調(diào)光調(diào)色基本原理

康玉柱 上海三星半導(dǎo)體有限公司，上海200051

0 引言

近年來(lái)基于LED的調(diào)光調(diào)色照明產(chǎn)品不斷涌現(xiàn)，這得益于LED光譜多變和易于調(diào)整，也得益于控制方案和驅(qū)動(dòng)技術(shù)的長(zhǎng)足發(fā)展。越來(lái)越多的企業(yè)推出了自己的調(diào)光調(diào)色產(chǎn)品線，往往稱之為智能照明產(chǎn)品。相比市場(chǎng)如火如荼的發(fā)展，系統(tǒng)闡述調(diào)光調(diào)色基本原理的書(shū)籍[1]和文章[2]卻不多，這導(dǎo)致很多剛?cè)腴T的智能照明工程師需要自己搜集整理零碎知識(shí)加以消化和學(xué)習(xí)，很可能會(huì)產(chǎn)生誤解。文章分別對(duì)調(diào)光和調(diào)色的基本原理做了闡述，并指正常見(jiàn)誤解。

1 調(diào)光理論

調(diào)光指通過(guò)改變驅(qū)動(dòng)電流調(diào)整LED燈的光通量，達(dá)到調(diào)整照明產(chǎn)品亮暗程度的目的。調(diào)整方法主要有兩種：一種是連續(xù)調(diào)整驅(qū)動(dòng)電流絕對(duì)值的大?。灰环N是恒定驅(qū)動(dòng)電流大小，調(diào)整電流通斷的占空比。前者優(yōu)點(diǎn)是易于理解，無(wú)需特殊處理即可做到無(wú)頻閃，缺點(diǎn)是控制不精確，電源效率不固定，LED正向?qū)妷鹤兓?。后者的?yōu)點(diǎn)是瞬態(tài)光通量基本固定，便于模擬計(jì)算，控制方便準(zhǔn)確，基本沒(méi)有缺點(diǎn)。故在實(shí)際應(yīng)用中，后者為大多數(shù)選擇。當(dāng)用占空比調(diào)整光通量時(shí)，光通量的平均值與占空比成正比，并且數(shù)值小于平均電流對(duì)應(yīng)的光通量，這是初學(xué)者容易產(chǎn)生誤解的地方之一。以下做簡(jiǎn)單的推導(dǎo)證明。

對(duì)LED來(lái)說(shuō)，由于其自身特性，電流為零時(shí)光通量為零，光通量隨電流增大而增大，但并非線性增加，往往呈現(xiàn)為上凸曲線，如圖1所示。

圖1 光通量隨電流變化曲線

用 H(t)來(lái)表示占空比函數(shù)，占空比函數(shù)是以 T為周期的周期函數(shù)，具體表達(dá)式如式 (1)所示。

圖2 占空比函數(shù)示意曲線

那么，驅(qū)動(dòng)電流平均值為

光通量平均值為

以下來(lái)分析光通量的平均值和電流平均值對(duì)應(yīng)的光通量哪個(gè)大。構(gòu)造差異函數(shù)如下，

即光通量的平均值小于電流平均值對(duì)應(yīng)的光通量。

2 調(diào)色理論

調(diào)色一般是在調(diào)光的基礎(chǔ)上，設(shè)置兩路LED，一路低色溫，一路高色溫，通過(guò)控制每一路的占空比來(lái)控制低色溫和高色溫的比例。除此之外也有加入RGB等單色光的，例如彩色球泡燈，原理大同小異，此處以兩路高低色溫調(diào)整為例?；驹硎歉鶕?jù)兩路LED的相對(duì)光譜和光通量，倒推出兩路LED的絕對(duì)光譜，將絕對(duì)光譜相加后再計(jì)算色坐標(biāo)、色溫、顯指等色度參數(shù)。常見(jiàn)誤區(qū)是初學(xué)者認(rèn)為混合光譜的色坐標(biāo)與原始兩路色坐標(biāo)按照各自光通量的比例成線性關(guān)系，事實(shí)上這一般是不成立的。以下做簡(jiǎn)單的推導(dǎo)證明。

以下推導(dǎo)證明兩個(gè)事實(shí)。

(2)通常混合色點(diǎn)的位置與原始色點(diǎn)的光通量無(wú)線性關(guān)系，即下式一般不成立

下面證明第1個(gè)事實(shí)。

將式 (9)(10)(11)有關(guān)等式代入式 (15)左邊，化簡(jiǎn)可得

將式 (9)(10)(11)有關(guān)等式代入式 (15)右邊，化簡(jiǎn)可得

即式 (15)左右兩邊相等，得證。

下面證明第2個(gè)事實(shí)。

根據(jù)式(16)第一個(gè)等式，將式(9)(10)(11)(14)代入化簡(jiǎn)，并考慮式 (12)(13)，得下式

根據(jù)式(16)第二個(gè)等式，將式 (9)(10)(11)(14)代入化簡(jiǎn)，并考慮式 (12)(13)，得下式

進(jìn)一步化簡(jiǎn)可得

比較式 (20)和式 (22)可知，式 (22)成立是式(16)成立的充要條件。式 (22)進(jìn)整理可得

再根據(jù)式 (9)和式 (10)可得

即當(dāng)且僅當(dāng)兩原始光譜色坐標(biāo)的縱坐標(biāo)相等時(shí)，式 (16)才成立。

此外，若式 (20)前一個(gè)因式為0，可得

即當(dāng)兩原始光譜色坐標(biāo)的橫坐標(biāo)相等時(shí)，式 (16)第一個(gè)式子也成立。

3 計(jì)算工具

實(shí)際模擬計(jì)算時(shí)，如果每個(gè)LED都先測(cè)試再混色計(jì)算則比較繁瑣，故一般國(guó)際品牌LED廠商都會(huì)提供自有產(chǎn)品數(shù)據(jù)庫(kù)，并可計(jì)算模擬結(jié)果，基于這一結(jié)果往往可以大幅減少工程師的設(shè)計(jì)和試驗(yàn)時(shí)間。某LED廠商在官網(wǎng)上提供基礎(chǔ)計(jì)算工具Circle-B，并提供Excel版的色度計(jì)算工具 Circle-C，其主要功能為計(jì)算和比較Rf、Rg，界面如圖3所示，進(jìn)行混光計(jì)算，界面如圖4所示，專用于兩路冷色和暖色的調(diào)光調(diào)色計(jì)算，界面如圖5所示。每個(gè)界面都可以選擇該LED廠商的所有產(chǎn)品，后兩個(gè)界面還可設(shè)置使用條件，例如驅(qū)動(dòng)電流和管腳溫度等，非常方便實(shí)用。工具中關(guān)于色容差的計(jì)算原理具體可參看文獻(xiàn)[3]。此外，該LED廠商還提供混合更為復(fù)雜植物照明用光譜模擬計(jì)算工具，界面如圖6所示，可以選擇植物照明產(chǎn)品，并計(jì)算植物照明的一些主要表征參數(shù)。

圖3 計(jì)算和比較Rf，Rg界面

圖4 混光計(jì)算界面

圖5 專用于兩路冷色和暖色的調(diào)光調(diào)色計(jì)算界面

圖6 植物照明用光譜模擬計(jì)算界面

4 結(jié)論

文章介紹了調(diào)光和調(diào)色的基本原理，證明了光通量的平均值小于電流平均值對(duì)應(yīng)的光通量，兩路光譜原始色點(diǎn)和混合光譜色點(diǎn)三點(diǎn)共線；混合光譜的色坐標(biāo)與原始兩路色坐標(biāo)按照各自光通量的比例成線性關(guān)系一般不成立，僅當(dāng)原始兩路色點(diǎn)的縱坐標(biāo)相等時(shí)才成立等事實(shí)。一些LED廠商提供了多種用于調(diào)光調(diào)色（含植物照明用）的計(jì)算工具，可以大幅減少工程師設(shè)計(jì)和試驗(yàn)的工作量。