白光LED发光效率的理论极限
led发光效率极限
led 发光效率极限
白光LED 的发光基本原理是利用荧光材料将蓝光转换成几种不同波长的光线，通过荧光材料的组合，这些光线组成了一个基本连续的光谱。
因为并非严格的连续光谱（比如石英卤素灯），所以在复现彩色的能力上面还有不小的欠缺，目前白光LED 最高水平的颜色复现指数也只能做到90 左右（石英卤素灯是100）。
也正因为这样，白光LED 的发光效率要高于普通的黑体辐射光源。
对于黑体辐射的白光光源（5700K）最高的发光效率为200 流明/瓦左右，而白光LED 可以做到300 流明/瓦以上。
注意这里的瓦特功率并非指通过光源的电功率而是光源在可见光波段的辐射的功率。
现在高水平的白光LED 在700 毫安的电流驱动下可以输出0.8 瓦特左右的可见光辐射，这个时候整个LED 功率消耗为2 瓦特左右，也就是40 ％左右的电能转换成了光能。
如果随着技术的进步，能够把这个效率增加到60％，那幺就可以得到1.2 瓦特左右的光辐射，这大概相当于一只700 毫安的白光LED 输出达到360 流明。
如果把这个效率加倍，则可以达到480——500 流明的输出，大致相当于一只30 瓦特的石英卤素灯。
在照明领域中，一种新型光源的诞生，其寿命、光效是重要的质量指标，但它对各种颜色的显色特性是照明光环境的另一重要质量指标。
低压钠灯的2 条黄色光谱线的理论发光效率可达450lm/W，实际光效超过
200lm/W。
但由于它的显色特性差，最终被高压钠灯、金卤灯所替代。
LED灯的热功耗计算
LED灯的热功耗计算人眼对波长为555nm的光最敏感，而1W的该光的光通量是683lm。
LED的供应商已经通过积分球测出了某个型号的LED的光通量，可以在说明书上找到。
至于发光效率而言，应该是：e=光通量/功率/683，这个值应该随着温度的升高而降低（因为节温升高，发光效率应该降低）。
这样，就可以计算出LED灯的热功耗：功率*（1-e）。
白光LED的光效极限≈683lm/W是错误的。
（供应商分选LED一般是25℃，光通测试只是瞬间的事，更别谈随温度和时间的光衰了。
）显色指数R≈70~80时，光效的理论极限也不到683lm/W的一半。
能做到300lm/w就基本是光源的极限了，这是无法超越的，对所有的光源都一样（HID、LED、OLED等等）。
可参见光电源专家、东南大学教授杨正名先生对此的论文“灯具光效分析”一文（《电气照明》2009年第六期）。
考虑量子转化率、芯片结构器件的影响，LED光效就更低一点（仅仅是芯片的光效）。
LED光源本身的辐射通量很小，不像其他传统光源，所以LED的生热率极高。
比如：VF=3.5V、IF=350mA的冷白LED光源，标称光通量Ψ=90lm~95lm，生热率ξ≈78%~81%。
即：标称光效70lm/W的LED生热率约80%。
LED灯具一般内置电源，仿真时还要考虑恒流(压)源的效率及其发热，现在的转换效率基本在80%左右，有的还不到。
综上所述：现阶段10W的LED灯具能做到700lm就很不错了。
这10W 的灯具消耗功率中就有一半左右的LED发热、也有1W以上的电源发热(电源发热也是个不小的参量啊！)5楼说理论极限光效率也没错，这个效率是指1W的功率全部转换成电磁波的时候可以产生的683lm电磁波通量，这个通量里包含所有波长的电磁波，可见光只是其中的一部分，热量也只是电磁波在自然界中的一种物理表现形态而已，这个理论值是经过严格的理论推算的，不会错。
其实从另外一个角度来说，把5楼和6楼的说法综合起来就会出现一个结果，那就是，理论上，目前的LED粒子结构把输入电功率转换成可见光功率的理论最大值不大于400lm/w（具体好像是380左右，我记不清了），也就是说，LED粒子在最理想的情况下，约有一半的输入功率能够转化成可见光；从散热的角度上讲，LED粒子在最理想的情况下也会有将近一半的输入电功率转化成热量。
白光LED的光效究竟能到多少
白光LED的光效究竟能到多少一、什么是可用于的照明白光照明的白光一定要有可用的显色指数和舒适的色温．天然光和白炽光都是自然界赋予的。
是人类制造的人工光源追求的目标，它们分别代表了高色温(5000K 以上)和低色温(3000K 以下)的显色指数接近100 的理想光源．到目前为止。
人工光源中除了白炽灯(低色温)和氙灯(高色温)以外几乎没有这样好的显色性的光源．然后，在目前照明领域的所有场合中，不是一定要光源的显色指数有100 才能应用．显色性只有50 的卤磷酸钙荧光粉的荧光灯不是也用了大半个世纪吗?显色性只有20 左右的高压钠灯不是在道路上也应用了半个世纪吗?因此不能一概而论。
必须按照周围环境和使用条件才能划出好用和不好用的界线．但是，当今技术发展的大背景下。
不可否认地看到这样的事实：1．绿色和低碳要求我们使用光效越来越高的光源，满足减少耗能的目的。
新的产品必须有高的发光效率．例如：用三基色荧光粉替代卤磷酸钙荧光粉制成的荧光灯光的光源的发光效率可以提高约50％(从22501m(40W 卤磷酸钙荧光灯)提高至U3350 Im(36W---基色荧光灯))：彩色的LED 已经全面替代了传统白色光源加滤色片的这种发出彩色光的模式，如此等等：2．显色性已经越来越得到重视．显色性差的光源往往在许多场合中是不能用或不建议用的．最清楚的例子就是低压钠灯有接近2001m／W 的发光效率，但单色的黄色光使它只能用于道路照明和极少的其它场合．有更大受众面的室内环境，要求的显色性更高。
像美国能源部(DOE)对用于室内照明的LED 灯的显色指数已从原来的70(2007，8)提高到近来规定的≥80 了(2009．12)H]．在国内的照明设计标准中，也规定有办公室和宾馆饭店中的显色指数应在80 以上的要求．还有。
高显色指数(Ra80)的金卤灯的出现，使国际上体育场馆的照明指标中的显色性从。
1W级白光LED光电特性的研究
1W级白光LED光电特性的研究摘要：研究了1W级白光发光二极管（LED）的直流电学特性和光学特性，采用照度计在暗室测量并研究其发光效率随电功率变化的关系。
研究结果表明，白光LED的工作电流与电压呈指数变化；发光效率经过一个最大值后随电功率增加而减小。
发光效率降低的主要原因是结温升高、电流泄露等导致的载流子有效复合几率下降所致，因此LED需工作在恒流状态下。
关键词：白光LED 光电特性发光效率A Study of the Electrical and Optical Properties of 1-W Level White LED Abstract The electrical properties and optical properties of DC of the 1W-level white light-emitting diode (LED) were studied, also the relationship of luminous efficiency were measured and studied with input power using Light meter in darkroom. The results show that the current of white LED changes exponentially with the voltage; and after the luminous efficiency reached at a maximum value, it decreased with the increase of input power. The main reasons that luminous efficiency decreased are higher temperature of LED chip, more leakage current caused by the increase of the current. Therefore LED need to work in a constant current state.Key words: White LED; Optical and Electrical Properties; Luminous efficiency1 引言进入21世纪，随着半导体制造技术和封装技术的不断进步，长期用于指示和显示的半导体光源正向照明领域发展[2]。
1 W级大功率白光LED发光效率研究
收稿日期:2005-02-04. 基金项目:广东省自然科学基金项目(04011462);佛山市科技发展专项资金项目(04030021);佛山科技学院博士启动基金项目.光电器件1W 级大功率白光L ED 发光效率研究李炳乾(佛山科技学院物理系,广东佛山528000)摘 要: 研究了1W 级大功率白光发光二极管(L ED )发光效率随功率变化的关系。
实验结果表明,功率在0～0.11W 的范围里,发光效率随功率迅速增加;功率达到0.11W 时,发光效率为15.6lm/W ;当功率大于0.11W 时,发光效率随功率增加开始减小,功率继续增加时,发光效率降低的速度越来越快。
在器件额定功率1W 附近,发光效率为13lm/W 。
发光效率随功率增加而下降主要是由于芯片温度升高、电流泄漏等导致的载流子有效复合几率下降引起的。
关键词: 大功率白光发光二极管;半导体照明;光通量;发光效率中图分类号:TN383.1 文献标识码:A 文章编号:1001-5868(2005)04-0314-03Lumen E ff iciency of 1W 2level High Pow er White L EDL I Bing 2qian(Dept.of Physics ,Foshan U niversity ,Foshan 528000,CHN )Abstract : The relationship of lumen efficiency wit h inp ut power of high power white light 2emitting diodes (L EDs )is st udied.The result shows t hat t he lumen efficiency increases wit h inp ut power in t he range of 0～0.11W.At t he inp ut power of 0.11W lumen efficiency is 15.6lm/W.Then t he lumen efficiency decreases wit h t he increcse of inp ut power over 0.11W ,and t he decrease rate is more and more faster followed by t he increase of t he inp ut power.At t he rating power of 1W ,t he lumen efficiency is clo se to 13lm/W.The main reasons which induced inefficiency of high power white light 2emitting diodes at high inp ut power are :(1)t he increase of inp ut power result s in higher temperat ure of L ED chip ;(2)t he increase of t he current causes more leakage current.K ey w ords : high power white L ED ;semiconductor lighting source ;luminous flux ;lumen efficiency1 引言以大功率白光发光二极管(L ED )器件为核心的半导体照明技术具有体积小、全固态、长寿命、环保、省电等优点,已经在状态指示和中小功率的特种照明领域得到广泛应用[1]。
白光LED的性能和应用
白光LED的性能和应用
随着科技的发展，白光LED（Light Emitting Diode）已经逐渐
取代了传统的灯泡和荧光灯，成为新一代照明产品的宠儿。
那么，白光LED的性能和应用如何呢？
首先，白光LED的性能要从光电转换效率、光谱性质、颜色
稳定性和色温等方面来考虑。
白光LED的光电转换效率非常高，
可以达到40%以上，而传统的灯泡和荧光灯的效率仅为10%左右。
这意味着白光LED的能源利用更加高效，也更加环保。
其次，白光LED的光谱性质也是其性能之一。
传统的灯泡和
荧光灯发出的光是多色光，而白光LED发出的光是单色光，这使
得白光LED的色彩更加鲜艳、更加明亮。
此外，白光LED还具有高色温、高亮度、长寿命等优点，使其成为照明市场的主打产品。
然而，白光LED的应用不仅限于照明领域。
在医疗、通讯、
农业、航空等领域，白光LED也发挥了重要作用。
比如，在医疗
领域，白光LED可以用于手术照明、医用检查照明等，其高亮度
和高色温可提高医生的诊断能力。
在通讯领域，白光LED则可以
用于光纤通讯，具有传输速度快、抗干扰能力强的优点。
在农业
领域，白光LED可以用于植物生长灯，可以提高植物生长速度和
产量。
在航空领域，白光LED可以用于内部照明和导航照明，具
有节能和环保的优势。
综上所述，白光LED的性能和应用非常出色，已经成为各个
领域的重要照明、观测和通讯工具。
随着科技的不断进步和发展，相信白光LED的性能和应用也会变得越来越广泛和创新。
LED流明效率的探讨
LED流明效率的探讨LED作为光源灯应用时，其流明效率总是首要关注的参数。
流明效率与那些因素有关，流明效率是否存在极限，流明效率及其相关因素现在和未来的水平如何，投影显示应用对LED光源灯的期待，这些是本文探讨的主要内容。
1. 光谱光视效率从辐射度学角度，光源的辐射通量表示单位时间内光源发出的全部能量，辐射通量也就是辐射功率。
而在光度学研究中，先引入了光谱光视效率函数V（λ）来表示视觉灵敏度的光谱特性，其后再研究包括光通量在内的几种光度量。
规定人眼最灵敏的波长λ=555nm所对应的V （555）=1，其它波长对应的V（λ）均小于或远小于1。
设光源的辐射通量为Φe，人眼感觉到的光通量Φ与Φe、V（λ）成正比，Φ = C×V（λ）×Φe（1）式中，常数C将Φe的单位瓦换算成Φ的单位流明，C = 683 lm/w。
将K（λ）= C×V（λ）（2）称为光谱光视效率，它是发光波长的函数，单位也为lm/w，其最大值Km = C = 683 lm/w。
将（2）式代入（1）式，则Φ = K（λ）×Φe （3）组合（2）式和（3）式可知，如果1w的光辐射功率全部集中在单色波长555nm，则人眼对此感知的光通量最大值为683 lm。
由于V（λ）的分布特性，光源灯的光谱光视效率将小于甚至远小于683 lm/w。
2. 流明效率电光源由电源驱动，输出光通量与输入电功率之比通常称为电光源的电光转换效率，也称电光源的流明效率或发光效率，表示为ηL，单位也是lm/W。
1瓦电功率和1瓦辐射功率在数值上等效，则单色可见光源灯的流明效率与光谱光视效率的表示相同，ηL（λ）= K（λ）= C×V（λ）（4）设光通量呈现的相对能量光谱分布为E（λ），则流明效率可表示为ηL（λ）= C×E（λ）×V（λ）（5）组合（4）式和（5）式可知，如果全部光通量都集中在单色波长555nm，E（555）=V（555）=1，则最大流明效率为683lm/w。
白光LED的发光效率及使用寿命问题(精)
白光LED的发光效率及使用寿命问题白光LED的发光效率及使用寿命问题为了获得充分的白光LED光束，曾经开发大尺寸LED芯片，试图以此方式达成预期目标。
实际上在白光LED上施加的电功率持续超过1W以上时光束反而会下降，发光效率则相对降低20%~30%，提高白光LED的输入功率和发光效率必须克服的问题有：抑制温升；确保使用寿命；改善发光效率；发光特性均等化。
增加功率会使用白光LED封装的热阻抗下降至10K/W以下，因此国外曾经开发耐高温白光LED，试图以此改善温升问题。
因大功率白光LED的发热量比小功率白光LED高数十倍以上，即使白光LED的封装允许高热量，但白光LED芯片的允许温度是一定的。
抑制温升的具体方法是降低封装的热阻抗。
提高白光LED使用寿命的具体方法是改善芯片外形，采用小型芯片。
因白光LED的发光频谱中含有波长低于450nm的短波长光线，传统环氧树脂密封材料极易被短波长光线破坏，高功率白光LED的大光量更加速了密封材料的劣化。
改用硅质密封材料与陶瓷封装材料，能使白光LED的使用寿命提高一位数。
改善白光LED的发光效率的具体方法是改善芯片结构与封装结构，达到与低功率白光LED相同的水准，主要原因是电流密度提高2倍以上时，不但不容易从大型芯片取出光线，结果反而会造成发光效率不如低功率白光LED，如果改善芯片的电极构造，理论上就可以解决上述取光问题。
实现发光特性均匀化的具体方法是改善白光LED的封装方法，一般认为只要改善白光LED的荧光体材料浓度均匀性与荧光体的制作技术就可以克服上述困扰。
减少热阻抗、改善散热问题的具体内容分别是：①降低芯片到封装的热阻抗。
②抑制封装至印制③提高芯片的散热顺畅性。
为了降低热阻抗，国外许多LED厂商将LED芯片设在铜与陶瓷材料制成的散热鳍片表面，如图1所示，用焊接方式将印制电路板上散热用导线连接到利用冷却风扇强制空冷的散热鳍片上。
德国OSRAM Opto Semiconductors Gmb 实验结果证实，上述结构的LED芯片到焊接点的热阻抗可以降低9K/W，大约是传统LED的1/6左右。
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Nw = Nb = Neh = 2. 7 ×1018
假設白光LED的工作電壓為3. 5 V，工作電流為eNeh。 由此,可以計算出產生1 W白光輻射光功率消耗的電功率We :
We = 3. 5 ×2. 7 ×1018 ×1. 6 ×10 -19 = 1. 51W 1.51W (電功率) 1W (光功率) 298. 7 lm (輻射光通量)
藍光光子 Blue Photon
白光光子 White Photon
電子-電洞對注入: 白光LED的工作電壓為3. 5 V ， 一對電子-電洞對注入和複合過 程，能量消耗相當於一個電子從 負極流到正極，電壓降為3. 5 V ； 即電子-電洞對注入和複合過程 能量消耗為 3. 5 eV。
光通量 Luminous Flux
光源所發出的能量，是以電磁波的 形式存在，此種能量稱為「輻射能 (radiant energy)」，單位為焦耳 (J)，而光源每秒所發出的全部輻射 能，則稱為「輻射通量(radiant flux)」，單位為瓦特(W)，ψe。
輻射通量相同(能量相同)的不同 波長的色光，對人眼而言，其所 能引起的亮暗度感覺並不一樣， 也就是說，它們具有不同的「發 光效率」，視覺效率(視感度)較 高者，人眼也會覺得較亮。
光通平台
每瓦白光LED的輻射功率可以產生 298.7 lm的光通量
將左圖產生白光所需的功率值，調整 到1W ；然後計算此時的光通量值Φ
白光LED的發光光譜 其色座標為x = 0. 325, y = 0. 332 顯色指數為81. 5 色溫為5 914 K 藍光發射的峰值波長為465 nm。
白光LED光功率為1 W對應 的流明效率為298.7lm /W。
藍光的光功率效率為： 從以上計算結果可以看出，在量子轉換效率為 100% 的 理 想 情 況 下 ， 藍 光 晶 片 至 少 要 達 到 0.382w或者說至少要達到38.2％的轉換效率才 能實現流明效率為1001m／w的白光。
光通平台
人眼視覺效率(luminous efficiency)曲線 ---人眼視覺函數
光譜光視效率
人眼的敏感度會隨著不同波長的可見光譜而有不同的反應，對波長 555nm(綠光)視感度最高，對過長或過短的波長敏感度會逐漸減少。
光通平台
光通量(Luminous flux)
人眼所能感覺到的輻射能量，它等於單位時間內某一波段 的輻射能量和該波段的光視效能V(λ(視感度)之乘積的總和。 ) 由於人眼對不同波長光的光視效能不同，所以不同波長光 的輻射功率相等時，其光通量並不相等。例如，當波長為 555nm 的綠光與波長為650nm 的紅光輻射功率相等時， 前者的光通量為後者的10 倍。 光通量之簡單定義為，由一光源所發射並被人眼感知之所 有輻射能量總和。8 lm。 也就是說在上頁圖所示的白光LED的發光光譜和白光LED工作電壓為3. 5V的條件 下， 該白光LED光發射的流明效率的理論極限為197. 8 lm /W。
光通平台
相關公式和計算式
每瓦白光辐射光功率發射的流明效率 Lm/W
光通平台
相關公式和計算式
光通量(流明) 單一色光
ψ = 683 x 視感度x 輻射通量(瓦特)
多種波長組合 ψ =
683
V(λ) ψ e ( λ ) dλ
光通平台
參考文獻
1. 白光ＬＥＤ極限流明效率的計算 2. 白光半導體LED發光效率的計算
光通平台
白光LED發光效率的 理論極限
光通平台
21/Aug/2012
https:///site/ledgreenplatform/
半導體照明光源流明效率 有多大的發展空間？ 它的理論極限是多少？
光通平台
白光LED電光轉換過程
注入電子-電洞 Electron-Hole pair injected
白光光子數=藍光光子數=注入的電子-電洞對數=N
光通平台
藍光功率和效率的計算
假設各種轉換過程中沒有光子損耗，藍光轉換 為白光的量子轉換效率為100％，對即量子轉 換效率為100％，對藍光光譜進行調整，使其 白光流明效率為100 lm／w 計算調整後的藍光功率，得到理想情況下的 藍光光功率Wb為：
白光LED的發光光譜 其色座標為x = 0. 325, y = 0. 332 顯色指數為81. 5 色溫為5 914 K 藍光發射的峰值波長為465 nm。
光通平台
每瓦白光LED的電功率可以產生 197.8 lm的光通量
假設藍光晶片的外部量子效率(External quantum efficiency)和螢光粉量子效率 均為1，在理想情況下，注入一個電子-電洞，可以產生一個藍光光子， 因此可以說,注入的電子-電洞,數量亦等於白光光子數量 則白光光子數=藍光光子數=注入的電子-電洞對數