LED电视普通照明灯具的热效应对光输出质量的影响问题研究

周太明，王京池

（1. 复旦大学，上海 200433；2. 中央电视台，北京 100859）

LED电视普通照明灯具的热效应对光输出质量的影响问题研究

周太明1，王京池2

（1. 复旦大学，上海 200433；2. 中央电视台，北京 100859）

本文主要研究LED普通照明灯具的热效应对光输出质量的影响问题，以探讨LED灯具在电视演播室的适用性。

LED；电视照明；热效应；光输出

1 原理和目的

LED灯具在刚启动时，温度不高，但随着使用时间的增加，灯具的温度会逐渐升高。在一定的环境温度下，灯具的温度将会稳定在某一温度之下。如果环境温度升高，则灯具的温度也将要进一步升高。随着灯具温度的升高，LED的结温也要随之升高。结温升高则会产生一系列不良的影响。

研究表明，环境温度升高使结温升高时，不仅LED的正向电压Vf要发生变化，而且它的光输出也要减少，如图1所示；峰值波长的位置向长波方向移动，即红移，如图2所示。这样，当LED灯具发热严重时，就会使灯的工作特性变差——灯发出的光的颜色发生变化，灯光变暗。这些变化将会影响电视画面质量。

为了保证电视演播室节目制作的质量，尤其是高清电视（HDTV）的画面质量，必须尽可能将LED灯具光输出因热效应受到的影响减到最小。只有充分掌控其变化规律之后，才能做到这一点。为此，开展了LED普通照明灯具的热效应对光输出质量的影响问题的研究。研究采用一个能够主动调节其温度的恒温箱，将实验的各种型号的LED灯具放置在此恒温箱中点亮，通过人为改变箱体的温度，实际测量灯具的各种性能（如色温或相关色温CCT、显色指数、相对照度等）的变化情况，并总结出其变化规律。从而为企业改善灯具的散热功能、得到有效稳定的光输出提供科学依据，为电视台采用性能优良的LED照明灯具提供技术保障。本次实验的时间为2010年4月7日～11日。

图1 结温升高造成光输出下降

图2 环境温度升高光色发生红移

2 实验

2.1 实验条件

实验采用SDH4020低温恒温恒湿箱一个。该恒温箱带有出光窗口，温度可控范围为-40℃ ～ 100℃。但在实验过程中发现这一恒温箱不是很理想。

要想全面测试灯具的色度参量（即相关色温和显色指数），必须用光谱分析仪测出该灯具的光谱分布，并通过计算机分析，在色度图上得出色品坐标（u,v），与黑体轨迹比较，求得灯具色温与标准黑体差异，精确地测定色温的微小变化，如图3所示。PMS-50光谱分析系统很适合用于此类实验，但仪器比较大，不能移到恒温箱前。比较可行的方法是采用STC4000多通道光谱仪（普通CCD光谱仪），它是紧凑型的，体积小、测试速度快。但由于其杂散光多、暗噪声高、有高温依赖性和动态范围窄等不足，这类光谱仪适用于精度要求不高的场合。经过研究，实验者认为在此项研究中，显色性的变化不会太大，因此，没有必要对显色指数进行测量，只要知道相关色温随温度变化的情况就可以了。于是决定采用美能达CL-200型照度计来测量相关色温和色坐标。

另外，测量设备还有：温度采集记录系统1套，数字温度计1个, 多功能交流稳压电源APC AFC–500W1台等。

2.2 实验用的灯具

实验用的灯具有2大类：LED平板柔光灯3种和LED聚光灯4种。实验灯具的总数为7个，灯具编号情况见表1。

2.3 实验内容

对不同品牌的灯具以及同一品牌的不同灯具，测定恒温箱温度升高时，灯的相关色温、色坐标和相对照度的变化规律。选择一款灯具（7号）进行破坏性实验，即尽可能升高灯箱温度看灯具是否被破坏，并在不同温度下测量相关参数。

2.4 实验方法和步骤

先将待测灯具老化100 h，待灯具的参数稳定之后，再进行本实验。实验时，将待测灯具放置在恒温箱内，并使灯的光轴垂直于恒温箱的出光平面。待灯正常工作之后，开启恒温箱的加热电源，使其升温至25 ℃。实验中发现，在升温过程中温度会超出预定的温度。为了使恒温箱的温度维持在所需要的温度，必须启用恒温箱的制冷功能。在制冷功能和灯具自身发热的共同作用下，最后箱内的温度达到所需要的数值25℃。这时，采用照度计在距离出光口5.9 m处测得最大照度值（相对值）、相关色温和色坐标。然后再逐渐升高恒温箱的温度到几个预定数值，分别测量各个温度下的最大照度值、相关色温和色坐标。

在测量聚光灯时发现：关灯后将灯从恒温箱中取出来时，灯体温度并不高；然而，在恒温箱外测量灯时，关灯后，灯的壳体很烫手。由此想到原先采用的控制环境温度的方法可能有问题。经过分析发现：箱内温度升高或降低都是通过风扇将热源或冷源送到箱内的。采用这种控温方法，是强迫将灯具的壳体温度维持在环境温度之下。而在真实的使用条件下，灯具壳体与环境之间应有温差，在壳体和环境之间有自然对流传热。因此，在实验中必须要关闭风扇。但是，由于箱体的热容量较小，灯自身的发热就会使温度上升，不能实现温度的平衡。为了增加箱子的热容量，我们决定在箱子里放入若干瓶装水。这样通过加热使水的温度升高，然后再缓慢冷却，可以使箱体比较长时间的维持在某一平衡温度，便于进行测量。

图3 在求出色品坐标（u,v）后再求出（相关）色温CCT

表1 实验用灯具型号和编号

3 实验结果和分析

为了行文方便，本文将在恒温箱内放置瓶装水之前的测量方法称作“老方法”，将放置瓶装水之后的测量方法称作“新方法”。老方法的测量结果见附录1，新方法的测量结果见附录2。

以灯具3-1为例，根据老方法测得的高温箱实验记录表（见附录1）画出相关色温和相对照度随环境温度变化的情况，如图4所示。图5是用新方法对灯具3-1测量所得的结果。由图5可知，当环境温度升高时，灯的相关色温和相对光输出都有明显的变化。环境温度从18.9 ℃升高到45.5 ℃时（在这里，环境温度是将上下温度取平均而得），相关色温升高了约200 K，相对光输出减少了约20%。而图5的变化结果则小得多，这是因为灯体的温度被我们人为地降低了。图6、图7是对灯具4-1和灯具6-1进行测量所得到的结果。经过数据分析可知，在温度升高约25 ℃时，灯具1-1和灯具4-1的相对照度下降约5%，色温的升高小于80 K; 灯具3-1的色温升高约200 K，达7%，相对照度下降达20%，变化明显；灯具6-1灯的色温变化不大，仅下降30 K，约1%，相对照度下降约11%。

当环境温度升高时，灯的光输出要减少是容易理解的。环境温度升高会使LED的结温升高。由图1可见结温升高造成了光输出下降。由图5可见环境温度升高时，灯的相关色温升高；而图8的结果则相反，环境温度升高时，灯的相关色温反而下降。这是什么原因呢？

图4 采用老方法测量灯具3-1所得的结果（据附录1表C数据）

图5 采用新方法测量灯具3-1所得的结果（据附录2表C数据）

图6 采用新方法测量灯具4-1所得的结果（据附录2表D数据）

图7 采用新方法测量灯具6-1所得的结果（据附录2表F数据）

表2 灯具3-1高温测量前后显色指数R1～R15的对照

图8 对灯具7进行破坏性试验的结果（据附录2表G数据）

实验表明，当结温增加时，CCT将增加或减少。CCT究竟是增加还是减少视激发荧光粉的蓝光的分级而定。假如用来激发荧光粉的蓝光是在该荧光粉的吸收光谱的上升区域，且假定该吸收光谱是高斯分布，则上述蓝光是处于该曲线中心顶点之左边。当蓝光被荧光粉吸收得多时，则黄光增加，形成白光。温度升高时，蓝色LED的峰值波长移向长波（即红色）的方向。这时，蓝色LED对荧光粉的激发更为有效，有更多的黄光，而出射的蓝光则减少。这样，随着结温的升高，白光的色温就要降低，这就是图7的情况。而如果激发荧光粉的蓝光是在该荧光粉的吸收光谱顶点的右边，则随着结温升高，蓝色LED的峰值波长移向长波（即红色）的方向时，蓝色LED对荧光粉的激发效率降低，产生的黄光减少，而逸出的蓝光则增多。这样，随着结温的升高，白光的色温就要升高。图5的情况就是这样。

为了研究高环境温度对灯的不利影响，专门对灯具7进行了破坏性的实验。实验中逐步升高环境温度，记录各个温度下的最大照度值、相关色温和色品坐标。将恒温箱的温度升到其容许的最高值100 ℃，这时箱内的环境温度已达约130 ℃，LED基板的温度高达150 ℃。此时，灯的色温升高约300 K，约为7%；相对照度下降约300 lx。尽管这时灯的光输出减少了1/4，如图8所示，但是灯具仍然能正常工作，并无将要失效的迹象。

另外，前面曾说过测定显色指数的仪器比较大，不能移到恒温箱前对高温状态下灯具的显色性能进行测定。为了研究高温对灯的显色性的影响，我们将经过高温箱测试的灯具再在光谱仪器上进行测量，比较其在高温测量前后显色性变化的情况。表2给出了灯具3-1在高温测量前后显色性能变化的情况。由表中数据可以看出，在经过高温测量之后，用于计算一般显色指数Ra的R1-R8几乎与高温测量前相同，因而在高温测量前后Ra都是77；而其他特殊显色指数R9～R15经过高温测量之后也基本不变。

4 结论与建议

4.1 结论

（1）当环境温度升高时，光输出降低，色温升高或降低。

（2）从高温实验的结果看，在40 ℃ ～ 50 ℃的环境温度下，散热设计合理的LED灯具的性能变化不大，可以满足使用要求。

（3）高温破坏性实验表明，只要设计合理，灯具不会因演播室温度过高而失效。

（4）高温实验前后，灯具的显色性能基本不变。

4.2 建议

（1）对进口灯具和国产灯具测试表明，国产灯具的性能可以满足演播室照明的要求，建议优先选用国产品牌。

（2）国内不同品牌的灯具热稳定性能差别较大，用户选购时应慎重。

表A 灯具编号：1-1 / 环境温度：17℃ / 测试距离：5.9 m

表B 灯具编号：2-1 / 环境温度：16.4℃ / 测试距离：5.9 m

表C 灯具编号：3-1 / 环境温度：19℃ / 测试距离：5.9 m

表D 灯具编号：4-1 / 环境温度：20℃ / 测试距离：5.9 m

表E 灯具编号：5-1 / 环境温度：16℃ / 测试距离：5.9 m

附录2 新方法的测量结果

表A 灯具编号：1-1 / 环境温度：18.4℃ / 测试距离：5.9 m

表B 灯具编号：2-1 / 环境温度：23.4℃/测试距离：5.9 m

表C 灯具编号：3-1 / 环境温度：17℃ / 测试距离：5.9 m

表D 灯具编号：4-1 / 环境温度：18℃ / 测试距离：5.9 m

表G 灯具编号：7 / 环境温度：18℃ / 测试距离：5.9 m

表E 灯具编号：5-1 / 环境温度：19℃ / 测试距离：5.9 m

表F 灯具编号：6-1 / 环境温度：18℃ / 测试距离：5.9 m

（编辑 张 淼）

Study of the Inf l uence of Heating Effects of LED Lamps and Lanterns on the Quality of Light Output for TV

ZHOU Tai-ming1, WANG Jing-chi2
(1. Fudan University, Shanghai 200433, China; 2. China Central Television Station, Beijing 100859, China )

The paper introduced the inf l uence of heating effect on quality of lighting output carried out by normal LED lamps, in order to probe the applicability of LED lamps in TV studio.

LED; TV studio lighting; heating effect; lighting output

10.3969/j.issn.1674-8239.2010.12.003

周太明，复旦大学教授。1964年毕业于复旦大学物理系电子物理专业。长期从事光源与照明的研究和教学工作。20世纪80年代曾在日本松下公司照明研究所和美国加州（伯克利）大学劳伦兹实验室进修。1990年，被中国轻工业部科学技术委员会聘为“中国照明电器专家组”成员。曾担任中国照明学会理事、中国照明学会交通运输照明与光信号专业委员会主任和国际照明委员会四分部（即交通运输照明分部）中国代表。2001年至今一直担任上海市政府采购咨询专家。在国内外权威杂志上发表过多篇专业论文，并著有多部专著。