調光方式對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 信息科學與工程學院，福建 廈門361021）

隨著經濟的高速發展，照明用電占社會總電能消耗的比重越來越大.提高照明效率、節約能源已經成為緩解用電緊張狀況的重要手段.發光二極管（LED）素有“綠色能源”之稱，產品不含汞、鉛等對環境和人體有害的物質，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逐步進入照明領域的同時，人們對LED燈光質量的要求也越來越高，如需要高的顯色指數、照度和色溫.LED的響應時間為納秒級，而白熾燈的響應時間為毫秒級，因此LED的響應速度更快，容易實現調光.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，能在不同環境下提供不同質量的燈光 .基于此，本文在脈沖寬度調制（PWM）和模擬調光的技術上，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調光方式

目前，LED驅動主要采用恒流驅動，主要通過Buck，Boost，Buck-Boost等3種開關電源的拓撲結構設計LED恒流驅動電源［1］.

1.1 模擬調光

模擬調光是通過改變光源的電流值來調節光源的亮度，即通過調節串接在LED燈上的采樣電阻的阻值來實現的.但由于采樣電阻的阻值本身比較小，一般是小于1Ω，而單純調節一個小于1Ω的電阻不容易實現，需要通過一個反饋回路進行調節.模擬調光不會引入潛在的電磁兼容／電磁干擾（EMC／EMI）頻率.其缺點在于LED電流的調節范圍局限在某個最大值至該最大值的10%之間（10∶1的調光范圍）.由于LED的光譜與電流有關，因此模擬調光會改變光源的顯色指數和色溫，這種方法并不適合于要求日益提高的室內照明.

1.2 PWM 調光

PWM調光是通過改變光源電流的通斷時間來調節光源亮度.PWM調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電流之間進行切換，占空比改變了有效平均電流，從而可實現調光.這種調光的缺點在于要額外地引入一個PWM發生裝置，無形中提高了成本，而且高頻的PWM會引入潛在的電磁兼容／電磁干擾（EMC／EMI）頻率；而優點在于LED電流要么處于最大值，要么被關斷，不管調光程度有多大，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發生LED色偏的優點，而采用模擬調光時這種LED色偏現象是很常見的.在DC／DC變換中，采用脈沖調光，可以使DC／DC變換器的效率保持在一個較高的效率，這是因為DC／DC變換器在滿載或典型負載時效率最高，輕載時效率較低，如果選擇線性調光，勢必會降低效率［2-3］.

2 硬件結構設計

圖1為系統的硬件結構；圖2為系統電路圖.控制器為AT89C51單片機；降壓型芯片PT4115為LED驅動IC，其調光引腳提供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驅動有恒流驅動和恒壓驅動兩種方式，因為LED存在的一致性問題和負溫度系數特性，經分析表明恒流驅動在LED電源方面具有更大的優勢.PT4115是一款連續電感電流導通模式的降壓恒流源，用于驅動一顆或多顆串聯LED.PT4115輸入電壓范圍從6V到30V，輸出電流可調，最大可達1.2A，而且復用DIM引腳進行LED開關、模擬調光和PWM調光，符合實驗需求，外圍電路簡單.因此，實驗以PT4115為例，設計2個3.84W的恒流驅動電源，分別為2個不同色溫的白光LED陣列供電［4］.

圖1 系統硬件結構圖Fig.1 System hardware composition

圖2 系統電路圖Fig.2 System circuit

PWM控制電路由單片機AT89C51產生，外圍4個按鍵控制兩路PWM脈沖的占空比，分別為加10個占空比和減10個占空比，4個數碼管分別顯示當前PWM脈沖的占空比，這樣測試方便直觀，可以防止誤操作.

3 結果與分析

3.1 色溫和電流的關系

色溫（Tc）是表示光源光譜質量最通用的指標，是按絕對黑體來定義的 .即光源的輻射在可見區和絕對黑體的輻射完全相同時，此時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.實驗在直徑為1.5m的測燈具的LED積分球中完成 .高色溫和低色溫白光LED在模擬調光和PWM調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模擬調光色溫的變化范圍都比PWM調光范圍大.

由單片機的P2.1和P2.2引腳產生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光的光學參數，模擬調光同樣也分10檔，通過調節DIM引腳的電阻使得兩種不同調光的電流相同.通過圖3可以看出：與模擬調光相比較，PWM調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.這主要是因為PWM調光LED的工作電流可近似為兩種狀態，分別為額定電流和零電流；而模擬調光LED的工作電流有10種.這意味著在PWM調光時，LED工作在額定電流下所產生的色溫相對穩定，而模擬調光的穩定性較差.

兩種調光的相同之處在于隨著電流的增大，LED色溫也逐漸增大.這是因為實驗所用的白光LED是由藍光芯片激發黃色熒光粉產生的，當電流增大，芯片所激發的藍光成分增多，由色溫的定義可知，藍光輻射的比例增加LED色溫也就增大.

圖3 相同電流下LED模擬調光和PWM調光色溫的變化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，比較兩種不同調光方式的光效，結果如圖4所示.實驗要求模擬調光和PWM調光在相同檔位下的平均電流一樣，數據是在LED陣列預先點亮30min左右及由積分球測試電流穩定后才開始測試，目的是為了減小外界環境對測試結果的影響.從圖4可知：無論是高色溫還是低色溫調光，模擬調光的光通量都要大于同樣電流下的PWM調光的光通量，即模擬調光的光效更高.

圖4 LED電流和光通量的關系Fig.4 Relationship between LED current and luminous flux

以日亞化學工業株式會社的某款額定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發出100%的光通量需要100mA的電流，而以LED單位周期內發出50%的光通量僅需約40mA的電流.由此可得到LED的光效最大點不是在LED的額定電流點，而是在0到額定電流值中間的某個值 .當電流大于這個值之后，LED的光效會隨電流的增大而減小.PWM調光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光.實驗測得模擬調光的光通量比PWM調光的光通量大與理論分析得到的結果一致［6］.

3.3 混色結果

通過調節高色溫和低色溫白光LED的亮度實現色溫亮度可調.理論依據是，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現色溫可調；LED光通量與電流近似成正比關系，調節LED的電流可以實現亮度可調.

測試結果表明：在任意檔位下，模擬調光和PWM調光的色溫都在2 786～6 639K范圍內，光通量均在60.275 2～508.908 8lm范圍內 .即兩種調光方式均可實現色溫和亮度可調，調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 結束語

以51單片機為核心，配合LED驅動芯片PT4115，通過研究高、低色溫LED陣列在不同調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調光LED的色溫變化范圍較小.此外，通過用調節兩種不同色溫白光LED的電流，可以實現色溫亮度的可調.雖然模擬調光的光效會更高，但是相比于模擬調光PWM調光具有更大的優勢，PWM調光方便與數字化系統接軌，具有更大的應用前景.

［1］ WINDER S.LED驅動電路設計［M］.謝運祥，王曉剛，譯.北京：人民郵電出版社，2009.

［2］ 周志敏，周紀海，紀愛華.現代開關電源控制電路設計及應用［M］.北京：人民郵電出版社，2005.

［3］ 李淵，李寶營，穆艷.LED可調光自動控制系統設計［J］.液晶與顯示，2011，26（1）：96-99.

［4］ 鄭久云，韓志剛，羅勝欽.白光LED的應用與驅動［J］.現代顯示，2009（103）：43-46.

［5］ 王安祥，翟學軍.光源相關色溫計算方法的研究［J］.西安工程科技學院學報，2006，20（4）：490-493.

［6］ 潘建根.CIE D2和光輻射測量動態［J］.照明工程學報，2005，16（2）：87-91.