LED電視普通照明燈具的熱效應(yīng)對光輸出質(zhì)量的影響問題研究

周太明，王京池

（1. 復(fù)旦大學(xué)，上海 200433；2. 中央電視臺，北京 100859）

LED電視普通照明燈具的熱效應(yīng)對光輸出質(zhì)量的影響問題研究

周太明1，王京池2

（1. 復(fù)旦大學(xué)，上海 200433；2. 中央電視臺，北京 100859）

本文主要研究LED普通照明燈具的熱效應(yīng)對光輸出質(zhì)量的影響問題，以探討LED燈具在電視演播室的適用性。

LED；電視照明；熱效應(yīng)；光輸出

1 原理和目的

LED燈具在剛啟動時(shí)，溫度不高，但隨著使用時(shí)間的增加，燈具的溫度會逐漸升高。在一定的環(huán)境溫度下，燈具的溫度將會穩(wěn)定在某一溫度之下。如果環(huán)境溫度升高，則燈具的溫度也將要進(jìn)一步升高。隨著燈具溫度的升高，LED的結(jié)溫也要隨之升高。結(jié)溫升高則會產(chǎn)生一系列不良的影響。

研究表明，環(huán)境溫度升高使結(jié)溫升高時(shí)，不僅LED的正向電壓Vf要發(fā)生變化，而且它的光輸出也要減少，如圖1所示；峰值波長的位置向長波方向移動，即紅移，如圖2所示。這樣，當(dāng)LED燈具發(fā)熱嚴(yán)重時(shí)，就會使燈的工作特性變差——燈發(fā)出的光的顏色發(fā)生變化，燈光變暗。這些變化將會影響電視畫面質(zhì)量。

為了保證電視演播室節(jié)目制作的質(zhì)量，尤其是高清電視（HDTV）的畫面質(zhì)量，必須盡可能將LED燈具光輸出因熱效應(yīng)受到的影響減到最小。只有充分掌控其變化規(guī)律之后，才能做到這一點(diǎn)。為此，開展了LED普通照明燈具的熱效應(yīng)對光輸出質(zhì)量的影響問題的研究。研究采用一個(gè)能夠主動調(diào)節(jié)其溫度的恒溫箱，將實(shí)驗(yàn)的各種型號的LED燈具放置在此恒溫箱中點(diǎn)亮，通過人為改變箱體的溫度，實(shí)際測量燈具的各種性能（如色溫或相關(guān)色溫CCT、顯色指數(shù)、相對照度等）的變化情況，并總結(jié)出其變化規(guī)律。從而為企業(yè)改善燈具的散熱功能、得到有效穩(wěn)定的光輸出提供科學(xué)依據(jù)，為電視臺采用性能優(yōu)良的LED照明燈具提供技術(shù)保障。本次實(shí)驗(yàn)的時(shí)間為2010年4月7日～11日。

圖1 結(jié)溫升高造成光輸出下降

圖2 環(huán)境溫度升高光色發(fā)生紅移

2 實(shí)驗(yàn)

2.1 實(shí)驗(yàn)條件

實(shí)驗(yàn)采用SDH4020低溫恒溫恒濕箱一個(gè)。該恒溫箱帶有出光窗口，溫度可控范圍為-40℃ ～ 100℃。但在實(shí)驗(yàn)過程中發(fā)現(xiàn)這一恒溫箱不是很理想。

要想全面測試燈具的色度參量（即相關(guān)色溫和顯色指數(shù)），必須用光譜分析儀測出該燈具的光譜分布，并通過計(jì)算機(jī)分析，在色度圖上得出色品坐標(biāo)（u,v），與黑體軌跡比較，求得燈具色溫與標(biāo)準(zhǔn)黑體差異，精確地測定色溫的微小變化，如圖3所示。PMS-50光譜分析系統(tǒng)很適合用于此類實(shí)驗(yàn)，但儀器比較大，不能移到恒溫箱前。比較可行的方法是采用STC4000多通道光譜儀（普通CCD光譜儀），它是緊湊型的，體積小、測試速度快。但由于其雜散光多、暗噪聲高、有高溫依賴性和動態(tài)范圍窄等不足，這類光譜儀適用于精度要求不高的場合。經(jīng)過研究，實(shí)驗(yàn)者認(rèn)為在此項(xiàng)研究中，顯色性的變化不會太大，因此，沒有必要對顯色指數(shù)進(jìn)行測量，只要知道相關(guān)色溫隨溫度變化的情況就可以了。于是決定采用美能達(dá)CL-200型照度計(jì)來測量相關(guān)色溫和色坐標(biāo)。

另外，測量設(shè)備還有：溫度采集記錄系統(tǒng)1套，數(shù)字溫度計(jì)1個(gè), 多功能交流穩(wěn)壓電源APC AFC–500W1臺等。

2.2 實(shí)驗(yàn)用的燈具

實(shí)驗(yàn)用的燈具有2大類：LED平板柔光燈3種和LED聚光燈4種。實(shí)驗(yàn)燈具的總數(shù)為7個(gè)，燈具編號情況見表1。

2.3 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容

對不同品牌的燈具以及同一品牌的不同燈具，測定恒溫箱溫度升高時(shí)，燈的相關(guān)色溫、色坐標(biāo)和相對照度的變化規(guī)律。選擇一款燈具（7號）進(jìn)行破壞性實(shí)驗(yàn)，即盡可能升高燈箱溫度看燈具是否被破壞，并在不同溫度下測量相關(guān)參數(shù)。

2.4 實(shí)驗(yàn)方法和步驟

先將待測燈具老化100 h，待燈具的參數(shù)穩(wěn)定之后，再進(jìn)行本實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)時(shí)，將待測燈具放置在恒溫箱內(nèi)，并使燈的光軸垂直于恒溫箱的出光平面。待燈正常工作之后，開啟恒溫箱的加熱電源，使其升溫至25 ℃。實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，在升溫過程中溫度會超出預(yù)定的溫度。為了使恒溫箱的溫度維持在所需要的溫度，必須啟用恒溫箱的制冷功能。在制冷功能和燈具自身發(fā)熱的共同作用下，最后箱內(nèi)的溫度達(dá)到所需要的數(shù)值25℃。這時(shí)，采用照度計(jì)在距離出光口5.9 m處測得最大照度值（相對值）、相關(guān)色溫和色坐標(biāo)。然后再逐漸升高恒溫箱的溫度到幾個(gè)預(yù)定數(shù)值，分別測量各個(gè)溫度下的最大照度值、相關(guān)色溫和色坐標(biāo)。

在測量聚光燈時(shí)發(fā)現(xiàn)：關(guān)燈后將燈從恒溫箱中取出來時(shí)，燈體溫度并不高；然而，在恒溫箱外測量燈時(shí)，關(guān)燈后，燈的殼體很燙手。由此想到原先采用的控制環(huán)境溫度的方法可能有問題。經(jīng)過分析發(fā)現(xiàn)：箱內(nèi)溫度升高或降低都是通過風(fēng)扇將熱源或冷源送到箱內(nèi)的。采用這種控溫方法，是強(qiáng)迫將燈具的殼體溫度維持在環(huán)境溫度之下。而在真實(shí)的使用條件下，燈具殼體與環(huán)境之間應(yīng)有溫差，在殼體和環(huán)境之間有自然對流傳熱。因此，在實(shí)驗(yàn)中必須要關(guān)閉風(fēng)扇。但是，由于箱體的熱容量較小，燈自身的發(fā)熱就會使溫度上升，不能實(shí)現(xiàn)溫度的平衡。為了增加箱子的熱容量，我們決定在箱子里放入若干瓶裝水。這樣通過加熱使水的溫度升高，然后再緩慢冷卻，可以使箱體比較長時(shí)間的維持在某一平衡溫度，便于進(jìn)行測量。

圖3 在求出色品坐標(biāo)（u,v）后再求出（相關(guān)）色溫CCT

表1 實(shí)驗(yàn)用燈具型號和編號

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果和分析

為了行文方便，本文將在恒溫箱內(nèi)放置瓶裝水之前的測量方法稱作“老方法”，將放置瓶裝水之后的測量方法稱作“新方法”。老方法的測量結(jié)果見附錄1，新方法的測量結(jié)果見附錄2。

以燈具3-1為例，根據(jù)老方法測得的高溫箱實(shí)驗(yàn)記錄表（見附錄1）畫出相關(guān)色溫和相對照度隨環(huán)境溫度變化的情況，如圖4所示。圖5是用新方法對燈具3-1測量所得的結(jié)果。由圖5可知，當(dāng)環(huán)境溫度升高時(shí)，燈的相關(guān)色溫和相對光輸出都有明顯的變化。環(huán)境溫度從18.9 ℃升高到45.5 ℃時(shí)（在這里，環(huán)境溫度是將上下溫度取平均而得），相關(guān)色溫升高了約200 K，相對光輸出減少了約20%。而圖5的變化結(jié)果則小得多，這是因?yàn)闊趔w的溫度被我們?nèi)藶榈亟档土?。圖6、圖7是對燈具4-1和燈具6-1進(jìn)行測量所得到的結(jié)果。經(jīng)過數(shù)據(jù)分析可知，在溫度升高約25 ℃時(shí)，燈具1-1和燈具4-1的相對照度下降約5%，色溫的升高小于80 K; 燈具3-1的色溫升高約200 K，達(dá)7%，相對照度下降達(dá)20%，變化明顯；燈具6-1燈的色溫變化不大，僅下降30 K，約1%，相對照度下降約11%。

當(dāng)環(huán)境溫度升高時(shí)，燈的光輸出要減少是容易理解的。環(huán)境溫度升高會使LED的結(jié)溫升高。由圖1可見結(jié)溫升高造成了光輸出下降。由圖5可見環(huán)境溫度升高時(shí)，燈的相關(guān)色溫升高；而圖8的結(jié)果則相反，環(huán)境溫度升高時(shí)，燈的相關(guān)色溫反而下降。這是什么原因呢？

圖4 采用老方法測量燈具3-1所得的結(jié)果（據(jù)附錄1表C數(shù)據(jù)）

圖5 采用新方法測量燈具3-1所得的結(jié)果（據(jù)附錄2表C數(shù)據(jù)）

圖6 采用新方法測量燈具4-1所得的結(jié)果（據(jù)附錄2表D數(shù)據(jù)）

圖7 采用新方法測量燈具6-1所得的結(jié)果（據(jù)附錄2表F數(shù)據(jù)）

表2 燈具3-1高溫測量前后顯色指數(shù)R1～R15的對照

圖8 對燈具7進(jìn)行破壞性試驗(yàn)的結(jié)果（據(jù)附錄2表G數(shù)據(jù)）

實(shí)驗(yàn)表明，當(dāng)結(jié)溫增加時(shí)，CCT將增加或減少。CCT究竟是增加還是減少視激發(fā)熒光粉的藍(lán)光的分級而定。假如用來激發(fā)熒光粉的藍(lán)光是在該熒光粉的吸收光譜的上升區(qū)域，且假定該吸收光譜是高斯分布，則上述藍(lán)光是處于該曲線中心頂點(diǎn)之左邊。當(dāng)藍(lán)光被熒光粉吸收得多時(shí)，則黃光增加，形成白光。溫度升高時(shí)，藍(lán)色LED的峰值波長移向長波（即紅色）的方向。這時(shí)，藍(lán)色LED對熒光粉的激發(fā)更為有效，有更多的黃光，而出射的藍(lán)光則減少。這樣，隨著結(jié)溫的升高，白光的色溫就要降低，這就是圖7的情況。而如果激發(fā)熒光粉的藍(lán)光是在該熒光粉的吸收光譜頂點(diǎn)的右邊，則隨著結(jié)溫升高，藍(lán)色LED的峰值波長移向長波（即紅色）的方向時(shí)，藍(lán)色LED對熒光粉的激發(fā)效率降低，產(chǎn)生的黃光減少，而逸出的藍(lán)光則增多。這樣，隨著結(jié)溫的升高，白光的色溫就要升高。圖5的情況就是這樣。

為了研究高環(huán)境溫度對燈的不利影響，專門對燈具7進(jìn)行了破壞性的實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)中逐步升高環(huán)境溫度，記錄各個(gè)溫度下的最大照度值、相關(guān)色溫和色品坐標(biāo)。將恒溫箱的溫度升到其容許的最高值100 ℃，這時(shí)箱內(nèi)的環(huán)境溫度已達(dá)約130 ℃，LED基板的溫度高達(dá)150 ℃。此時(shí)，燈的色溫升高約300 K，約為7%；相對照度下降約300 lx。盡管這時(shí)燈的光輸出減少了1/4，如圖8所示，但是燈具仍然能正常工作，并無將要失效的跡象。

另外，前面曾說過測定顯色指數(shù)的儀器比較大，不能移到恒溫箱前對高溫狀態(tài)下燈具的顯色性能進(jìn)行測定。為了研究高溫對燈的顯色性的影響，我們將經(jīng)過高溫箱測試的燈具再在光譜儀器上進(jìn)行測量，比較其在高溫測量前后顯色性變化的情況。表2給出了燈具3-1在高溫測量前后顯色性能變化的情況。由表中數(shù)據(jù)可以看出，在經(jīng)過高溫測量之后，用于計(jì)算一般顯色指數(shù)Ra的R1-R8幾乎與高溫測量前相同，因而在高溫測量前后Ra都是77；而其他特殊顯色指數(shù)R9～R15經(jīng)過高溫測量之后也基本不變。

4 結(jié)論與建議

4.1 結(jié)論

（1）當(dāng)環(huán)境溫度升高時(shí)，光輸出降低，色溫升高或降低。

（2）從高溫實(shí)驗(yàn)的結(jié)果看，在40 ℃ ～ 50 ℃的環(huán)境溫度下，散熱設(shè)計(jì)合理的LED燈具的性能變化不大，可以滿足使用要求。

（3）高溫破壞性實(shí)驗(yàn)表明，只要設(shè)計(jì)合理，燈具不會因演播室溫度過高而失效。

（4）高溫實(shí)驗(yàn)前后，燈具的顯色性能基本不變。

4.2 建議

（1）對進(jìn)口燈具和國產(chǎn)燈具測試表明，國產(chǎn)燈具的性能可以滿足演播室照明的要求，建議優(yōu)先選用國產(chǎn)品牌。

（2）國內(nèi)不同品牌的燈具熱穩(wěn)定性能差別較大，用戶選購時(shí)應(yīng)慎重。

表A 燈具編號：1-1 / 環(huán)境溫度：17℃ / 測試距離：5.9 m

表B 燈具編號：2-1 / 環(huán)境溫度：16.4℃ / 測試距離：5.9 m

表C 燈具編號：3-1 / 環(huán)境溫度：19℃ / 測試距離：5.9 m

表D 燈具編號：4-1 / 環(huán)境溫度：20℃ / 測試距離：5.9 m

表E 燈具編號：5-1 / 環(huán)境溫度：16℃ / 測試距離：5.9 m

附錄2 新方法的測量結(jié)果

表A 燈具編號：1-1 / 環(huán)境溫度：18.4℃ / 測試距離：5.9 m

表B 燈具編號：2-1 / 環(huán)境溫度：23.4℃/測試距離：5.9 m

表C 燈具編號：3-1 / 環(huán)境溫度：17℃ / 測試距離：5.9 m

表D 燈具編號：4-1 / 環(huán)境溫度：18℃ / 測試距離：5.9 m

表G 燈具編號：7 / 環(huán)境溫度：18℃ / 測試距離：5.9 m

表E 燈具編號：5-1 / 環(huán)境溫度：19℃ / 測試距離：5.9 m

表F 燈具編號：6-1 / 環(huán)境溫度：18℃ / 測試距離：5.9 m

（編輯 張 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，復(fù)旦大學(xué)教授。1964年畢業(yè)于復(fù)旦大學(xué)物理系電子物理專業(yè)。長期從事光源與照明的研究和教學(xué)工作。20世紀(jì)80年代曾在日本松下公司照明研究所和美國加州（伯克利）大學(xué)勞倫茲實(shí)驗(yàn)室進(jìn)修。1990年，被中國輕工業(yè)部科學(xué)技術(shù)委員會聘為“中國照明電器專家組”成員。曾擔(dān)任中國照明學(xué)會理事、中國照明學(xué)會交通運(yùn)輸照明與光信號專業(yè)委員會主任和國際照明委員會四分部（即交通運(yùn)輸照明分部）中國代表。2001年至今一直擔(dān)任上海市政府采購咨詢專家。在國內(nèi)外權(quán)威雜志上發(fā)表過多篇專業(yè)論文，并著有多部專著。