CN109982479A - 白光发光二极管的调光电路 - Google Patents

白光发光二极管的调光电路 Download PDF

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刘亚柱
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潘尧波
陈志忠
聂靖昕
焦飞
康香宁
党卫民
童玉珍
张国义
沈波
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Abstract

本发明提供一种白光发光二极管的调光电路，所述白光发光二极管的调光电路包括：控制单元，以输出控制信号；恒流源模块，以输出恒定电流，所述控制单元耦合至所述恒流源模块；多个发光二极管，包括红色发光二极管、黄色发光二极管、蓝色发光二极管以及绿色发光二极管，所述恒流源模块与所述多个发光二极管电性连接；其中，所述控制单元通过脉冲宽度调制的方法，利用所述恒流源模块对所述多个发光二极管输出不同占空比的控制信号；其中，所述红色发光二极管的峰值波长是介于670nm到700nm之间。本发明制备出的白光发光二极管显色性高、蓝光危害低、同时可调节色温，满足在任何色温下都可得到显色性高且蓝光危害低的白光发光二极管。

Description

白光发光二极管的调光电路
技术领域
本发明涉及发光二极管技术领域，特别是一种白光发光二极管的调光电路。
背景技术
发光二极管(Light Emmiting Diode，简称LED)是一种由半导体材料所制成的元件，因为能将电能转换为光，所以属于一种微细的固态光源，不但具备体积小、寿命长、驱动电压低、反应速率快及耐震性特佳，且能配合轻、薄、短、小的设计需求，被普遍应用于日常生活的各式产品中。但是白光发光二极管存在着一个巨大的潜在危害就是蓝光带来的危害，在2010年国际光协会年会中，世界顶尖光学专家一致指出：短波蓝光具有极高能量，能够穿透晶状体直达视网膜。光照射视网膜会产生自由基，而这些自由基会导致视网膜色素上皮细胞衰亡，上皮细胞的衰亡会导致光敏感细胞缺少养分从而引起视力损伤，而且这些损伤是不可逆的。而在发光二极管中最常见的白光发光二极管其很容易造成蓝光危害的隐患，此外，LED的显色性也十分重要，但是降低蓝光危害和提高显色性的技术又常常冲突。综上所述，针对白光发光二极管调光技术进行研究，解决现有技术中的缺点就成为了整个行业亟待解决的技术问题。
发明内容
鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种白光发光二极管的调光电路，所述白光发光二极管的调光电路包括：
控制单元，以输出控制信号；
恒流源模块，以输出恒定电流，所述控制单元耦合至所述恒流源模块；
多个发光二极管，包括红色发光二极管、黄色发光二极管、蓝色发光二极管以及绿色发光二极管，所述恒流源模块与所述多个发光二极管电性连接；
其中，所述控制单元通过脉冲宽度调制的方法，利用所述恒流源模块对所述多个发光二极管输出不同占空比的控制信号；
其中，所述红色发光二极管的峰值波长是介于670nm到700nm之间。
可选地，所述黄色发光二极管的峰值波长是介于560nm到600nm之间。
可选地，所述蓝色发光二极管的峰值波长是介于425nm到455nm之间。
可选地，所述绿色发光二极管的峰值波长是介于495nm到525nm之间。
可选地，所述红色发光二极管的光半宽是介于15nm到30nm之间。
可选地，所述黄色发光二极管的光半宽是介于80nm到100nm之间。
可选地，所述绿色发光二极管的光半宽是介于20nm到40nm之间。
可选地，所述蓝色发光二极管的光半宽是介于15nm到30nm之间。
可选地，计算所述多个发光二极管的相对混光比例。
可选地，所述不同占空比的控制信号的占空比是根据所述混光比例得出。
可选地，所述相对混光比例中比值最大的一种发光二极管的占空比定为 100％。
如上所述，本发明白光发光二极管的调光电路，具有以下有益效果例如：
利用本发明，可以得到一种蓝光危害低的白光发光二极管，避免白光发光二极管对人眼造成的伤害；利用本发明，显著的提高了白光发光二极管的显色性，使得白光发光二极管的显色效果更佳......该白光发光二极管的调光电路得到的白光发光二极管具有高显色性、低蓝光危害等显著优点。
附图说明
图1显示为白光发光二极管的调光电路图。
图2显示为CIE-XYZ色品和黑体辐射色坐标图。
图3显示为白光发光二极管调光电路中恒流源模块与红色发光二极管、蓝色发光二极管、绿色发光二极管以及黄色发光二极管的具体连接关系图。
图4显示为350mA额定电流下，参与混光的红色发光二极管、蓝色发光二极管、绿色发光二极管以及黄色发光二极管的绝对光谱图。
图5显示为2500K到8500K色温下控制单元对红色发光二极管、蓝色发光二极管、绿色发光二极管以及黄色发光二极管的占空比值图。
图6显示为2500K到8500K色温下白光的一般显色指数Ra、色质指数CQS、蓝光危害辐射效率ηB的参数值图。
具体实施方式
以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。
请参阅图1-图6。须知，本说明书所附图式所绘示的结构、比例、大小等，均仅用以配合说明书所揭示的内容，以供熟悉此技术的人士了解与阅读，并非用以限定本发明可实施的限定条件，故不具技术上的实质意义，任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不影响本发明所能产生的功效及所能达成的目的下，均应仍落在本发明所揭示的技术内容得能涵盖的范围内。同时，本说明书中所引用的如“上”、“下”、“左”、“右”、“中间”及“一”等的用语，亦仅为便于叙述的明了，而非用以限定本发明可实施的范围，其相对关系的改变或调整，在无实质变更技术内容下，当亦视为本发明可实施的范畴。须知，本实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，遂图式中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。
如图1所示，本发明提供一种上述白光发光二极管的调光电路，所述白光发光二极管的调光方电路包括：控制单元1，恒流源模块2以及多个发光二极管；所述控制单元1用以输出控制信号；所述恒流源模块2用以输出恒定电流，所述控制单元1耦合至所述恒流源模块2；所述多个发光二极管包括红色发光二极管 3、黄色发光二极管4、蓝色发光二极管5以及绿色发光二极管6，所述恒流源模块2与所述多个发光二极管电性连接；其中，所述控制单元1通过脉冲宽度调制的方法，利用所述恒流源模块2对所述多个发光二极管输出不同占空比的控制信号；所述红色发光二极管3的峰值波长是介于670nm到700nm之间。
作为示例，所述脉冲宽度调制法例如单极性脉冲宽度调制法，多极性脉冲宽对调制法以及芯片脉冲宽度调制法，所述控制单元1例如单片机，数字信号处理器。
作为示例，所述黄色发光二极管4的峰值波长是介于560nm到600nm之间。
作为示例，所述蓝色发光二极管5的峰值波长是介于425nm到465nm之间。
作为示例，所述绿色发光二极管6的峰值波长是介于495nm到525nm之间。
作为示例，所述红色发光二极管3的光半宽介于15nm到30nm之间。
作为示例，所述蓝色发光二极管4的光半宽介于15nm到30nm之间。
作为示例，所述黄色发光二极管5的光半宽介于80nm到100nm之间。
作为示例，所述绿色发光二极管6的光半宽介于20nm到40nm之间。
需要说明的是，半宽(halfwidth)是光的发光功率峰值二分之一处所对应的波长值之差，因此上述三种颜色峰值波长范围内的单色光构成的色品图几乎覆盖了可见光的绝大多数颜色，需要说明的是，如图2所示，在CIE-XYZ色品图中，任意一种颜色光的发光二极管均可用一坐标(x，y)表示，因此假设所述多个发光二极管中的红色发光二极管3的红光色坐标为(XR,YR),黄色发光二极管4的黄光色坐标为(XY,YY),蓝色发光二极管5的蓝光色坐标为(XB,YB),绿色发光二极管6的绿光色坐标为(XG,YG)。根据色相加原理，所述白光发光二极管的色坐标(X,Y)一定在所述红色发光二极管3色坐标(XR,YR)、所述蓝色发光二极管5 色坐标(XB,YB)以及所述绿色发光二极管6色坐标(XG,YG)构成的坐标构成的区域内。因此，再加上例如峰值波长560nm到600nm之间所述黄色发光二极管4，以及限定四基色光的半宽范围，尤其是长波长红光参与混光，可以显著的提高白光发光二极管的显色性，同时降低白光发光二极管的蓝光危害。而通过所述控制单元1通过脉冲宽度调节法调节所述多个发光二极管的发光频率的配比，可以使得白光发光二极管的白光实现色温调节范围大、显色性更好、蓝光危害低等功效。
作为示例，计算所述多个发光二极管的相对混光比例。
需要说明的是，在白光色温为一特定值T时，根据国家标准规定的一般显色指数Ra大于90的时候，白光满足最高显色性1A的等级要求，此时白光色坐标距离相同色温下黑体辐射色坐标的距离Duv等于0，基于此设红绿蓝黄四色发光二极管的相对混光配比比例为1：PG：PB：PY，则混合白光的光谱功率分布：
S(λ)＝SR(λ)+PGSG(λ)+PBSB(λ)+PYSY(λ)
计算某一色温T温度下的黑体辐射在可见光波段的光谱功率分布：
计算此光谱功率分布下的三刺激值XB、YB、ZB：
其中，Km为辐射量与光度量间的比例系数，是一常数值683lm/W， 是CIE1931标准色度观察者的光谱三刺激值。
计算光谱功率分布SB(λ)的色坐标(uB,vB)：
混合白光的光谱功率分布计算出的三刺激值X、Y、Z和色坐标(u，v)满足：
令混合白光的光谱功率分布S(λ)计算出的色坐标与温度下黑体辐射的色坐标(uB，vB)相等，即令u＝uB，v＝vB：
其中，S(λ)＝SR(λ)+pGSG(λ)+pBSB(λ)+pYSY(λ)
因此，上述方程组是关于pG、pB、pY三个变量的线性方程组。将pG、pB用 pY表示，则整个混光优化问题中只有一个独立变量，对唯一一个独立变量进行优化，使混合白光光谱S(λ)的色质指数满足高显色性要求，并计算在此条件下，蓝光辐射效率最小时对应的pYm，再计算出相应的pGm、pBm，则红、黄、蓝、绿发光二极管相对混光配比为1：PGm：PBm：PYm。
作为示例，所述不同占空比的控制信号是根据所述相对混光比例得出。
作为示例，相对混光比例中比值最大的一种发光二极管的占空比定为100％。
作为示例，如图3所示，所述恒流源模块2输出的额定电流为例如350mA，所述恒流源模块2设置有一个正极和四个负极，在一实施例中，所述红色发光二极管3、黄色发光二极管4、蓝色发光二极管5以及绿色发光二极管6均设置有一正极和一负极，所述恒流源模块2的四个负极分别耦合至所述红色发光二极管 3、黄色发光二极管4、蓝色发光二极管5以及绿色发光二极管6的负极，所述红色发光二极管3、黄色发光二极管4、蓝色发光二极管5以及绿色发光二极管 6的正极均耦合至所述恒流源模块2的正极，通过此电路，使得在对白光发光二极管调光的时候，所述恒流源模块2的四个负极可以分别单独控制，如果某一发光二极管正负极的电压相同，则该发光二极管不亮，如果正负极的电压不同，则该发光二极管正常发光。其中，所述恒流源模块2耦合至所述多个可以通过例如在PCB板上进行多LED布局的方式实现电性连接。
作为示例，改变色温值，重新计算特定峰值波长和半宽的四色发光二极管的相对混光比例，即可得到多种不同色温下的各色光最优配比的白光发光二极管，既提高了显色性，又降低了蓝光危害，有实现色温可以调节的需求。
在一实施例中，所述红色发光二极管3、黄色发光二极管4、蓝色发光二极管5以及绿色发光二极管6在额定电流值为350mA情况下的光谱功率如图4所示，其中红色发光二极管3的峰值波长为692nm，半宽为17.9nm；绿色发光二极管6的峰值波长为519nm，半宽为35.6nm；蓝色发光二极管5的峰值波长 450nm，半宽19.5nm；黄色发光二极管4的峰值波长为590nm，半宽为89.8nm。在该实施例中，令白光发光二极管的白光色温为传统白织灯的色温2700K，并根据上述方法计算红、绿、蓝、黄四色发光二极管的相对混光配比。
根据该配比可得当白光色温为2700K时所述控制单元1利用所述恒流源模块 2分别对所述红色发光二极管3、黄色发光二极管4、蓝色发光二极管5以及绿色发光二极管6输出的占空比信号为，红光占空比100.00％，绿光占空比9.19％，蓝光占空比1.49％，黄光占空比22.18％。此时，白光发光二极管的显色指数 Ra＝90.0，色质指数CQS＝91.5，白光色坐标距离相同色温下黑体辐射色坐标的距离Duv＝0，蓝光危害辐射效率ηB＝0.026。
在一实施例中，将白光发光二极管的色温设为冷白光照明的常见色温6500K，此时所述控制单元1利用所述恒流源模块2分别对所述红色发光二极管3、黄色发光二极管4、蓝色发光二极管5以及绿色发光二极管6输出的占空比信号为，红光占空比100.00％，绿光占空比58.25％，蓝光占空比21.38％，黄光占空比58.58％。此时，白光发光二极管的Ra＝90.0，CQS＝89.3，Duv＝0，ηB＝0.16。
将白光发光二极管的色温设为在2500K-8500K之间的值，四基色发光二极管占空比信号的值如图5所示，得到的白光发光二极管的白光参数Ra、CQS、ηB如图6所示。对比传统照明光源和使用特定峰值波长和半宽范围的红、黄、蓝、绿四基色LED混合白光，约2700K暖白光，常见照明光源白炽灯的约为0.05，四基色LED混合白光的约为0.026，比白炽灯下降约48％；约6500K冷白光，标准光源D65的约为0.20，荧光灯的约为0.27，四基色LED混合白光的约为0.16，比D65光源下降约20％，比荧光灯下降约40％。因此通过该技术方法得到的白光发光二极管及蓝光危害大大降低，同时显色指数Ra始终保持在1A级(Ra>90) 上。
综上所述，本发明提供一种白光发光二极管的调光电路，利用本发明，使得白光发光二极管的蓝光危害大大降低，同时提高了白光发光二极管的显色性，此外，白光发光二极管的色温可调，实现了不同数值色温下的白光发光二极管依然具有低蓝光危害和高显色性的技术功效。所以，本发明有效克服了现有技术中的种种缺点而具高度产业利用价值。
上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。

Claims (11)

1.一种白光发光二极管的调光电路，其特征在于，包括：
控制单元，以输出控制信号；
恒流源模块，以输出恒定电流，所述控制单元耦合至所述恒流源模块；
多个发光二极管，包括红色发光二极管、黄色发光二极管、蓝色发光二极管以及绿色发光二极管，所述恒流源模块与所述多个发光二极管电性连接；
其中，所述控制单元通过脉冲宽度调制的方法，利用所述恒流源模块对所述多个发光二极管输出不同占空比的控制信号；
其中，所述红色发光二极管的峰值波长是介于670nm到700nm之间。
2.根据权利要求1所述的一种白光发光二极管的调光电路，其特征在于，所述黄色发光二极管的峰值波长是介于560nm到600nm之间。
3.根据权利要求1所述的一种白光发光二极管的调光电路，其特征在于，所述蓝色发光二极管的峰值波长是介于425nm到465nm之间。
4.根据权利要求1所述的一种白光发光二极管的调光电路，其特征在于，所述绿色发光二极管的峰值波长是介于495nm到525nm之间。
5.根据权利要求1所述的一种白光发光二极管的调光电路，其特征在于，所述红色发光二极管的光半宽是介于15nm到30nm之间。
6.根据权利要求1所述的一种白光发光二极管的调光电路，其特征在于，所述黄色发光二极管的光半宽是介于80nm到100nm之间。
7.根据权利要求1所述的一种白光发光二极管的调光电路，其特征在于，所述绿色发光二极管的光半宽是介于20nm到40nm之间。
8.根据权利要求1所述的一种白光发光二极管的调光电路，其特征在于，所述蓝色发光二极管的光半宽是介于15nm到30nm之间。
9.根据权利要求1所述的一种白光发光二极管的调光电路，其特征在于，计算所述多个发光二极管的相对混光比例。
10.根据权利要求1所述的一种白光发光二极管的调光电路，其特征在于，所述不同占空比的控制信号的占空比是根据所述混光比例得出。
11.根据权利要求1所述的一种白光发光二极管的调光电路，其特征在于，所述相对混光比例中比值最大的一种发光二极管的占空比定为100％。
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