白光和彩色光智能照明系統(tǒng)解決方案

實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量的白光

雖然每種智能白光和彩色光系統(tǒng)都帶有上述組件，但是，基于白光和彩色光的系統(tǒng)在配置與設(shè)計(jì)方面有所不同。生成白光的照明系統(tǒng)(即便其混有彩色光)需要考慮色溫與顯色指數(shù)。

色溫就是指白光的顏色(與直覺不同，暖白光的色溫較低，而冷白光的色溫較高)，它通常與1931 CIE比色圖表上的普朗克軌跡相關(guān)。色溫描述的是標(biāo)準(zhǔn)黑體輻射源被加熱到不同溫度時(shí)所產(chǎn)生的白光顏色(圖2)。例如，加熱到2500K的標(biāo)準(zhǔn)黑體輻射源被認(rèn)為是較暖的白光；如果加熱到7000K就認(rèn)為是冷白光。HB-LED系統(tǒng)實(shí)際上不能直接實(shí)現(xiàn)符合普朗克軌跡的顏色，相反其色溫是通過(guò)相關(guān)色溫(CCT)測(cè)量的。

圖2：普朗克軌跡與色溫。

顯色指數(shù)是通過(guò)比較主光源與參考光源之間不同色彩的呈現(xiàn)來(lái)描述白光質(zhì)量的一個(gè)參數(shù)。通俗地講，顯色指數(shù)描述的是主光源以相對(duì)參考光源1到100倍的強(qiáng)度照射的物體表面的色彩保真度。通過(guò)選擇適當(dāng)?shù)腖ED、使用適當(dāng)數(shù)量的不同LED通道以及采用混合信號(hào)處理器智能地控制這些通道可以調(diào)節(jié)色溫與顯色指數(shù)。僅包括白光LED的白光系統(tǒng)在色溫方面靈活性有限，但在系統(tǒng)的白光LED原生色溫下，白光系統(tǒng)的顯色指數(shù)CRI性能卓越。由于CRI在很大程度上取決于系統(tǒng)中的LED色譜，因此根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，LED(特別是不同顏色的LED)越多，CRI就越高。

對(duì)彩色光系統(tǒng)而言，設(shè)計(jì)人員最關(guān)心的是色彩精度、色彩分辨率以及可混合色彩的光譜。如前所述，在其中發(fā)揮重要作用的一個(gè)因素是調(diào)光分辨率。最大化可混合色彩的光譜取決于系統(tǒng)中LED生成的色域，它與構(gòu)成色域的不同LED色彩的數(shù)量直接相關(guān)。LED數(shù)量與調(diào)光分辨率還會(huì)影響色彩分辨率。大多數(shù)彩色光系統(tǒng)最少有三個(gè)LED，通常為紅綠藍(lán)三原色。如果智能照明系統(tǒng)需要生成特定的目標(biāo)色彩，那么設(shè)計(jì)人員可以通過(guò)在1931 CIE比色圖表上繪制LED并簡(jiǎn)單地連接繪制點(diǎn)以觀察色域來(lái)判斷所選LED是否能混合該種顏色。如果色域不覆蓋目標(biāo)顏色，那么設(shè)計(jì)人員可添加新的LED色彩，從而通過(guò)擴(kuò)大色域來(lái)包含這種可混合的色彩(圖3)。

圖3：用4個(gè)LED擴(kuò)展色域的實(shí)例。

設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)

如前所述，白光和彩色光智能照明系統(tǒng)可以受益于使用三個(gè)或更多LED，但是除了在光學(xué)技術(shù)和散熱性能方面面臨諸多挑戰(zhàn)外，在算法上也會(huì)更加復(fù)雜。一個(gè)明顯的挑戰(zhàn)就是如何提供達(dá)到要求數(shù)量且具有靈活調(diào)光分辨率的硬件調(diào)光通道。使用四個(gè)或更多LED的系統(tǒng)也需要更具創(chuàng)造性的算法來(lái)調(diào)節(jié)色溫、混合色彩或提高顯色指數(shù)CRI。

顯然，智能照明系統(tǒng)需要通過(guò)某種方式管理散熱與器件分選。LED不通過(guò)輻射散熱，而是借助于二極管的結(jié)點(diǎn)來(lái)傳導(dǎo)熱量。事實(shí)上，隨著LED溫度的升高，某些LED的流明輸出會(huì)降低(比如紅光就會(huì)受到嚴(yán)重影響)，甚至光輸出波長(zhǎng)也會(huì)發(fā)生偏移。因此，非常重要的一點(diǎn)是要從LED底座盡可能多地傳導(dǎo)出熱量。

好的散熱設(shè)計(jì)、大量的空氣流動(dòng)及主動(dòng)制冷對(duì)于解決散熱問(wèn)題是個(gè)不錯(cuò)的開端。不過(guò)，上述方法并非總能確保獲得可預(yù)期、可測(cè)量的效果。熱量在系統(tǒng)中總是存在的，而色彩精度會(huì)受溫度的影響。引入溫度傳感器有助于將色彩精度保持在的水平。對(duì)于需要實(shí)現(xiàn)高色彩精度的系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，這個(gè)額定值是一般性的要求。用于計(jì)算彩色光調(diào)光值的算法的一個(gè)輸入?yún)?shù)是光通量輸出。通過(guò)保存照明系統(tǒng)中溫度的分段線性近似值和LED的光通量曲線，混合信號(hào)控制器就可以通過(guò)適當(dāng)?shù)馗淖兠總€(gè)LED的輸出大小來(lái)保持色彩的精度。

器件分選的原因是，HB-LED是固態(tài)器件，采用當(dāng)前制造工藝時(shí)在光通量輸出、波長(zhǎng)和正向電壓方面有變化。由于光通量輸出在計(jì)算混合色彩中非常重要，因此必須要考慮到這個(gè)值的變化。但如果系統(tǒng)對(duì)色彩質(zhì)量要求不高，則不必考慮。

對(duì)關(guān)注色彩質(zhì)量的設(shè)計(jì)人員來(lái)說(shuō)，他們可購(gòu)買某些更昂貴的特殊LED(售價(jià)會(huì)高出15%到20%)，也可通過(guò)混合信號(hào)控制器的可編程性進(jìn)行彌補(bǔ)。設(shè)計(jì)人員可以輸入器件分選表，這種表存儲(chǔ)了系統(tǒng)中的LED可能的分選特征。這樣，在制造階段拿到實(shí)際LED時(shí)，就可以用實(shí)際分檔代碼更新混合信號(hào)控制器，并做出相應(yīng)的補(bǔ)償。

許多人發(fā)現(xiàn)，固態(tài)照明技術(shù)設(shè)計(jì)需要綜合具備光學(xué)、機(jī)械和電氣設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，而很少人有這樣的本事，因此新的復(fù)雜技術(shù)難題不斷出現(xiàn)。特別是現(xiàn)在設(shè)計(jì)人員必須使用混合信號(hào)控制器，因此還必須掌握嵌入式設(shè)計(jì)技術(shù)。幸運(yùn)的是，現(xiàn)在的工具可以提供可視化的設(shè)計(jì)環(huán)境，毋需編寫代碼就能滿足HB-LED智能照明系統(tǒng)的設(shè)計(jì)需要，設(shè)計(jì)人員還能利用C語(yǔ)言等傳統(tǒng)語(yǔ)言編程。無(wú)論如何，出色的開發(fā)工具、參考設(shè)計(jì)和項(xiàng)目實(shí)例都是非常重要的。

因此設(shè)計(jì)人員在發(fā)揮HB-LED的智能、靈活性及其環(huán)保優(yōu)勢(shì)的同時(shí)面臨著諸多挑戰(zhàn)。通過(guò)智能照明設(shè)計(jì)方法，設(shè)計(jì)人員可經(jīng)濟(jì)有效地減少或消除大多數(shù)此類問(wèn)題。