现代LED如何在亮度和功效方面超越传统照明

在其早期版本中，固态照明（SSL）难以与传统照明竞争，因为它价格昂贵，而且坦率地说，并不是很明亮。然而，随着制造商提高其设备的产量和效率以及更好的制造技术压低价格，SSL在照明市场的份额迅速扩大。今天来自主要供应商的优质产品提供了前所未有的光度和效率，并且虽然进一步改进了很可能，现代产品的性能已经转移到提高LED灯的“质量”。芯片制造商现在花费他们的研究资金开发具有改进的显色指数（CRI）和有限的相关色温（CCT）随温度和调光变化的产品。

本文描述了现代LED如何在功效方面超越传统照明。价格差距急剧缩小。然后，文章解释了制造商如何将注意力转向光质量，甚至用户控制器“色彩调整”，以进一步提高其市场份额。

照明LED的简史

许多工程师都惊讶地发现1907年，当英国HJ Round of Marconi Labs用碳化硅晶体和猫须探测器进行实验时，LED的历史延续了一个多世纪，发现了电致发光。

然而，第一个关键的发现导致了今天的高亮度白光LED发生在1962年，是Nick Holonyak Jr.开发激光二极管的副产品。 Holonyak受雇于贝尔实验室，他正在研究含有砷化镓磷化物的半导体二极管，他发现向砷化镓材料中加入更多的磷会增加其带隙，从而将发射光的波长从红外线缩短为可见红色。由于光线不连贯，Holonyak的设备是“发光”二极管而不是激光二极管。

进一步的实验产生了不同颜色的LED。然而，从Holonyak在60年代初期的最初发现，直到90年代初期，缺少蓝色设备（白光源的关键组件）将LED指向任务，例如指示，而不是一般照明。

第二重点发现始于1986年，当时日本名古屋大学的Isamu Akasaki和Hiroshi Amano想出了一种在蓝宝石衬底上制造氮化镓（GaN）晶体的方法。其他人已经探索了GaN作为发光半导体的潜力，但没有人能够生长出合适质量的晶体或生产制造LED结所需的p型材料。到20世纪80年代末，Asaki和Amano已经解决了这两个问题与此同时，为日本化学公司Nichia工作的Shuji Nakamura独立开发GaN作为蓝色LED的基础。他找到了一种比Asaki和Amano更便宜的方法，通过加热晶体而不是用电子束轰击它来生产p型材料。

后来，Nichia研究员Yasunobu Noguchi开发出一种可以转换的钇铝石榴石（YAG）荧光粉蓝色光子变黄，最后，Kensho Sakano将Noguchi的荧光粉与蓝色LED芯片组合成白色LED。 Asaki，Amano和Nakamura因发明蓝色LED¹而获得2014年诺贝尔物理学奖（图1）。

图1：蓝色LED启用了今天的固体产品国家照明。

Nichia的1996年首款商用白光LED产量可达5流明/瓦。随着公司的快速发展，该公司到2003年将这一数字提高到50流明/瓦。这使得固态照明成为白炽灯泡（效率为10到18流明/瓦）和其他照明技术（如紧凑型荧光灯）的可行替代品。灯（35至60流明/瓦）和荧光灯管（80至100流明/瓦） - 虽然购买公众中的早期采用者价格很高。从那时起，Cree，OSRAM，Philips Lumileds等制造商，和首尔半导体在功效和光度方面取得了进一步的快速提升。他们努力的结果是，在一种称为Haitz定律的趋势（类似于基于CMOS的芯片的摩尔定律）之后，大约每三年发光度和效率翻倍。与此同时，按每美元流出量计算，价格每年下降20％（图2）。

图2：与其他照明技术相比，LED的功效和成本。 （美国能源信息管理局提供）

现在，在推出Nichia首款白光LED后不到二十年，商用设备的功效约为早期LED的30倍。例如，对各个制造商最新发布的评论显示，Cree的XLamp XP-L采用Philips Lumiled的LUXEON Z（500 mA，2.8 V）产生145 lm/W（正向电流1.05 A，正向电压2.95 V），产生108 lm/W。就其本身而言，首尔半导体提供的Z5-M1白光LED可提供140流明/瓦（350毫安，2.95伏）。 （请注意，此处列出的设备不一定是直接等效设备，仅作为示例。所有列出的制造商都提供各种LED，提供不同的功效和光度，工程师应检查数据表是否有完整的规格。）

专注于质量

由于白光LED的亮度和功效现在已足以满足消费者的期望，制造商已将注意力转向提高设备光的“质量”，而不是进一步增加“数量”。每瓦流明。

有两个关键参数用于量化白光LED的光质量：CRI和CCT。

CRI是光源忠实再现各种物体颜色的能力的定量测量与理想或自然光源相比。 CRI由8个CIE标准颜色样品的色度（或“颜色外观”）的差异计算，当被测试光源照射时，然后由相同CCT的参考光源照射。参考光源和被测光之间的八个样本的色度的平均差异越小，CRI越高。自然光被归类为CRI为100，是最好的。白炽灯的CRI高于95，卤素灯90或更高，以及紧凑型荧光灯（CFL）80。今天的LED表现良好，记录值为80到90.例如，欧司朗的SSL 150白光LED的显色指数为83。

不满足于传统光源的CRI，LED制造商一直努力提高其产品的CRI，当包含8个标准样品时，它们包含鲜艳的红色（R9）。以前，LED的扩展测试记录得分低至20，因为它们的光谱功率分布（SPD）往往包含很少的红色波长;因此，红色或主要是红色的物体看起来很暗淡。白色LED制造商通过修改YAG荧光粉以增强SPD中的红色波长并用蓝色LED取代紫外线以获得进一步改善，在一定程度上解决了这一缺陷。 》新型荧光粉确实会对器件的功效产生影响，但由于LED现在具有如此高的内在功效，许多制造商认为，当R9包含在测试中时，小损失是合理的商业折衷以改善CRI。例如，飞利浦Lumileds LUXEON T系列包括一个CRI为95的设备，当R9不包括在测试中时为90，而时为90。该芯片的功效仍为82 lm/W（2.51 V，700 mA。

限制颜色变化

LED制造商也在努力开发LED，其发光与传统光源发出的照明颜色（或“温度”）非常接近，以满足消费者的苛刻要求。制造商生产白色LED，其输出分为“暖白”（2，600至3，700 K CCT），“中性白”（3，700至5，000 K CCT）和“冷白”（5，000至8，300 K CCT），分为“箱”组成颜色输出非常相似的设备。希望为他或她的灯具使用LED阵列的照明设计师从同一箱中选择设备以确保整个阵列的颜色一致性。

CCT使用Commission Internationale de l‘Eclairage（CIE）色度空间定义（ CIE 1931 x，y，z）。 LED的输出位于或接近普朗克轨迹，对应于白炽灯“黑体”随温度变化而呈现的颜色（图3）。

图3 ：CIE xy 1931色度图，带有普朗克轨迹和相关色温线。不幸的是，随着LED温度的升高，构成芯片的晶格构成的原子振动更大，这略微增加了晶格常数（晶体“单位晶胞”的尺寸。这反过来减小了带隙，这增加了发射光子的波长。

净效应是蓝色LED“光子泵”的输出略微偏移到光谱的红色端，并发出黄色光子从荧光粉反过来受到轻微影响。 SSL的输出 - 来自这两个光源的光谱的组合 - 也被改变。虽然制造商已经尝试最小化由于其产品的温度导致的CCT变化，但是一些漂移是不可避免的。芯片制造商在25°C时指定其器件的CCT，然后在规格表中提供有关特定器件的CCT随温度升高而漂移的信息。好消息是它确实需要相当大的温度升高才能使人体眼睛的CCT变化明显。制造商将产品分组的箱子由CIE色彩空间的四边形定义，其边界为表明在事情变得明显之前CCT随温度变化的极限。例如，Cree XLamp XP-E的数据表显示，只要结温不超过90°C，器件就不会出现可感知的CCT偏移（图4）。

图4：CIE 1976 L，u’，v‘颜色空间中的Cree XP-E LED色度偏移。 （由Cree提供）

当然，LED在高于90°C的结温时可以很好地运行，但除了不可接受的CCT偏移外，高工作温度也会缩短LED的使用寿命，因此设计师有责任通过适当的热管理将其设备温度降至合理水平。但是，不仅仅是温度会改变LED的颜色，模拟调光 - 用于调暗许多传统光源的廉价技术 - 也会影响它。

出现这个问题是因为在给定正向电压下来自给定LED的每个发射光子的波长不完全相同。波长根据以主频率为中心的钟形曲线而变化。

LED的亮度与正向电流成正比，而正向电流又与正向电压（高于阈值电压）成正比。事实证明，降低正向电压以使LED变暗会使钟形曲线发生偏移，使得主频率出现在稍短的波长处，从而改变颜色。制造商通过实施结合数字调光的LED驱动器解决了这个问题。该技术保持恒定的正向电压（和正向电流），但使用脉冲宽度调制（PWM）来快速启动和关闭LED。通过改变脉冲序列的占空比，可以使光线变暗而不会出现颜色变化。

21世纪的照明

尽管制造商取得了成功保持色彩一致性，一些LED制造商正在寻求利用LED的灵活性，通过积极鼓励消费者改变颜色来区分他们的产品与传统照明 - 但这次是以受控的方式。

结合红色，绿色和蓝色（ RGB）LED是产生白光的另一种方法。然而，由于绿色LED的功效低下导致整体性能下降，这些设备一直难以获得市场份额然而，现在，Philips Lumileds的Rebel ES系列（图5）的绿绿LED正在帮助解决这个问题。石灰绿色设备不是纯色LED，而是蓝色发光体和专有石灰磷光体的组合，可以克服绿色设备的效率问题。根据Philips Lumileds的数据表，这种蓝色LED/绿色荧光粉组合的功效可达190 lm/W（2.75 V，350 mA）。

图5：飞利浦Lumileds在彩色可调应用中为RGB光引擎提供石灰绿LED。

飞利浦的Hue灯泡采用了石灰绿LED，适用于标准灯座，并允许消费者改变灯泡的输出使用无线连接的基于智能手机或平板电脑的应用程序。该应用程序将LED输出颜色与彩虹调色板相匹配，甚至与用户喜欢的图像相匹配。

其他制造商正在直接解决纯色绿色LED的低功效问题。市场上已有一些令人印象深刻的设备;例如，Cree的XLamp XP-E系列的528 nm绿色芯片可产生84 lm/W（3.4 V，350 mA）.LED正在快速成熟。该技术总是提供比传统照明更高效和更持久的潜力，但现在，经过多年的研究和商业化投资，这一承诺已经实现。这些设备的性能优于几乎所有类型的传统照明，价格继续下降。此外，制造商在解决颜色质量和一致性方面取得了很大进展，使得由于温度或调光而导致的LED照明装置的色调的任何变化都是不可察觉的。下一步，将LED作为未来的照明技术，用户控制的调光和色调，通过智能手机控制，以适应消费者的心情。