调光调色基本原理

康玉柱 上海三星半导体有限公司，上海200051

0 引言

近年来基于LED的调光调色照明产品不断涌现，这得益于LED光谱多变和易于调整，也得益于控制方案和驱动技术的长足发展。越来越多的企业推出了自己的调光调色产品线，往往称之为智能照明产品。相比市场如火如荼的发展，系统阐述调光调色基本原理的书籍[1]和文章[2]却不多，这导致很多刚入门的智能照明工程师需要自己搜集整理零碎知识加以消化和学习，很可能会产生误解。文章分别对调光和调色的基本原理做了阐述，并指正常见误解。

1 调光理论

调光指通过改变驱动电流调整LED灯的光通量，达到调整照明产品亮暗程度的目的。调整方法主要有两种：一种是连续调整驱动电流绝对值的大小；一种是恒定驱动电流大小，调整电流通断的占空比。前者优点是易于理解，无需特殊处理即可做到无频闪，缺点是控制不精确，电源效率不固定，LED正向导通电压变化等。后者的优点是瞬态光通量基本固定，便于模拟计算，控制方便准确，基本没有缺点。故在实际应用中，后者为大多数选择。当用占空比调整光通量时，光通量的平均值与占空比成正比，并且数值小于平均电流对应的光通量，这是初学者容易产生误解的地方之一。以下做简单的推导证明。

对LED来说，由于其自身特性，电流为零时光通量为零，光通量随电流增大而增大，但并非线性增加，往往呈现为上凸曲线，如图1所示。

图1 光通量随电流变化曲线

用 H(t)来表示占空比函数，占空比函数是以 T为周期的周期函数，具体表达式如式 (1)所示。

图2 占空比函数示意曲线

那么，驱动电流平均值为

光通量平均值为

以下来分析光通量的平均值和电流平均值对应的光通量哪个大。构造差异函数如下，

即光通量的平均值小于电流平均值对应的光通量。

2 调色理论

调色一般是在调光的基础上，设置两路LED，一路低色温，一路高色温，通过控制每一路的占空比来控制低色温和高色温的比例。除此之外也有加入RGB等单色光的，例如彩色球泡灯，原理大同小异，此处以两路高低色温调整为例。基本原理是根据两路LED的相对光谱和光通量，倒推出两路LED的绝对光谱，将绝对光谱相加后再计算色坐标、色温、显指等色度参数。常见误区是初学者认为混合光谱的色坐标与原始两路色坐标按照各自光通量的比例成线性关系，事实上这一般是不成立的。以下做简单的推导证明。

以下推导证明两个事实。

(2)通常混合色点的位置与原始色点的光通量无线性关系，即下式一般不成立

下面证明第1个事实。

将式 (9)(10)(11)有关等式代入式 (15)左边，化简可得

将式 (9)(10)(11)有关等式代入式 (15)右边，化简可得

即式 (15)左右两边相等，得证。

下面证明第2个事实。

根据式(16)第一个等式，将式(9)(10)(11)(14)代入化简，并考虑式 (12)(13)，得下式

根据式(16)第二个等式，将式 (9)(10)(11)(14)代入化简，并考虑式 (12)(13)，得下式

进一步化简可得

比较式 (20)和式 (22)可知，式 (22)成立是式(16)成立的充要条件。式 (22)进整理可得

再根据式 (9)和式 (10)可得

即当且仅当两原始光谱色坐标的纵坐标相等时，式 (16)才成立。

此外，若式 (20)前一个因式为0，可得

即当两原始光谱色坐标的横坐标相等时，式 (16)第一个式子也成立。

3 计算工具

实际模拟计算时，如果每个LED都先测试再混色计算则比较繁琐，故一般国际品牌LED厂商都会提供自有产品数据库，并可计算模拟结果，基于这一结果往往可以大幅减少工程师的设计和试验时间。某LED厂商在官网上提供基础计算工具Circle-B，并提供Excel版的色度计算工具 Circle-C，其主要功能为计算和比较Rf、Rg，界面如图3所示，进行混光计算，界面如图4所示，专用于两路冷色和暖色的调光调色计算，界面如图5所示。每个界面都可以选择该LED厂商的所有产品，后两个界面还可设置使用条件，例如驱动电流和管脚温度等，非常方便实用。工具中关于色容差的计算原理具体可参看文献[3]。此外，该LED厂商还提供混合更为复杂植物照明用光谱模拟计算工具，界面如图6所示，可以选择植物照明产品，并计算植物照明的一些主要表征参数。

图3 计算和比较Rf，Rg界面

图4 混光计算界面

图5 专用于两路冷色和暖色的调光调色计算界面

图6 植物照明用光谱模拟计算界面

4 结论

文章介绍了调光和调色的基本原理，证明了光通量的平均值小于电流平均值对应的光通量，两路光谱原始色点和混合光谱色点三点共线；混合光谱的色坐标与原始两路色坐标按照各自光通量的比例成线性关系一般不成立，仅当原始两路色点的纵坐标相等时才成立等事实。一些LED厂商提供了多种用于调光调色（含植物照明用）的计算工具，可以大幅减少工程师设计和试验的工作量。