調光調色基本原理

康玉柱 上海三星半導體有限公司，上海200051

0 引言

近年來基于LED的調光調色照明產品不斷涌現，這得益于LED光譜多變和易于調整，也得益于控制方案和驅動技術的長足發展。越來越多的企業推出了自己的調光調色產品線，往往稱之為智能照明產品。相比市場如火如荼的發展，系統闡述調光調色基本原理的書籍[1]和文章[2]卻不多，這導致很多剛入門的智能照明工程師需要自己搜集整理零碎知識加以消化和學習，很可能會產生誤解。文章分別對調光和調色的基本原理做了闡述，并指正常見誤解。

1 調光理論

調光指通過改變驅動電流調整LED燈的光通量，達到調整照明產品亮暗程度的目的。調整方法主要有兩種：一種是連續調整驅動電流絕對值的大小；一種是恒定驅動電流大小，調整電流通斷的占空比。前者優點是易于理解，無需特殊處理即可做到無頻閃，缺點是控制不精確，電源效率不固定，LED正向導通電壓變化等。后者的優點是瞬態光通量基本固定，便于模擬計算，控制方便準確，基本沒有缺點。故在實際應用中，后者為大多數選擇。當用占空比調整光通量時，光通量的平均值與占空比成正比，并且數值小于平均電流對應的光通量，這是初學者容易產生誤解的地方之一。以下做簡單的推導證明。

對LED來說，由于其自身特性，電流為零時光通量為零，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)來表示占空比函數，占空比函數是以 T為周期的周期函數，具體表達式如式 (1)所示。

圖2 占空比函數示意曲線

那么，驅動電流平均值為

光通量平均值為

以下來分析光通量的平均值和電流平均值對應的光通量哪個大。構造差異函數如下，

即光通量的平均值小于電流平均值對應的光通量。

2 調色理論

調色一般是在調光的基礎上，設置兩路LED，一路低色溫，一路高色溫，通過控制每一路的占空比來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整為例。基本原理是根據兩路LED的相對光譜和光通量，倒推出兩路LED的絕對光譜，將絕對光譜相加后再計算色坐標、色溫、顯指等色度參數。常見誤區是初學者認為混合光譜的色坐標與原始兩路色坐標按照各自光通量的比例成線性關系，事實上這一般是不成立的。以下做簡單的推導證明。

以下推導證明兩個事實。

(2)通常混合色點的位置與原始色點的光通量無線性關系，即下式一般不成立

下面證明第1個事實。

將式 (9)(10)(11)有關等式代入式 (15)左邊，化簡可得

將式 (9)(10)(11)有關等式代入式 (15)右邊，化簡可得

即式 (15)左右兩邊相等，得證。

下面證明第2個事實。

根據式(16)第一個等式，將式(9)(10)(11)(14)代入化簡，并考慮式 (12)(13)，得下式

根據式(16)第二個等式，將式 (9)(10)(11)(14)代入化簡，并考慮式 (12)(13)，得下式

進一步化簡可得

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)進整理可得

再根據式 (9)和式 (10)可得

即當且僅當兩原始光譜色坐標的縱坐標相等時，式 (16)才成立。

此外，若式 (20)前一個因式為0，可得

即當兩原始光譜色坐標的橫坐標相等時，式 (16)第一個式子也成立。

3 計算工具

實際模擬計算時，如果每個LED都先測試再混色計算則比較繁瑣，故一般國際品牌LED廠商都會提供自有產品數據庫，并可計算模擬結果，基于這一結果往往可以大幅減少工程師的設計和試驗時間。某LED廠商在官網上提供基礎計算工具Circle-B，并提供Excel版的色度計算工具 Circle-C，其主要功能為計算和比較Rf、Rg，界面如圖3所示，進行混光計算，界面如圖4所示，專用于兩路冷色和暖色的調光調色計算，界面如圖5所示。每個界面都可以選擇該LED廠商的所有產品，后兩個界面還可設置使用條件，例如驅動電流和管腳溫度等，非常方便實用。工具中關于色容差的計算原理具體可參看文獻[3]。此外，該LED廠商還提供混合更為復雜植物照明用光譜模擬計算工具，界面如圖6所示，可以選擇植物照明產品，并計算植物照明的一些主要表征參數。

圖3 計算和比較Rf，Rg界面

圖4 混光計算界面

圖5 專用于兩路冷色和暖色的調光調色計算界面

圖6 植物照明用光譜模擬計算界面

4 結論

文章介紹了調光和調色的基本原理，證明了光通量的平均值小于電流平均值對應的光通量，兩路光譜原始色點和混合光譜色點三點共線；混合光譜的色坐標與原始兩路色坐標按照各自光通量的比例成線性關系一般不成立，僅當原始兩路色點的縱坐標相等時才成立等事實。一些LED廠商提供了多種用于調光調色（含植物照明用）的計算工具，可以大幅減少工程師設計和試驗的工作量。