[行业]影响LED效率的因素、调整效率的方法以及降低系统成本分析

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由于LED拥有各种优点,现已成为半导体光源用于一般照明应用的重要组成部分。一段时间以来,LED效率明显高于传统照明技术。但是如何定义固态照明(SSL)系统的效率?在普通的日常用语中,谈到光源的效率时,我们通常指它们的发光效率,以每瓦特流明(lm/W)为单位。另一个衡量是辐射功率。需要考虑效力和效率的影响,讨论产品开发人员必须遵循的决策过程,因为这会影响整个系统的效率。

计算功能度量包括确定光源(lm)的光通量与电输入功率(W)。相反,相对应的光度辐射量不考虑人眼的敏感度,而是纯粹的效率测量。电输入功率(W)除以光辐射输出功率(W)得出百分比效率。LED的效率取决于许多不同的因素。我们将在本文中详细介绍其中的一些。
色温影响LED的效率

色温的选择对照明效率有重要的影响,可以在现有照明规定的框架内作为高效计划照明解决方案的一个方法。色温高的LED(例如5000K)通常比色温低的(例如3000K)效率更高。图1中的曲线图显示LED在显色指数(CRI)Ra> 80的时候不同CCT值的光谱(或光谱功率分布 – SPD)。SPD曲线建立在人的灵敏度曲线Vλ上。


为了让LED产生白光,通常使用发射蓝光的LED芯片。这些灯的一些光通过转换器或磷光体转换成较长波长(绿色、黄色和红色光)的光,将所有这些颜色加在一起然后产生白光。但是转换过程会有损耗,换光的波长越增加,损耗也越大,原因是较高能级(蓝光)的光和较低能级的光(红光)之间的能量差异被转换为热量。想要把损耗降到最低就需要精确计算转换器的吸收和发射波长。

然而,简化的情况就足以解释基本原则。例如,对于3000K的暖色温,需要转换大量的红光。然而,这个要求导致更大的损失,与4000K相比,降低了发光效率。对于5000K的高色温,蓝光只需转换成绿光,不太需要转换为红光,这就是为什么比4000K的发光效率要增加。功效比较如图2所示。


显色对LED效率的影响

如上所述,选择合适的转换器,转换后,色谱的组成对LED的效率具有决定性的影响。 转换器组合专为不同的CRI而开发,特别针对CRI以及效率进行了优化。 显示红色系时,CRI 70、80和90之间的差异可以非常清楚地看出。为了尽可能真实地再现这些色系,需要很高比例的长波光;换句话说,即光谱中红色端的光。

图3为4000K LED在不同CRI值时的SPD。CRI 90版本的红色高比例可以清楚地看出。如上所述,产生这么高的比例就会涉及高损耗。此外,产生的大部分红色能量明显超出了人眼Vλ的灵敏度曲线,这导致发光效率进一步降低。不同色温对LED发光效率的影响在±5%的范围内,不同值下CRI的影响通常在±15%的范围内(图4)。
然而,选择LED的色温和CRI会受到规范、标准和特定应用的特殊要求的限制。常规照明技术也可以看到类似的效果。

LED效率可调

与常规光源相比,LED光电半导体提供了另外的尺寸,灯具制造商可以在应用特定的基础上调整和设置效率或发光效率,即电流密度。

LED通常根据某一工作电流的亮度和颜色进行分组。对于特定的分组条件,因此可以通过改变电流密度来调整适合于应用和期望达到发光效能水平的效率。

例如,如果在指定的分组电流下采用130 lm/W发光效能的LED,可以将工作电流降低到40%,最终会使发光效率提高20%至156 lm/W. 如果工作电流增加到140%,发光效率将降低10%,至117 lm/W。表1总结了可变电流密度的情况。

           表1.电流密度的变化具有相应的功效影响.


表2.基于两个不同LED的理论,产品开发人员在LED系统设计时面临权衡。

效率曲线还取决于其他参数,例如工作温度或需要满足的最大工作条件。在这两点上,LED的绝对光通量会自然变化。 我们将在下一节中仔细看看这个效果。

使用更有效的LED来降低系统成本

在发展过程中,LED变得更加明亮,因此效率也越来越高。但是,一些应用不一定需要更高的效率。那么,为什么对更亮的LED有这么大的需求呢? 毫无疑问,一个原因是更高效的LED可以在固态照明系统级别上显著降低成本。

来看一个例子。为了进行以下比较,假设要创建一个效率和光通量为100%的产品。在这里可以选择两个LED中的一个:亮度为100%的LED 1,亮度为110%的更有效的LED 2。图5和图6以图形方式描绘了两个LED在系统级操作条件下的情况。

使用带有LED 1的系统A作为参考。在正常工作电流为100%时,该系统的相对效率为100%,相对光通量值为100%。系统所需的LED的相对数量也是100%。

如果使用LED 2,可以实现图5中的系统B。在这个系统中,在相同电流下操作LED,并使用相同数量的LED。因此,系统B的效率和亮度提高了10%。更亮可以是灯具的卖点,或者可以为灯具制造商更改操作参数的提供选项。

图5.该图描绘工作电流变化时,发光效率也发生变化。

图6.该曲线图显示光通量相对于工作电流的变化。

如果在系统层面不需要提高效率,也许是因为系统已经达到能效等级的阈值,可以通过增加电流密度将效率从110%降低到100%。这意味着加上最初的10%之外,新系统C将会更加明亮,由于与系统A效率相同,亮度水平比系统A高42%。

但是假如应用可能不需要更大的光通量输出。表2总结了这种场景并提出了一个System D的选项。因为系统C比系统A亮得多,所以可以选择减少LED的数量。系统D使用系统A中70%的LED数量,从而显著降低了系统的成本。

这个例子可以非常容易地应用于具有大量LED的系统中。如果可以减少光通量封装,并且可以使用具有较小芯片的封装LED,那么也可以用于单LED系统。每种情况的节省水平取决于各种其他参数,并可能会根据工作点而有所不同。

这里给出的这些例子表明,色温以及CRI对LED的发光效率有显著的影响。具体来说,色温越高,发光效率越高;CRI越高,发光效率越低。在这方面,LED和常规光源之间的关键区别在于可以通过工作电流调节LED的效率。由于可以大幅节省LED成本,因此在选择LED系统时应充分考虑。

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