不同驱动模式下白光LED光色电性能分析

霍东旭+鄢波+隋成华+郭雄彬+沈煜

摘要： 采用脉冲和直流两种驱动模式分别驱动同一批次的白光LED灯珠，对比分析了在“视觉亮度”一致时两种情况下的光色电性能，并研究了人眼视觉惰性对白光LED性能的影响。研究发现，在低脉冲占空比下，脉冲驱动LED的电流和发光效率比直流驱动的低，并且随着占空比的增加，两者的差值逐渐减小并趋于相等；当脉冲占空比高于70%时，两者驱动电流的差值增加，而脉冲驱动的发光效率却高于直流驱动的发光效率。此外，相比直流驱动，高脉冲电流驱动下的LED的发光更接近等能白光，进而增强了人眼对LED发光亮度的刺激响应，有效地提高了人眼的“视觉亮度”。

关键词： 脉冲驱动； 视觉亮度； 光效； 色纯度

中图分类号： TN 383.1文献标志码： Adoi： 10.3969/j.issn.10055630.2014.06.008

引言作为替代白炽灯、荧光灯的新一代光源，白光LED以其节能、环保、长寿命、体积小等优点而得到国内外研究者的普遍关注，目前已经被广泛应用在信号指示灯、家庭照明、室外照明、手机背光等领域。然而，要实现LED在通用照明领域的更多突破，LED自身的一些问题亟需得到解决，例如成本过高、发光效率不高、散热问题等[1]。LED芯片的节能、长寿命和可靠性需要合理的驱动方式来实现，目前大多数LED是采用恒流驱动。最近，Bath大学的学者发现，利用脉冲驱动可以提高LED的量子效率和电流密度饱和点。Jinno等[2]提出了可以提高人眼“视觉亮度”的新型脉冲驱动方式。与恒流驱动相比，脉冲驱动可以在保持电压不变的情况下，通过调整脉冲占空比灵活改变LED的色彩和饱和度。本实验采用1 W大功率白光LED作为研究对象，分别在直流和脉冲两种驱动模式下进行实验研究，对比分析了白光LED在不同驱动模式下的性能差异。解释了脉冲驱动能够提高“视觉亮度”的机制，为脉冲驱动的实际应用提供实验支持。1实验装置与过程输出的方波脉冲信号可以通过调节数字信号发生器的频率、电位、幅度和占空比得到，当脉冲信号稳定后，示波器记录下电路的总电压波形图和小电阻两端的电压波形图。为了能够得到可靠的实验结果，实验中采用同一批次的1 W大功率LED灯珠作为测试样品。其中灯珠的电压为3.0～3.4 V，色温为3 200～3 500 K，并且在暗室中分别以直流和脉冲电源驱动样品[3]。为了方便实验，实验中不改变脉冲驱动LED的参数，而是调节直流驱动LED的电压值。当20名观察者认为两者亮度相同时，记录其电流和电压值，得到平均电流值。在此平均电流驱动下，测量其光效、色纯度，与脉冲驱动下的参数作对比。白光LED光色电性能是采用光谱分析仪、数字电参数测量仪和直径为0.3 m的积分球测量获得的。为了能够在脉冲驱动下得到LED的峰值电流，在电路中串联了一个采样小电阻，具体的实验电路装置图如图1所示。

与参考文献[3]中不同，本实验将两个电压信号输入示波器同一个界面，调节示波器，使显示的两个波形图同步同相位。这样，可以更加准确地测试出经过LED的瞬时峰值电流，避免了在示波器测试过程中，因为电平不在同一位置而引起的误差，记录的脉冲电压信号如图2所示。白光LED发光稳定后，白光LED两端的电压可以通过示波器记录的两电压通道的差值得到，LED的峰值电流可以通过小电阻两端电压与其阻值的比值求出，从而计算得到脉冲白光LED的平均电流IP=URRD=I0D（1）

3结论对同一批次规格参数完全相同的白光LED，利用脉冲和直流两种驱动模式驱动。在“视觉亮度”一致时，对比其光色电性能。发现在脉冲驱动情况下，白光 LED的峰值波长发生蓝移，色纯度降低使其接近等能白光，增强了对人眼的亮度刺激响应。同时结合人眼视觉惰性的特性，对脉冲驱动在占空比比较低时，虽然LED驱动电流明显比直流驱动情况下要小，但却能与其达到相同的“视觉亮度”做了理论分析。

参考文献：

[1]马春雷，鲍超.一种高功率LED热阻的测试方法[J].光学仪器，2005，27（2）：1317.

[2]JINNO M，MORITA K，TOMITA Y，et al.Effective illuminance improvement of a light source by using pulse modulation and its psychophysical effect on the human eye[J].Journal of Light & Visual Environment，2008，32（2）：161169.

[3]郭雄彬，傅建新，王永常，等.低占空比脉冲驱动对白光LED的“视觉亮度”及光效影响研究初探[J].光学仪器，2010，32（5）：5457.

[4]OHNO Y，COUZIN D.Modified Allard method for effective intensity of flashing lights[C]//Proceeding of the CIE Symposium on Visual Environment，London：[s.n.]，2002：2328.

[5]钱雯磊，王峰，李抒智，等.基于Talbot效应的LED器件测试及应用技术研究[J].照明工程学报，2012，23（1）：5861.

[6]甘彬，冯红年，金尚忠.大功率白色发光二极管的特性研究[J].光学仪器，2005，27（5）：3337.

[7]王健，黄先，刘丽，等.温度和电流对白光LED发光效率的影响[J].发光学报，2008，29（2）：358362.

[8]王劲，梁秉文.大功率发光二极管光电特性及温度影响研究[J].光学仪器，2007，29（2）：4649.

[9]高维惜，顾鑫，沈海平，等.人眼对于PWM驱动下的LED亮度感知水平的提高[J].照明工程学报，2013，24（3）：7376.

[10]TRAETTA G，CARLO A D，REALE A，et al.Charge storage and screening of the internal field in GaN/AlGaN quantum wells[J].Journal of Crystal Growth，2001，230（3）：492496.

摘要： 采用脉冲和直流两种驱动模式分别驱动同一批次的白光LED灯珠，对比分析了在“视觉亮度”一致时两种情况下的光色电性能，并研究了人眼视觉惰性对白光LED性能的影响。研究发现，在低脉冲占空比下，脉冲驱动LED的电流和发光效率比直流驱动的低，并且随着占空比的增加，两者的差值逐渐减小并趋于相等；当脉冲占空比高于70%时，两者驱动电流的差值增加，而脉冲驱动的发光效率却高于直流驱动的发光效率。此外，相比直流驱动，高脉冲电流驱动下的LED的发光更接近等能白光，进而增强了人眼对LED发光亮度的刺激响应，有效地提高了人眼的“视觉亮度”。

关键词： 脉冲驱动； 视觉亮度； 光效； 色纯度

中图分类号： TN 383.1文献标志码： Adoi： 10.3969/j.issn.10055630.2014.06.008

引言作为替代白炽灯、荧光灯的新一代光源，白光LED以其节能、环保、长寿命、体积小等优点而得到国内外研究者的普遍关注，目前已经被广泛应用在信号指示灯、家庭照明、室外照明、手机背光等领域。然而，要实现LED在通用照明领域的更多突破，LED自身的一些问题亟需得到解决，例如成本过高、发光效率不高、散热问题等[1]。LED芯片的节能、长寿命和可靠性需要合理的驱动方式来实现，目前大多数LED是采用恒流驱动。最近，Bath大学的学者发现，利用脉冲驱动可以提高LED的量子效率和电流密度饱和点。Jinno等[2]提出了可以提高人眼“视觉亮度”的新型脉冲驱动方式。与恒流驱动相比，脉冲驱动可以在保持电压不变的情况下，通过调整脉冲占空比灵活改变LED的色彩和饱和度。本实验采用1 W大功率白光LED作为研究对象，分别在直流和脉冲两种驱动模式下进行实验研究，对比分析了白光LED在不同驱动模式下的性能差异。解释了脉冲驱动能够提高“视觉亮度”的机制，为脉冲驱动的实际应用提供实验支持。1实验装置与过程输出的方波脉冲信号可以通过调节数字信号发生器的频率、电位、幅度和占空比得到，当脉冲信号稳定后，示波器记录下电路的总电压波形图和小电阻两端的电压波形图。为了能够得到可靠的实验结果，实验中采用同一批次的1 W大功率LED灯珠作为测试样品。其中灯珠的电压为3.0～3.4 V，色温为3 200～3 500 K，并且在暗室中分别以直流和脉冲电源驱动样品[3]。为了方便实验，实验中不改变脉冲驱动LED的参数，而是调节直流驱动LED的电压值。当20名观察者认为两者亮度相同时，记录其电流和电压值，得到平均电流值。在此平均电流驱动下，测量其光效、色纯度，与脉冲驱动下的参数作对比。白光LED光色电性能是采用光谱分析仪、数字电参数测量仪和直径为0.3 m的积分球测量获得的。为了能够在脉冲驱动下得到LED的峰值电流，在电路中串联了一个采样小电阻，具体的实验电路装置图如图1所示。

与参考文献[3]中不同，本实验将两个电压信号输入示波器同一个界面，调节示波器，使显示的两个波形图同步同相位。这样，可以更加准确地测试出经过LED的瞬时峰值电流，避免了在示波器测试过程中，因为电平不在同一位置而引起的误差，记录的脉冲电压信号如图2所示。白光LED发光稳定后，白光LED两端的电压可以通过示波器记录的两电压通道的差值得到，LED的峰值电流可以通过小电阻两端电压与其阻值的比值求出，从而计算得到脉冲白光LED的平均电流IP=URRD=I0D（1）

3结论对同一批次规格参数完全相同的白光LED，利用脉冲和直流两种驱动模式驱动。在“视觉亮度”一致时，对比其光色电性能。发现在脉冲驱动情况下，白光 LED的峰值波长发生蓝移，色纯度降低使其接近等能白光，增强了对人眼的亮度刺激响应。同时结合人眼视觉惰性的特性，对脉冲驱动在占空比比较低时，虽然LED驱动电流明显比直流驱动情况下要小，但却能与其达到相同的“视觉亮度”做了理论分析。

参考文献：

[1]马春雷，鲍超.一种高功率LED热阻的测试方法[J].光学仪器，2005，27（2）：1317.

[2]JINNO M，MORITA K，TOMITA Y，et al.Effective illuminance improvement of a light source by using pulse modulation and its psychophysical effect on the human eye[J].Journal of Light & Visual Environment，2008，32（2）：161169.

[3]郭雄彬，傅建新，王永常，等.低占空比脉冲驱动对白光LED的“视觉亮度”及光效影响研究初探[J].光学仪器，2010，32（5）：5457.

[4]OHNO Y，COUZIN D.Modified Allard method for effective intensity of flashing lights[C]//Proceeding of the CIE Symposium on Visual Environment，London：[s.n.]，2002：2328.

[5]钱雯磊，王峰，李抒智，等.基于Talbot效应的LED器件测试及应用技术研究[J].照明工程学报，2012，23（1）：5861.

[6]甘彬，冯红年，金尚忠.大功率白色发光二极管的特性研究[J].光学仪器，2005，27（5）：3337.

[7]王健，黄先，刘丽，等.温度和电流对白光LED发光效率的影响[J].发光学报，2008，29（2）：358362.

[8]王劲，梁秉文.大功率发光二极管光电特性及温度影响研究[J].光学仪器，2007，29（2）：4649.

[9]高维惜，顾鑫，沈海平，等.人眼对于PWM驱动下的LED亮度感知水平的提高[J].照明工程学报，2013，24（3）：7376.

[10]TRAETTA G，CARLO A D，REALE A，et al.Charge storage and screening of the internal field in GaN/AlGaN quantum wells[J].Journal of Crystal Growth，2001，230（3）：492496.

摘要： 采用脉冲和直流两种驱动模式分别驱动同一批次的白光LED灯珠，对比分析了在“视觉亮度”一致时两种情况下的光色电性能，并研究了人眼视觉惰性对白光LED性能的影响。研究发现，在低脉冲占空比下，脉冲驱动LED的电流和发光效率比直流驱动的低，并且随着占空比的增加，两者的差值逐渐减小并趋于相等；当脉冲占空比高于70%时，两者驱动电流的差值增加，而脉冲驱动的发光效率却高于直流驱动的发光效率。此外，相比直流驱动，高脉冲电流驱动下的LED的发光更接近等能白光，进而增强了人眼对LED发光亮度的刺激响应，有效地提高了人眼的“视觉亮度”。

关键词： 脉冲驱动； 视觉亮度； 光效； 色纯度

中图分类号： TN 383.1文献标志码： Adoi： 10.3969/j.issn.10055630.2014.06.008

引言作为替代白炽灯、荧光灯的新一代光源，白光LED以其节能、环保、长寿命、体积小等优点而得到国内外研究者的普遍关注，目前已经被广泛应用在信号指示灯、家庭照明、室外照明、手机背光等领域。然而，要实现LED在通用照明领域的更多突破，LED自身的一些问题亟需得到解决，例如成本过高、发光效率不高、散热问题等[1]。LED芯片的节能、长寿命和可靠性需要合理的驱动方式来实现，目前大多数LED是采用恒流驱动。最近，Bath大学的学者发现，利用脉冲驱动可以提高LED的量子效率和电流密度饱和点。Jinno等[2]提出了可以提高人眼“视觉亮度”的新型脉冲驱动方式。与恒流驱动相比，脉冲驱动可以在保持电压不变的情况下，通过调整脉冲占空比灵活改变LED的色彩和饱和度。本实验采用1 W大功率白光LED作为研究对象，分别在直流和脉冲两种驱动模式下进行实验研究，对比分析了白光LED在不同驱动模式下的性能差异。解释了脉冲驱动能够提高“视觉亮度”的机制，为脉冲驱动的实际应用提供实验支持。1实验装置与过程输出的方波脉冲信号可以通过调节数字信号发生器的频率、电位、幅度和占空比得到，当脉冲信号稳定后，示波器记录下电路的总电压波形图和小电阻两端的电压波形图。为了能够得到可靠的实验结果，实验中采用同一批次的1 W大功率LED灯珠作为测试样品。其中灯珠的电压为3.0～3.4 V，色温为3 200～3 500 K，并且在暗室中分别以直流和脉冲电源驱动样品[3]。为了方便实验，实验中不改变脉冲驱动LED的参数，而是调节直流驱动LED的电压值。当20名观察者认为两者亮度相同时，记录其电流和电压值，得到平均电流值。在此平均电流驱动下，测量其光效、色纯度，与脉冲驱动下的参数作对比。白光LED光色电性能是采用光谱分析仪、数字电参数测量仪和直径为0.3 m的积分球测量获得的。为了能够在脉冲驱动下得到LED的峰值电流，在电路中串联了一个采样小电阻，具体的实验电路装置图如图1所示。

与参考文献[3]中不同，本实验将两个电压信号输入示波器同一个界面，调节示波器，使显示的两个波形图同步同相位。这样，可以更加准确地测试出经过LED的瞬时峰值电流，避免了在示波器测试过程中，因为电平不在同一位置而引起的误差，记录的脉冲电压信号如图2所示。白光LED发光稳定后，白光LED两端的电压可以通过示波器记录的两电压通道的差值得到，LED的峰值电流可以通过小电阻两端电压与其阻值的比值求出，从而计算得到脉冲白光LED的平均电流IP=URRD=I0D（1）

3结论对同一批次规格参数完全相同的白光LED，利用脉冲和直流两种驱动模式驱动。在“视觉亮度”一致时，对比其光色电性能。发现在脉冲驱动情况下，白光 LED的峰值波长发生蓝移，色纯度降低使其接近等能白光，增强了对人眼的亮度刺激响应。同时结合人眼视觉惰性的特性，对脉冲驱动在占空比比较低时，虽然LED驱动电流明显比直流驱动情况下要小，但却能与其达到相同的“视觉亮度”做了理论分析。

参考文献：

[1]马春雷，鲍超.一种高功率LED热阻的测试方法[J].光学仪器，2005，27（2）：1317.

[2]JINNO M，MORITA K，TOMITA Y，et al.Effective illuminance improvement of a light source by using pulse modulation and its psychophysical effect on the human eye[J].Journal of Light & Visual Environment，2008，32（2）：161169.

[3]郭雄彬，傅建新，王永常，等.低占空比脉冲驱动对白光LED的“视觉亮度”及光效影响研究初探[J].光学仪器，2010，32（5）：5457.

[4]OHNO Y，COUZIN D.Modified Allard method for effective intensity of flashing lights[C]//Proceeding of the CIE Symposium on Visual Environment，London：[s.n.]，2002：2328.

[5]钱雯磊，王峰，李抒智，等.基于Talbot效应的LED器件测试及应用技术研究[J].照明工程学报，2012，23（1）：5861.

[6]甘彬，冯红年，金尚忠.大功率白色发光二极管的特性研究[J].光学仪器，2005，27（5）：3337.

[7]王健，黄先，刘丽，等.温度和电流对白光LED发光效率的影响[J].发光学报，2008，29（2）：358362.

[8]王劲，梁秉文.大功率发光二极管光电特性及温度影响研究[J].光学仪器，2007，29（2）：4649.

[9]高维惜，顾鑫，沈海平，等.人眼对于PWM驱动下的LED亮度感知水平的提高[J].照明工程学报，2013，24（3）：7376.

[10]TRAETTA G，CARLO A D，REALE A，et al.Charge storage and screening of the internal field in GaN/AlGaN quantum wells[J].Journal of Crystal Growth，2001，230（3）：492496.