基于红/绿/蓝/青/黄/暖白6色LED的白光光谱优化方法

田会娟; 胡阳; 陈陶; 柳建新; 蔡敏鹏; 关涛

doi:doi:10.3788/AOS202040.0823001

光学学报, 2020, 40 (8): 0823001, 网络出版: 2020-04-13

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Spectral Optimization of a Mixed White Light-Emitting Diode (LED) Cluster Comprising a Red/Green/Blue/Cyan/Yellow/Warm White LED

论文大纲

田会娟 ^1,2,*胡阳 ^1,2陈陶 ^1,2柳建新 ⁴蔡敏鹏 ^2,3关涛 ^2,3

作者单位

¹ 天津工业大学电子与信息工程学院, 天津 300387

² 大功率半导体照明应运系统教育部工程研究中心, 天津 300387

³ 天津工业大学电气工程与自动化学院天津市电工电能新技术重点实验室, 天津 300387

⁴ 天津成科传动机电技术股份有限公司 300384

光学器件脉冲宽度调制发光二极管显色指数 optical device pulse width modulation light-emitting diode color rendering index

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摘要

提出了一种基于脉冲宽度调制(PWM)的红/绿/蓝/青/黄/暖白(R/G/B/C/Y/WW)6色发光二极管(LED)的白光光谱优化方法。该方法根据光谱叠加性原理,采用1931 CIE-XYZ三刺激值建立了G+WW,B+C,R+Y各混合光源色坐标与光通量贡献率ρG+WW(r1),ρB+C(r2),ρR+Y(r3)的函数关系,在不同光通量百分比r1,r2,r3下,通过优化遍历范围计算得到相关色温为2700, 4000, 5500, 7000 K时合成白光的最优显色指数Ra为96.4,97.0,97.3,97.4,并采用R/G/B/C/Y/WW 6色LED进行实验验证。结果表明:R/G/B/C/Y/WW LED模块可实现相关色温在2700~7000 K范围内的白光调节。当光通量设定为500 lm时,相关色温的最大相对误差为1.96%,一般显色指数Ra最大相对误差为1.24%,发光效率可达146.81~152.40 lm·W -1。

Abstract

In this paper, a spectral optimization method for a mixed white light-emitting diode (LED) cluster comprising a red/green/blue/cyan/yellow/warm white (R/G/B/C/Y/WW) LED based on pulse width modulation (PWM) is proposed. Following the principle of the spectral combination of multicolor LEDs, the proposed method adopts the 1931 CIE-XYZ tristimulus value to determine the relationship between the color coordinates and the contribution ratio ρ_G+WW(r₁),ρ_B+C(r₂),ρ_R+Y(r₃) for each component, i.e., G+WW,B+C,and R+Y, respectively. Using an optimized traversal range under different flux contribution ratios, i.e., r₁,r₂,and r₃, a maximum color rendering index (R_a) of 96.4, 97.0, 97.3, and 97.4 is attainable when the correlation color temperatures (T_c) of the synthesized white LED cluster are 2700, 4000, 5500, and 7000 K, respectively. Furthermore, experimental verification was conducted with R/G/B/C/Y/WW LEDs. Results show that an R/G/B/C/Y/WW LED module can realize tunable white light in a wide range of T_c (2700--7000 K). When the luminance flux is set to 500 lm, the maximum relative errors of T_c and R_a are 1.96% and 1.24%, respectively, and the luminous efficiency varies in the range 146.81--152.40 lm·W ^-1.

1 引言

随着LED技术的日渐成熟,模拟与太阳光谱相近的全光谱LED成为近几年的研究热点^[1-3]。吴铭等^[4]提出一种白光LED所用的全光谱发射荧光粉及其制备的方法。由于荧光粉能量的损失不可避免,有研究者采用多芯片LED来达到高光效和高显色性。郭自泉等^[5]模拟了在相关色温为3000 K时3基色合成白光LED光谱的优化方法,得到的最大显色指数为92.6。谌江波等^[6]基于Ohno模型用蓝光 LED 激发绿橙双色荧光粉获得暖白光,与红、青、蓝3种 LED 光源混合,实现了相关色温在2700~6500 K范围内可调的高显色性白光LED模拟。田会娟等^[7]提出了一种基于脉冲宽度调制(PWM)的R/G/B/WW 4色LED调光调色模型,该模型可实现相关色温在2900~7600 K范围内,一般显色指数在94.1~96.0范围内的白光调节。金宇章等^[8]提出了一种3通道6色LED白光合成方法,实现的显色指数大于85,相关色温在2000~10000 K范围内可调。

本文提出了一种基于PWM的红/绿/蓝/青/黄/暖白(R/G/B/C/Y/WW)6色发光二极管(LED)的白光光谱优化方法。因多色混合白光光源相对光谱功率分布(SPD)符合线性叠加原理,故该方法根据光谱叠加性原理,采用1931 CIE-XYZ三刺激值建立各混合光源色坐标与光通量贡献率的函数关系,通过遍历算法计算了不同相关色温下合成白光的最优显色指数,并设计开发了R/G/B/C/Y/WW 6色LED PWM调光系统,建立了混合光的光通量与占空比的函数关系,最后采用该系统对上述方法进行了实验验证。

2 理论计算

在智能照明领域,PWM 调光可以很好地与数字控制技术结合,实现多通道多基色LED的光色调节^[7,9]。基于线性叠加原理,多色光混合白光的光谱功率分布可表示为^[10-11]

S (λ) = D_{1} S_{1} (λ) + D_{2} S_{2} (λ) + \dots + D_{n} S_{n} (λ), (1)

式中:D_n和S_n(λ)分别为第n种光源的占空比和在满电流工作状态下的光谱功率分布。假定合成白光光源的色坐标和光通量分别为(x,y)和1 lm,根据CIE色匹配函数,LED合成白光光源的三刺激值X、Y、Z可表示为^[12-13]

\{\begin{array}{l} Y = \int V (λ) S (λ) d λ = \frac{1 lm}{683 lm / W} \\ X = \frac{x}{y} Y \\ Z = \frac{1 - x - y}{y} Y \end{array}, (2)

式中:V(λ)为光谱光视效率函数;(x,y)为合成白光光源的色坐标。

以R/G/B/C/Y/WW 6色LED光源模块为例,假定合成白光光源的色坐标和光通量分别为(x,y)和1 lm,设其三刺激值分别为(X_R,Y_R,Z_R),(X_G,Y_G,Z_G),(X_B,Y_B,Z_B),(X_C,Y_C,Z_C),(X_Y,Y_Y,Z_Y)和(X_WW,Y_WW,Z_WW),根据2通道PWM调光调色关系^[9],6通道6种光源的两两混合可得混合光G+WW,B+C和R+Y三刺激值分别为[X_G+WW(r₁),Y_G+WW(r₁),Z_G+WW(r₁)],[X_B+C(r₂),Y_B+C(r₂),Z_B+C(r₂)]和[X_R+Y(r₃),Y_R+Y(r₃),Z_R+Y(r₃)],满足^[13]

\{\begin{array}{l} [\begin{array}{l} X_{G + WW} (r_{1}) & Y_{G + WW} (r_{1}) & Z_{G + WW} (r_{1}) \end{array}] = [\begin{array}{l} r_{1} & 1 - r_{1} \end{array}] [\begin{array}{l} X_{G} & Y_{G} & Z_{G} \\ X_{WW} & Y_{WW} & Z_{WW} \end{array}] \\ [\begin{array}{l} X_{B + C} (r_{2}) & Y_{B + C} (r_{2}) & Z_{B + C} (r_{2}) \end{array}] = [\begin{array}{l} r_{2} & 1 - r_{2} \end{array}] [\begin{array}{l} X_{B} & Y_{B} & Z_{B} \\ X_{C} & Y_{C} & Z_{C} \end{array}] \\ [\begin{array}{l} X_{R + Y} (r_{3}) & Y_{R + Y} (r_{3}) & Z_{R + Y} (r_{3}) \end{array}] = [\begin{array}{l} r_{3} & 1 - r_{3} \end{array}] [\begin{array}{l} X_{R} & Y_{R} & Z_{R} \\ X_{Y} & Y_{Y} & Z_{Y} \end{array}] \end{array}, (3)

式中:r₁,r₂,r₃分别为G,B,R在混合光G+WW,B+C,R+Y中的光通量所占的百分比。本研究中r₁,r₂,r₃取值范围均为[0,1]。在任意r₁,r₂,r₃下,3种混合光满足

[\begin{array}{l} ρ_{G + WW} (r_{1}) & ρ_{B + C} (r_{2}) & ρ_{R + Y} (r_{3}) \end{array}] = [\begin{array}{l} X & Y & Z \end{array}] {[\begin{array}{l} X_{G + WW} (r_{1}) & Y_{G + WW} (r_{1}) & Z_{G + WW} (r_{1}) \\ X_{B + C} (r_{2}) & Y_{B + C} (r_{2}) & Z_{B + C} (r_{2}) \\ X_{R + Y} (r_{3}) & Y_{R + Y} (r_{3}) & Z_{R + Y} (r_{3}) \end{array}]}^{- 1}, (4)

式中:ρ_G+WW(r₁),ρ_B+C(r₂),ρ_R+Y(r₃)(均为非负值)分别表示G+WW,B+C,R+Y在合成白光中的光通量贡献率,且ρ_G+WW(r₁)+ρ_B+C(r₂)+ρ_R+Y(r₃)=1。利用(4)式可得出G+WW,B+C,R+Y在目标光通量Φ₀下的合成白光中各色光通量为

\{\begin{array}{l} Φ_{G} = r_{1} \cdot ρ_{G + WW} (r_{1}) \cdot Φ_{0} \\ Φ_{WW} = (1 - r_{1}) ρ_{G + WW} (r_{1}) \cdot Φ_{0} \\ Φ_{B} = r_{2} \cdot ρ_{B + C} (r_{2}) \cdot Φ_{0} \\ Φ_{C} = (1 - r_{2}) ρ_{B + C} (r_{2}) \cdot Φ_{0} \\ Φ_{R} = r_{3} \cdot ρ_{R + Y} (r_{3}) \cdot Φ_{0} \\ Φ_{Y} = (1 - r_{3}) ρ_{R + Y} (r_{3}) \cdot Φ_{0} \end{array} 。 (5)

3 仿真计算与实验测试结果分析

3.1 实验用光源模块及驱动电路

实验采用八脚R/G/B/WW 4合1 LED灯珠6颗和C、Y单色LED灯珠各3颗组成光源模块。为使LED灯珠混光更加均匀,避免LED灯珠因发热导致结温过高而引起色漂移和光效降低等问题,基于光线追迹分析和热性能分析优化阵列排布,最终按照优化的阵列排布将LED灯珠用导热胶固定在带有散热器的铝基板上,如图1所示。

图 1. 实验采用的光源模块。(a) R/G/B/C/Y/WW LED灯珠排布图; (b) R/G/B/C/Y/WW LED光源实物图

Fig. 1. Light source module used in the experiment. (a) R/G/B/C/Y/WW LED lamp bead layout; (b) R/G/B/C/Y/WW LED physical drawing of light source

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驱动电路主要由直流稳压电源、Wi-Fi模块、STM32-ARM模块、光源模块组成,如图2所示。直流稳压电源将市电转换为电压为18.5 V 的直流电(DC)。Wi-Fi模块接收由手机端自主设计的调光Application(APP)发出的各色占空比信号,并将信号反馈至STM32-ARM模块。STM32-ARM模块根据占空比与光通量关系控制R/G/B/C/Y/WW LED光源模块混合比例,实现各色LED的准确调光^[14],如图2所示。用远方光电公司的HASS-2000光谱分析系统测量光源模块中各色LED光源在满电流状态下的性能参数,如表1所示,表中WW LED光源的相关色温为3054 K,显色指数为85.2,红光LED的峰值波长为626.3 nm ,绿光 LED的峰值波长为515.9 nm,蓝光LED的峰值波长为463.5 nm,青光LED峰值波长472.8 nm,黄光LED峰值波长为595.2 nm,各色LED光源的色坐标为(x,y)。图3(a)为6色LED色坐标、两色混合后的色坐标以及覆盖的色域范围。图3(b)为6色LED在满电流状态的相对光谱功率分布。

图 2. R/G/B/C/Y/WW LED光源模块驱动电路原理图

Fig. 2. R/G/B/C/Y/WW LED module drive circuit schematic

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图 3. R/G/B/C/Y/WW LED光源参数。(a) 6色LED色坐标;(b) LED光源相对光谱功率分布

Fig. 3. Light source parameters of R/G/B/C/Y/WW LED. (a) Chromaticity coordinate of each LED; (b) relative spectral power distribution of the LED

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表 1. 实验中R/G/B/C/Y/WW灯珠参数

Table 1. R/G/B/C/Y/WW lamp bead parameters in the experiment

Channel	x	y	Luminous flux /lm	Power /W
R	0.6825	0.3174	561.44	2.27
G	0.1529	0.6796	854	2.88
B	0.1384	0.0566	220.95	2.94
C	0.1195	0.1128	146.3	2.96
Y	0.5768	0.4221	170.7	2.11
WW	0.4363	0.4103	584.41	2.74

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3.2 实验用光源模块占空比与光通量关系

光通量与占空比存在线性关系^[9],利用远方光电公司的HASS-2000 光谱分析系统测试得出R/G/B/C/Y/WW 6色LED占空比D在[0,100]范围内所对应的光通量,并对测试数据进行线性拟合,其相关系数R²在0.99899~0.99997之间(如图4所示), 同时可得这6色LED的光通量与占空比间的关系为

\{\begin{array}{l} D_{R} = (Φ_{R} - 0.7772) / 1.01288 \\ D_{G} = (Φ_{G} + 5.84067) / 5.90503 \\ D_{B} = (Φ_{B} + 1.31507) / 1.13666 \\ D_{WW} = (Φ_{WW} + 9.24933) / 5.92664 \\ D_{C} = (Φ_{C} - 4.78953) / 2.38137 \\ D_{Y} = (Φ_{Y} - 3.4872) / 0.76068 \end{array} 。 (6)

图 4. R/G/B/C/Y/WW 6色LED占空比与光通量间的关系。(a) Φ_R--D_R;(b) Φ_G--D_G;(c) Φ_B--D_B;(d) Φ_WW--D_WW;(e) Φ_C--D_C;(f) Φ_Y--D_Y

Fig. 4. Relationship between duty cycle and luminous flux of R/G/B/C/Y/WW LED. (a) Φ_R--D_R; (b) Φ_G--D_G; (c) Φ_B--D_B; (d) Φ_WW--D_WW; (e) Φ_C--D_C; (f) Φ_Y--D_Y

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3.3 最优显色指数计算

由(3)~(5)式可知,不同的r₁,r₂,r₃值会得出不同的R/G/B/C/Y/WW 6色LED合成白光的配比关系,不同的配光比会影响其色温及显色性能。因此,要想在一定色温下得到最优的显色指数,需要计算6色LED光源模块的最优配比。在6色调光约束范围内,沿黑体轨迹取色坐标(x,y)在(0.4600,0.4104),(0.3805,0.3766),(0.3325,0.3409)和(0.3065,0.3164)处所对应的相关色温为 T_c=2700,4000,5500,7000 K。根据(1)~(6)式,可计算出6色LED合成白光的光谱功率分布,同时由一般显色指数的计算公式R_a= $\overset{8}{\sum_{i = 1}}$ R_i/8,可计算出混合白光的一般显色指数 ${R_{a}}^{[5 ⁃ 6,15]}$ ,其中R_i=100-4.6ΔE_i,ΔE_i为14种颜色样品在标准光源与待测光源下的色差,i=1,2,…,14。采用遍历算法,在r₁,r₂,r₃分别在[0.05,1]范围内每隔0.05取值,在上述4种相关色温下可产生32000个R_a值,图5~8分别为 T_c=2700,4000,5500,7000 K下,合成白光显色指数R_a>70时,r₁与R_a间的变化关系图。从图中可以看出,在T_c=2700 K时,r₁=0.50,r₂=0.95,r₃=0.10,能够得到一个最优的显色指数R_a=96.4;在T_c=4000 K时,r₁=0.55,r₂=0.95,r₃=0.15,能够得到一个最优的显色指数R_a=97.0;在T_c=5500 K时,r₁=0.55,r₂=0.95,r₃=0.20,能够得到一个最优的显色指数R_a=97.3;在T_c=7000 K时,r₁=0.60,r₂=1.00,r₃=0.10,能够得到一个最优的显色指数R_a=97.4。

当Tc=2700 K,r2在[0.05,1.00]范围内时,Ra随r1的变化关系。(a) r3=0.05;(b) r3=0.10;(c) r3=0.15

图 5. 当T_c=2700 K,r₂在[0.05,1.00]范围内时,R_a随r₁的变化关系。(a) r₃=0.05;(b) r₃=0.10;(c) r₃=0.15

Fig. 5. Relationship between R_a and r₁ at T_c=2700 K and r₂=[0.05, 1.00]. (a) r₃=0.05; (b) r₃=0.10; (c) r₃=0.15

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当Tc=4000 K,r2在[0.05,1.00]范围时,Ra随r1的变化关系。(a) r3=0.15;(b) r3=0.20;(c) r3=0.25

图 6. 当T_c=4000 K,r₂在[0.05,1.00]范围时,R_a随r₁的变化关系。(a) r₃=0.15;(b) r₃=0.20;(c) r₃=0.25

Fig. 6. Relationship between R_a and r₁ at T_c=4000 K and r₂=[0.05, 1.00]. (a) r₃=0.15; (b) r₃=0.20; (c) r₃=0.25

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当Tc=5500 K,r2在[0.05,1.00]范围时,Ra随r1的变化关系。(a) r3=0.15;(b) r3=0.20;(c) r3=0.25

图 7. 当T_c=5500 K,r₂在[0.05,1.00]范围时,R_a随r₁的变化关系。(a) r₃=0.15;(b) r₃=0.20;(c) r₃=0.25

Fig. 7. Relationship between R_a and r₁ at T_c=5500 K and r₂=[0.05, 1.00]. (a) r₃=0.15; (b) r₃=0.20; (c) r₃=0.25

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当Tc=7000 K,r2在[0.05,1.00]范围时,Ra随r1的变化关系。(a) r3=0.10;(b) r3=0.15;(c) r3=0.20

图 8. 当T_c=7000 K,r₂在[0.05,1.00]范围时,R_a随r₁的变化关系。(a) r₃=0.10;(b) r₃=0.15;(c) r₃=0.20

Fig. 8. Relationship between R_a and r₁ at T_c=7000 K and r₂=[0.05, 1.00]. (a) r₃=0.10; (b) r₃=0.15; (c) r₃=0.20

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3.4 实验结果及分析

当目标混合光中光通百分比r₁,r₂,r₃以及预期光通量已知时,可根据 (3)~(6)式计算出各色光源对应的占空比。将混合白光光通量设定为500 lm,在相关色温T_c=2700,4000,5500,7000 K时通过优化遍历算法模拟计算获得的最优显色指数,并对该优化方法进行实验验证。为保证LED光源模块处于稳定状态,实验中改变每种色温后,需先将LED模块点亮使其稳定2 min后再进行测试,实验结果如表2和图9所示。

由表2可知,光通量、相关色温、一般显色指数的设定值与测量值一致性较好,光通量的最大相对误差为1.34%,相关色温的最大相对误差为1.96%,一般显色指数的最大相对误差为1.24%,发光效率的范围为146.81~152.40 lm·W^-1。

图 9. R/G/B/C/Y/WW LED 光源模块的照明效果图。(a) T_c=2700 K; (b) T_c=4000 K; (c) T_c=5500 K; (d) T_c=7000 K

Fig. 9. Lighting effect photos of R/G/B/ C/Y/WW LED module. (a) T_c=2700 K; (b) T_c=4000 K; (c) T_c=5500 K; (d) T_c=7000 K

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表 2. 当光通量为500 lm时,设定值与测量值的对比

Table 2. Comparison of the set and measured values at luminous flux Φ=500 lm

Set T_c/K	Measured Φ /lm	Relative error of Φ /%	Measured power /W	Measured luminous efficiency /(lm·W^-1)	Measured T_c/K	Relative error of T_c/%	Set R_a	Measured R_a	Relative error of R_a/%
2700	499.21	0.16	3.33	150.00	2647	1.96	96.4	95.2	1.24
4000	506.71	1.34	3.37	150.24	4070	1.75	97.0	96.1	0.93
5500	505.53	1.11	3.32	152.40	5420	1.45	97.3	96.2	1.13
7000	505.76	1.15	3.45	146.81	6927	1.04	97.4	96.4	1.03

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4 结论

根据脉冲宽度调制特点研究了R/G/B/C/Y/WW 6色LED混合白光的优化方法。该方法根据多色混合白光光源相对光谱功率分布符合线性叠加的原理,采用1931 CIE-XYZ三刺激值建立了混合光源G+WW,B+C和R+Y色坐标与光通量贡献率的函数关系,在6色调光约束范围内,沿黑体轨迹取色坐标(x,y)在(0.4600,0.4104),(0.3805,0.3766),(0.3325,0.3409)和(0.3065,0.3164)处所对应的相关色温T_c=2700,4000,5500,7000 K。通过优化遍历范围,得到上述4种色温情况下最优参数配比及最大的显色指数R_a,R_a分别为96.4,97.0,97.3,97.4,并采用R/G/B/C/Y/WW 6色LED PWM调光系统对该优化方法进行实验验证。实验结果表明,计算结果与实验测试结果的一致性较好。运用上述方法,可以根据实际的用光需求,实现显色指数和色温的控制。该方法可用于指导实际工程的设计。需要注意的是,该工作采用的6色光源的光谱功率分布以及配光曲线会对最终混合白光的相关色温范围、一般显色指数、发光效率、以及照明均匀性等产生影响,同时光源模块的散热性能会对混合白光的光电参数造成一定的影响,这些问题有待进一步研究。

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1 引言

2 理论计算

3 仿真计算与实验测试结果分析

3.1 实验用光源模块及驱动电路

图 1. 实验采用的光源模块。(a) R/G/B/C/Y/WW LED灯珠排布图; (b) R/G/B/C/Y/WW LED光源实物图

Fig. 1. Light source module used in the experiment. (a) R/G/B/C/Y/WW LED lamp bead layout; (b) R/G/B/C/Y/WW LED physical drawing of light source

图 2. R/G/B/C/Y/WW LED光源模块驱动电路原理图

Fig. 2. R/G/B/C/Y/WW LED module drive circuit schematic

图 3. R/G/B/C/Y/WW LED光源参数。(a) 6色LED色坐标;(b) LED光源相对光谱功率分布

Fig. 3. Light source parameters of R/G/B/C/Y/WW LED. (a) Chromaticity coordinate of each LED; (b) relative spectral power distribution of the LED

表 1. 实验中R/G/B/C/Y/WW灯珠参数

Table 1. R/G/B/C/Y/WW lamp bead parameters in the experiment

3.2 实验用光源模块占空比与光通量关系

图 4. R/G/B/C/Y/WW 6色LED占空比与光通量间的关系。(a) Φ_R--D_R;(b) Φ_G--D_G;(c) Φ_B--D_B;(d) Φ_WW--D_WW;(e) Φ_C--D_C;(f) Φ_Y--D_Y

Fig. 4. Relationship between duty cycle and luminous flux of R/G/B/C/Y/WW LED. (a) Φ_R--D_R; (b) Φ_G--D_G; (c) Φ_B--D_B; (d) Φ_WW--D_WW; (e) Φ_C--D_C; (f) Φ_Y--D_Y

3.3 最优显色指数计算

图 5. 当T_c=2700 K,r₂在[0.05,1.00]范围内时,R_a随r₁的变化关系。(a) r₃=0.05;(b) r₃=0.10;(c) r₃=0.15

Fig. 5. Relationship between R_a and r₁ at T_c=2700 K and r₂=[0.05, 1.00]. (a) r₃=0.05; (b) r₃=0.10; (c) r₃=0.15

图 6. 当T_c=4000 K,r₂在[0.05,1.00]范围时,R_a随r₁的变化关系。(a) r₃=0.15;(b) r₃=0.20;(c) r₃=0.25

Fig. 6. Relationship between R_a and r₁ at T_c=4000 K and r₂=[0.05, 1.00]. (a) r₃=0.15; (b) r₃=0.20; (c) r₃=0.25

图 7. 当T_c=5500 K,r₂在[0.05,1.00]范围时,R_a随r₁的变化关系。(a) r₃=0.15;(b) r₃=0.20;(c) r₃=0.25

Fig. 7. Relationship between R_a and r₁ at T_c=5500 K and r₂=[0.05, 1.00]. (a) r₃=0.15; (b) r₃=0.20; (c) r₃=0.25

图 8. 当T_c=7000 K,r₂在[0.05,1.00]范围时,R_a随r₁的变化关系。(a) r₃=0.10;(b) r₃=0.15;(c) r₃=0.20

Fig. 8. Relationship between R_a and r₁ at T_c=7000 K and r₂=[0.05, 1.00]. (a) r₃=0.10; (b) r₃=0.15; (c) r₃=0.20

3.4 实验结果及分析

图 9. R/G/B/C/Y/WW LED 光源模块的照明效果图。(a) T_c=2700 K; (b) T_c=4000 K; (c) T_c=5500 K; (d) T_c=7000 K

Fig. 9. Lighting effect photos of R/G/B/ C/Y/WW LED module. (a) T_c=2700 K; (b) T_c=4000 K; (c) T_c=5500 K; (d) T_c=7000 K

表 2. 当光通量为500 lm时,设定值与测量值的对比

Table 2. Comparison of the set and measured values at luminous flux Φ=500 lm

4 结论

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1 引言

2 理论计算

3 仿真计算与实验测试结果分析

3.1 实验用光源模块及驱动电路

图 1. 实验采用的光源模块。(a) R/G/B/C/Y/WW LED灯珠排布图; (b) R/G/B/C/Y/WW LED光源实物图

Fig. 1. Light source module used in the experiment. (a) R/G/B/C/Y/WW LED lamp bead layout; (b) R/G/B/C/Y/WW LED physical drawing of light source

图 2. R/G/B/C/Y/WW LED光源模块驱动电路原理图

Fig. 2. R/G/B/C/Y/WW LED module drive circuit schematic

图 3. R/G/B/C/Y/WW LED光源参数。(a) 6色LED色坐标;(b) LED光源相对光谱功率分布

Fig. 3. Light source parameters of R/G/B/C/Y/WW LED. (a) Chromaticity coordinate of each LED; (b) relative spectral power distribution of the LED

表 1. 实验中R/G/B/C/Y/WW灯珠参数

Table 1. R/G/B/C/Y/WW lamp bead parameters in the experiment

3.2 实验用光源模块占空比与光通量关系

图 4. R/G/B/C/Y/WW 6色LED占空比与光通量间的关系。(a) ΦR--DR;(b) ΦG--DG;(c) ΦB--DB;(d) ΦWW--DWW;(e) ΦC--DC;(f) ΦY--DY

Fig. 4. Relationship between duty cycle and luminous flux of R/G/B/C/Y/WW LED. (a) ΦR--DR; (b) ΦG--DG; (c) ΦB--DB; (d) ΦWW--DWW; (e) ΦC--DC; (f) ΦY--DY

3.3 最优显色指数计算

图 5. 当Tc=2700 K,r2在[0.05,1.00]范围内时,Ra随r1的变化关系。(a) r3=0.05;(b) r3=0.10;(c) r3=0.15

Fig. 5. Relationship between Ra and r1 at Tc=2700 K and r2=[0.05, 1.00]. (a) r3=0.05; (b) r3=0.10; (c) r3=0.15

图 6. 当Tc=4000 K,r2在[0.05,1.00]范围时,Ra随r1的变化关系。(a) r3=0.15;(b) r3=0.20;(c) r3=0.25

Fig. 6. Relationship between Ra and r1 at Tc=4000 K and r2=[0.05, 1.00]. (a) r3=0.15; (b) r3=0.20; (c) r3=0.25

图 7. 当Tc=5500 K,r2在[0.05,1.00]范围时,Ra随r1的变化关系。(a) r3=0.15;(b) r3=0.20;(c) r3=0.25

Fig. 7. Relationship between Ra and r1 at Tc=5500 K and r2=[0.05, 1.00]. (a) r3=0.15; (b) r3=0.20; (c) r3=0.25

图 8. 当Tc=7000 K,r2在[0.05,1.00]范围时,Ra随r1的变化关系。(a) r3=0.10;(b) r3=0.15;(c) r3=0.20

Fig. 8. Relationship between Ra and r1 at Tc=7000 K and r2=[0.05, 1.00]. (a) r3=0.10; (b) r3=0.15; (c) r3=0.20

3.4 实验结果及分析

图 9. R/G/B/C/Y/WW LED 光源模块的照明效果图。(a) Tc=2700 K; (b) Tc=4000 K; (c) Tc=5500 K; (d) Tc=7000 K

Fig. 9. Lighting effect photos of R/G/B/ C/Y/WW LED module. (a) Tc=2700 K; (b) Tc=4000 K; (c) Tc=5500 K; (d) Tc=7000 K

表 2. 当光通量为500 lm时,设定值与测量值的对比

Table 2. Comparison of the set and measured values at luminous flux Φ=500 lm

4 结论

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图 4. R/G/B/C/Y/WW 6色LED占空比与光通量间的关系。(a) Φ_R--D_R;(b) Φ_G--D_G;(c) Φ_B--D_B;(d) Φ_WW--D_WW;(e) Φ_C--D_C;(f) Φ_Y--D_Y

Fig. 4. Relationship between duty cycle and luminous flux of R/G/B/C/Y/WW LED. (a) Φ_R--D_R; (b) Φ_G--D_G; (c) Φ_B--D_B; (d) Φ_WW--D_WW; (e) Φ_C--D_C; (f) Φ_Y--D_Y

图 5. 当T_c=2700 K,r₂在[0.05,1.00]范围内时,R_a随r₁的变化关系。(a) r₃=0.05;(b) r₃=0.10;(c) r₃=0.15

Fig. 5. Relationship between R_a and r₁ at T_c=2700 K and r₂=[0.05, 1.00]. (a) r₃=0.05; (b) r₃=0.10; (c) r₃=0.15

图 6. 当T_c=4000 K,r₂在[0.05,1.00]范围时,R_a随r₁的变化关系。(a) r₃=0.15;(b) r₃=0.20;(c) r₃=0.25

Fig. 6. Relationship between R_a and r₁ at T_c=4000 K and r₂=[0.05, 1.00]. (a) r₃=0.15; (b) r₃=0.20; (c) r₃=0.25

图 7. 当T_c=5500 K,r₂在[0.05,1.00]范围时,R_a随r₁的变化关系。(a) r₃=0.15;(b) r₃=0.20;(c) r₃=0.25

Fig. 7. Relationship between R_a and r₁ at T_c=5500 K and r₂=[0.05, 1.00]. (a) r₃=0.15; (b) r₃=0.20; (c) r₃=0.25

图 8. 当T_c=7000 K,r₂在[0.05,1.00]范围时,R_a随r₁的变化关系。(a) r₃=0.10;(b) r₃=0.15;(c) r₃=0.20

Fig. 8. Relationship between R_a and r₁ at T_c=7000 K and r₂=[0.05, 1.00]. (a) r₃=0.10; (b) r₃=0.15; (c) r₃=0.20

图 9. R/G/B/C/Y/WW LED 光源模块的照明效果图。(a) T_c=2700 K; (b) T_c=4000 K; (c) T_c=5500 K; (d) T_c=7000 K

Fig. 9. Lighting effect photos of R/G/B/ C/Y/WW LED module. (a) T_c=2700 K; (b) T_c=4000 K; (c) T_c=5500 K; (d) T_c=7000 K