CN103486466B - 一种led灯具 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种LED灯具，包括LED光源模块，LED光源模块包括至少一组LED光源组件；还包括三个驱动电路和控制电路；LED光源组件包括第一LED光源，第二LED光源和第三LED光源；第一光源包括峰值波长为445～455nm的第一蓝光LED芯片，其上涂覆有峰值波长为500～520nm的绿光荧光粉，提供的蓝绿光中蓝光所占的光功率比例为0.43～0.57；第二光源包括峰值波长为445～455nm的第二蓝光LED芯片，其上涂覆有峰值波长为557～570nm的黄光荧光粉，提供的黄光中蓝光所占的光功率比例为0～0.08；第三光源包括峰值波长为624～630nm的第三红光LED芯片；控制电路确定各LED光源的驱动电流，通过驱动电路驱动各个LED光源。本发明的LED灯具，色温可调，且特殊显色指数R9在95以上，同时灯具的设计，制造成本较低。

Description

一种LED灯具

【技术领域】

本发明涉及灯具，特别是涉及一种LED灯具。

【背景技术】

现有的LED灯具，通常包括散热器、反光罩、扩散板和其上设置有各个LED芯片的基板。利用各个LED芯片发出不同的颜色的光合成为白光。目前，在LED照明领域实现高显指的色温可调灯具是主要技术热点之一，通常采用不同色温或波长的LED混光方法。但是，要实现高的显色指数，特别是高的特殊显指R9不太容易，而许多应用（例如：商品展示）要求高的显色指数。因此，人们试图采用各种不同波长的荧光粉或LED组合。例如：公开日为2010年8月18日，公开号为CN101808451A的发明创造名称为白光加红蓝LED组合获得高显色可调色温白光的方法的专利申请文件中，利用一种蓝光LED芯片激发黄绿混合荧光粉产生的暖白光，再与红光LED光源以及另一种波长的蓝光LED光源混合成高显指色温可调白光。

上述方案中，存在以下几点不足：1.涂覆的荧光粉为黄色荧光粉和绿色荧光粉的混合，混合比例不好掌控，把握不好会影响最终合成的白光色度参数。而且绿色荧光会被黄色荧光粉部分吸收，降低激发效率，更增加了设置混合比例的难度，使得灯具的设计成本较高。2.虽然混合后的白光可实现在2700K～6500K范围内可调，但是特殊显指R9仅大于90，色品差△C≤0.01，性能参数不能满足高要求的应用。而且特殊显指R9也仅在2700-5000K的范围内才大于90，不能在全部色温可调范围内达到R9大于90。3.设置的两个蓝光LED芯片的峰值波长不相等，增加了选材制造成本。

【发明内容】

本发明所要解决的技术问题是：弥补上述现有技术的不足，提出一种LED灯具，在实现色温在2700K-6500K范围可调时，一般显色指数Ra在90以上，特殊显色指数R9在95以上，色品差△C小于0.0054，同时灯具的设计，制造成本也较低。

本发明的技术问题通过以下的技术方案予以解决：

一种LED灯具，包括散热器、反光罩、扩散板和其上设置有LED光源模块的基板，所述LED光源模块包括至少一组LED光源组件，所述LED灯具还包括三个驱动电路和控制电路；所述LED光源组件包括提供蓝绿光的第一LED光源，提供黄光的第二LED光源和提供红光的第三LED光源；所述第一光源包括峰值波长为445～455nm的第一蓝光LED芯片，其上涂覆有峰值波长为500～520nm的绿光荧光粉，提供的所述蓝绿光中蓝光所占的光功率比例为0.43～0.57；所述第二光源包括峰值波长为445～455nm的第二蓝光LED芯片，其上涂覆有峰值波长为557～570nm的黄光荧光粉，提供的所述黄光中蓝光所占的光功率比例为0～0.08；所述第三光源包括峰值波长为624～630nm的第三红光LED芯片；所述控制电路中存储有各个光源的光通量配比与混合后光源的色度参数之间的对应关系表，其中在各个光源的光通量配比下，各色度参数满足如下条件：色温在2700K～6500K范围内可调，各色温下光源的一般显色指数Ra≥90，特殊显色指数R9≥95，色品差△C＜0.0054；所述控制电路根据用户需要得到的混合后的色温选择相应的各个光源的光通量配比，根据各个光源的光通量配比确定各个光源的驱动电流，并将计算的驱动电流分别输出至相应的驱动电路；所述三个驱动电路分别将接收的驱动电流输出至相应的LED光源，驱动相应的LED光源发光。

本发明与现有技术对比的有益效果是：

本发明的LED灯具，LED光源组件为特别设置的第一蓝光LED芯片，第二蓝光LED芯片和第三红光LED芯片，从而产生特定光谱功率分布的混合光。同时控制电路中预先存储好满足条件的各个光源的光通量配比与色度参数之间的对应关系表，根据需要得到的色温选择各个光源的光通量配比，由此确定驱动电流输出给各个光源驱动发光，得到需要的色温，同时光源的一般显色指数Ra≥90，特殊显色指数R9≥95，色品差△C＜0.0054。本发明中LED灯具，在实现色温在2700K～6500K范围内可调的前提下，一般显示指数Ra≥90，特殊显色指数R9≥95，色品差△C＜0.0054，色度参数较好，可满足高要求的应用。同时，LED光源组件中不涉及不同种类荧光粉的混合比例问题，且两个蓝光LED芯片的峰值波长相同，因此灯具的设计成本和制造成本均较低。

【附图说明】

图1是本发明具体实施方式一中的LED灯具的结构示意图；

图2是本发明具体实施方式一中的LED灯具的电路示意图；

图3是本发明具体实施方式一中的LED灯具选取的一种组合下各芯片和荧光粉的相对光谱功率分布图；

图4是本发明具体实施方式一中的LED灯具在一种组合下以及一组蓝光比例下三种颜色的光的相对光谱功率分布图；

图5是本发明具体实施方式一中的LED灯具在一种组合下以及一组蓝光比例下三种颜色的光的色域范围示意图；

图6是本发明具体实施方式一中计算满足条件的光通量配比的方法流程图；

图7是本发明具体实施方式一中的LED灯具在一种组合下以及一组蓝光比例下计算得到的光通量配比与色度参数的对应关系表；

图8是本发明具体实施方式二中LED灯具中多个LED光源的排列结构示意图；

图9是本发明具体实施方式二中LED灯具中蓝绿光、黄光、红光LED光源阵列在扩散板面的照度模拟设计光斑图。

【具体实施方式】

下面结合具体实施方式并对照附图对本发明做进一步详细说明。

具体实施方式一

本发明采用单种峰值波长为445-455nm的蓝光LED分别激发绿光荧光粉（峰值波长为500-520nm）和黄光荧光粉（峰值波长为557-570nm）产生蓝绿光和黄光，与峰值波长为624-630nm的红光LED的组合，实现2700K～6500K范围内色温可调，且一般显色指数Ra≥90，特殊显色指数R9≥95，色品差△C＜0.0054的LED白光。

如图1和2所示，分布为本具体实施方式中的LED灯具的结构示意图和电路示意图。LED灯具包括散热器1、反光罩2、扩散板3和其上设置有LED光源模块4的基板5。其中，LED光源模块4包括至少一组LED光源组件（图1中示出了一组）。LED灯具还包括三个驱动电路701、702、703和控制电路6。

LED光源组件包括提供蓝绿光的第一LED光源401，提供黄光的第二LED光源402和提供红光的第三LED光源403。

第一光源401包括峰值波长为445～455nm的第一蓝光LED芯片，其上涂覆有峰值波长为500～520nm的绿光荧光粉，从而第一蓝光LED芯片激发所述绿光荧光粉产生蓝绿光。通过调节绿光荧光粉的胶粉比例及涂覆量，使产生的蓝绿光中蓝光所占的光功率比例为0.43～0.57（蓝绿光中，蓝光与绿光的光功率比例相加为1，也即绿光所占的光功率比例也为0.43～0.57）。本具体实施方式中，使用峰值波长为446nm的蓝光LED芯片激发507nm的绿光荧光粉，蓝绿光中蓝光所占的光功率比例为0.44。

第二光源402包括峰值波长为445～455nm的第二蓝光LED芯片，其上涂覆有峰值波长为557～570nm的黄光荧光粉，从而第二蓝光LED芯片激发所述绿光荧光粉产生黄光。通过调节黄光荧光粉的胶粉比例及涂覆量，使产生的黄光中蓝光（由蓝光LED芯片透过）所占的光功率比例为0～0.08（也即黄光所占的光功率比例为0.92～1）。本具体实施方式中，使用峰值波长为446nm的蓝光LED芯片激发558nm的黄光荧光粉，黄光中蓝光所占的光功率比例为0.07。

第三光源包括峰值波长为624～630nm的第三红光LED芯片，提供红光。本具体实施方式中，使用峰值波长为627nm的红光LED。

如图3所示，即为本具体实施方式中选取的446nm蓝光LED芯片、627nm红光LED芯片、507nm绿光荧光粉、558nm黄光荧光粉的相对光谱功率分布图。图3中，B表示蓝光LED芯片，G表示绿光荧光粉，Y表示黄光荧光粉，R表示红光LED芯片。在上述组合下，调节荧光粉胶粉比例及涂覆量，使蓝绿光、黄光中蓝光所占的光功率比例分别为0.44、0.07，从而产生蓝绿光、黄光和红光的相对光谱功率分布如图4所示。图4中，B_G表示蓝绿光，B_Y表示黄光，R表示红光。在上述组合和比例下，产生的蓝绿光、黄光与红光的色坐标分别为：（0.1631，0.2332）、（0.3999,0.4924）、（0.6868,0.3130），其色域范围示意图如图5所示。从图5可知，该三种颜色的光的色坐标构成的三角形范围，覆盖了能源之星色域范围，表明该色坐标下的三种光混合得到的光可实现色温在2700K～6500K的范围内可调。

需说明的是，当选取范围内其它值的组合时，图4中波形的峰值会有移动。当蓝绿光、黄光中蓝光所占的光功率比例设置为范围内其它取值时，相应波长下的相对功率值会有所变动，波形的压缩张开情形会有所不同。但无论波形峰值移动，或者波形收缩变化，总体上在445-455nm的蓝光LED芯片、624-630nm的红光LED芯片、500-520nm的绿光荧光粉和557-570nm的黄光荧光粉组合下，蓝绿光、黄光中蓝光所占的光功率比例分别为0.43～0.57、0～0.08时，混合后光的相对光谱功率分布图与图4相似，得到的三种颜色的光的色坐标构成的三角形同样可覆盖能源之星色域范围，三种光混合得到的光即同样可实现色温在2700K～6500K的范围内可调。

LED灯具中电路组件工作时：控制电路6中存储有各个光源的光通量配比与混合后光源的色度参数之间的对应关系表，其中在各个光源的光通量配比下，各色度参数满足如下条件：色温在2700K～6500K范围内可调，各色温下光源的一般显色指数Ra≥90，特殊显色指数R9≥95，色品差△C＜0.0054；控制电路根据用户需要得到的混合后的色温选择相应的各个光源的光通量配比，根据各个光源的光通量配比确定各个光源的驱动电流，并将计算的驱动电流分别输出至相应的驱动电路701、702和703。

三个驱动电路701、702和703分别将接收的驱动电流输出至相应的LED光源401、402和403，驱动相应的LED光源发光。三路驱动电路701、702和703采用脉冲宽度调节PWM的调节模式分别驱动三种LED光源。PWM调节模式调节控制的是各LED光源的输入电流的脉宽，使得LED光源始终工作在满幅度电流与零，减小色谱的偏移。可利用单片机采用16位定时器产生PWM信号，分成65536个灰度级。这样可提高控制精度，且使得灯光的变化过程柔和。

控制电路6通过驱动电路调节驱动电流，从而控制各光源的光通量输出，使LED灯具输出相应光通量配比下混合得到的混合白光，从而输出想要的色温下的混合白光，并且该色温下的一般显色指数Ra在90以上，特殊显色指数R9在95以上。

如下详细说明，如何得到光通量配比与混合后光源的色度参数之间的对应关系表。

首先，光源的色温、显色指数及色品差等色度参数是由三种颜色混合后得到的光的相对光谱功率分布决定的。混光后光的相对光谱功率分布S(λ)的计算如公式(1)所示：

S(λ)=K₁*S_{B_G}(λ)+K₂*S_{B_Y}(λ)+K₃*S_R(λ)   (1)

其中，S_{B_G}(λ)、S_{B_Y}(λ)、S_R(λ)分别为参与混光的蓝绿光、黄光、红光的相对光谱功率分布，K₁、K₂、K₃为参与混光的蓝绿光、黄光、红光LED所对应的光功率配比。所以，要想确定混光后的光的色温和显色指数，需知道参与混光的LED的相对光谱功率分布及它们之间的光功率配比。如前所述，当使用的LED芯片和荧光粉的峰值波长，荧光粉的量确定时，混合后光的功率分布即是确定的（如图4所示）。因此，设置不同的光功率配比组合，会得到不同的S(λ)，而S(λ)会最终影响色度参数的取值（由S(λ)计算色温，一般显色指数Ra，特殊显色指数R9、色品差和辐射效率等色度参数的公式是已知的）。综上所述，不同的光功率配比组合混合后光源有不同的色温、显色指数和色品差。

如图6所示，为计算满足条件的光通量配比的方法流程图。如图6所示，包括如下步骤：1）接收蓝绿光、黄光和红光的相对光谱功率分布数据。2）对蓝绿光光功率配比K1、黄光光功率配比K2和红光光功率配比K3进行赋值。3）计算混合后光的色度参数。具体地，即按照上述公式(1)计算混合光的相对光谱功率分布，然后根据混合后光的相对光谱功率分布计算混合后光源的色度参数，这些色度参数包括色温，一般显色指数Ra，特殊显色指数R9、色品差和辐射效率。根据混合后光的相对光谱功率分布S(λ)计算上述色度参数有已知的计算公式，在此不详细说明。4）判断是否满足如下条件：混合后光的色温在设定范围内（即可在设定值某一范围内波动，例如色温设定值为2700K，则色温在2695～2705K的范围内均可视为色温为2700K），一般显色指数Ra≥90，特殊显色指数R9≥95，色品差△C＜0.0054，如果是，则进入步骤5）输出蓝绿光光功率配比K1、黄光光功率配比K2和红光光功率配比K3当前的取值，以及对应的当前的色度参数值；如果否，则返回步骤2）重新赋值，重新计算，直至得到满足条件的光蓝绿光光功率配比K1、黄光光功率配比K2和红光光功率配比K3。

得到满足条件的光功率配比K1、K2和K3后，由于光功率配比与光通量配比之间有对应的关系，因此可根据光功率配比计算得到光通量配比。计算公式为：

${\mathrm{\η}}_n=\frac{K_n*{\mathrm{LER}}_n}{\underset{n=1}{\overset{3}{\mathrm{\Σ}}}{K}_n*{\mathrm{LER}}_n}n=\left(\mathrm{1,2,3}\right)---\left(2\right)$

$\mathrm{LER}=\frac{a_m{\∫}_{\mathrm{\λ}}S\left(\mathrm{\λ}\right)*V\left(\mathrm{\λ}\right)\mathrm{d\λ}}{{\∫}_{\mathrm{\λ}}S\left(\mathrm{\λ}\right)\mathrm{d\λ}}---\left(3\right)$

式中，η_n，K_n，LER_n分别对应的是各个光源（n=1时对应蓝绿光、n=2时对应黄光、n=3时对应红光）的光通量配比，光功率配比和辐射效率，a_m的值为683lm/W，V(λ)为视见函数，S(λ)为相应的光源的相对功率光谱分布数据。

由上述计算方法，即可得到各个光源的光通量配比与混合后光源的色温，一般显色指数Ra，特殊显色指数R9，色品差△C之间的对应关系，且色温在2700K～6500K的范围内可调，各色温下混合后光源的一般显色指数Ra≥90，特殊显色指数R9≥95，色品差△C＜0.0054。

仍然以峰值波长为446nm蓝光LED芯片、627nm红光LED芯片、507nm绿光荧光粉、558nm黄光荧光粉的组合，蓝绿光、黄光中蓝光所占的光功率比例分别为0.44、0.07的情形为例说明，得到的混合后的白光的光通量配比与各个色度参数的对应关系表如下表所示，得到的混合后的白光的相对功率光谱分布如图7所示。

从上表可知，通过控制蓝绿光、黄光、红光三种LED的光通量配比，即可得到配比下对应的色温的混合光，色温可以实现从2700K到6500K的范围可调，同时，一般显色指数Ra均在90以上，特殊显色指数R9在95以上，最高可达98。色品差△C均小于0.0054，辐射光效(LER)在314lm/W以上，最高辐射光效(LER)为348lm/W。

从图7中的混合后的白光的相对光谱功率分布图可知，该LED灯具可实现在2700K～6500K色温范围内的连续可调。

本具体实施方式中LED灯具，采用三种LED光源，分别是采用蓝光LED芯片激发绿光荧光粉产生蓝绿光、蓝光LED芯片激黄光荧光粉产生黄光、以及红光LED芯片产生红光。通过一定范围的峰值波长组合以及蓝绿光、黄光中蓝光比例的配合，从而产生特定光谱功率分布的混合光。工作时，通过控制电路和驱动电路调节不同的LED光源的电流，从而调节不同LED光源的光通量输出，调节它们之间的光通量的配比，得到各个光通量配比下对应的色温下的混合白光，且白光的色度参数较好，即在保证高显色指数、良好色品差、辐射效率的前提下，实现色温的可调，可满足高要求的应用。同时，LED灯具的光源组件中不涉及荧光粉的混合比例问题，且两个蓝光LED芯片的峰值波长相同，因此灯具的设计成本和制造成本均较低。

具体实施方式二

本具体实施方式与具体实施方式一的不同之处在于：本具体实施方式在具体实施方式一的基础上进一步限定：多个LED光源按照圆形阵列排布，圆形半径r的设置以及反光罩、基板、扩散板的优选设置等。

本具体实施方式中的LED灯具，组件，各组件的连接以及组件的工作过程均与实施方式一中相同，在此不重复说明。如下仅详细说明进一步限定的内容。

本具体实施方式中通过合理布局LED光源阵列，使得蓝绿光、黄光、红光投射到目标扩散面板上的光斑大小相等、照度均匀；以及由磨砂反光罩压缩光斑；并由PC或PMMA材质的扩散板或磨砂的玻璃进行二次匀光和匀色；镀有反射膜的基板用于收集被反光罩及扩散板反射到底部的光线，提高系统的光利用率。

如图8所示，为本具体实施方式中LED灯具中多个LED光源的排列结构示意图。从图8中可知，LED灯具包括6组LED光源组件，各组LED光源组件均包括3个LED光源，共计18个LED光源，该多个LED光源按照圆形阵列排布，且提供不同颜色的光的LED光源间隔设置，各个LED光源具有相同的配光曲线。例如，提供蓝绿光的第一LED光源401两侧相邻的为第二LED光源402和第三LED光源403，提供黄光的第二LED光源402两侧相邻的为第一LED光源401和第三LED光源403，提供红光的第三LED光源403两侧相邻的为第一LED光源401和第二LED光源402，如此排列设置，不同颜色的LED光源间隔设置。

按照圆形阵列排列各个LED光源，蓝绿光、黄光、红光LED光源具有相同的配光曲线，且均在同一圆形阵列内，则蓝绿光、黄光、红光LED投射到目标扩散板的光斑的大小相等，且照度较均匀，这样在扩散板面合成的白光的色温分布也较均匀。

优选地，蓝绿光、黄光、红光LED光源的配光曲线均为朗伯型，三者的半光强角均相同，则圆形阵列的半径其中，m为与所述LED光源的半光强角相关的系数，其中θ为所述半光强角；z为所述LED光源与所述扩散板之间的距离。由于蓝绿光、黄光、红光LED光源均位于同一平面——基板上，因此，LED光源为蓝绿光、黄光、红光LED光源中的一个。按照上述方法设置圆形半径，可使LED灯具出射的光斑照度最均匀。举例说明，以出射光斑为8英寸（203mm）的筒灯的设计为例，则LED光源采用圆形阵列排列，蓝绿光、黄光、红光LED的个数均为6个，不同颜色的LED相间放置，z设为80mm，当半光强角θ为60°时，计算得到实现照度最均匀条件的圆形阵列的半径值r为65mm。此时，按照半径为65mm的圆形阵列设置蓝绿光、黄光、红光组成LED灯具时，得到蓝绿光、黄光、红光LED光源阵列在扩散板面的照度模拟设计光斑图分别如图9a、9b和9c所示。如图9所示，蓝绿光、黄光、红光阵列照射到扩散板面的光斑的大小均为203mm，且照度较均匀，这样叠加所形成的光斑的色度也将较均匀。

进一步优选地，LED灯具中的反光罩为磨砂反光罩。磨砂反光罩主要可以收集边缘光线，压缩LED光源阵列出射到反光罩上的光斑大小，使之与扩散板上的光斑大小一致。

更进一步优选地，LED灯具中的基板上镀有反射膜。镀反射膜的基板可收集被反光罩及扩散板反射到底部的光线，从而提高系统的光利用率。

更进一步优选地，LED灯具中的扩散板为PC扩散板（聚碳酸酯Polycarbonate，英文缩写PC）、PMMA扩散板（聚甲基丙烯酸甲酯polymethylmethacrylate，英文缩写PMMA）或磨砂玻璃，这样扩散板可进行二次匀光、匀色，提高出射光的均匀度。

以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下做出若干替代或明显变型，而且性能或用途相同，都应当视为属于本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种LED灯具，包括散热器、反光罩、扩散板和其上设置有LED光源模块的基板，其特征在于：所述LED光源模块包括至少一组LED光源组件，所述LED灯具还包括三个驱动电路和控制电路；

所述LED光源组件包括提供蓝绿光的第一LED光源，提供黄光的第二LED光源和提供红光的第三LED光源；所述第一LED光源包括峰值波长为445～455nm的第一蓝光LED芯片，其上涂覆有峰值波长为500～520nm的绿光荧光粉，提供的所述蓝绿光中蓝光所占的光功率比例为0.43～0.57；所述第二LED光源包括峰值波长为445～455nm的第二蓝光LED芯片，其上涂覆有峰值波长为557～570nm的黄光荧光粉，提供的所述黄光中蓝光所占的光功率比例为0～0.08；所述第三LED光源包括峰值波长为624～630nm的第三红光LED芯片；

所述控制电路中存储有各个光源的光通量配比与混合后光源的色度参数之间的对应关系表，其中在各个光源的光通量配比下，各色度参数满足如下条件：色温在2700K～6500K范围内可调，各色温下光源的一般显色指数Ra≥90，特殊显色指数R9≥95，色品差△C＜0.0054；所述控制电路根据用户需要得到的混合后的色温选择相应的各个光源的光通量配比，根据各个光源的光通量配比确定各个光源的驱动电流，并将计算的驱动电流分别输出至相应的驱动电路；

所述三个驱动电路分别将接收的驱动电流输出至相应的LED光源，驱动相应的LED光源发光。

2.根据权利要求1所述的LED灯具，其特征在于：所述三个驱动电路采用脉冲宽度调节(PWM)的方式调节驱动电流。

3.根据权利要求1所述的LED灯具，其特征在于：所述LED光源模块中多个LED光源按照圆形阵列排布，且提供不同颜色的光的LED光源间隔设置，各个LED光源具有相同的配光曲线。

4.根据权利要求3所述的LED灯具，其特征在于：所述第一LED光源、第二LED光源和第三LED光源的配光曲线均为郎伯型，三者的半光强角均相同；所述圆形阵列的半径其中，m为与所述LED光源的半光强角相关的系数，其中θ为所述半光强角，z为所述LED光源与所述扩散板之间的距离。

5.根据权利要求1所述的LED灯具，其特征在于：所述反光罩为磨砂反光罩。

6.根据权利要求1所述的LED灯具，其特征在于：所述基板上镀有反射膜。

7.根据权利要求1所述的LED灯具，其特征在于：所述扩散板为PC扩散板、PMMA扩散板或磨砂玻璃。