LED照明设备色温因素分析

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摘要：以冷暖白光led以及PWN（两通道脉冲宽度调制）法，对LED照明设备中的色温调节进行了分析。从各种关键的光源参数出发，建立了光源控制占空比计算的模型，确定了占空比的确定方法和基于色温目标控制参数占空比的约束条件。结果表明，混色光源在调节色温时光通量的变化范围较小，一般在2.5％左右，相关色温偏差在10K以内。表明设计方案简单可行，可参考性强。

关键词：LED照明设备；色温可调；高显色性；照明控制

前言

在过去几十年传统照明时代，人们很难获得色温可选择的非自然光源，对色温的选取只能无奈接受。但是随着LED技术的普及，色温的动态变化己经不是个难题，合适的光源色温选取就成了亟需解决的问题了。LED灯带是一种将LED组装在带状柔性线路板（FlexiblePrintedCircuit，FPC）上的产品。LED灯带在使用中可以任意弯曲、折叠，特别适合不规则或空间狭小的场所使用，已经在背景照明、装饰照明中崭露头角。近年来，随着人们环保意识的增强，LED照明设备凭借着其低能耗、可调节等优势取得了良好的发展。实际上，LED的优点还包括可自行调节亮度、使用年限相对于传统灯具更长、以及色彩可调节等。但是，LED照明设备也存在着一些弊端，如色温调节不精细、显色性达不到要求等。人类经过长期的自然选择，自然光源色温的连续动态变化是让人感觉最舒适的。研究显示，照明光源对人体生物生理与心理具有明显的作用。光源色温明显影响人们对周围视觉状况的认知，并且对治疗失眠症状、缓解时差效应都具有良好作用，对人工作效率有明显影响。因此，具有色温调节功能的LED照明产品可以灵活地满足人们不同的环境需求，研究色温可调LED光源具有一定意义。

1色温简介及调整色温一般技术方案

1.1色温简介

光源的色温是通过对比其色彩和理论的热黑体辐射体（简称黑体，在任何温度下对任何波长的辐射能的吸收率都等于1的物体，是一种理想的模型，也叫完全辐射体）来确定的。热辐射光源发射的光谱是连续而光滑的，对黑体而言，温度不同，颜色也就不一样。黑体发光的颜色与温度存在唯一的对应关系。在表述某光源的颜色时，常常把该光源的颜色与黑体发光的颜色进行比较。根据比较结果，若光源发出的光线颜色与黑体在某一个特殊的温度下对应的颜色是一样的。那么可以把该光源的颜色视为温度颜色，简称温色[1]。显然，温色指的是颜色，是黑体在某一温度下的颜色。但是由于长期的约定俗成，现在普遍把这个概念称作色温。

1.2调节色温技术方案

从目前的技术水平上看，大致上有五种技术方案可以实现色温调节，下面逐一进行介绍：（1）光的三色素为红绿蓝，可以通过这三种颜色的LED灯的共同作用来创造出白光。（2）可以通过LED照明设备中的不同芯片之间的组合以及电流的调节来对色温进行调节。（3）通过对白、蓝、红三种颜色的亮度进行控制来实现色温的控制。（4）通过白光和黄光的组合来调节色温。（5）将低色温的白光以及高色温的白光进行混合，通过对其亮度的调节来控制色温。上述5种技术方案从结果上来看都能够实现色温的调节，但是适用范围和使用条件有所不同。其中第1种和第5种实现的难度最小，且稳定性较高。这也是目前使用频率最高的两种技术方案。实际上，任何一款能够控制色温的照明设备，除了要满足显示性指数的要求之外，还需要维持调色温时的光度参量的稳定（一般该值变化在5%以内视为稳定）。

2进行色温选择的意义

人们在经过漫长的自然光的陪伴下已经形成了对不同色温产生不同生理反应和心理反应机制。而人造光源想要取代自然光源，自然也需要对色温进行研究。此外，人们越来越关心照明设备对人体产生的影响[2]。一般来说，冷色光源能够对人类的神经系统造成一定程度的刺激，人们长期处在冷色光源的照射下会出现心率加快、血压升高以及精神亢奋的现象。而与之相反的是，暖色光源能够有效地舒缓人们紧张的情绪。而从心理学角度来看，暖色光能够让人感觉更加温暖与舒适，而冷色光会使人产生寒冷的感觉。所以，在人们对照明设备的要求越发提高的背景下，制造商在生产时不仅要考虑的是光的亮度，还应该考虑色温。因此，色温可调的LED照明设备已经成为了当前的研究热点。

3技术分析

3.1控制占空比确定

从上面的技术方案可以看出，所有的色温调节都需要对参与生成目标色温的不同光源进行混合。那么对混合的光亮、色度进行分析是最关键的。在使用PWM技术来对色温进行调节时，唯一能够有效控制混和光光色的因素是占空比。下面介绍占空比的确定。

3.1.1目标色温下混合色色品坐标计算所谓的目标色温实际上就是需要进行混和的光源所对应的色温值。一般采用色品坐标来对色温进行描述。根据CIE色度计算方法，可以根据以下公式来对目标色温进行计算：T=669A4－779A3＋3660A2－7047A＋5652（1）在上述公式中，T所对应的物理量就是色温值。A表示的是等色温线斜率的倒数。该公式的获得采用的方法是等温线交点法，是最小误差经验公式。在实际的生活和生产当中，厂家所生产灯具的色温范围在2500K~7500K之间。这个范围内的光线是让人们感到最舒服的。上述公式提供的色温值与理论值进行比较时发现其误差十分小，二者几乎可以等价处理。也就是说，这个色温计算公式可以直接应用，以求得对应光的色温。

3.1.2光度条件计算除了色温之外，光度条件也是在进行光源混合时需要进行计算的一个重要物理量。在本小节中，主要针对光度条件的计算进行谈论。在使用PWN技术来实现光源亮度调节时，一般采用的是AVR芯片。当占空比发生变化时，LED光源的色度基本不会发生任何变化或者发生变化并不明显，但是光度量却会以线性函数的趋势发生改变。当然，在进行光源调节时，如果LED灯的功率发生了变化，那么对应的驱动电流也会有所不同，进而导致LED辐射的峰值波长移动。换言之，色品坐标会有所不同。虽然这种变化量是很小的，但是其产生的结果却会对色温调节的稳定性和连续性造成影响，因此需要进行消除。可以采用闭环控制系统来降低这一误差。以确保在进行调光是色品坐标维持不变。一般认为LED光源输出光度量与最大光度量成正。Y＝DYZ在上述的式子中，Y表示的物理量为实际输出的光亮度，D表示占空比，而YZ表示的则是在最大电流的环境下的光度。如果我们已经知道了冷白光和暖白光的占空比分别是D1和D2，且光度量分别为YC和YW。那么依照上述的公式可以进行如下计算，结合格拉斯曼颜色混合定律有即这个式子计算出来的结果为两种光进行混合时的实际光亮度。

3.2约束条件

所谓的约束条件指的是可调光LED设备在设计时候本身存在着边界的约束。也就是说，如果采用冷白光和暖白光来进行色温调节，那么无论如何设置参数，所调解出来的光线所对应的色温必然在这两种光源之间。从理论上来看，如果预设的目标色温在TW到TC之间，那么TW就是暖白光源对应的色温值，TC为冷白光源对应的色温值。但是从实际上来看，实际中获得的范围往往要比理论中的范围更小。在实际的设计和生产过程中，技术人员往往将占空比的值约束在一个范围以内。即必须满足0≤D1≤1、0≤D2≤1。在此条件下，冷白光源的光度量范围在0~YC之间，暖白光源在0~YW之间。又由于色温值和色品坐标是一一对应的，所以可以实现将以色品坐标为基础的约束条件改为以色温为基础的约束条件。

4应用与实践

根据上述有关数据分析方法，经过计算得到了如下部分结果。当冷白光源的色品坐标值为（0.3011，0.2986）时，最大通关量YC为322.962m，对应的色温坐标为7500K。也就是平时常用的LED照明设备所提供的色温的最大值。而暖白光源色品坐标为（0.4922，0.4157）时，最大光通量为282.317M，对应的TW为2500K。该值即为平时所用LED照明设备光源色温的最小值，其他色温的调节可以在上述数据范围内进行选择。

5结论

综上所述，更加人性化的色温可调的LED照明设备必然成为照明行业的下一个研究方向。无论是哪种色温调节方案，都离不开不同色温光源的混合。因此，对占空比、色品坐标、和光度条件等进行计算是首要的技术因素。在本文中，笔者简述了几个关键因素的计算方式，具有一定的直观性和实用性。LED照明设备是每一个人都会接触到了产品，它延长了生活和学习的时间，创造了大量的社会价值和经济价值。可以预见，在将来会有更加成熟的色温调节技术出现。

参考文献：

[1]石路.光源色温对人体生物节律和体温调节的影响[J].人类工效学，2018，12（3）：53-55.

[2]居家奇．照明的非视觉生物效应及其实践意义[J]．照明工程学报，2019，20（1）：25-28．

作者：周大伟 卢志椿 单位：北海职业学院