LED健康照明的節(jié)能調(diào)光策略

鄭錦澤，周湘艷，周曉明

(華南理工大學(xué) 物理與光電學(xué)院，亞熱帶建筑國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣東 廣州 510640)

引言

視網(wǎng)膜中的第三類感光細(xì)胞(ipRGCs)接收入射光照刺激，通過(guò)非視覺(jué)通道發(fā)送光響應(yīng)信號(hào)，進(jìn)而產(chǎn)生調(diào)節(jié)人體激素分泌、生理節(jié)律等生物效應(yīng)[1-3],因此合理的照明環(huán)境有助于改善睡眠質(zhì)量和提高工作效率[4, 5]。隨著健康照明理念的深入，追求光譜光視效能的傳統(tǒng)優(yōu)化方式可能導(dǎo)致節(jié)律照明的缺失，基于節(jié)能健康的照明標(biāo)準(zhǔn)需考慮非視覺(jué)效應(yīng)[6, 7]，Jarboe等[8]模擬出一種桌面工作燈具，使用最少能耗提供充足的節(jié)律刺激照明。Dai等[9, 10]基于空間和光譜兩個(gè)方面提出高效能的生理節(jié)律照明方案。本文基于非視覺(jué)效應(yīng)CLA(生理節(jié)律光照)模型，引入一種簡(jiǎn)捷易行的照明調(diào)光方法，結(jié)合實(shí)際應(yīng)用場(chǎng)合探索提高光譜效能的LED光源調(diào)光策略，并作四色組合光源設(shè)計(jì)，測(cè)量分析LED光源總功耗的變化規(guī)律，提出健康的光源節(jié)能調(diào)光方案。

1 CLA簡(jiǎn)化模型及混光原理

Rea等[11, 12]人基于褪黑素提出生理節(jié)律光照(circadian light, CLA) 評(píng)價(jià)模型來(lái)量化和評(píng)估照明光譜的非視覺(jué)效應(yīng)，開(kāi)發(fā)了一種生理節(jié)律刺激(circadian stimulus, CS)的度量標(biāo)準(zhǔn)[13], 該模型綜合考慮了人眼ipRGCs、視桿細(xì)胞和視錐細(xì)胞在非視覺(jué)光轉(zhuǎn)導(dǎo)中的作用，如式(1)和式(2)所示：

(1)

(2)

(3)

Δ≈1-x-1.4959y

CF1=(1.0789-0.5810x-2.4899y)/y

CF2=(0.6419x-1.1672y)/y

(4)

該計(jì)算模型與視覺(jué)參數(shù)RSP和照度E建立線性關(guān)系，RSP可由式(5)獲得，通過(guò)光測(cè)量?jī)x器(SPIC-200光譜色彩照度計(jì))觀察色品坐標(biāo)、照度和RSP值，即可以根據(jù)式(3)估算出當(dāng)前空間測(cè)量點(diǎn)處的生理節(jié)律光照值(CLA)。

(5)

對(duì)于四基色混合光源可基于PWM混光原理[17-19]推得

(6)

其中，Di(i=1,2,3,4)對(duì)應(yīng)四路光源的占空比，Xi、Yi、Zi(i=1,2,3,4,t)為四基色光源和目標(biāo)光源在滿占空比工作下的三刺激值，Ci=Yi/yi(i=1,2,3,4)為四基色光源在滿占空比下工作的三刺激值之和(Xi+Yi+Zi)，(xi,yi)(i=1,2,3,4)為四基色光源對(duì)應(yīng)的色品坐標(biāo)，(xt,yt)為混光后目標(biāo)光譜的色品坐標(biāo)，RSPt和Et分別為目標(biāo)光譜的RSP值和照度值。

運(yùn)用式(3)～式(6)，可基于色度坐標(biāo)、照度和RSP值的需求得到各通道光源的占空比值，混光后得到相應(yīng)目標(biāo)參數(shù)的光源光譜。該計(jì)算模型通過(guò)自由調(diào)控色度、照度和節(jié)律刺激值的組合，為基于生理節(jié)律的動(dòng)態(tài)光譜照明和測(cè)量提供了一種簡(jiǎn)捷易行的設(shè)計(jì)方案。

2 節(jié)能優(yōu)化調(diào)光方案設(shè)計(jì)

本文針對(duì)室內(nèi)場(chǎng)景下的健康照明作節(jié)能優(yōu)化調(diào)光分析，設(shè)置的有效節(jié)律刺激(CS)的目標(biāo)值為大于0.3(該范圍有助于提高工作效率[20-22])，且滿足室內(nèi)作業(yè)的照度標(biāo)準(zhǔn)值E=300 lx；夜間睡前采用低節(jié)律刺激的照明以提高睡眠質(zhì)量[23]，設(shè)置的目標(biāo)值小于0.05。

多通道LED混合光源已成為目前調(diào)光照明領(lǐng)域的重要研究?jī)?nèi)容，本文所用的光源是四種峰值波長(zhǎng)的商用LED燈珠，分別是紅光(620 nm)、藍(lán)光(465 nm)、綠光(525 nm)和黃綠(555 nm)，通過(guò)輸出相互獨(dú)立的四通道PWM控制信號(hào)分別驅(qū)動(dòng)四種光源(RGBY)。根據(jù)式(6)混光模型調(diào)節(jié)各路信號(hào)占空比(Dr,Dg,Db,Dy)控制光源的光通量輸出以得到目標(biāo)光源的色品坐標(biāo)、照度值和節(jié)律照明值，信號(hào)通過(guò)直流型恒流DD313驅(qū)動(dòng)LED光源，采用SPIC-200光譜色彩照度計(jì)測(cè)量四種光源在滿占空比下的色度參數(shù)及光譜分布如表1和圖1所示。

表1 RGBW LED四光源實(shí)測(cè)參數(shù)Table 1 Measured parameters of RGBY LED

圖1 RGBY LED四光源相對(duì)光譜分布Fig.1 Relative spectral distribution of RGBW LED

2.1 光譜優(yōu)化分析

混合光源中非視覺(jué)效應(yīng)的可調(diào)諧性體現(xiàn)在一種色溫下有多種滿足一定視覺(jué)參數(shù)(顯色性、照度)條件的光譜功率分布，每一種光譜分布對(duì)應(yīng)的生理節(jié)律光照(CLA)不同，因此存在一個(gè)可調(diào)區(qū)間[24]。如圖2(a)是RGBY混合光源沿普朗克軌跡上色溫從2 500～8 000 K照度值為300 lx時(shí)生理節(jié)律光照(CLA)的可調(diào)區(qū)域范圍，上下邊界由顯色性(Ra>80)條件限制。基于式(3)的CLA簡(jiǎn)化模型配合式(6)混光原理根據(jù)目標(biāo)的色度坐標(biāo)(x,y)、照度和RSP值計(jì)算出四通道光源的輸出占空比(Dr,Dg,Db,Dy)，如圖2(b)所示由RSP值作為調(diào)節(jié)因子得到在不同色溫下RSP值與CLA的關(guān)系曲線，其中藍(lán)色曲線為簡(jiǎn)化模型的CLA設(shè)定值，紅色曲線為實(shí)測(cè)RGBY四通道輸出混合光源光譜的CLA測(cè)量值，由圖中可得RSP值與CLA關(guān)系成正相關(guān)，且設(shè)定值與測(cè)量值基本一致，實(shí)際調(diào)光時(shí)可由RSP調(diào)整節(jié)律照明的大小，最大誤差為8%。

光譜光視效能定義為照度/輻照度，相似地，光譜非視覺(jué)效能可定義為生理節(jié)律光照(CLA)/輻照度[9]，兩者都由光譜功率分布所決定。一種色溫下存在多種光譜功率分布，每一種光譜都對(duì)應(yīng)一組光譜效能的特定解，因此光譜效能存在可調(diào)范圍，可通過(guò)RSP值調(diào)節(jié)，表2是以4 000 K色溫為例四通道RGBY混合光源的節(jié)律照明測(cè)試結(jié)果，誤差來(lái)源主要是簡(jiǎn)化式(1)和式(3)之間的誤差。圖3(a)列出光源色溫為4 000 K時(shí)光譜非視覺(jué)效能與光視效能的變化范圍，由圖中可得，非視覺(jué)光譜效能最大時(shí)對(duì)應(yīng)的光視效能最?。环粗庖曅茉礁?，非視覺(jué)效能越小。原因與視覺(jué)和非視覺(jué)靈敏度曲線的差異相關(guān)，非視覺(jué)效應(yīng)越大，其光譜的能量更多的集中在藍(lán)光波段[10]，圖3(b)為兩種光譜效能最大化時(shí)的實(shí)測(cè)光譜。因此，在相同視覺(jué)條件(照度、色溫)的情況下，追求高光視效能的常見(jiàn)光譜調(diào)光方式可能導(dǎo)致較低的節(jié)律照明，以健康為導(dǎo)向的節(jié)能調(diào)光策略應(yīng)根據(jù)應(yīng)用場(chǎng)景來(lái)選擇。

圖2 普朗克軌跡下色溫在2 500～8 000 K之間CLA的可調(diào)諧范圍Fig.2 CLA tunable range between 2 500～8 000 K color temperature on the Planckian Locus

表2 色溫在4000 K時(shí)RGBY LED光源的測(cè)試結(jié)果Table 2 Test results of RGBY LED light source with 4000 K color temperature

圖3 色溫為4 000 K時(shí)光譜光視效能與非視覺(jué)效能比較Fig.3 Comparison of spectral luminous and non-visual efficacy with 4 000 K color temperature

在需提供較高節(jié)律刺激照明的場(chǎng)合(如辦公照明)，選擇非視覺(jué)光譜效能最大的調(diào)光優(yōu)化策略，使同等的光能下生理節(jié)律照明達(dá)到最大化，以圖2(a)所示的CLA上邊界提供的節(jié)律刺激值作為最優(yōu)解，表3列出了多種色溫下光譜效能的可優(yōu)化潛力，其中3 000 K色溫下非視覺(jué)光譜效能最大可優(yōu)化9.7%。另外，光譜的可優(yōu)化潛能受光源和色度因素的影響，多基色通道的組合光源光譜能量分布更加豐富，在滿足顯色性的前提下可優(yōu)化的范圍更大。

表3 多種色溫下光譜效能的可優(yōu)化范圍(Ra>80)Table 3 Optimization range of spectral efficacy at various CCTs(Ra>80)

在需低節(jié)律刺激照明的場(chǎng)合，根據(jù)式(3)可知節(jié)律刺激與照度值成正相關(guān)，節(jié)律刺激值越低，照度值相應(yīng)也會(huì)降低，以致可能影響正常室內(nèi)照度水平。選擇最大光譜光視效能的調(diào)光優(yōu)化策略以盡可能將光能轉(zhuǎn)換為視覺(jué)照明，以圖2(a)所示的CLA下邊界提供的節(jié)律刺激值作為最優(yōu)解，光視效能的優(yōu)化范圍由表1給出。如圖4(a)所示當(dāng)CS=0.05時(shí)以光譜光視效能最大化的調(diào)光原則，多種色溫下可提供的照度值，選擇色溫為3 400 K附近作混光光源設(shè)計(jì)可以得到最高的照度值為84 lx，滿足臥室一般活動(dòng)的照明標(biāo)準(zhǔn)，可在低節(jié)律照明的同時(shí)提供較好的視覺(jué)效果，圖4(b)是實(shí)測(cè)光譜。

圖4 低節(jié)律刺激值(CS=0.05)下組合光源的最大照度值Fig.4 Maximum illuminance of combined light source with low circadian stimulus

2.2 混合光源功率分析

除了對(duì)光譜的優(yōu)化分析外，電路輸出能耗同樣是值得關(guān)注的節(jié)能參數(shù)。如圖5所示為單通道光源的驅(qū)動(dòng)電路，其中R1為測(cè)量輸出電流波形的外接采樣電阻，T1、T2和T3為電壓波形測(cè)試點(diǎn)。

圖5 單通道LED驅(qū)動(dòng)電路示意圖Fig.5 Schematic diagram of driving circuit of single channel

四路LED燈珠的規(guī)格都為1 W、350 mA，理想的狀態(tài)下驅(qū)動(dòng)四路光源的功率P滿足

P=Pr·Dr+Pg·Dg+Pb·Db+Py·Dy

(7)

其中，Pr、Pg、Pb和Pw為滿電流工作下的功率，Dr、Dg、Db和Dw為RGBY四光源的輸出占空比，本文通過(guò)實(shí)測(cè)四通道的電壓電流來(lái)觀察驅(qū)動(dòng)LED總功率的變化規(guī)律。控制室內(nèi)溫度為25°，如圖5通過(guò)ADC采樣測(cè)試點(diǎn)T1求輸出電流波形(i)，同時(shí)采樣測(cè)試點(diǎn)T2與T3求LED燈兩端壓降(u)，采樣率為500 K。則電源功率可表示為

ib(n)·ub(n)+iy(n)·uy(n)]

(8)

其中，ir、ig、ib和iy分別為單個(gè)周期內(nèi)的四光源的輸出電流波形，ur、ug、ub和uy分別為四光源單個(gè)周期內(nèi)的輸出電壓波形。圖6是組合光源輸出色溫為4 000 K時(shí)四基色通道在4毫秒內(nèi)輸出的電壓電流采樣波形，n為采樣點(diǎn)數(shù)，圖中四通道占空比的測(cè)量值與設(shè)定值誤差小于0.5，最大相對(duì)誤差為2%。提取單個(gè)周期內(nèi)的電壓電流波形，根據(jù)式(8)求得LED總功耗為(1.288±0.005)W，與式(7)求得的理想電源功率基本吻合(誤差1.4%)。

圖6 四通道電壓電流波形Fig.6 Voltage and current waveforms of four light channels

四通道不同的占空比組合出不同能耗的LED混合光源，圖7(a)所示沿普朗克軌跡上光源色溫為2 400～8 000 K，設(shè)置照度均為300 lx，選擇最大非視覺(jué)光效的調(diào)光策略時(shí)LED總功率的變化曲線，其中紅色曲線為相同照度下不同色溫的節(jié)律刺激值(CS)，藍(lán)色曲線為實(shí)測(cè)RGBY四通道輸出的總功率值，圖中可得在色度允許的范圍內(nèi)選擇低色溫的光源有較低的功耗，例如3 200 K與5 200 K色溫光譜在照度為300 lx時(shí)的節(jié)律刺激值相同，選擇3 200 K的光源相對(duì)可以節(jié)省4.4%的功耗。另一方面，由于2 500 K和4 000 K附近色溫在固定照度值為300 lx時(shí)缺少足夠的節(jié)律刺激值，需提高光源照度值使節(jié)律刺激值CS達(dá)到目標(biāo)值(0.3)，表4列出了2 400 K、3 700 K和4 200 K三種色溫下分別在固定的照度值(E=300 lx)和節(jié)律刺激值(CS=0.3)時(shí)的光源參數(shù)和光源功率值，可知，色溫在300 lx照度時(shí)CS越低，達(dá)到需求的CS值時(shí)所需要設(shè)置的照度值越高，功耗越大，三種色溫的功率相對(duì)原來(lái)分別需提高15%、45%、9%，因此，光源照度的高低是影響混合光源驅(qū)動(dòng)功率變化的主要因素，以提高光譜照度來(lái)達(dá)到所需的節(jié)律刺激值會(huì)帶來(lái)更多的功耗，意味著使用日常較為普遍的4 000 K色溫光源達(dá)到照明所需時(shí)要提供較大的功率。如圖7(b)所示混合光源在限制光參數(shù)范圍(E≥300 lx，CS≥0.3，Ra>80)下驅(qū)動(dòng)四通道LED所需的最小總功率，可知，混合光源在達(dá)到具體照明場(chǎng)景需求的前提下，色溫在3 500～4 000 K時(shí)需要消耗的功率最大，3 000 K附近時(shí)最小，其中選擇3 200 K作為混合照明光源相比選擇3 500 K可以減少75%的功耗，因此，以調(diào)節(jié)色度代替調(diào)節(jié)照度更符合節(jié)能調(diào)光的設(shè)計(jì)。

圖7 普朗克軌跡下色溫與四通道LED總功率的關(guān)系Fig.7 Relationship between CCT and power consumption of four-channel LED(on the Planckian Locus)

表4 2 400 K、3 700 K和4 200 K三種色溫下分別在 E=300 lx和CS=0.3時(shí)的光源參數(shù)Table 4 The parameters of light source at 2 400 K, 3 700 K and 4 200 K with fixed condition (E = 300 lx/CS = 0.3)

3 結(jié)論

本文從健康節(jié)能照明的思路出發(fā)，基于非視覺(jué)效應(yīng)的評(píng)價(jià)模型(CLA)提出了一種兼顧視覺(jué)和非視覺(jué)的光譜節(jié)能調(diào)光策略，介紹了一種引入調(diào)光優(yōu)化因子的混光方式，結(jié)合四通道光源作組合光源設(shè)計(jì)，在動(dòng)態(tài)智能的健康調(diào)光方面提供應(yīng)用的可行性。在光譜效能方面，光源的光譜光視效能和光譜非視覺(jué)效能對(duì)于提高光能效率來(lái)說(shuō)同樣重要，但由于視覺(jué)和非視覺(jué)的靈敏度曲線的差異導(dǎo)致兩者不能同時(shí)滿足，因此，以健康為導(dǎo)向的節(jié)能調(diào)光策略更符合實(shí)際的需求，當(dāng)實(shí)際場(chǎng)景的照明光譜需要更多的生理節(jié)律刺激時(shí)，選擇光譜非視覺(jué)效能最大的優(yōu)化策略，使用最低的光能達(dá)到充分的節(jié)律照明；當(dāng)照明光譜要求較低的生理節(jié)律刺激時(shí)，選擇光譜光視效能最大的優(yōu)化策略以滿足低節(jié)律刺激的同時(shí)提供室內(nèi)夜間良好的視覺(jué)效果，選擇3 400 K色溫的光源最高可提供84 lx的照度值。在光源功耗方面，不同色溫下等照度光源的生理節(jié)律刺激不同，以固定的300 lx照度值為例，選擇較低的3 000 K附近色溫值在滿足節(jié)律刺激值需求的同時(shí)達(dá)到最低的光源功耗。光源生理節(jié)律刺激的缺乏可通過(guò)提高照度或者調(diào)節(jié)色溫的方式補(bǔ)償，但選擇以提高光源照度的方式達(dá)到等同的節(jié)律刺激會(huì)帶來(lái)更高的光源功耗，以調(diào)節(jié)色度代替調(diào)節(jié)照度更符合節(jié)能調(diào)光的設(shè)計(jì)，在同等滿足照明需求的場(chǎng)景下選擇3 200 K色溫的組合光源最高可以減少75%的功率值。