LED照明設(shè)備色溫因素分析
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摘要：以冷暖白光led以及PWN（兩通道脈沖寬度調(diào)制）法，對(duì)LED照明設(shè)備中的色溫調(diào)節(jié)進(jìn)行了分析。從各種關(guān)鍵的光源參數(shù)出發(fā)，建立了光源控制占空比計(jì)算的模型，確定了占空比的確定方法和基于色溫目標(biāo)控制參數(shù)占空比的約束條件。結(jié)果表明，混色光源在調(diào)節(jié)色溫時(shí)光通量的變化范圍較小，一般在2.5％左右，相關(guān)色溫偏差在10K以內(nèi)。表明設(shè)計(jì)方案簡(jiǎn)單可行，可參考性強(qiáng)。
關(guān)鍵詞：LED照明設(shè)備；色溫可調(diào)；高顯色性；照明控制
前言
在過去幾十年傳統(tǒng)照明時(shí)代，人們很難獲得色溫可選擇的非自然光源，對(duì)色溫的選取只能無奈接受。但是隨著LED技術(shù)的普及，色溫的動(dòng)態(tài)變化己經(jīng)不是個(gè)難題，合適的光源色溫選取就成了亟需解決的問題了。LED燈帶是一種將LED組裝在帶狀柔性線路板（FlexiblePrintedCircuit，F(xiàn)PC）上的產(chǎn)品。LED燈帶在使用中可以任意彎曲、折疊，特別適合不規(guī)則或空間狹小的場(chǎng)所使用，已經(jīng)在背景照明、裝飾照明中嶄露頭角。近年來，隨著人們環(huán)保意識(shí)的增強(qiáng)，LED照明設(shè)備憑借著其低能耗、可調(diào)節(jié)等優(yōu)勢(shì)取得了良好的發(fā)展。實(shí)際上，LED的優(yōu)點(diǎn)還包括可自行調(diào)節(jié)亮度、使用年限相對(duì)于傳統(tǒng)燈具更長(zhǎng)、以及色彩可調(diào)節(jié)等。但是，LED照明設(shè)備也存在著一些弊端，如色溫調(diào)節(jié)不精細(xì)、顯色性達(dá)不到要求等。人類經(jīng)過長(zhǎng)期的自然選擇，自然光源色溫的連續(xù)動(dòng)態(tài)變化是讓人感覺最舒適的。研究顯示，照明光源對(duì)人體生物生理與心理具有明顯的作用。光源色溫明顯影響人們對(duì)周圍視覺狀況的認(rèn)知，并且對(duì)治療失眠癥狀、緩解時(shí)差效應(yīng)都具有良好作用，對(duì)人工作效率有明顯影響。因此，具有色溫調(diào)節(jié)功能的LED照明產(chǎn)品可以靈活地滿足人們不同的環(huán)境需求，研究色溫可調(diào)LED光源具有一定意義。
1色溫簡(jiǎn)介及調(diào)整色溫一般技術(shù)方案
1.1色溫簡(jiǎn)介
光源的色溫是通過對(duì)比其色彩和理論的熱黑體輻射體（簡(jiǎn)稱黑體，在任何溫度下對(duì)任何波長(zhǎng)的輻射能的吸收率都等于1的物體，是一種理想的模型，也叫完全輻射體）來確定的。熱輻射光源發(fā)射的光譜是連續(xù)而光滑的，對(duì)黑體而言，溫度不同，顏色也就不一樣。黑體發(fā)光的顏色與溫度存在唯一的對(duì)應(yīng)關(guān)系。在表述某光源的顏色時(shí)，常常把該光源的顏色與黑體發(fā)光的顏色進(jìn)行比較。根據(jù)比較結(jié)果，若光源發(fā)出的光線顏色與黑體在某一個(gè)特殊的溫度下對(duì)應(yīng)的顏色是一樣的。那么可以把該光源的顏色視為溫度顏色，簡(jiǎn)稱溫色[1]。顯然，溫色指的是顏色，是黑體在某一溫度下的顏色。但是由于長(zhǎng)期的約定俗成，現(xiàn)在普遍把這個(gè)概念稱作色溫。
1.2調(diào)節(jié)色溫技術(shù)方案
從目前的技術(shù)水平上看，大致上有五種技術(shù)方案可以實(shí)現(xiàn)色溫調(diào)節(jié)，下面逐一進(jìn)行介紹：（1）光的三色素為紅綠藍(lán)，可以通過這三種顏色的LED燈的共同作用來創(chuàng)造出白光。（2）可以通過LED照明設(shè)備中的不同芯片之間的組合以及電流的調(diào)節(jié)來對(duì)色溫進(jìn)行調(diào)節(jié)。（3）通過對(duì)白、藍(lán)、紅三種顏色的亮度進(jìn)行控制來實(shí)現(xiàn)色溫的控制。（4）通過白光和黃光的組合來調(diào)節(jié)色溫。（5）將低色溫的白光以及高色溫的白光進(jìn)行混合，通過對(duì)其亮度的調(diào)節(jié)來控制色溫。上述5種技術(shù)方案從結(jié)果上來看都能夠?qū)崿F(xiàn)色溫的調(diào)節(jié)，但是適用范圍和使用條件有所不同。其中第1種和第5種實(shí)現(xiàn)的難度最小，且穩(wěn)定性較高。這也是目前使用頻率最高的兩種技術(shù)方案。實(shí)際上，任何一款能夠控制色溫的照明設(shè)備，除了要滿足顯示性指數(shù)的要求之外，還需要維持調(diào)色溫時(shí)的光度參量的穩(wěn)定（一般該值變化在5%以內(nèi)視為穩(wěn)定）。
2進(jìn)行色溫選擇的意義
人們?cè)诮?jīng)過漫長(zhǎng)的自然光的陪伴下已經(jīng)形成了對(duì)不同色溫產(chǎn)生不同生理反應(yīng)和心理反應(yīng)機(jī)制。而人造光源想要取代自然光源，自然也需要對(duì)色溫進(jìn)行研究。此外，人們?cè)絹碓疥P(guān)心照明設(shè)備對(duì)人體產(chǎn)生的影響[2]。一般來說，冷色光源能夠?qū)θ祟惖纳窠?jīng)系統(tǒng)造成一定程度的刺激，人們長(zhǎng)期處在冷色光源的照射下會(huì)出現(xiàn)心率加快、血壓升高以及精神亢奮的現(xiàn)象。而與之相反的是，暖色光源能夠有效地舒緩人們緊張的情緒。而從心理學(xué)角度來看，暖色光能夠讓人感覺更加溫暖與舒適，而冷色光會(huì)使人產(chǎn)生寒冷的感覺。所以，在人們對(duì)照明設(shè)備的要求越發(fā)提高的背景下，制造商在生產(chǎn)時(shí)不僅要考慮的是光的亮度，還應(yīng)該考慮色溫。因此，色溫可調(diào)的LED照明設(shè)備已經(jīng)成為了當(dāng)前的研究熱點(diǎn)。
3技術(shù)分析
3.1控制占空比確定
從上面的技術(shù)方案可以看出，所有的色溫調(diào)節(jié)都需要對(duì)參與生成目標(biāo)色溫的不同光源進(jìn)行混合。那么對(duì)混合的光亮、色度進(jìn)行分析是最關(guān)鍵的。在使用PWM技術(shù)來對(duì)色溫進(jìn)行調(diào)節(jié)時(shí)，唯一能夠有效控制混和光光色的因素是占空比。下面介紹占空比的確定。
3.1.1目標(biāo)色溫下混合色色品坐標(biāo)計(jì)算所謂的目標(biāo)色溫實(shí)際上就是需要進(jìn)行混和的光源所對(duì)應(yīng)的色溫值。一般采用色品坐標(biāo)來對(duì)色溫進(jìn)行描述。根據(jù)CIE色度計(jì)算方法，可以根據(jù)以下公式來對(duì)目標(biāo)色溫進(jìn)行計(jì)算：T=669A4－779A3＋3660A2－7047A＋5652（1）在上述公式中，T所對(duì)應(yīng)的物理量就是色溫值。A表示的是等色溫線斜率的倒數(shù)。該公式的獲得采用的方法是等溫線交點(diǎn)法，是最小誤差經(jīng)驗(yàn)公式。在實(shí)際的生活和生產(chǎn)當(dāng)中，廠家所生產(chǎn)燈具的色溫范圍在2500K~7500K之間。這個(gè)范圍內(nèi)的光線是讓人們感到最舒服的。上述公式提供的色溫值與理論值進(jìn)行比較時(shí)發(fā)現(xiàn)其誤差十分小，二者幾乎可以等價(jià)處理。也就是說，這個(gè)色溫計(jì)算公式可以直接應(yīng)用，以求得對(duì)應(yīng)光的色溫。
3.1.2光度條件計(jì)算除了色溫之外，光度條件也是在進(jìn)行光源混合時(shí)需要進(jìn)行計(jì)算的一個(gè)重要物理量。在本小節(jié)中，主要針對(duì)光度條件的計(jì)算進(jìn)行談?wù)?。在使用PWN技術(shù)來實(shí)現(xiàn)光源亮度調(diào)節(jié)時(shí)，一般采用的是AVR芯片。當(dāng)占空比發(fā)生變化時(shí)，LED光源的色度基本不會(huì)發(fā)生任何變化或者發(fā)生變化并不明顯，但是光度量卻會(huì)以線性函數(shù)的趨勢(shì)發(fā)生改變。當(dāng)然，在進(jìn)行光源調(diào)節(jié)時(shí)，如果LED燈的功率發(fā)生了變化，那么對(duì)應(yīng)的驅(qū)動(dòng)電流也會(huì)有所不同，進(jìn)而導(dǎo)致LED輻射的峰值波長(zhǎng)移動(dòng)。換言之，色品坐標(biāo)會(huì)有所不同。雖然這種變化量是很小的，但是其產(chǎn)生的結(jié)果卻會(huì)對(duì)色溫調(diào)節(jié)的穩(wěn)定性和連續(xù)性造成影響，因此需要進(jìn)行消除?？梢圆捎瞄]環(huán)控制系統(tǒng)來降低這一誤差。以確保在進(jìn)行調(diào)光是色品坐標(biāo)維持不變。一般認(rèn)為L(zhǎng)ED光源輸出光度量與最大光度量成正。Y＝DYZ在上述的式子中，Y表示的物理量為實(shí)際輸出的光亮度，D表示占空比，而YZ表示的則是在最大電流的環(huán)境下的光度。如果我們已經(jīng)知道了冷白光和暖白光的占空比分別是D1和D2，且光度量分別為YC和YW。那么依照上述的公式可以進(jìn)行如下計(jì)算，結(jié)合格拉斯曼顏色混合定律有即這個(gè)式子計(jì)算出來的結(jié)果為兩種光進(jìn)行混合時(shí)的實(shí)際光亮度。
3.2約束條件
所謂的約束條件指的是可調(diào)光LED設(shè)備在設(shè)計(jì)時(shí)候本身存在著邊界的約束。也就是說，如果采用冷白光和暖白光來進(jìn)行色溫調(diào)節(jié)，那么無論如何設(shè)置參數(shù)，所調(diào)解出來的光線所對(duì)應(yīng)的色溫必然在這兩種光源之間。從理論上來看，如果預(yù)設(shè)的目標(biāo)色溫在TW到TC之間，那么TW就是暖白光源對(duì)應(yīng)的色溫值，TC為冷白光源對(duì)應(yīng)的色溫值。但是從實(shí)際上來看，實(shí)際中獲得的范圍往往要比理論中的范圍更小。在實(shí)際的設(shè)計(jì)和生產(chǎn)過程中，技術(shù)人員往往將占空比的值約束在一個(gè)范圍以內(nèi)。即必須滿足0≤D1≤1、0≤D2≤1。在此條件下，冷白光源的光度量范圍在0~YC之間，暖白光源在0~YW之間。又由于色溫值和色品坐標(biāo)是一一對(duì)應(yīng)的，所以可以實(shí)現(xiàn)將以色品坐標(biāo)為基礎(chǔ)的約束條件改為以色溫為基礎(chǔ)的約束條件。
4應(yīng)用與實(shí)踐
根據(jù)上述有關(guān)數(shù)據(jù)分析方法，經(jīng)過計(jì)算得到了如下部分結(jié)果。當(dāng)冷白光源的色品坐標(biāo)值為（0.3011，0.2986）時(shí)，最大通關(guān)量YC為322.962m，對(duì)應(yīng)的色溫坐標(biāo)為7500K。也就是平時(shí)常用的LED照明設(shè)備所提供的色溫的最大值。而暖白光源色品坐標(biāo)為（0.4922，0.4157）時(shí)，最大光通量為282.317M，對(duì)應(yīng)的TW為2500K。該值即為平時(shí)所用LED照明設(shè)備光源色溫的最小值，其他色溫的調(diào)節(jié)可以在上述數(shù)據(jù)范圍內(nèi)進(jìn)行選擇。
5結(jié)論
綜上所述，更加人性化的色溫可調(diào)的LED照明設(shè)備必然成為照明行業(yè)的下一個(gè)研究方向。無論是哪種色溫調(diào)節(jié)方案，都離不開不同色溫光源的混合。因此，對(duì)占空比、色品坐標(biāo)、和光度條件等進(jìn)行計(jì)算是首要的技術(shù)因素。在本文中，筆者簡(jiǎn)述了幾個(gè)關(guān)鍵因素的計(jì)算方式，具有一定的直觀性和實(shí)用性。LED照明設(shè)備是每一個(gè)人都會(huì)接觸到了產(chǎn)品，它延長(zhǎng)了生活和學(xué)習(xí)的時(shí)間，創(chuàng)造了大量的社會(huì)價(jià)值和經(jīng)濟(jì)價(jià)值?？梢灶A(yù)見，在將來會(huì)有更加成熟的色溫調(diào)節(jié)技術(shù)出現(xiàn)。
參考文獻(xiàn)：
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作者：周大偉 盧志椿 單位：北海職業(yè)學(xué)院