background image

PRZEGLĄD ELEKTROTECHNICZNY, ISSN 0033-2097, R. 84 NR 8/2008                                                                                       129

 

Andrzej PAWLAK

1

, Krzysztof ZAREMBA

2

  

Central Institute for Labour Protection - National Research Institute (1), Bialystok Technical University (2) 

 
 

Light quality improvement for white electroluminescent diodes  

 
 

Abstract. The light emitted by the white electroluminescent diodes (LEDs) is typically characterized by relatively high color temperature (daylight) 
and low general color rendering index Ra (approximately 70). The conducted research resulted in a mixture of ten white light LEDs, two red-orange 
light  LEDs  and  one  orange  light  LED,  characterized  by  very  good color rendering index Ra = 90 and color temperature Tc = 2 912 (warm-white 
color). The presented solution is further characterized by the luminous efficiency of approximately 30 lm/W. 

 

Streszczenie. 

Światło  diod  elektroluminescencyjnych  barwy  białej  charakteryzuje  się  zazwyczaj  wysoką  temperaturą  barwową  (barwa  dzienna) 

niskim  wskaźnikiem  oddawania  barw  Ra  (ok.  70).  Przeprowadzone  badania  doprowadziły  do  uzyskania  promieniowania  mieszaniny  dziesięciu 

diod białych, dwóch czerwono-pomarańczowych i jednej pomarańczowej, charakteryzującej się bardzo dobrym ogólnym wskaźnikiem oddawania 
barw  Ra = 

90  i  temperaturą  barwową  Tc = 2 912 K  (barwa  ciepło-biała).  Przedstawione  rozwiązanie  charakteryzuje  się  skutecznością  świetlną 

wynoszącą ok. 30 lm/W. (Poprawa jakości światła diod elektroluminescencyjnych). 

 

Keywords: high power LED, light quality, correlated color temperature, color rendering index. 
Słowa kluczowe: diody LED o dużej mocy, jakość światła, temperatura barwowa, wskaźnik oddawania barw. 

 
 

Introduction 

The  standard  PN-EN  12464-1:2004 

–  „Light  and 

lighting. Lighting of work places. Part 1. Indoor work places

” 

requires  in  the  majority  of  cases  the  utilization  of  light 
sources  with  the  general  color rendering index  Ra equal to 
or  superior  to  80.  There  are  however  locations,  where  the 
application  of  light  sources  with  the  color  rendering  index 
Ra  of  at  least  90  is  deemed  necessary.  Such  applications 
include  all  work  places  where  ideal  color  identification  is 
necessary  e.g.  in  printing,  paint  industry  etc.  The  currently 
manufactured  white  light  LEDs  (Light  Emitting  Diodes)  are 
characterized  by  a  low  general  color  rendering  index, 
typically  not  exceeding  80  [1,2],  which  in  practice prevents 
their  application  for  the  general  lighting  purposes.  In  this 
work,  we  attempt  to  find  a  solution  allowing  for  improving 
the  color  rendering  index  for  white  light  LEDs  by  adding 
color LEDs.

 

 

Light emitted by LXHL-BW03 LED 

LXHL-BW03  LED  is  currently  one  of  a  few  available 

solutions  characterized  by  high  color  rendering  index.  The 
analysis  started  with  the  examination  of  the  spectral 
distribution  (see  Figure  1 

–  continuous  line)  and  the 

examination of the parameters of the LXHL-BW03 LED with 
a  correlated  color  temperature  of  3300 K  (distributed 
between  2850 K  and  3800 K)  and  the  general  color 
rendering  index  not  smaller  than  90,  as  indicated  by  the 
manufacturer  (see  www.lumileds.com).  The  spectro-
radiometric  analysis  of  the  LED  in  question  further 
confirmed  its  catalogue  parameters.  Based  on  the 
measured  spectral  distribution,  the  general  color  rendering 
index  Ra  was  calculated  to  be  equal  to  91  and  the  color 
temperature  was  evaluated  to  Tc = 3328 K.  These 
parameters are almost identical with the values provided by 
the manufacturer. 

 

 

 
Figure  1.  Spectral  distribution  of  the  relative  radiant  power  P

e

r

 

emitted  by  the  LXHL-BW03  type  LED  with  high  color  rendering 
index (continuous line) and a typical white LED (dotted line). 

The  spectral  distribution  of  the  LXHL-BW03  LED  may 

be  therefore  treated  as  the  prototype  for  comparisons  of 
any other LEDs in the attempt to achieve high value of the 
color rendering index Ra. However, the spectral distribution 
of  a  typical  white  LED  (see  Figure  1 

–  dotted  line) 

significantly differs from the said prototype and may not be 
altered  sufficiently  by  the  addition  of  radiation  emitted  by 
color 

LEDs. 

Moreover, 

the 

LXHL-BW03 

LED 

is 

characterized  by  very  low  luminous  efficiency  and  the 
energy saving properties of the target solution are critical. 
 
Light emitted by color LEDs 

Spectral  distributions  of  the  available  color  LEDs  are 

narrow  and  do  not  cover  the  whole  spectral  range  of 
interest.  The  previous  experience  indicates  that  the 
analysis  should  be  based  on  the  real  spectral  distributions 
rather  that  the  catalogue  parameters  (see  Figure  2). 
Therefore, prior to the following analysis, the measurement 
of  the  spectral  distributions  for  examined  color  LEDs  was 
carried out. 

 

Figure  2.  Spectral  distributions  of  relative  radiant  power  P

e

r

 

emitted  by  the  color  LEDs:  catalogue  distribution (continuous line) 
and measured distribution (dotted line). 

 

As anticipated, the measured spectral distributions (see 

Figure  2 

–  dotted  lines)  are  different  from  the  catalogue 

distributions  (see  Figure  2 

–  continuous  lines).  The 

deviation  in  question  differs  between  various  LED  groups 
as  well  as  within  a  single  group.  In  the  LED  group 
characterized  by  warm  radiation:  amber,  red-orange  and 
red  colors,  the  deviation  is  smaller  and  independent  from 
the  LED  color.  In  the  LED  group  characterized  by  cold 
radiation:  blue,  cyan  and  green  colors,  the  deviations  are 
larger  and  depend  on  the  LED  color  (royal-blue  LED  was 
not measured). The spectral characteristics of the blue LED 
is  shifted  towards  longer  wavelengths,  while  the  cyan  and 
green  LEDs  have  the  spectral  characteristics  shifted 
towards shorter wavelengths. 

 

background image

130

                                                                              

PRZEGLĄD ELEKTROTECHNICZNY, ISSN 0033-2097, R. 84 NR 8/2008

 

Table 1. Selected measured and catalogue parameters of the color 
LEDs. 

LED TYPE 

Luminous flux 

[lm] 

Dominant wavelength 

[nm] 

Measured  Catalogue  Measured  Catalogue 

BLUE 

18,1 

23 

473,6 

470 

CYAN 

45,3 

64 

495,7 

505 

GREEN 

64,2 

64 

523,6 

530 

AMBER 

39,8 

110* 

591,2 

590 

RED-ORANGE 

63,4 

190* 

** 

617 

RED 

57,9 

140* 

625,6 

627 

* - catalogue parameters measured for the current of 1400 mA 
(measured values collected for the current of 700 mA) 
** - value not calculated by the program 

 
 

The  comparison  of  the  basic  lighting  parameters  of the 

color  LEDs  i.e.  their  luminous  flux  and  the  dominant 
wavelength, is included in Table 1. The measured values of 
the dominant wavelength deviate from the catalogue values 
more  in  the  cold  light  LEDs  than  in  the  warm  light  LEDs, 
which originates from the aforementioned differences in the 
spectral  distributions.  The  values  of  the  luminous  flux  may 
be  compared  directly  only  in  the  group  of  cold  light  LEDs, 
which  have  the  catalogue  values  provided  for  the  supply 
current  of  700  mA.  The  luminous  flux  of  the  green  LED  is 
approximately  equal  to  the  catalogue  value,  while  the 
luminous  flux  of  the  blue  and  cyan  LED  is  smaller  by 
approximately  25%  when  compared  with  the  catalogue 
value.  The  luminous  flux  for  warm  light  LEDs  may  not  be 
directly  compared  with  the  catalogue  values,  since  the 
measurement was carried out for the supply current of 700 
mA,  while  the  catalogue  values  were  collected  for  the 
supply  current  of  1400  mA.  Since  the  warm  and  cold  light 
LEDs  are  connected  in  parallel  branches  in  the  luminaire, 
both  types  of  LEDs  had  to  be  examined  for  the  same 
supply  current.  The  luminous  flux  of  the  warm  light  LEDs 
measured at the supply current of 700 mA ranges between 
33.4%  (red-orange  LED)  and  41.4%  (red  LED)  of  the 
catalogue  luminous  flux  provided  for  the  two  times  larger 
supply  current  of  1400  mA.  The  measured  values  of  the 
luminous  flux  of  the  color  LEDs  are  exploited  in  the 
remainder  of  this  paper  when  calculating  the  spectral 
distributions  of  the  radiation  mix of white and various color 
LEDs. 
 
Analysis of the radiation mix of a typical white LED 
and color LEDs 

In  the  following  analysis,  the  spectral  distributions  of  5 

white  light  LEDs  (W5)  and  one  red-orange  light  LED  (O1) 
will be used (see Figure 3 

– dotted line), which - based on 

the  experimental  data  -  is  characterized  by  the  general 
color rendering index of 86 while maintaining high luminous 
efficiency.  The  distribution  in  question  was  altered  by 
adding light emitted by other color LEDs. By comparing the 
resulting spectral characteristics of the mix W5-O1 with the 
measured  spectral  distributions  of  the  color  LEDs  (see 
Figure  2 

–  dotted  lines),  it  was  decided  to  start  the 

computer simulations by adding one blue (B1) or one cyan 
(C1)  light  LED  radiation  to  the  input  W5-O1  distribution 
(see Figure 3 

– continuous lines). The radiation emitted by 

these  LEDs  fills  the  missing  bands  in  the  input  distribution 
W5-O1 for the wavelength range spanning from 460 to 510 
nm,  while  a  more  balanced  distribution  is  achieved  for  the 
mix  designated  as  W5-O1-B1.  By  adding  the  cold  light 
LEDs to the input mix of W5-O1 with the color temperature 
of  3055 K,  the  resulting  radiation  has  increased  color 
temperature,  following  the  expectations.  The  W5-O1-B1 
mix  is  characterized  by  the  color  temperature  of  4180  K, 
while  the  W5-O1-C1  mix  has  the  color  temperature  of 
4049 K. 

 

 
Figure  3.  Spectral distributions of the relative radiant power P

e

r

 of 

the  radiation  mix  of  5  white  light  LEDs  and  one  red-orange  light 
LED (black, dotted line) and one blue light LED (black, continuous 
line) or one cyan light LED (grey, continuous line). 

 
 

Successful  reproduction  of  the  cold-white  light,  used 

most  commonly  in  practical  applications,  could  be 
considered  a  success  if  it  was  accompanied  by  the 
increase in the color rendering index Ra. It was not the case 
since  the  W5-O1-B1  mix  is  characterized  by  the  general 
color  rendering  index  of  77,  while  the  W5-O1-C1  mix  has 
the color rendering index of 80. This indicates a significant 
deterioration when compared with the input W5-O1 mix with 
the color rendering index of Ra = 86. 
 

Table  2.  Individual  color  rendering  indices  Ri  for  the  light  mix 
emitted by 5 white light LEDs and one red-orange light LED ((W5-
O1) in connection with one blue light LED (W5-O1-B1) or one cyan 
light LED (W5-O1-C1). 

Sample 
number 

Sample Description 

Special color rendering 

index (Ri) of light mix 

emitted by the LEDs 

W5- 

-O1 

W5- 

-O1- 

-B1 

W5- 

-O1- 

-C1 

Light greyish red 

89 

68 

75 

Dark greyish yellow 

95 

79 

89 

Strong yellow green 

76 

92 

93 

Moderate yellowish green 

75 

74 

68 

Light bluish green 

89 

70 

74 

Light blue 

95 

73 

82 

Light violet 

84 

94 

89 

Light reddish purple 

82 

65 

71 

Strong red 

79 

12 

36 

10 

Strong yellow 

85 

68 

76 

11 

Strong green 

75 

73 

61 

12 

Strong blue 

78 

59 

59 

13 

Light yellowish pink 

91 

69 

79 

14 

Moderate olive green 

83 

91 

94 

 
 

Achieving  optical  radiation  with  high  color  rendering 

index  Ra  by  simple  addition  of  the  light  emitted  by  a  blue 
LED  (W5-O1-B1)  or  a  cyan  LED  (W5-O1-C1)  to  the  input 
mix W5-O1 failed. Therefore, further studies were based on 
the analysis of the individual special color rendering indices 
(Ri)  for  individual  mixes  (see  Table  2).  The  said  analysis 
accounted  not  only  for  samples  number  1

–8,  the  average 

value of which is equal to the general color rendering index 
Ra,  but  also  for  samples  number  9–14,  which  represent 
basic  colors  with  higher  saturation  as  well  as  reflect  the 
colors of skin and leaves. 
 

The input mix W5-O1, characterized by the overall color 

rendering  index  Ra  =  86,  had  the  indices  R3  =  76  (strong, 
yellow-green  sample)  and  R4  =  75  (medium,  yellow-green 
sample)  smaller  than  80  as  well  as  two  indices  R7  =  84 
(strong,  yellow-purple  sample)  and  R8  =  75  (light,  red-
purple  sample)  smaller  than  the  Ra.  The  increase  in  these 
indices  without  simultaneous  decrease  in  the  remaining 
values could potentially achieve the target characteristic i.e. 
the  general  color rendering index of at least 90. By adding 

background image

PRZEGLĄD ELEKTROTECHNICZNY, ISSN 0033-2097, R. 84 NR 8/2008                                                                                       131

 

the radiation emitted by a blue LED to the input mix W5-O1, 
the values of the R3 and R5 indices increased significantly 
(see  Table  2 

–  W5-O1-B1  –  R3  =  92;  R7  =  94)  while  the 

remaining  indices  decreased.  Similar  situation  was 
observed when adding the radiation emitted by a cyan LED 
(see  Table  2 

–  W5-O1-C1 – R3 = 93; R7 = 89), while the 

decrease in the remaining indices was notably smaller. 
 

Further  analysis  focused  on  the  verification  of  the 

aforementioned radiation mixes with a smaller luminous flux 
emitted  by  the  blue  or  cyan  LEDs.  It  was  speculated  that 
there  could  exist  such  a  level  of  the  luminous  flux  emitted 
by  the  additional  color  diodes  which  could  potentially 
assure  increase  in  the  R3  and  R7  color  rendering  indices 
while not deteriorating the remaining ones. This could result 
in  the  increase  in  the  general  color  rendering  index  Ra  for 
the  input  mix  W5-O1.  The  obtained  results  (see  Table  3) 
were  not  satisfactory,  since  along  with  the  decrease  in the 
luminous  flux  emitted  by  the  additional  color  LEDs,  the 
color  rendering  index  increased  monotonically  to  Ra  =  86, 
characteristic for the input mix W5-O1. Under no conditions 
was the obtained result better than Ra = 86. 
 

Table  3.  General  color  rendering  indices  Ra  for  the  input  mix  W5-
O1  mixed  with  the  radiation  emitted  by a blue or a cyan light LED 
with limited luminous flux. 

Fraction of the nominal 

luminous flux of the LED 

Color of the additional LED 

blue 

cyan 

50% 

83 

83 

20% 

85 

84 

10% 

86 

85 

 
 

Prior  to  commencing  the  search  for  solutions 

comprising  more  than  3  types  of  LEDs,  it  was  decided  to 
verify  the  parameters  of  the  mix  of  W5-O1  and  one  green 
(G1) light LED or one orange (A1) light LED (see Figure 4, 
Table 4). Such mixtures exploit all potential combinations of 
the white light LED and two color LEDs. 
 

 

 
Figure  4.  Spectral distributions of the relative radiant power P

e

r

 of 

the  radiation  mix  of  5  white  light  LEDs  and  one  red-orange  light 
LED  (black,  dotted  line)  and  one  green  light  LED  (black, 
continuous line) or one orange light LED (grey, continuous line). 

 
 

The  W5-O1-A1  (with  the  additional  orange  light  LED) 

mix featured the color rendering index increased to Ra = 89, 
while  the  W5-O1-G1  (with  the  additional  green  light  LED) 
mix  featured  the  color  rendering  index  decreased  to  Ra  = 
81.  The  W5-O1-A1  mix  features  the  smallest  color 
rendering  index  of  80  for  sample  number  8  (light  reddish 
purple).  The  following  analysis  featured  changing  the 
quantity  of  the  luminous  flux  emitted  by  the  orange  light 
LED  in  the  W5-O1-A1  mix.  The  increase  in  the  quantity  of 
the  luminous  flux  emitted  by  the  orange  light  LED  by  20% 
(to  120%)  caused  decrease in the color rendering index to 

Ra  =  88.  However,  a  decrease  in  the  quantity  of  the 
luminous  flux  emitted  by  the  orange  light  LED  to  80% 
caused an increase in the color rendering index to Ra = 90, 
thus  achieving  the  minimum  target  of  the  elaborated 
research.  Further  decrease  in  the  quantity  of  the  luminous 
flux  emitted  by  the  orange  light  LED  resulted  in  the  color 
rendering  index  of  Ra  =  90  for  the  luminous  flux  ranging 
between 50% and 80% of the nominal value. Especially the 
lower  bound  of  this  range  is  interesting,  since  its  practical 
implementation  would  feature  one  orange  light  LED  diode 
placed  in  the  mixture  of  10  white  light  LEDs  and  2  red-
orange light LEDs. 

 

Table  4.  Individual  color  rendering  indices  Ri  for  the  light  mix 
emitted  by  5  white  light  LEDs  and  one  red-orange  light  LED  (W5-
O1)  in  connection  with  one  green  light  LED  (W5-O1-G1)  or  one 
orange light LED (W5-O1-A1). 

Sample 
number 

Sample Description 

Special color rendering 

index (Ri) of light mix 

emitted by the LEDs 

W5- 

-O1 

W5- 

-O1- 

-G1 

W5- 

-O1- 

-A1 

Light greyish red 

89 

86 

96 

Dark greyish yellow 

95 

93 

94 

Strong yellow green 

76 

73 

88 

Moderate yellowish green 

75 

66 

84 

Light bluish green 

89 

86 

93 

Light blue 

95 

95 

94 

Light violet 

84 

77 

84 

Light reddish purple 

82 

73 

80 

Strong red 

79 

63 

61 

10 

Strong yellow 

85 

82 

84 

11 

Strong green 

75 

62 

86 

12 

Strong blue 

78 

72 

78 

13 

Light yellowish pink 

91 

93 

96 

14 

Moderate olive green 

83 

82 

91 

 
Conclusions 

The  conducted  research  resulted  in  a  mixture  of  ten 

white  light  LEDs,  two  red-orange  light  LEDs  and  one 
orange light LED, characterized by very good general color 
rendering  index  Ra = 90  and  color  temperature  Tc = 2912 
(warm-white  color).  Therefore,  using  only  3  types of LEDs, 
it was possible to achieve radiation quality comparable with 
the  previously  presented  parameters  of  the  LXHL-BW03 
LED. The presented solution is however significantly better 
in terms of luminous efficiency, since the LXHL-BW03 LED 
is  characterized  by  the  luminous  efficiency  of  at  most  20 
lm/W,  while  each  LED  used  in  the  examined  mix  has  the 
luminous efficiency not worse than 30 lm/W. 
 

REFERENCES 

[1]  B r o w n   D . ,   N i c o l   D . ,   F e r g u s o n   I . :  Investigation  of  the 

spectral  properties  of  LED-based  MR16  bulbs  for  general 
illumination, Opt. Eng., 44(11), 111310-1-4 (2005) 

[2]  O h n o   Y . : Spectral design considerations for white LED color 

rendering, Opt. Eng., 44(11), 111302-1-9, (2005) 

 

 

Authors:  Andrzej  Pawlak,  M.Sc.  (E.Eng.),  Central  Institute  for 
Labour Protection - National Research Institute, ul. Czerniakowska 
16,  00-701  Warszawa,  Poland;  phone  48  22 623-46-75, fax 48 22 
623-3695, anpaw@ciop.pl; 
Krzysztof  Zaremba,  Ph.D.  (E.Eng),  Bialystok  Technical  University, 
Chair  of  Optical  Radiation,  ul.  Wiejska  45D,  15-351  Bialystok, 
Poland; phone 48 85 746 94 47, zaremba@pb.edu.pl;