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        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

        2010-10-16 03:25:02周太明王京池
        演藝科技 2010年12期
        關(guān)鍵詞:恒溫箱色溫照度

        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,溫度不高,但隨著使用時間的增加,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,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,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。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。研究采用一個能夠主動調(diào)節(jié)其溫度的恒溫箱,將實驗的各種型號的LED燈具放置在此恒溫箱中點亮,通過人為改變箱體的溫度,實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。本次實驗的時間為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 實驗

        2.1 實驗條件

        實驗采用SDH4020低溫恒溫恒濕箱一個。該恒溫箱帶有出光窗口,溫度可控范圍為-40℃ ~ 100℃。但在實驗過程中發(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)很適合用于此類實驗,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,實驗者認(rèn)為在此項研究中,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1個, 多功能交流穩(wěn)壓電源APC AFC–500W1臺等。

        2.2 實驗用的燈具

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

        2.3 實驗內(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,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)行破壞性實驗,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 實驗方法和步驟

        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)行本實驗。實驗時,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 ℃。實驗中發(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,采用照度計在距離出光口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預(yù)定數(shù)值,分別測量各個溫度下的最大照度值、相關(guān)色溫和色坐標(biāo)。

        在測量聚光燈時發(fā)現(xiàn):關(guān)燈后將燈從恒溫箱中取出來時,燈體溫度并不高;然而,在恒溫箱外測量燈時,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,在實驗中必須要關(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 實驗用燈具型號和編號

        3 實驗結(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驗記錄表(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,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(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,這是因為燈體的溫度被我們?nèi)藶榈亟档土恕D6、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,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,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,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,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)行破壞性試驗的結(jié)果(據(jù)附錄2表G數(shù)據(jù))

        實驗表明,當(dāng)結(jié)溫增加時,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之左邊。當(dāng)藍(lán)光被熒光粉吸收得多時,則黃光增加,形成白光。溫度升高時,藍(lán)色LED的峰值波長移向長波(即紅色)的方向。這時,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,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)行了破壞性的實驗。實驗中逐步升高環(huán)境溫度,記錄各個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,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,光輸出降低,色溫升高或降低。

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

        (3)高溫破壞性實驗表明,只要設(shè)計合理,燈具不會因演播室溫度過高而失效。

        (4)高溫實驗前后,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)勞倫茲實驗室進(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。

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