白光LED器件的设计及所用荧光粉发光模型研究

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LED是一种固态冷光源,因为LED灯的高发光效率(全球LED器件光效实验室水平已超过300lm/w,产业化水平达到150lm/w以上,LED整灯光效实验室水平达200lm/w)远远大于白炽灯(12-24lm/w)和荧光灯(50-120lm/w),LED灯成为继白炽灯、荧光灯、和高压钠灯之后的新一代节能环保绿色照明光源。白光LED的实现方法有:(1)荧光粉转换(pc)LED;(2)多芯片(MC)白光LED(三基色RGB合成),而荧光粉转换LED可采用两种方法实现:(1)二基色荧光粉转换LED(蓝光芯片+YAG荧光粉);(2)三基色荧光粉转换LED(UV/蓝光芯片+RGB荧光粉)。MC白光LED的热阻约为其他封装形式的3倍,其散热问题比较突出,使得生产成本居高不下,目前市场上主要采用荧光粉转换合成白光LED。衡量白光LED的指标主要有:光效和显色指数,不同的应用场所对光源的色温也有不一样的要求,光谱越宽光源的显色指数就好,光源在555nm处的光谱越窄,光源的光效就越高。因此,为了实现高光效、高显指、色温可调的白光LED时,合理的选择LED芯片和荧光粉就显得尤为重要。本论文根据颜色混合叠加理论和光源显色性的评价方法,用MATLAB软件研究出白光LED的模拟仿真程序,利用此程序可以预测色温固定在3000K-6500K时,白光LED的光谱、光通量、色坐标、显色指数以及所需的LED芯片的驱动电流;同时可以预测在固定的光通量和高显色指数条件下,白光LED色温在3000K-6500K连续变化时,三组分系统所需要的芯片和荧光粉的最优化的参数。预测三组分系统的芯片和荧光粉参数分为三种情况:(1)芯片以及荧光粉的参数(包括发射光谱、峰值波长、半峰宽)均未知;(2)芯片的半峰宽已知;(3)芯片的峰值波长和半峰宽已知。根据优化的结果,选择较为接近结果的蓝光芯片和YAG荧光粉,通过实验结果发现:采用三组分系统组合形成的白光LED,其显色指数大于85,发光效率在124lm/w以上;同时在固定的光通量条件下,实现了色温从3000K-6500K的连续变化。  对于同一种荧光粉,如果薄膜浓度和厚度均会影响其发射光谱,为了描述这种差别本文提出了一种新的LED(pc-LED)发光模型,该模型可用来预测在一定浓度下,不同厚度对应的荧光粉的发射光谱。经过实验验证,该荧光粉模型能够准确的计算芯片+荧光粉的发射光谱。
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