調(diào)光方式對LED色溫和光通量的影響

劉祖隆，郭震寧，胡志偉，林建南

（華僑大學(xué) 信息科學(xué)與工程學(xué)院，福建 廈門361021）

隨著經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展，照明用電占社會(huì)總電能消耗的比重越來越大.提高照明效率、節(jié)約能源已經(jīng)成為緩解用電緊張狀況的重要手段.發(fā)光二極管（LED）素有“綠色能源”之稱，產(chǎn)品不含汞、鉛等對環(huán)境和人體有害的物質(zhì)，在同樣亮度下，耗電僅為普通白熾燈的1／10，壽命可延長50倍.然而，在LED逐步進(jìn)入照明領(lǐng)域的同時(shí)，人們對LED燈光質(zhì)量的要求也越來越高，如需要高的顯色指數(shù)、照度和色溫.LED的響應(yīng)時(shí)間為納秒級(jí)，而白熾燈的響應(yīng)時(shí)間為毫秒級(jí)，因此LED的響應(yīng)速度更快，容易實(shí)現(xiàn)調(diào)光.目前，人們對燈具的要求不僅僅局限在能照明上，而且要求是智能化照明，能在不同環(huán)境下提供不同質(zhì)量的燈光 .基于此，本文在脈沖寬度調(diào)制（PWM）和模擬調(diào)光的技術(shù)上，研究兩種不同色溫的白光LED混色對色溫和光通量的影響.

1 LED調(diào)光方式

目前，LED驅(qū)動(dòng)主要采用恒流驅(qū)動(dòng)，主要通過Buck，Boost，Buck-Boost等3種開關(guān)電源的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)LED恒流驅(qū)動(dòng)電源［1］.

1.1 模擬調(diào)光

模擬調(diào)光是通過改變光源的電流值來調(diào)節(jié)光源的亮度，即通過調(diào)節(jié)串接在LED燈上的采樣電阻的阻值來實(shí)現(xiàn)的.但由于采樣電阻的阻值本身比較小，一般是小于1Ω，而單純調(diào)節(jié)一個(gè)小于1Ω的電阻不容易實(shí)現(xiàn)，需要通過一個(gè)反饋回路進(jìn)行調(diào)節(jié).模擬調(diào)光不會(huì)引入潛在的電磁兼容／電磁干擾（EMC／EMI）頻率.其缺點(diǎn)在于LED電流的調(diào)節(jié)范圍局限在某個(gè)最大值至該最大值的10%之間（10∶1的調(diào)光范圍）.由于LED的光譜與電流有關(guān)，因此模擬調(diào)光會(huì)改變光源的顯色指數(shù)和色溫，這種方法并不適合于要求日益提高的室內(nèi)照明.

1.2 PWM 調(diào)光

PWM調(diào)光是通過改變光源電流的通斷時(shí)間來調(diào)節(jié)光源亮度.PWM調(diào)光方案是以某種快至足以掩蓋視覺閃爍的速率在零電流和最大LED電流之間進(jìn)行切換，占空比改變了有效平均電流，從而可實(shí)現(xiàn)調(diào)光.這種調(diào)光的缺點(diǎn)在于要額外地引入一個(gè)PWM發(fā)生裝置，無形中提高了成本，而且高頻的PWM會(huì)引入潛在的電磁兼容／電磁干擾（EMC／EMI）頻率；而優(yōu)點(diǎn)在于LED電流要么處于最大值，要么被關(guān)斷，不管調(diào)光程度有多大，LED一直工作在恒定的電流.所以，該方法還具有能夠避免在電流變化時(shí)發(fā)生LED色偏的優(yōu)點(diǎn)，而采用模擬調(diào)光時(shí)這種LED色偏現(xiàn)象是很常見的.在DC／DC變換中，采用脈沖調(diào)光，可以使DC／DC變換器的效率保持在一個(gè)較高的效率，這是因?yàn)镈C／DC變換器在滿載或典型負(fù)載時(shí)效率最高，輕載時(shí)效率較低，如果選擇線性調(diào)光，勢必會(huì)降低效率［2-3］.

2 硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

圖1為系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)；圖2為系統(tǒng)電路圖.控制器為AT89C51單片機(jī)；降壓型芯片PT4115為LED驅(qū)動(dòng)IC，其調(diào)光引腳提供PWM脈沖.光源由64顆色溫為6 500K和64顆色溫為3 000K的小功率白光LED交叉排列組成，使得光源分布比較均勻.

LED驅(qū)動(dòng)有恒流驅(qū)動(dòng)和恒壓驅(qū)動(dòng)兩種方式，因?yàn)長ED存在的一致性問題和負(fù)溫度系數(shù)特性，經(jīng)分析表明恒流驅(qū)動(dòng)在LED電源方面具有更大的優(yōu)勢.PT4115是一款連續(xù)電感電流導(dǎo)通模式的降壓恒流源，用于驅(qū)動(dòng)一顆或多顆串聯(lián)LED.PT4115輸入電壓范圍從6V到30V，輸出電流可調(diào)，最大可達(dá)1.2A，而且復(fù)用DIM引腳進(jìn)行LED開關(guān)、模擬調(diào)光和PWM調(diào)光，符合實(shí)驗(yàn)需求，外圍電路簡單.因此，實(shí)驗(yàn)以PT4115為例，設(shè)計(jì)2個(gè)3.84W的恒流驅(qū)動(dòng)電源，分別為2個(gè)不同色溫的白光LED陣列供電［4］.

圖1 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖Fig.1 System hardware composition

圖2 系統(tǒng)電路圖Fig.2 System circuit

PWM控制電路由單片機(jī)AT89C51產(chǎn)生，外圍4個(gè)按鍵控制兩路PWM脈沖的占空比，分別為加10個(gè)占空比和減10個(gè)占空比，4個(gè)數(shù)碼管分別顯示當(dāng)前PWM脈沖的占空比，這樣測試方便直觀，可以防止誤操作.

3 結(jié)果與分析

3.1 色溫和電流的關(guān)系

色溫（Tc）是表示光源光譜質(zhì)量最通用的指標(biāo)，是按絕對黑體來定義的 .即光源的輻射在可見區(qū)和絕對黑體的輻射完全相同時(shí)，此時(shí)黑體的溫度就稱此光源的色溫.低色溫光源的特征是能量分布中紅輻射相對多些，通常稱為“暖和”；而色溫提高后，能量分布集中，藍(lán)輻射的比例增加，通常稱為“冷光”［5］.

以64顆色溫在6 500K和64顆色溫為3 000K的白光LED，通過Tracepro仿真LED陣列的排布，使其出光相對均勻.實(shí)驗(yàn)在直徑為1.5m的測燈具的LED積分球中完成 .高色溫和低色溫白光LED在模擬調(diào)光和PWM調(diào)光下色溫的變化曲線，如圖3所示.從圖3可知：不論是高色溫還是低色溫的LED模擬調(diào)光色溫的變化范圍都比PWM調(diào)光范圍大.

由單片機(jī)的P2.1和P2.2引腳產(chǎn)生PWM脈沖，用電流表測得不同檔位下的電流 .為比較兩種不同的調(diào)光的光學(xué)參數(shù)，模擬調(diào)光同樣也分10檔，通過調(diào)節(jié)DIM引腳的電阻使得兩種不同調(diào)光的電流相同.通過圖3可以看出：與模擬調(diào)光相比較，PWM調(diào)光的色溫變化范圍比較小，而且色溫與額定電流下的色溫的差值也較小.這主要是因?yàn)镻WM調(diào)光LED的工作電流可近似為兩種狀態(tài)，分別為額定電流和零電流；而模擬調(diào)光LED的工作電流有10種.這意味著在PWM調(diào)光時(shí)，LED工作在額定電流下所產(chǎn)生的色溫相對穩(wěn)定，而模擬調(diào)光的穩(wěn)定性較差.

兩種調(diào)光的相同之處在于隨著電流的增大，LED色溫也逐漸增大.這是因?yàn)閷?shí)驗(yàn)所用的白光LED是由藍(lán)光芯片激發(fā)黃色熒光粉產(chǎn)生的，當(dāng)電流增大，芯片所激發(fā)的藍(lán)光成分增多，由色溫的定義可知，藍(lán)光輻射的比例增加LED色溫也就增大.

圖3 相同電流下LED模擬調(diào)光和PWM調(diào)光色溫的變化Fig.3 Change of LED CT by the analog dimming and PWM dimming for the same current

3.2 電流和光通量的關(guān)系

通過測試高色溫和低色溫LED陣列的光通量，比較兩種不同調(diào)光方式的光效，結(jié)果如圖4所示.實(shí)驗(yàn)要求模擬調(diào)光和PWM調(diào)光在相同檔位下的平均電流一樣，數(shù)據(jù)是在LED陣列預(yù)先點(diǎn)亮30min左右及由積分球測試電流穩(wěn)定后才開始測試，目的是為了減小外界環(huán)境對測試結(jié)果的影響.從圖4可知：無論是高色溫還是低色溫調(diào)光，模擬調(diào)光的光通量都要大于同樣電流下的PWM調(diào)光的光通量，即模擬調(diào)光的光效更高.

圖4 LED電流和光通量的關(guān)系Fig.4 Relationship between LED current and luminous flux

以日亞化學(xué)工業(yè)株式會(huì)社的某款額定100mA白光LED為例，其在25℃的電流（i）-相對光通量（Φr）特性曲線，如圖5所示.從圖5可知：該LED發(fā)出100%的光通量需要100mA的電流，而以LED單位周期內(nèi)發(fā)出50%的光通量僅需約40mA的電流.由此可得到LED的光效最大點(diǎn)不是在LED的額定電流點(diǎn)，而是在0到額定電流值中間的某個(gè)值 .當(dāng)電流大于這個(gè)值之后，LED的光效會(huì)隨電流的增大而減小.PWM調(diào)光LED只工作在額定電流和零電流模式下，因此其光效不如模擬調(diào)光.實(shí)驗(yàn)測得模擬調(diào)光的光通量比PWM調(diào)光的光通量大與理論分析得到的結(jié)果一致［6］.

3.3 混色結(jié)果

通過調(diào)節(jié)高色溫和低色溫白光LED的亮度實(shí)現(xiàn)色溫亮度可調(diào).理論依據(jù)是，高色溫和低色溫白光LED在不同的電流下，其光譜分布不同，通過兩種不同光譜的疊加可是實(shí)現(xiàn)色溫可調(diào)；LED光通量與電流近似成正比關(guān)系，調(diào)節(jié)LED的電流可以實(shí)現(xiàn)亮度可調(diào).

測試結(jié)果表明：在任意檔位下，模擬調(diào)光和PWM調(diào)光的色溫都在2 786～6 639K范圍內(nèi)，光通量均在60.275 2～508.908 8lm范圍內(nèi) .即兩種調(diào)光方式均可實(shí)現(xiàn)色溫和亮度可調(diào)，調(diào)整范圍為色溫的最低值到最高值和亮度的最低值到最高值.

圖5 白光LED的電流-相對光通量的特性曲線Fig.5 Characteristic curve between the white LED current and the luminous flux

4 結(jié)束語

以51單片機(jī)為核心，配合LED驅(qū)動(dòng)芯片PT4115，通過研究高、低色溫LED陣列在不同調(diào)光方式下的色溫和光通量的變化，以及混色后的色溫和光通量的變化，得到在PWM調(diào)光LED的色溫變化范圍較小.此外，通過用調(diào)節(jié)兩種不同色溫白光LED的電流，可以實(shí)現(xiàn)色溫亮度的可調(diào).雖然模擬調(diào)光的光效會(huì)更高，但是相比于模擬調(diào)光PWM調(diào)光具有更大的優(yōu)勢，PWM調(diào)光方便與數(shù)字化系統(tǒng)接軌，具有更大的應(yīng)用前景.

［1］ WINDER S.LED驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)［M］.謝運(yùn)祥，王曉剛，譯.北京：人民郵電出版社，2009.

［2］ 周志敏，周紀(jì)海，紀(jì)愛華.現(xiàn)代開關(guān)電源控制電路設(shè)計(jì)及應(yīng)用［M］.北京：人民郵電出版社，2005.

［3］ 李淵，李寶營，穆艷.LED可調(diào)光自動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)［J］.液晶與顯示，2011，26（1）：96-99.

［4］ 鄭久云，韓志剛，羅勝欽.白光LED的應(yīng)用與驅(qū)動(dòng)［J］.現(xiàn)代顯示，2009（103）：43-46.

［5］ 王安祥，翟學(xué)軍.光源相關(guān)色溫計(jì)算方法的研究［J］.西安工程科技學(xué)院學(xué)報(bào)，2006，20（4）：490-493.

［6］ 潘建根.CIE D2和光輻射測量動(dòng)態(tài)［J］.照明工程學(xué)報(bào)，2005，16（2）：87-91.