LED照明設備色溫因素分析
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摘要：以冷暖白光led以及PWN（兩通道脈沖寬度調制）法，對LED照明設備中的色溫調節(jié)進行了分析。從各種關鍵的光源參數(shù)出發(fā)，建立了光源控制占空比計算的模型，確定了占空比的確定方法和基于色溫目標控制參數(shù)占空比的約束條件。結果表明，混色光源在調節(jié)色溫時光通量的變化范圍較小，一般在2.5％左右，相關色溫偏差在10K以內。表明設計方案簡單可行，可參考性強。
關鍵詞：LED照明設備；色溫可調；高顯色性；照明控制
前言
在過去幾十年傳統(tǒng)照明時代，人們很難獲得色溫可選擇的非自然光源，對色溫的選取只能無奈接受。但是隨著LED技術的普及，色溫的動態(tài)變化己經(jīng)不是個難題，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)保意識的增強，LED照明設備憑借著其低能耗、可調節(jié)等優(yōu)勢取得了良好的發(fā)展。實際上，LED的優(yōu)點還包括可自行調節(jié)亮度、使用年限相對于傳統(tǒng)燈具更長、以及色彩可調節(jié)等。但是，LED照明設備也存在著一些弊端，如色溫調節(jié)不精細、顯色性達不到要求等。人類經(jīng)過長期的自然選擇，自然光源色溫的連續(xù)動態(tài)變化是讓人感覺最舒適的。研究顯示，照明光源對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周圍視覺狀況的認知，并且對治療失眠癥狀、緩解時差效應都具有良好作用，對人工作效率有明顯影響。因此，具有色溫調節(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LED光源具有一定意義。
1色溫簡介及調整色溫一般技術方案
1.1色溫簡介
光源的色溫是通過對比其色彩和理論的熱黑體輻射體（簡稱黑體，在任何溫度下對任何波長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應關系。在表述某光源的顏色時，常常把該光源的顏色與黑體發(fā)光的顏色進行比較。根據(jù)比較結果，若光源發(fā)出的光線顏色與黑體在某一個特殊的溫度下對應的顏色是一樣的。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。但是由于長期的約定俗成，現(xiàn)在普遍把這個概念稱作色溫。
1.2調節(jié)色溫技術方案
從目前的技術水平上看，大致上有五種技術方案可以實現(xiàn)色溫調節(jié)，下面逐一進行介紹：（1）光的三色素為紅綠藍，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照明設備中的不同芯片之間的組合以及電流的調節(jié)來對色溫進行調節(jié)。（3）通過對白、藍、紅三種顏色的亮度進行控制來實現(xiàn)色溫的控制。（4）通過白光和黃光的組合來調節(jié)色溫。（5）將低色溫的白光以及高色溫的白光進行混合，通過對其亮度的調節(jié)來控制色溫。上述5種技術方案從結果上來看都能夠實現(xiàn)色溫的調節(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方案。實際上，任何一款能夠控制色溫的照明設備，除了要滿足顯示性指數(shù)的要求之外，還需要維持調色溫時的光度參量的穩(wěn)定（一般該值變化在5%以內視為穩(wěn)定）。
2進行色溫選擇的意義
人們在經(jīng)過漫長的自然光的陪伴下已經(jīng)形成了對不同色溫產(chǎn)生不同生理反應和心理反應機制。而人造光源想要取代自然光源，自然也需要對色溫進行研究。此外，人們越來越關心照明設備對人體產(chǎn)生的影響[2]。一般來說，冷色光源能夠對人類的神經(jīng)系統(tǒng)造成一定程度的刺激，人們長期處在冷色光源的照射下會出現(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，而冷色光會使人產(chǎn)生寒冷的感覺。所以，在人們對照明設備的要求越發(fā)提高的背景下，制造商在生產(chǎn)時不僅要考慮的是光的亮度，還應該考慮色溫。因此，色溫可調的LED照明設備已經(jīng)成為了當前的研究熱點。
3技術分析
3.1控制占空比確定
從上面的技術方案可以看出，所有的色溫調節(jié)都需要對參與生成目標色溫的不同光源進行混合。那么對混合的光亮、色度進行分析是最關鍵的。在使用PWM技術來對色溫進行調節(jié)時，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目標色溫下混合色色品坐標計算所謂的目標色溫實際上就是需要進行混和的光源所對應的色溫值。一般采用色品坐標來對色溫進行描述。根據(jù)CIE色度計算方法，可以根據(jù)以下公式來對目標色溫進行計算：T=669A4－779A3＋3660A2－7047A＋5652（1）在上述公式中，T所對應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法，是最小誤差經(jīng)驗公式。在實際的生活和生產(chǎn)當中，廠家所生產(chǎn)燈具的色溫范圍在2500K~7500K之間。這個范圍內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行比較時發(fā)現(xiàn)其誤差十分小，二者幾乎可以等價處理。也就是說，這個色溫計算公式可以直接應用，以求得對應光的色溫。
3.1.2光度條件計算除了色溫之外，光度條件也是在進行光源混合時需要進行計算的一個重要物理量。在本小節(jié)中，主要針對光度條件的計算進行談論。在使用PWN技術來實現(xiàn)光源亮度調節(jié)時，一般采用的是AVR芯片。當占空比發(fā)生變化時，LED光源的色度基本不會發(fā)生任何變化或者發(fā)生變化并不明顯，但是光度量卻會以線性函數(shù)的趨勢發(fā)生改變。當然，在進行光源調節(jié)時，如果LED燈的功率發(fā)生了變化，那么對應的驅動電流也會有所不同，進而導致LED輻射的峰值波長移動。換言之，色品坐標會有所不同。雖然這種變化量是很小的，但是其產(chǎn)生的結果卻會對色溫調節(jié)的穩(wěn)定性和連續(xù)性造成影響，因此需要進行消除。可以采用閉環(huán)控制系統(tǒng)來降低這一誤差。以確保在進行調光是色品坐標維持不變。一般認為LED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行如下計算，結合格拉斯曼顏色混合定律有即這個式子計算出來的結果為兩種光進行混合時的實際光亮度。
3.2約束條件
所謂的約束條件指的是可調光LED設備在設計時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行色溫調節(jié)，那么無論如何設置參數(shù)，所調解出來的光線所對應的色溫必然在這兩種光源之間。從理論上來看，如果預設的目標色溫在TW到TC之間，那么TW就是暖白光源對應的色溫值，TC為冷白光源對應的色溫值。但是從實際上來看，實際中獲得的范圍往往要比理論中的范圍更小。在實際的設計和生產(chǎn)過程中，技術人員往往將占空比的值約束在一個范圍以內。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是一一對應的，所以可以實現(xiàn)將以色品坐標為基礎的約束條件改為以色溫為基礎的約束條件。
4應用與實踐
根據(jù)上述有關數(shù)據(jù)分析方法，經(jīng)過計算得到了如下部分結果。當冷白光源的色品坐標值為（0.3011，0.2986）時，最大通關量YC為322.962m，對應的色溫坐標為7500K。也就是平時常用的LED照明設備所提供的色溫的最大值。而暖白光源色品坐標為（0.4922，0.4157）時，最大光通量為282.317M，對應的TW為2500K。該值即為平時所用LED照明設備光源色溫的最小值，其他色溫的調節(jié)可以在上述數(shù)據(jù)范圍內進行選擇。
5結論
綜上所述，更加人性化的色溫可調的LED照明設備必然成為照明行業(yè)的下一個研究方向。無論是哪種色溫調節(jié)方案，都離不開不同色溫光源的混合。因此，對占空比、色品坐標、和光度條件等進行計算是首要的技術因素。在本文中，筆者簡述了幾個關鍵因素的計算方式，具有一定的直觀性和實用性。LED照明設備是每一個人都會接觸到了產(chǎn)品，它延長了生活和學習的時間，創(chuàng)造了大量的社會價值和經(jīng)濟價值?？梢灶A見，在將來會有更加成熟的色溫調節(jié)技術出現(xiàn)。
參考文獻：
[1]石路.光源色溫對人體生物節(jié)律和體溫調節(jié)的影響[J].人類工效學，2018，12（3）：53-55.
[2]居家奇．照明的非視覺生物效應及其實踐意義[J]．照明工程學報，2019，20（1）：25-28．
作者：周大偉 盧志椿 單位：北海職業(yè)學院