的色温范围内，一般显色指数Ra都达到90以上，显色性非常好，特别是特殊显色指数R₉也都达到80以上，解决了目前LED白光在特殊显色指数R₉上表现较差的难题，其光效达到68lm/W以上。本发明实施例中对于不同所需白光色温，采用相同红光LED，即相同红光主峰波长。如果对不同所需白光色温的白光LED和红光LED组合，采用不同主峰波长的红光LED，可获得更高特殊显色指数R₉。本发明还可以通过对所述的白光控制电路和/或红光控制电路进行调节得到不同光通的LED白光。所以，对今后LED进入高显色照明要求场合和普通室内照明的发展意义重大。

本发明中白光LED没有使用红色荧光粉是考虑提高白光LED的光效。若白光LED中再加入红色荧光粉并与红光LED组合，采用本发明专利方法同样可以实现高显色白光。白光LED中加入红色荧光粉，只是减少了红光LED所需的光通量，因此，并没有实质性方法的改变。故对于白光LED中加入红色荧光粉并与红光LED组合实现高显色白光同样受本专利保护。

采用本发明专利方法，对于由一个蓝光LED芯片、一个红光LED芯片、加黄色荧光粉、绿色荧光粉和红色荧光粉组合封装制造的单颗不同色温的高显色白光LED也受本专利保护。采用本发明专利方法制作的白光照明灯具、白光照明设备和白光发光体都受本专利保护。

Claims (8)

1.一种固定荧光粉配比白光加红光LED组合获得高显色白光的方法，其特征在于，包括以下步骤：

（1）根据蓝光芯片、黄色荧光粉、绿色荧光粉和红光LED的相对光谱分布，通过仿真模拟确定所需LED组合白光色温下的黄色荧光粉的黄光光通与绿色荧光粉的绿光光通的比例关系，从而确定混合总荧光的最佳色坐标范围，并确定蓝光芯片激发黄绿荧光粉剩余的蓝光、黄色荧光粉被激发的黄光、绿色荧光粉被激发的绿光和红光的光通百分比，从而确定白光LED的色温范围；所述的蓝光芯片的主峰波长为450～470nm；所述的黄色荧光粉的主峰波长为560～600nm；所述的绿色荧光粉的主峰波长为510～540nm；所述的绿色荧光粉与所述的黄色荧光粉的光通比为0.66～0.74；由蓝光芯片激发黄色荧光粉和绿色荧光粉产生的总荧光色坐标为u=0.1908，v=0.3766，色坐标范围为dC<0.01；红光LED的主峰波长为620～640nm；

（2）选择所述的所需LED组合白光色温下对应的白光LED组成白光LED回路，并与白光控制电路串联；选择红光LED组成红光LED回路，并与红光控制电路串联；其中，所述的白光LED的白光由所述的蓝光芯片激发所述的黄色荧光粉和绿色荧光粉产生；

（3）根据所述的所需LED组合白光色温和光通的要求，确定白光LED回路和红光LED回路的光通；

（4）根据白光LED回路和红光LED回路的光通与驱动电流的关系，确定白光LED回路和红光LED回路的驱动电流；

（5）通过对应的控制电路，分别对白光LED独立回路和红光LED独立回路提供确定的驱动电流，从而获得所需色温的高显色性白光。

2.根据权利要求1所述的固定荧光粉配比白光加红光LED组合获得高显色白光的方法，其特征在于，所述的蓝光芯片的主峰波长为455～465nm；所述的黄色荧光粉的主峰波长为575～585nm；所述的绿色荧光粉的主峰波长为520～530nm；所述的绿色荧光粉与所述的黄色荧光粉的光通比为0.69～0.71。

3.根据权利要求1所述的固定荧光粉配比白光加红光LED组合获得高显色白光的方法，其特征在于，所述的红光LED的主峰波长为625～635nm。

4.根据权利要求1所述的固定荧光粉配比白光加红光LED组合获得高显色白光的方法，其特征在于，所述的所需LED组合白光色温的范围为2700K～6500K；其中，对于所需2700K～2870K色温的LED组合白光，所述的白光LED的色温为4500K～4690K；对于所需2871K～3220K色温的LED组合白光，所述的白光LED的色温为4691K～4960K；对于所需3221K～3710K色温的LED组合白光，所述的白光LED的色温为4961K～5430K；对于所需3711K～4260K色温的LED组合白光，所述的白光LED的色温为5431K～6050K；对于所需4261K～4745K色温的LED组合白光，所述的白光LED的色温为6051K～6600K；对于所需4746K～5310K色温的LED组合白光，所述的白光LED的色温为6601K～7150K；对于所需5311K～6020K色温的LED组合白光，所述的白光LED的色温为7151K～7790K；对于所需6021K～6500K色温的LED组合白光，所述的白光LED的色温为7790K～8600K。

5.根据权利要求4所述的固定荧光粉配比白光加红光LED组合获得高显色白光的方法，其特征在于，所述的白光LED的色温通过改变黄绿混合荧光粉与封装材料的百分比来实现的。

6.根据权利要求1所述的固定荧光粉配比白光加红光LED组合获得高显色白光的方法，其特征在于，所述的高显色性白光通过所述的白光控制电路和/或红光控制电路进行光通调节。

7.根据权利要求1所述的固定荧光粉配比白光加红光LED组合获得高显色白光的方法，其特征在于，所述的白光LED独立回路由一颗或至少两颗白光LED进行串联或并联或串并混合连接组成；所述的红光LED独立回路由一颗或至少两颗红光LED进行串联或并联或串并混合连接组成。

8.根据权利要求7所述的固定荧光粉配比白光加红光LED组合获得高显色白光的方法，其特征在于，所述的白光LED和红光LED的颗数根据所述的所需LED组合白光光通的大小以及单颗白光LED和红光LED在额定功率的最大光通来确定。

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