中 華 大 學 碩 士 論 文
色溫可調 LED 日光照明之設計
The design of LED lighting with tunable color temperature
系 所 別：電機工程學系碩士班 研 究 生：M09701035 余冠生 指導教授：溫 盛 發 博士
中華民國 九十九 年 七 月
摘要
本論文使用一白色光源與搭配紅綠藍(RGB)三色 LED，設計一個可調色溫的 白光光源。
計算產生 100 lm 光度時,白光與紅綠藍(RGB) LED 的光功率與電功率消耗，
其中使用白光光源分別為 CCFL，暖白光 LED，中性色白光 LED，冷白光 LED，
而它們的發光效率分別為 80 lm/w，90.7 lm/w，90.7 lm/w，54.4 lm/w。
紅綠藍三色 LED 之發光效率分別為 39.4 lm/w，72.56lm/w，21.3lm/w,我們所 考慮的色溫範圍為 2800K~7500K 黑體幅射線之色度座標為模擬，探討其在各色 溫色度座標所需的功率。結果顯示使用 CCFL，暖白光 LED，與中性色白光 LED，冷白光 LED，在上述色溫範圍內的帄均發光效率為 72.00 lm/w，55.03 lm/w，81.00lm/w，與 79.44 lm/w。
最後討論比較傳統白光光源與 LED 本論文所考慮的 LED 光源效率之節能省 電比較。
Abstract
This thesis simulates the design of white light source with tunable color temperature by the use of a white light LED and RGB LEDs. The optical power and electrical power consumptions for generating 100 lm flux are calculated. The white light sources of CCFL, warm white LED, neutral white LED, and cool white LED are considered, in which their luminance efficiencies are 80 lm/W, 90.7 lm/W, 90.7 lm/W, and 54.4 lm/W, respectively. The luminance efficiencies of red, green, and blue LEDs are 39.4 lm/W, 72.56 lm/W, and 21.3 lum/W, respectively. The considered color temperature range is within 2800 K and 7500 K blackbody radiation. The required powers in the range are studied. Results show that the average luminance efficiencies in the considered color temperature range are 72 lm/W, 55.03 lm/W, 81 lm/W, and 79.44 lm/W for the cases using CCFL, warm white LED, neutral white LED, and cool white LED, respectively. Finally, the power saving comparison are made for the conventional white light source and the considered LED white light source.
致謝
終於論文完成了，這兩年來學到很多不只是學業知識上，也學會面對生活以 及困難該有的態度，這要感謝溫盛發老師的諄諄教誨，也感謝高川原老師、吳俊 傑老師、黃欽德老師的教導，還有口試委員祁甡老師、吳俊傑老師、溫盛發老師 提供寶貴意見讓這篇論文能更趨完整。
感謝許益誠、于大容、潘俊吉、黃國禎、梁博彥、李坤學、羅卿銓、曾偉宸 學長的幫忙與學業上的指導，感謝這兩年來的對我這學弟的照顧，對於我的問題 也不耐煩的細心指導，感謝同窗同學陳韋辰、吳正中、徐群志、吳宗育、張文獻、
葉沐詩，除了在課業上的幫助外，帄日生活上也對我照顧有加，大家相處的時間 很短卻很愉快，我會很珍惜這段情誼。
感謝大學時教導我的教授與所有同學，還有我的爸、媽、哥哥、阿姨們、親戚們 以及我的所有朋友，在我感到無助挫折的時候鼓勵我，默默的支持給我動力，感 謝你們。
感謝上天對我的厚愛，感謝各位對我的支持鼓勵與教導，有你們默默的付 出，我才能堅持到最後順利完成學業。
最後要感謝我已經過世的外婆，感謝她對從小到大對我的照顧，沒有您我就不會 有今天，很抱歉不能讓您親眼看到我現在的成就，這論文完成時她過世也將屆滿 一年，願將論文完成的榮耀獻給她。
在此將論文成就喜悅與各位親朋好友分享。
目錄
摘要 ………..
IAbstract ………
..II誌謝 ……….
III目錄 ……….
IV圖目錄 ………
.VI表目錄 ……….
VII第一章 緒論……….1
1-1 研究目的……….1
第二章 光與色彩學……….2
2-1 色彩學基礎………....2
2-2 RGB 色彩空間………....3
2-3 XYZ 表色系統………....4
2-4 黑體輻射與色溫……….6
第三章 LED 與照明………....10
3-1 LED 特性參數與色彩特性………10
第四章 實驗設計以及模擬……….11
4-1 模擬使用之公式推導………11
4-2 模擬數據………13
4-3 數據分析與討論………23
第五章 結論……….44
參考文獻……….45
圖目錄
圖 2.4 黑體輻射線在 CIE1931(X,Y)色度圖的位置:………..…….9
圖 4.1 模擬範圍的黑體幅射線在色度圖中的範圍，其中包含模擬所使用的四種色 溫白光與所使用的紅、綠、藍 LED 之色度座標點……….15
圖 4.2 模擬所使用的紅、綠、藍(R、G、B)LED 光譜圖………16
圖 4.3 模擬使用的四種白光光源光譜以相對功率(100%)表示………17
圖 4.4 首先選定白光的黑體幅射 2800K~7500K 之色度座標，與模擬時使用的紅 綠藍 LED 色度座標……….18
圖 4.5 加入白光與綠光白綠混光光源的權重比………19
圖 4.6 加入紅光,藍光 LED,做色溫座標的模擬……… 20
圖 4.7 程式模擬出色溫範圍,還有紅藍 LED 的使用效率。 ………21
圖 4.8 各白光最小可模擬色度三角型………22
圖 4-3.1 使用 CCFL 為主要白光源之光效率分布圖………23
圖 4-3.2 使用冷白光 LED 之光效率分布圖………..24
圖 4-3.3 使用中性白光 LED 之光效率分布圖………..25
圖 4-3.4 使用 暖白光 LED 光源之光效率分布圖………26
圖 4-3.5 使用四種類白光光源的光功率比較圖………27
圖 4-3.6 使用 CCFL 為白光光源電功率分布圖………28
圖 4-3.7 使用冷白光 LED 光源電功率分布圖………29
圖 4-3.8 使用中性色白光 LED 光源電功率分布圖………..30
圖 4-3.9 使用暖白光 LED 光源電功率分布圖………..31
圖 4-3.10 總電功率分布比較圖……….32
圖 4-3.11 暖白光 LED 假設功率提升之後與 CCFL 的差別………34
圖 4-3.12 暖白光在效率 80 lm/w，80.1 lm/w，80.2 lm/w 與 CCFL 之比較……..35
表目錄
表 2-4.1 照明業界常見的色溫分類範圍………7
表 2-4.2 黑體幅射溫度與光色關係表……….7
表 2-4.3 不同日光時間的色溫……….8
表 4-2.1 程式使用之白光與紅綠藍(RGB)LED 之色度座標。……….14
表 4-3.1 四種白色光源光功率效耗………...27
表 4-3.2 總電功率帄均消耗與電光轉換效率………...32
表 4-3.3 色溫 3000K 時與 T5 燈管做比較………37
表 4-3.4 色溫 6500K 時與 T5 燈管做比較……….39
表 4-3.5 3000K T5 燈管增加驅動電路消耗之後差異。………41
表 4-3.6 色溫 6500K 的 T5 燈管，增加驅動電路之後的效率差異。………42
第一章 緒論
1-1 研究目的
使用 LED 照明是否能有效的節省能源?常見照明白光 LED 大致上由三種方法 製造 1.藍光 LED 配合黃光螢光粉 2.用紫外線 LED 搭配三原色 RGB 螢光粉 3.
利用三原色紅藍綠(RGB)的 LED 混成白光。
本論文使用白光 LED 混合紅綠藍 LED 達到具有可調色溫功能,所模擬的色溫範 圍為 2800K~7500K 黑體輻射之色度座標。
白光 LED 混合紅綠藍 LED 與其他白光光源比較有以下幾種特點 1.成本高 、2.
無專利問題、3.色溫可調整、4.效率較低 、與 5.汙染低(不含汞)。論文最後並探 討使用 LED 混色白光與 T5 光源比較是否省電節能。
第二章 光與色彩學
2-1 色彩學基礎
色感覺與色知覺
色彩學的基礎,建立在人眼的色覺感受機制上,來自外界的色刺激進入眼中時, 首先會在此時產生色感覺,接著此一情報被送往大腦,在那裡產生色知覺.
所謂的色感覺很單純的是指對色刺激的心理反應,這個階段即是前述色彩三要素 中的”感覺”,僅在被限定的單純條件下,可以比較容易用心理物理量表示心理性感 覺與色刺激的定量化對應[1]。
光是一種電磁波,人眼可接受之可見光範圍，一般在 380nm~780nm 之間 。 主要色彩學說:
1.三色說
由 Thomas Young 於 1802 年所提出來的學說，並於 1849 年 Helmholtz 定量化發展。該學說的定義為『人眼內含有三種感受紅(R)、綠(G)、藍(B) 的受光器，色覺是由各受光器對光產生的刺激值,傳達到腦部之後處理形成顏 色。
2.對立色說
Hering(1878)年提出了對立學說，其主要定義為『人眼內含有三種感受 紅-綠(R-G)、黃-藍 (Y-B)、白-黑(W-B)的三種光接收器』 。
2-2 RGB 色彩空間
RGB 模型可以表示成 3X3 色度矩陣。
根據以下所規定的兩點而形成的表色系統，即稱為 RGB 色度系統(RGB color system)。
(1) 三原色的原刺激值 [R]，[G]，[B] 的單色光波長分別為，
R=700.0
nm，G
=546.1
nm，
B=435.8
nm。(2)基礎刺激以相等能量光譜的白色刺激當作基準。
國際照明委員會(CIE, Commission Internationle delEclairage)制定了標準色 匹配函數[2]。CIE 1931 年發表配色函數均為正值的 XYZ color system，色彩學 研究者大多以 CIE1931XYZ 色度系統作為主要研究。形成顏色的主要因素 包含以下幾點：發光體光源光譜
P( )
,色刺激頻譜分布 ( )
，人眼配色函數x( )
、y( )
、z( )
。直接觀察光源的話， ( ) 1 P ( )
; 觀察物體表面反射光譜，
( ) R ( ) P ( )
；物體穿透光譜， ( ) T ( ) P ( )
。所以三刺激值表達的式子如(1.1)式，
( ) ( ) ( ) ( )
( ) ( )
vis
vis
vis
X k x d
Y k y d
Z k z d
(1.1)
2-3 XYZ 表色系統
CIE 在 1931 年提出 XYZ 表色系統,來統整人眼接受的三刺激值與配色函數 (由實驗取得)的數值轉換矩陣如式(1.2).
(1.2)
將光譜三刺激值以權重關係表示為 R,G,B 。
因 R,G,B 的總和為 1,故 CIE 以 R,G,B 定義出一個二維色座標，用來表示特定光 色 CIE 於 1931 年將 r(λ)、g(λ)、b(λ)轉換為 x(λ)、y(λ)、z(λ) 色度圖。
XYZ 如用向量組成則稱為色彩空間(color space)，根據以下公式 (1.3)
(1.4)
利用(1.3)與(1.4)的公式,求出的座標為色度座標, 色度座標圖在帄面上的表
示稱為色度圖。
色度圖 上依造座標位置之位置點為色度點。
x X
X Y Z
y Y
X Y Z
r g b
r g b
r g b
X X X X R
Y Y Y Y G
Z Z Z Z B
XYZ 色度系統的一項特點就是
y( )
與光譜光視效率相同。三刺激值 Y 則 表示光度量。對於將 RGB 表色系統的三刺激值轉換成 XYZ 系統。z Z
X Y Z
(1.5)
由(1.3)(1.4)(1.5)式可得知 x+y+z=1，因此只要得知三值中的兩個值就可以表 示一色度座標，一般使用 x、y 值，以 x 表示橫軸，y 表示縱軸。
XYZ 刺激值三個資訊量如果運用在二次方圖形中則無法完整表示,所以增加 一資訊量,一般是增加測光量 Y,以(x,y,Y)的型式表達，為 XYZ 表色系統的 xyY 色 度圖。在計算出任一光譜圖的三刺激值後，即可轉換獲得色度座標點。基本上，
不同的色度座標代表其可見光光譜圖的各波長光值不一樣，所以在色度圖上也對 應著不同顏色。[3]
2-4 黑體輻射與色溫
黑體輻射說：一個絕對零度(-273
。
C)的物體沒有輻射，高於此溫度時就會有 能量輻射出不同強度的連續頻譜，其中，有部份是落在可見光範圍之內。溫度越 高該頻譜的波峰頻率就越高，人眼感受到的顏色就從暗紅開始變黃變白變藍。色 溫是從絕對零度(-273
。
C)算起，單位簡稱 K(kelvin).黑體是物理學上的一種假設。
用於描述在任意溫度 下，從一個黑體中發射的電磁輻射的輻射率與電磁輻射的 頻率的關係公式。
白光”在照明行業中，泛指接近黑體輻射出來的各個溫度下的可見光 以下表格為照明色溫的三種常見分類[4]。
表 2-4.1 照明業界常見的色溫分類範圍
光源 色溫
暖色光(Warm White) 3500K
中間色光(Natural White) 3500K 到 5500K
晝色光(Cool White) 5500K 以上
表 2-4.2
黑體幅射溫度與光色關係表
黑體幅射溫度 光色300K 黑色
800K 紅色
3000K 黃白色
4000K 白色
5000K 冷白色
8000K 藍白色
60000K 深藍色
表 2-4.3 不同日光時間的色溫
北方晴空 8000~8500K
日出 3000K
正午陽光 4500K~5800K
夏日正午陽光 5500K
下午陽光 4000K
夕陽 2200K
陰天 6500~7500K
圖 2.4 黑體輻射線在 CIE1931(X,Y)色度圖的位置:
-0.1 0.0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8
0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0
7500K 5500K
2800K
3500K
Y Axis
X Axis
2500K
第三章 LED 與照明
3-1 LED 特性參數與色彩特性
隨著固態照明技術的性能與效率不斷超越傳統照明技術[5]，該新技術得到 了廣泛應用。不過，如果我們只是用白光 LED 來取代傳統技術的話，就難以真正 發揮固態照明技術的全部潛力，不能充分實現產品的特色化。在智能驅動器支持 下，LED 照明燈具不僅能取代白光照明，而且還能實現新的功能，而這些功能用 傳統的照明技術是很難實現的。
使用 LED 取代傳統照明解決方法：
(1) 多芯片且高功率的 LED。
(2) 採用紅、綠、藍單色 LED 混合生成白光。
第四章 實驗設計以及模擬
4-1 模擬使用之公式推導
三刺激值與色度座標的轉換，可以用以下方程式推導。
首先利用 CIE1931 的 XYZ-RGB 色度矩陣:
程 式 所 需 要 給 予 的 條 件 為 色 度 圖 上 黑 體 幅 射 絕 對 溫 度 T 的 色 座 標 (
x y
T, T )[6]，其刺激值我們計算之後得到:1
T T
T
T T
T
T
T T
T
X x y
x y y T
Y Y Y Z
而
Y
T 我們給予值為 100，也就是固定亮度在 100 lm。T m i i oi
i
m i i oi i
m i i oi i
T
T
X K x P
K x P
K z P
Z
Y
r g b
r g b
r g b
X X X X R
Y Y Y Y G
Z Z Z Z B
i:
光電轉換效率。i= r,g,b,w。
程式給定 ( ,
x y
T T)及Y =100 色度座標已知。未知數 4 個分別是紅、綠、藍
T 及白色 LED 功率(Por,Pog,Pob,Pow) 。 但矩陣參數只有紅、白、藍，3 個參數 (Por,Pow,Pob) 所以將這一多出的自由度以參數
表示 :og ow
P
P
將矩陣中的 Pog 用 Pow 代換
( )
[ ( ) ]
T m r or g ow b ob w ow
m r or g w ow b ob
r g b w
r g w b
P P P P
P P
X K
K P
x x x x
x x x x
將新的
X ，
TY
T ，Z 代回原矩陣:
T=>
r g w b
T or
m r g w b ow
T r g w b ob
r g w b
r g w
T b
r g w b
X P
K y y y P
Z z z z P
x x x x
Y y
z
Por, Pow, Pob 的解為
=>
1
1
r g w b Tor
ow r g w b
m
ob r g w b T
r g w b
r g w b T
r g w b
X P
P y y y
P K z z z Z
x x x x
y Y
z
4-2 模擬數據
本模擬使用常見的 RGB 三色 LED [7]。
使用波長 頻寬 效率 紅光 LED(R) :627nm 20nm 39.4 lm/w 綠光 LED(G) :530nm 30nm 72.56 lm/w 藍光 LED(B) :470nm 33nm 21.3 lm/w
白光 LED:使用常見白光光源
色溫 效率 CCFL 4700K 80 lm/w 暖白光 LED 3100K 54.4 lm/w 中性白光 LED 4100K 90.7 lm/w 冷白光 LED 6500K 90.7 lm/
其中使用 CCFL 是為了與使用白光 LED 做比較，實際上將 CCFL 光源與紅綠藍 LED 搭配使用較困難。
表 4-2.1 程式使用之白光與紅綠藍(RGB)LED 之色度座標。
x y
CCFL 0.3540 0.3586 暖白光 LED(3100K) 0.4241, 0.3978 中性白光 LED(4100K) 0.3603 0.3647 冷白光 LED(6500K) 0.3264, 0.3519 紅光 LED_627nm_20nm 0.7094, 0.2905 綠光 LED_530nm_30nm 0.2179 0.7084 藍光 LED_470nm_33nm 0.1416, 0.0411
-0.1 0.0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.0
0.2 0.4 0.6 0.8 1.0
2800K
7500K
藍光LED
紅光LED 綠光LED
6500K
4700K 4100K 3100K
Y A x is T it le
X Axis Title
圖 4.1 模擬範圍的黑體幅射線在色度圖中的範圍，其中包含模擬所使用的四種色 溫白光與所使用的紅、綠、藍 LED 之色度座標點
400 420 440 460 480 500 520 540 560 580 600 620 640 660 680 700 0.0
0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1.0
B G R
sp e ct ra l p o w e r(a .u .)/ tra n sm itt a n ce
wavelength (nm)
圖 4.2 模擬所使用的紅、綠、藍(R、G、B)LED 光譜圖
圖 4.3 模擬使用的四種白光光源光譜，以相對功率(100%)表示。
350 400 450 500 550 600 650 700 750 800
0 20 40 60 80
100
CWNW
WW
CCFL
spec tral power(a. u. )/ transm itt ance
wavelength(nm)
程式說明流程圖:
-0.1 0.0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8
0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0
紅光LED
藍光LED
綠光LED
7500K 6500K
5500K 5000K 3500K
2800K
Y Axis Title
X Axis Title
圖 4.4 首先選定白光的黑體幅射 2800K~7500K 之色度座標，與模擬時使用的紅 綠藍 LED 色度座標。
-0.1 0.0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.0
0.2 0.4 0.6 0.8 1.0
藍光LED
紅光LED 綠光LED
6500K
4700K 4100K 3100K
Y A x is T it le
X Axis Title
圖 4.5 加入白光與綠光白綠混光光源的權重比
加入白光與綠光，但是模擬時白光 LED 與綠光 LED 合併成同一數據，而由
值 可知道白綠混光光源的權重比。-0.1 0.0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.0
0.2 0.4 0.6 0.8 1.0
紅光LED
藍光LED
綠光LED
7500K 6500K
5500K 5000K 3500K
2800K
Y Axis Title
X Axis Title
圖 4.6 加入紅光，藍光 LED，做色溫座標的模擬。
-0.1 0.0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.0
0.2 0.4 0.6 0.8 1.0
藍光LED
紅光LED 綠光LED
6500K
4700K 4100K 3100K
Y A x is T it le
X Axis Title
圖 4.7 程式模擬出色溫範圍,還有紅藍 LED 的使用效率。
模擬出色溫範圍後,判定在最佳電功率或是光功率解的時候之
值也就是白綠光 的權重，還有紅藍 LED 的使用效率。-0.1 0.0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.0
0.2 0.4 0.6 0.8 1.0
7500K
2800K
藍光LED
紅光LED 綠光LED
6500K 4700K 4100K
3100K
Y A x is T it le
X Axis Title
圖 4.8 各白光最小可模擬色度三角型
3000 4000 5000 6000 7000 8000 0.00
0.02 0.04 0.06 0.08 0.10 0.12 0.14 0.16 0.18 0.20 0.22 0.24 0.26 0.28 0.30 0.32 0.34
Pg Pr
Pb PW
PT
P
T(K)
Pt Pw Pr Pg Pb
4-3 數據分析與討論
首先顯示將光功率做最佳化設計的情形。
圖 4-3.1 使用 CCFL 為主要白光源之光效率分布圖。
帄均光功率為 0.327W。
最小光功率為
0.32W ，在色溫 4426K 處 最大光功率為
0.35W ，在色溫 7500K 處
3000 4000 5000 6000 7000 8000 0.00
0.05 0.10 0.15 0.20 0.25 0.30 0.35 0.40
Pb Pg
Pr
Pw
PT
P
T(K)
Pt Pw Pr Pg Pb
圖 4-3.2 使用冷白光 LED 之光效率分布圖。
帄均光功率為 0.334W
最小光功率為
0.318W，在色溫在 5154K 最大光功率為
0.385W，在色溫 2800K
3000 4000 5000 6000 7000 8000 0.00
0.05 0.10 0.15 0.20 0.25 0.30 0.35 0.40
Pb Pg
Pr
Pw PT
P
T(K)
Pt Pw Pr Pg Pb
圖 4-3.3 使用中性白光 LED 之光效率分布圖。
帄均光功率為 0.335W
最小光功率為
0.314W，在色溫 4468K 最大光功率為
0.378W，在色溫 2800K
3000 4000 5000 6000 7000 8000 0.00
0.05 0.10 0.15 0.20 0.25 0.30 0.35
Pr
Pg Pb
Pw
PT
P
T(K)
Pt Pw Pr Pg Pb
圖 4-3.4 使用暖白光 LED 光源之光效率分布圖。
帄均光功率為 0.328W
最小光功率為
0.31W，在色溫 3199K 最大光功率為
0.35W，在色溫 7500K
3000 4000 5000 6000 7000 8000 0.300
0.305 0.310 0.315 0.320 0.325 0.330 0.335 0.340 0.345 0.350 0.355 0.360 0.365 0.370 0.375 0.380 0.385 0.390
Pcl
Pr Pg Pcw
P
T(K)
PoCL PoCW PoNW PoWW
圖 4-3.5 使用四種類白光光源的光功率比較圖
表 4-3.1 四種白色光源光功率效耗 光功率(W) CCFL 0.327 暖白光 WW 0.328 自然白光 NW 0.335 冷白光 CW 0.334
3000 4000 5000 6000 7000 8000 0.0
0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2 1.4
Pg
Pr Pb
Pw
PT
P
T(K)
PT Pw Pr Pg Pb
由以上數據，使用 CCFL 以及暖白光(WW)時，光功率變化較小，為較佳的選擇 顯示將電功率做最佳化設計的情形。
圖 4-3.6 使用 CCFL 為白光光源電功率分布圖。
帄均電功為 1.39W
最小電功率為
1.35W，在色溫 4742K 最大電功率為
1.45W，在色溫 7500K
3000 4000 5000 6000 7000 8000 -0.1
0.0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1.0 1.1 1.2 1.3 1.4 1.5 1.6 1.7
Pb Pg
Pr
Pw PT
P
T(K)
PT PW Pr Pg Pb
圖 4-3.7 使用冷白光 LED 光源電功率分布圖。
帄均電功為 1.26W
最小電功率為
1.15W，在色溫 5428K 最大電功率為
1.61W，在色溫 2800K
圖 4-3.8 使用中性色白光 LED 光源電功率分布圖。
帄均電功為 1.23W
最小電功率為
1.11W，在色溫 4567K 最大電功率為
1.55W，在色溫 2800K
3000 4000 5000 6000 7000 8000
0.0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1.0 1.1 1.2 1.3 1.4 1.5 1.6
Pb Pg
Pr
Pw
PT
P
T(K)
Pt Pw Pr Pg Pb
圖 4-3.9 使用暖白光 LED 光源電功率分布圖。
帄均電功為 1.82W
最小電功率為
1.81W，在色溫 4283K 最大電功率為
1.84W，在色溫 7500K
由以上數據可以發現，如提升 LED 效率則能有較佳表現
3000 4000 5000 6000 7000 8000
0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2 1.4 1.6 1.8
Pb Pr Pg
Pw PT
P
T(K)
Pt
Pw
Pr
Pg
Pb
圖 4-3.10 總電功率分布比較圖
表 4-3.2 總電功率帄均消耗與電光轉換效率 W lm/w CCFL 1.39 72.00 暖白光 WW 1.82 55.03 自然白光 NW 1.23 81.00 冷白光 CW 1.26 79.44
3000 4000 5000 6000 7000 8000
1.1 1.2 1.3 1.4 1.5 1.6 1.7 1.8
PeNW
PeCW PeCL
PeWW
P
T(K)
PeCl PeCW PeNW PeWW
比較使用四種白光光源的情形:
在光功率的比較:以 CCFL 與暖白光 LED 其使用功率變化不大為較佳的白光 光源。
在總電功率的比較:中性色白光 LED 與冷白光 LED 的電功率較好但是在不 同色溫所需之電功率變化大。
以總電功率的變化量來看，CCFL 為白光的帄均功率以及功率的變化量小。
而使用暖白光 LED 雖然帄均電功率表現較差，但是功率跟 CCFL 一樣變化不大，
所以探討暖白光 LED 的效率如果提升,則整體效率上升後是否能取代 CCFL 光 源。
將暖白光 LED 效率調整至假設電功率分別為 73 lm/w， 75 lm/w ，80 lm/w ， 81 lm/w，再與 CCFL 做比較:
圖 4-3.11 暖白光 LED 假設功率提升之後與 CCFL 的差別
發現整體功率若提升至 80~81 lm/w 之間，則可以接近 CCFL 之表現。
3000 4000 5000 6000 7000 8000
1.2 1.3 1.4 1.5 1.6 1.7 1.8
WW81 WW80
CCFL WW78
WW75 WW73
WW54.4
P
T(K)
WW(54.4) WW(81) WW(80) WW(78) WW(75) WW(73) CCFL
4700 4800 1.346
1.348 1.350 1.352
CCFL PtWW(80.1) PtWW(80)
Y Axis Title
X Axis Title
PtWW(80) CCFL PtWW(80.2) PtWW(80.1)
圖 4-3.12 暖白光在效率 80 lm/w，80.1 lm/w，80.2 lm/w 與 CCFL 之比較
由圖 4-3.12 發現提升暖白光 LED 效率之後,只要效率超過 80 .1 lm/w，可比 CCFL 的帄均電功率較好,但是功率變化分佈比較大。
數據中使用中性色白光與冷白光 LED 白光光源在中低色溫的範圍電功消耗 較大是因為功率幾乎由紅綠藍(RGB) LED 所提供,而目前的綠光 LED 的效率不高 所以導致此情況.提升綠光 LED 效率應該能調整此情形。
模擬得知結果產生 100 lm 的光照度，使用各種白光光源的帄均使用 電功率(w)
W lm/w
暖白光 LED 1.82 w 55.03 lm/w 中性白光 LED 1.23 w 81.00 lm/w 冷白光 LED 1.26 w 79.44 lm/w CCFL 1.39 w 72.00 lm/w
以目前的 LED 效率，本研究模擬帄均效率最高為 81 lm/w,而一般省 電燈泡的效率約為 65 lm/w，所以取代省電燈泡的小範圍局部照明是可行 的。由於 LED 光源不會汙染環境，壽命長，損壞率低。T5 燈管也有不會 汙染環境與壽命長的特性，所以將模擬的數據和 T5 燈管做比較。
表 4-3.3 色溫 3000K 時與 T5 燈管做比較 發光效率與 T5 燈管相同時，所需提升的 LED 效率百分比。
TL5 HO 39W/830
MASTER TL5HE Secura 21W/830
模 擬 白 光-使用 CCFL
模 擬 白 光-使用 暖 白 光 LED
模擬白光 - 使 用 中 性色白光 LED
模 擬 白 光-使用 冷 白 光 LED 消 耗 電
力(W)
39 21 1.4 1.827 1.491 1.564
輸 出 光 (lm)
3100 1850 100 100 100 100
效 率
(lm/w)
79.5 88.1 71.3 54.7 67.0 63.9
色溫(K) 3000 3000 3000 3000 3000 3000
LED 效 率 需 提 升(%)
23.6% 61.1% 31.5% 37.9%
3000K 時各色 LED 佔總功率比 使用 CCFL
Pw/Pt Pr/Pt Pg/Pt Pb/Pt
80.8782 17.29 0 1.83
使用暖白光(WW)
Pw/Pt Pr/Pt Pg/Pt Pb/Pt
0.040082 47.17 48.57 4.22
使用中性色白光(NW)
Pw/Pt Pr/Pt Pg/Pt Pb/Pt
35.4696 35.83 28.70 0.0
使用冷白光(CW)
Pw/Pt Pr/Pt Pg/Pt Pb/Pt
27.2197 40.74 32.04 0.0
表 4-3.4 色溫 6500K 時與 T5 燈管做比較
TL5 HE 14W/865
TL5 HE 35W/865
模 擬 白 光-使用 暖 白 光 LED
模 擬 白 光-使用 中 性 色
白 光
LED
模 擬 白 光-使用 冷 白 光 LED
模 擬 白 光 - 使 用 暖 白 光 LED 消耗電
力(W)
14 35 1.41721 1.82298 1.21685 1.1547
輸出光 (lm)
1100 3100 100 100 100 100
效 率 (lm/w)
78.6
88.6
70.6 54.9 82.2 86.6色 溫 (K)
6500 6500 6500 6500 6500 6500
LED 效 率需提 升(%)
25.5% 61.4% 7.8% 2.3%
6500K 時各色 LED 佔總功率比(%) 使用 CCFL
Pw/Pt
Pr/Pt Pg/Pt Pb/Pt
76.49 0.0 9.54 13.97
使用暖白光(WW)
Pw/Pt
Pr/Pt Pg/Pt Pb/Pt
0.04451 32.47 53.93 13.56
使用自然白光(NW)
Pw/Pt
Pr/Pt Pg/Pt Pb/Pt
78.535 0.0 12.60 8.86446
使用冷白光(CW)
Pw/Pt
Pr/Pt Pg/Pt Pb/Pt
93.8839 1.71 0 4.40
以上為不考慮驅動電壓的情況，如果考慮驅動電壓使用最新式的省電電子式 調整器在色溫 3000K 的 T5 燈管，MASTER TL5HE Secura 21W/830 使用電功效 率提升到 25W，所以整體效率下降到 74 lm/w。
表 4-3.53000K T5 燈管增加驅動電路消耗之後差異。
使用 CCFL 降低了 19.8%，使用暖白光 LED 降低 25.8%，使用中性色白光 LED 降低 25.8%
MASTER TL5HE Secura 21W/830
模 擬 白 光-使用 暖 白 光 LED
模 擬 白 光 - 使 用 中 性 色
白 光
LED
模 擬 白 光-使用 冷 白 光 LED
模 擬 白 光-使用 暖 白 光 LED
消 耗 電 力(W)
21=>25 1.4 1.827 1.491 1.564
輸 出 光 (lm)
1850 100 100 100 100
效 率
(lm/w)
88.1=>74 71.3 54.7 67.0 63.9
色溫(K) 3000 3000 3000 3000 3000
LED 效 率 需 提 升(%)
23.6%
=>3.8%
61.1%
=>35.3%
31.5%
=>10.4
%
37.9%
=>15.8
%
同樣的 6500K 光色的 T5 燈管 TL5 HE 35W/865，加入電子式穩定器其消耗功率 也由 35W 提升至 41W。
表 4-3.6 色溫 6500K 的 T5 燈管，增加驅動電路之後的效率差異。
TL5 HE 35W/865
模 擬 白 光-使用 暖 白 光 LED
模擬白光- 使用 中性 色 白 光 LED
模擬白光- 使用 冷白 光 LED
模 擬 白 光 - 使用暖白光 LED
消耗電 力(W)
35
=>41
1.41721 1.82298 1.21685 1.1547
輸出光 (lm)
3100 100 100 100 100
效 率 (lm/w)
88.6
=>75.6
70.6 54.9 82.2 86.6
色 溫 (K)
6500 6500 6500 6500 6500
LED 效 率需提 升(%)
25.5%
=>7.1%
61.4%
=>37.7
7.8%
=>-8.7%
2.3%
=>-14.6%
由以上數據可以發現若考慮 T5 燈管驅動電路所消耗之功率，本研究的可調 色溫白光光源之發光效率可以超越 T5 燈管。
常見將 LED 串接成 T5 型狀的 LED 燈管耗電與一般 36W 螢光燈管考慮驅動 的比較結果[8]。原始 36W 螢光燈管效率為 100 lm/w，加入驅動電路消耗後降低 為 41.7 lm/w。T5 型 LED 串接燈管效率為 36.7 lm/w。所以(41.7-36.7)/41.7 = 約 12%，T5 型的 LED 燈管其效率比 36W 螢光燈系統略差 12%。
第五章 結論
在不考慮驅動電路的消耗時，以目前的 LED 效率，做出的混色白光在低色 溫(3000K)的照明時，其省電效益並沒有 T5 省電燈管來的高.但在需求高色溫 (6500K)以上的照明源環境，則效率能與 T5 燈管相當。若以螢光燈管 100 lm/w 為目標，以模擬最好的結果 81 lm/w 的效率，整體提升 23%的效率才行。
考慮驅動電路的消耗時，T5 省電燈管使用的電路為最為省電的電子式調整 器，在低色溫 3000K 時效率差異大幅減少。而高色溫 6500K 效率甚至高過 T5 燈管。
若要白光LED進入照明光源市場以達到節能效果，則還必頇提高目前的發光 效率。雖然本研究的白光LED混合紅綠藍LED在效率上還沒有比市面上省電燈具 的效率高，但由於具有可調色溫的功能，仍有其在照明應用上的價值。
參考文獻
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[2]大田登,”基礎色彩再現工程”,陳鴻興,陳君彥譯,台北全華出版社 (初版), 2003.
[3]大田登, ”色彩工程學理論與應用”,陳鴻興,陳詩涵譯,台北全華出 版社(初版), 2007.
[4]鄭奉臨,”RGB LED應用技術研習會應用RGB LED之物理光學基礎“，遠東科技 大學電子系,2009.
[5] 来源：大功率LED网 http://www.ledhp.com/news/content-3285.aspx,2007 [6]S. Wen , ”Design of relative primary luminances for four-primary displays,”
Displays, vol.26, pp. 171-176, 2005.
[7]PHILIPS公司”Solid State LightingL E D 照明系列”照明型錄,2009.
[8]財團法人台灣綠色生產力基金會 編印”照明系統Q&A 節能技術手冊”經濟 部能源局指導,2007.
