邊　宇，馬　源，方小山

(1.華南理工大學(xué)建筑學(xué)院，亞熱帶建筑科學(xué)國家重點實驗室，廣東 廣州　510640；

2.廣東工業(yè)大學(xué)建筑與城規(guī)學(xué)院，廣東 廣州　510090)

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基于參數(shù)化模型的建筑采光設(shè)計方法

邊宇1，馬源2，方小山1

(1.華南理工大學(xué)建筑學(xué)院，亞熱帶建筑科學(xué)國家重點實驗室，廣東 廣州510640；

2.廣東工業(yè)大學(xué)建筑與城規(guī)學(xué)院，廣東 廣州510090)

摘要：參數(shù)化模型技術(shù)的推出使得建筑領(lǐng)域中量化分析工作的效率大幅提高，使得建筑光環(huán)境問題的研究可以朝向更加精細(xì)的方面發(fā)展。本文結(jié)合華南區(qū)的光氣候特點介紹了廣州地區(qū)某建筑項目使用參數(shù)化模型技術(shù)進行建筑采光方案的分析并進行擇優(yōu)的方法并對優(yōu)化方案進行了采光表現(xiàn)的分析。 本文以CREE高功率冷白光LED為光源，設(shè)計了高安全性的符合德國K-mark的StVZO 22A No.23法規(guī)的自行車前照燈。其體積微小，具有清晰的明暗截止線和均勻的光分布，適合自行車照明的需求，為騎行者提供了一個安全的行車環(huán)境，也保障了行路人和其他人的人身安全。 隨著我國老年人口的快速增長，我國的人口老齡化形勢也日益嚴(yán)峻，人口老齡化問題將是21世紀(jì)整個社會所面臨的最嚴(yán)峻問題之一。年齡的增長帶來的視覺機能的改變使老年人的照明需求與年輕人相比存在很大的不同。本文通過對老年人視覺特性的研究總結(jié)了老年人照明需求特性的變化，并在此基礎(chǔ)上結(jié)合對國內(nèi)外老年人居住建筑照明設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)的研究，最終提出了我國老年人居住建筑室內(nèi)外照明推薦標(biāo)準(zhǔn)。 射線檢測是無損檢測行業(yè)常用的方法之一，工業(yè)X射線檢測底片需有較高的黑度以保證底片的對比度，觀片燈需要高亮度以滿足高黑度底片的評片需求。本文設(shè)計一種基于PT4207 驅(qū)動芯片的大功率LED觀片燈，采用交流市電供電，電容觸摸輸入PWM調(diào)光，溫控風(fēng)扇自動調(diào)速。觀片燈采用大功率LED為光源，亮度可調(diào)適應(yīng)不同黑度級別的底片評片需求，兼有效率高、壽命長、節(jié)能環(huán)保及操作方便等優(yōu)點，具有很高的使用價值。

關(guān)鍵詞：建筑采光；優(yōu)化選擇；參數(shù)化模型 LED；自行車前照燈；光學(xué)設(shè)計；K-mark法規(guī) 老年居住建筑；室內(nèi)外；照明標(biāo)準(zhǔn) PT4207；大功率；LED觀片燈；交流供電;PWM調(diào)光

Optimal Daylighting Design Based on Parametric Building Modeling

Bian Yu1，Ma Yuan2，F(xiàn)ang Xiaoshan1

(1.SchoolofArchitecture,StateKeyLaboratoryofSubtropicalBuildingScience,SCUT,Guangzhou501640,China;

2.CollegeofArchitecture&Urbanplanning,GDUT,Guangzhou510090,China)

Abstract：Parametric modeling technology accelerates the efficiency of quantitative analysis within building science, meanwhile the building daylighting analysis could be extended into subtle and refined level. This paper indicates a daylighting optimal design process of a Guangzhou based building under the condition of regional daylight luminance pattern in south China area with parametric model, and finally proposes the daylight performance of the optimal scheme. In this paper, we propose and demonstrate a novel design of pcW-LED-based bicycle head lamp, which meets StVZO 22A No.23 regulations of K-mark Germany. It has small size, a clear cut-off and homogenous light distribution, making it suitable for bicycle lighting and providing a safe driving environment for cyclists and pedestrians as well. With the rapid growth of China’s elderly population, the aging situation is increasingly serious, and the problem is being the most serious one in the 21st century faced by the whole society. As people’s visual function changes with age generally ,the elderly’s needs of illumination is quite different from the young. In this paper, we summarize the characters of the elderly’s illumination needs combining the research on the illumination standards values of the residential buildings at home and abroad and finally propose our lighting values recommendations for the elderly residential building indoor and outdoor. Radiation detection is one of the commonly used methods in non-destructive testing industry, and industrial X-ray film needs to have high blackness in order to keep the contrast ratio, so the film viewer needs high brightness to meet the assessment of high blackness film.This paper designed a kind of high power LED film viewer based on PT4207 driver,supplying by AC power,PWM dimming by capacitive touch input, and fan speed controlled by temperature automaticly .The film viewer uses high power LED as its light source,its brightness is adjustable to meet the assessment of different blackness level.With its high efficiency, long life, energy saving, environmental protection, easy operation,and other advantages,the film viewer has very high use value.

Key words:building daylight; optimal selection; parametric model LED; bicycle head lamp; optical design; K-mark elderly residential building; indoor and outdoor; lighting standards PT4207;high power;LED film viewer;AC supply; PWM dimming

引言

良好的建筑采光設(shè)計可帶來節(jié)能、舒適、健康等有益的效果，在建筑設(shè)計時當(dāng)給予足夠的重視，以采光為出發(fā)點營造建筑表皮不失為一種務(wù)實的選擇，建筑的設(shè)計必須突出地域性特點[1]。良好的采光設(shè)計由諸多因素決定，具體到技術(shù)方法層面有兩點值得我們著重思考[2]：

1)如何科學(xué)評價某方案的采光表現(xiàn)：采光系數(shù)(daylight factor)在實際使用中存在不足，可嘗試對于在CIE全云天條件下定義的采光系數(shù)進行一定的改進，使得改進后的采光系數(shù)可更好地反映某地區(qū)年周期內(nèi)(或某時間段)建筑采光能力大小；

2)采光設(shè)計方案中不同參數(shù)之間的擇優(yōu)：采光設(shè)計方案經(jīng)過構(gòu)思成型后，要求針對設(shè)施中的具體參數(shù)(如：尺寸、角度、材料光學(xué)特性)進行量化分析、比較以選擇最優(yōu)化方案[3]。

圖1　Siemens中東總部建筑表皮(局部)Fig.1　The envelope of Siemens Middle-east headquarter (partial)

圖1所示為Sheppard Robson Architects設(shè)計的西門子中東總部項目，該建筑項目在進行側(cè)窗采光設(shè)計時使用參數(shù)化技術(shù)對采光設(shè)施進行了優(yōu)化設(shè)計，在中東地區(qū)光氣候特點下量化研究了各參數(shù)變化對于采光效果的改變，使得室內(nèi)獲得了良好的采光效果并保證了良好視野。該項目采用了基于參數(shù)化模型的采光設(shè)計分析方法但由于采光的研究與設(shè)計具有極強的地域性，本文以廣州為代表的華南地區(qū)內(nèi)的某項目為例介紹該區(qū)域的基于參數(shù)化模型的采光設(shè)計過程并提出優(yōu)化設(shè)計方法[4]。

1研究方法

基于課題組前期的研究成果[5]，本文使用一個適合華南區(qū)的改進后的“采光系數(shù)”量值用于分析該地區(qū)建筑物的采光能力大小，此改進后的采光系數(shù)值(簡稱：DFS)，該指標(biāo)可以反映廣州地區(qū)天空亮度分布的均值情況，將建筑物朝向等信息考慮其中，其實質(zhì)是將在CIE全云天條件下定義的采光系數(shù)值，修改為廣州地區(qū)典型天空模型下進行計算，針對參數(shù)化模型獲取DFS的計算方法的流程如圖2所示(CSRS：華南區(qū)典型天空亮度模型)[6-7]。

圖2　參數(shù)化模型的DFS計算流程圖Fig.2　The procedure of DFS generation within parametric building model

本文中所涉及的參數(shù)化建模以及采光計算機模擬分析均使用Rhino以及Grasshopper程序，Grasshopper是一款在Rhino環(huán)境下運行的采用程序算法生成模型的插件，可以實現(xiàn)參數(shù)輸入模型生成以及開發(fā)相應(yīng)優(yōu)化算法的功能。如圖2所示將采光口與遮陽構(gòu)件等在Rhino中建立參數(shù)化模型后在Grasshopper程序中輸入相關(guān)的參數(shù)變量并進行相應(yīng)的“采光系數(shù)”模擬計算，其中關(guān)鍵的線性分量K的取值可參考本研究團隊前期研究成果[5]。

2以采光優(yōu)化為目標(biāo)的遮陽構(gòu)件擇優(yōu)

本文以廣州地區(qū)某高層建筑西南向立面的采光設(shè)計為例說明采光設(shè)計過程，在探索基于參數(shù)化模型的優(yōu)化設(shè)計過程中強調(diào)了以下兩點：

1)基于CSRS模型的采光模擬分析：CSRS模型由于可以較好地代表項目所在地的天空亮度分布均值情況，因此本文將之作為模擬計算的標(biāo)準(zhǔn)，在此天空模型下的模擬計算結(jié)果可以充分反應(yīng)項目的采光均值情況，其模擬結(jié)果較之CIE標(biāo)準(zhǔn)模型以及perez模型更為準(zhǔn)確；

2)采光構(gòu)件視作參數(shù)化模型單元進行分析：參數(shù)化模型上開展采光模擬分析，分析各參數(shù)變量與采光表現(xiàn)之間的關(guān)系。該方法可高效率地量化研究采光構(gòu)件參數(shù)與采光表現(xiàn)之間的關(guān)系，有利于方案擇優(yōu)[8]。

2.1　研究對象

研究對象位于廣州地區(qū)，場地周圍無明顯遮擋，圖3所示，場地中紅色區(qū)塊為建筑主體，該建筑物標(biāo)準(zhǔn)層為矩形平面，朝向為南偏西31.7°。

圖3　建筑場地平面Fig.3　The plan of building site

該項目標(biāo)準(zhǔn)層平面與幕墻剖面如圖4和圖5所示，該建筑平面的特點：

圖4　標(biāo)準(zhǔn)層平面Fig.4　The plan of standard layer

圖5　未安裝采光設(shè)施的幕墻剖面Fig.5　The section of facade without shading facilities

1)矩形平面；

2)朝向為南偏西31.7°。

平面的特點使得建筑的采光問題較正南北向建筑情況復(fù)雜，在進行采光分析時選取西南立面上一個單元為研究對象，參照建筑采光設(shè)計規(guī)范中的規(guī)定[9]，設(shè)定建筑幕墻為透光率0.60的透明玻璃。研究單元面寬6m，進深10m，層高3.25m，玻璃幕墻下沿距地板0.45m，玻璃高度2.8m，地板反射率為0.54，墻面反射率為0.90，天花板反射率為0.80，幕墻為透光率0.60的透明玻璃，房間朝向為南偏西31.7°，如圖6所示。

圖6　研究模型單元Fig.6　The research model unit

針對未安裝采光設(shè)施的研究單元進行模擬分析。研究對象單元9月的采光模擬均值結(jié)果如表1所示

由9月的采光模擬結(jié)果可以直觀的看出，該建筑空間在采光上的問題有總體上歸結(jié)為如下三點：

1)自然光照度分布不均勻，照度隨進深增加快速下降；

2)近窗部分存在過亮問題；

3)由于朝向為南偏西使得下午時間段存在較為嚴(yán)重的“西曬”問題。

表1 研究模型單元的天然光照度分布模擬值(9月份)

Table 1Simulated daylight illuminance distribution

in model room unit, September

2.2　遮陽構(gòu)件參數(shù)擇優(yōu)

針對研究對象的具體情況，課題組搭建了一套兼顧水平和垂直方向的改變自然光傳播方向的遮陽構(gòu)件，此形式可兼具增強天然光在大進深空間的分布以及遮陽效果，可以有效地解決照度分布不均勻以及下午時間段內(nèi)出現(xiàn)的嚴(yán)重“西曬”問題。結(jié)合前期的研究成果，該類型采光構(gòu)件較簡單垂直或水平構(gòu)件能達(dá)到更為理想的采光效果。

圖7　遮陽構(gòu)件設(shè)計方案Fig.7　The scheme of shading facility

該構(gòu)件的設(shè)計包含長度與角度兩類共計5個參數(shù)(為了簡化相關(guān)研究工作，材料反射率的探討借鑒前期研究成果)：L1/L2/R1/R2/R3，各參數(shù)的意義于圖7中標(biāo)注；結(jié)合圖表分析、現(xiàn)場條件以及先期的研究積累將5個參數(shù)的取值限定為如下范圍：

L1=950/1050/1150(mm)

L2=2250/2350/2450(mm)

R1=35/45/55(°)

R2=9/12/15(°)

R3=15/20/25(°)

在以上參數(shù)范圍內(nèi)隨機生成一定數(shù)量的參數(shù)組合G，并針對參數(shù)G對應(yīng)的遮陽構(gòu)件求取DFS值。針對若干隨機組合參數(shù)樣本的模擬分析結(jié)果得到，如下5種組合在隨機生成的樣本中采光表現(xiàn)較好：

G1(1050,2350,45,12,20)

G2(1050,2250,45,12,20)

G3(1050,2250,35,15,15)

G4(1050,2350,35,12,20)

G5(1050,2350,45,12,15)

針對5組優(yōu)選數(shù)據(jù)各位置上數(shù)值的交叉互換后生成的小數(shù)量樣本進一步研究分析得出數(shù)據(jù)組合Gopt(1050,2350,45,12,20)的采光表現(xiàn)為優(yōu)選。

2.3　優(yōu)選方案的采光表現(xiàn)

針對采光設(shè)計優(yōu)選方案進行改進后的采光系數(shù)(DFS)的模擬分析，圖8中列出了DFS的比較結(jié)果，從圖中可以明顯看出經(jīng)過參數(shù)優(yōu)化的采光構(gòu)件使得室內(nèi)自然光分布有明顯提升，大進深空間的采光情況得以改善。

總體而言，該采光設(shè)計方案可以使得室內(nèi)自然光環(huán)境達(dá)到較為理想的效果，自然光照度分布均勻度提升明顯，安裝采光構(gòu)件后DFS均值由小幅降低，但是其分布進一步合理，有效改善了近窗部分的過量問題，且提高了大進深區(qū)域的采光情況，通過進一步的研究測試可知原先較為嚴(yán)重的西曬問題由于遮陽構(gòu)件的作用使之影響減輕。

圖8　安裝與未安裝遮陽構(gòu)件的側(cè)窗DFS分布比較Fig.8　The comparison of DFS distribution between side-lit window with and without shading facility

3結(jié)論

經(jīng)過對天空亮度的長時間連續(xù)性的觀測，廣州地區(qū)典型天空亮度模型(CSRS)可以定義為：

CSRS=0.40(OC)+0.24(IM)+0.35(CL)

在該天空亮度分布情況下定義的改進的“采光系數(shù)”(DFS)較之CIE全云天模型下定義的采光系數(shù)可以較好地反映廣州地區(qū)天空亮度分布情況以及建筑物朝向等因素，利用DFS分析建筑采光能力具有一定的合理性。

將建筑物的采光變量(如采光口尺寸、遮陽構(gòu)件等等)參數(shù)化后開展采光模擬分析使得采光問題的量化研究以較高的效率進行，在此基礎(chǔ)上使得采光設(shè)計最優(yōu)化的問題得以程序的形式進行設(shè)計與解決，大大提高了研究的效率與效果，不失為處理建筑采光問題的一種良好的途徑。

(圖片來源：圖1為Sheppard Robson Architects設(shè)計的Siemens中東總部建筑，來源自網(wǎng)絡(luò)圖片；圖4、圖5借用廣州珠江新城B2-10項目建筑項目場地與平面，林毅提供；其余圖片與表格均為課題組成員自繪。)

致謝：感謝J. Alstan Jakubiec博士對于本文研究過程中給予的幫助。

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基于大功率LED的自行車前照燈的設(shè)計

朱雪菘，倪凱凱，林澤文，劉木清

(復(fù)旦大學(xué)電光源研究所，先進照明技術(shù)教育部工程研究中心，上海200433)

Design of A Bicycle Head Lamp Based on Highly Efficient LED

Zhu Xuesong, Ni Kaikai, Lin Zewen, Liu Muqing

(InstituteforElectricLightSources,EngineeringResearchCenterofAdvancedLightingTechnology,

MinistryofEducation,FudanUniversity,Shanghai200433，China)

引言

隨著半導(dǎo)體技術(shù)的不斷發(fā)展，LED在應(yīng)用領(lǐng)域已經(jīng)顯現(xiàn)出了體積小、響應(yīng)快、色域廣、高光效、壽命長及環(huán)保等顯著特點。在汽車應(yīng)用領(lǐng)域，白光LED 已經(jīng)被應(yīng)用于前照燈的設(shè)計[1]。同樣地，高功率LED的特點決定了它在自行車前照燈的運用上也擁有顯著的優(yōu)勢和廣闊的前景。然而，現(xiàn)有許多LED自行車前照燈的品質(zhì)參差不齊，許多都是有高能量密度的光形，而不是具有防眩且符合法規(guī)安全規(guī)范的光形。

良好的照明要在合適的位置提供充足的照明，對于自行車照明，必須達(dá)到提供騎行者清楚的路況照明，又不至于影響對向來車的騎行者的視線要求，讓騎行者能夠做出準(zhǔn)確的判斷。雖然現(xiàn)在大多數(shù)的路段都有路燈設(shè)置，但是對于一些山地自行車愛好者來說，路燈所提供的亮度顯然是不符合需求的，又因為車距與路況的關(guān)系，也常造成照明的死角，因此無法提供自行車的安全照明。此外，在完全沒有夜間照明的路段，自行車所使用的照明設(shè)備，相比之下更為之重要[2]。

近年來，騎乘自行車的人口急速上升，攸關(guān)行車安全性的自行車照明系統(tǒng)變得更加重要。長期以來，歐洲一直是自行車交通發(fā)達(dá)的地區(qū)，對于自行車的行車安全較為重視，車輛的安全燈光與警示配件等皆有完善的法律規(guī)范。 并且車燈的光形需要在正確的設(shè)計下，才能保證足夠的照明且不會對交通安全造成威脅。因此，本文便以一種歐洲常用的自行車前燈法規(guī)為依據(jù)，針對高功率的白光LED，設(shè)計高安全性的自行車前燈。德國StVZO法規(guī)(Economic Commission for Europe)，又稱為K-mark 法規(guī)。本文以編號為StVZO 22A No.23的法規(guī)作為設(shè)計的基礎(chǔ)，設(shè)計滿足中心照度、截止區(qū)域等要求的光形，以提供具有主動安全性的自行車前燈[3]。

1光學(xué)設(shè)計要求

在K-mark的StVZO 22A No. 23規(guī)范中，定義檢測面為距離燈具10 m處之垂直面，如圖1所示。而圖2為規(guī)范檢測面上各量測點位置之示意圖。

圖1　燈具與檢測面示意圖Fig.1　Sketch of lamp and testing

圖2　StVZO 22ANo.23法規(guī)效果圖Fig.2　Effect sketch of StVZO 22ANo.23 regulations

光源距量測點為10 m距離，中心亮點稱為 HV，最亮點稱為Emax。 HV點其照度值需大于10 lx，Emax不得超過HV照度值的1.2倍 。HV向上3.4°的點照度值需小于2lx。HV向下1.5°，向左向右 4° 的點照度值需大于 HV/2。HV向下5°的點照度值需大于 1.5 lx 。HV向下 5°, 再向左向右 4°的點照度值需大于1 lx 。

以上是德國法規(guī)對光形的要求。HV向上3.4°的點照度值小于2 lx 就是要做到明暗截止線，防止車燈影響到對向騎行者的視線。Emax的規(guī)定就是防止單一點的光束過于集中。其他各點的規(guī)范，是為了讓光束可以均勻分布。所以德規(guī)車燈最難設(shè)計的部分有兩個，明暗截止線與光束均勻分布。

2光學(xué)設(shè)計原理

反射器是一種重新分配，控制光源光通量的器件。光源發(fā)出的光經(jīng)反射器反射后，投射到要求的方向。為了提高效率，反射器由高反射率的材料做成。反射器的形式多種多樣，有拋物面反射器，球面反射器，橢球面反射器，雙曲面反射器，柱面拋物面反射器，復(fù)合型反射器等。在車燈設(shè)計中，常用的有復(fù)合型拋物面反射器和橢球面反射器。[4,5]

在拋物面反射器中，母線為拋物線，繞其光軸旋轉(zhuǎn)180°，即構(gòu)成旋轉(zhuǎn)拋物面反射器。描寫母線的方程為

y2=4fx

(1)

式中，f是拋物面的焦距．在極坐標(biāo)系統(tǒng)中，母線的方程為

(2)

式中，ρ為焦點至母線上一點的矢徑，φ是矢徑與極軸之間夾角。

若將一點光源置于完美的拋物面反射鏡的焦點上，則所有的反射光線都將平行于光軸。探照燈和很多投光燈就是按照這一原理設(shè)計的。光源在軸上偏離焦點位置時，光束不再是平行光。當(dāng)光源位于焦點以內(nèi)時，光束發(fā)散；而當(dāng)光源位于焦點以外時，光束先會聚而后再發(fā)散。理想的點光源是不存在的，光源總有一定的尺寸。最大發(fā)散度是發(fā)生在頂點的位置上，最大發(fā)散角α0為

(3)

式中，r為光源半徑，f為拋物面反射器焦距，在角α0以外沒有反射光。最大發(fā)散角的原理同樣可以應(yīng)用在反射器的投影面上，靠近光源的區(qū)域產(chǎn)生最大的投影面積，在前照燈光型中起到擴散的作用；同時，較小的投影面積起到熱點(匯聚)的作用。

對于橢球面反射器，母線為橢圓。橢圓方程的表達(dá)式為

(4)

a2-b2=c2

(5)

式中，a和b為橢圓的長短半軸，c為焦點至坐標(biāo)原點的距離。橢圓有兩個焦點。若一個點光源放置在一個焦點F上，則反射光線將通過另一個焦點F′。有一個有趣的應(yīng)用例子：將橢球反射器在AB處切開，所有的光線看上去都是從焦點F′出的。如果在AB處加上一個蓋子，但中央留一個孔，則使所有的光線仍然能夠通過。在某些情況下可以利用這一性質(zhì)，通過一個狹小的開口發(fā)射出發(fā)散的光來，這樣可以很容易地隱蔽光源[6]。

3LED自行車燈的光學(xué)設(shè)計

根據(jù)K-mark的StVZO 22A No.23規(guī)范，我們大概可以把它分為兩個部分，如圖3所示。第一部分為主要亮區(qū)，光形設(shè)計為水平延伸，但在V-V方向也要有良好的對比度。而第二部分，則為較寬的次要亮區(qū)。

圖3　K-mark效果圖分析Fig.3　Effect analysis for K-mark

本文采用的白光LED光源為CREE公司的 XP-E2 白光LED，光通量122lm @350mA，尺寸3.45mm×3.45mm，色溫5000K。

在K-mark規(guī)范中，主要亮區(qū)的光形需要在垂直方向上有很好的對比度，而且在水平方向也有足夠的延伸，所以本文利用橢球面反射器加水平拉伸的拋物面的結(jié)構(gòu)，如圖4所示。

圖4　光源在SolidWorks中的3D模型三視圖Fig.4　3D modeling three view of the light source in solidworks

由圖4所示，下方結(jié)構(gòu)是一個橢球面反射器，上方結(jié)構(gòu)是一個復(fù)合拋物面反射器，其中光源與橢球面第一反射器焦點重合，拋物面反射器焦點與橢球面第二焦點重合。橢球面反射器與水平拉伸拋物面通過機械螺絲固定連接。

橢球面反射器主要起到預(yù)先收集光能量的作用，這樣使得出光角度更小，效率也顯著提高。水平拉伸的復(fù)合拋物面反射器由3塊拋物面繞著不同的旋轉(zhuǎn)中心旋轉(zhuǎn)而成。這樣的水平拉伸拋物面設(shè)計是為了滿足達(dá)到垂直照度面的光形照度分布要求。使其既有清晰的明暗截止線，防止車燈影響到對方騎車人的視線，又能讓光線可以相對均勻分布，且讓光形下方有一定數(shù)量的光線進行照亮。

該光源模型的尺寸最大處為7.5cm，體積小，靈活易安裝，符合自行車前照燈的設(shè)計要求。

4實驗結(jié)果

在軟件TracePro中，設(shè)置點光源的出光角度為朗伯體發(fā)光，光通量122lm，模擬的總光線數(shù)為10000條，接受面距離光源10m，模擬光路圖如圖5所示。

圖5　TracePro光線追跡示意圖Fig.5　Effect sketch of light in Tracepro

根據(jù)軟件TracePro的仿真結(jié)果，距離光源10m遠(yuǎn)處接受面的光形及照度分布如圖6所示。

仿真結(jié)果符合K-mark法規(guī)設(shè)計要求，具有清晰的明暗截止線，光束均勻分布，并且也有較高的能量向下延伸。

實際模型如圖7所示。

在實際測量中，在暗室里先用直流電源把LED點亮，在350mA穩(wěn)定點亮30 min后，在距離光源正前方10m處的接收面上進行照度的測試，光形分布如圖8所示，各點照度值如表1所示。

圖6　TracePro仿真結(jié)果Fig.6　Simulation result in Tracepro

圖7　實際模型圖Fig.7　Physical design model

圖8　實測光型圖Fig.8　Measured light spot

—A1.51lx(<2lx)—L112.36lx(>HV/2)HV19.55lx(>10lx)R112.36lx(>HV/2)—2Emax=22.10lx(<1.2HV)—L42.4lx(>1lx)33.92lx(>1.5lx)R42.4lx(>1lx)

由實測結(jié)果可知，本文設(shè)計的大功率自行車前照燈符合K-mark法規(guī)的設(shè)計要求。

5誤差分析

對比TracePro仿真模擬結(jié)果和實測光形結(jié)果，實測光形的各點照度值低于仿真結(jié)果，其誤差主要來源于以下幾點：

第一，在仿真模擬中，反射器被設(shè)為理想鏡面反射，反射率為100%。但是實際加工選用的鏡面材料是鋁膜, 其反射率為86.7%。因此實際測試結(jié)果中各點照度會低于仿真結(jié)果。

第二，在自行車燈的光學(xué)設(shè)計和TracePro仿真模擬中，光源按照點光源進行設(shè)計和模擬仿真，但在實際加工過程中，選配的LED光源型號為CREE公司的 XP-E2 白光LED，LED尺寸為3.45mm×3.45mm，并不能視作理想的點光源，因此會對最終光型分布產(chǎn)生影響。

第三，加工過程受制于加工精度，制造出的反射器并非完全符合設(shè)計的要求，特別是在離散反射面交接處不能很好地處理過渡臺階，導(dǎo)致該處反射的光線發(fā)生偏移。

第四，從系統(tǒng)設(shè)計的光源到反射器的不同部件，裝配過程中的位置偏移也會對最終的光斑分布造成影響。

綜合以上原因，實測結(jié)果中的照度表現(xiàn)為數(shù)值上低于仿真結(jié)果，分布上也存在一定差異，但是整體光形及分布與仿真結(jié)果基本一致。并且實測結(jié)果符合K-mark法規(guī)的詳細(xì)設(shè)計要求，因此該自行車燈設(shè)計可以滿足自行車照明的需求。

6結(jié)論

近年來，由于新型LED的高速發(fā)展，使LED的優(yōu)勢能在更多的領(lǐng)域得以充分地利用。本文以CREE高功率冷白光LED為光源，在350 mA的直流驅(qū)動下設(shè)計了高安全性的符合德國K-mark的StVZO 22A No.23法規(guī)的自行車前照燈。其體積微小，適合自行車照明的需求。本文利用了橢球面反射器加水平拉伸的拋物面的結(jié)構(gòu)以達(dá)到明暗截止線和均勻的光分布的要求，提供了行車安全性，不僅為騎行者提供了一個安全的行車環(huán)境，也保障了行路人和對向騎行者的人身安全。而更加清晰的截止線問題將在未來的設(shè)計中進行進一步的優(yōu)化和改進。

[1] STEIGERWALD D A, BHAT J C, COLLINS D, et al. Illumination with solid state lighting technology. IEEE Journal of Selected Topics in Quantum Electronics 2002;8:310-320.

[2] 蔡直佑,羅翊戩,陳今尉,等. 高功率LED自行車車前燈之光學(xué)設(shè)計[C]//海峽兩岸第十八屆照明科技與營銷研討會.北京：中國照明學(xué)會，2012.

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[4] 魏輝, 李禮夫. 基于光源利用率的投射式汽車前照燈近光配光設(shè)計[J]. 照明工程學(xué)報, 2012,23(2):102-107.

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[6] 徐晨潔. LED汽車近光燈的光學(xué)設(shè)計[D]. 上海：復(fù)旦大學(xué), 2009.

老年居住建筑照明標(biāo)準(zhǔn)的研究

李農(nóng)，梁凱

(北京工業(yè)大學(xué)城市照明規(guī)劃設(shè)計研究所，北京100022)

Research on Lighting Standards of the Elderly Residential Buildings

Li Nong, Liang Kai

(UrbanLightingPlanningandDesignResearchInstitute，Beijing100022,China)

引言

根據(jù)2010年我國第六次人口普查的結(jié)果，我國60歲及其以上人口數(shù)量已經(jīng)占人口總數(shù)的13.26%，相關(guān)預(yù)測研究表明[1]，到2020年我國60歲及其以上人口將占到總?cè)丝诘?6.7%。按照聯(lián)合國的標(biāo)準(zhǔn)，當(dāng)一個國家或地區(qū)60歲以上人口達(dá)到總?cè)丝诘?0%，或者當(dāng)65歲以上人口占總?cè)丝诘?%，即視為該地區(qū)進入老齡化社會，這預(yù)示著當(dāng)前中國的老齡化形勢正日益嚴(yán)峻。

隨著我國逐漸進入老齡化社會，養(yǎng)老問題的解決和養(yǎng)老設(shè)施的建設(shè)迫在眉睫，針對老年人視覺特點進行有針對性的照明設(shè)計顯得十分緊迫和重要，然而我國養(yǎng)老設(shè)施的照明設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)卻近乎空白。伴隨著人口老齡化問題的日益突出，越來越多的國家正在關(guān)注養(yǎng)老問題和養(yǎng)老設(shè)施的建設(shè)問題，但目前世界各國養(yǎng)老設(shè)施的照明設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)均還不夠完善。

1老年人視覺現(xiàn)象

隨著年齡的增長，老年人的眼睛跟大腦在生理和神經(jīng)上都會逐漸退化，導(dǎo)致其感覺器官變得遲鈍，其視力也會隨之下降，另外，老年人還會出現(xiàn)生理性老視、色覺改變、視覺適應(yīng)能力改變、對比敏感度下降、對眩光敏感和視野變小等視覺變化。老年人視力的衰退雖然有中樞神經(jīng)部分衰弱的原因，但主要的原因還是由于眼睛結(jié)構(gòu)的光學(xué)變化造成的。

1.1　透過率

隨著年齡的增長，人類視覺系統(tǒng)的生理變化會導(dǎo)致人眼整體的透過率降低。北美照明學(xué)會發(fā)布的《老年住居視覺環(huán)境與照明規(guī)程》[2](ANSI/IES RP-28-96)中的研究結(jié)果表明(圖1)，相對于25歲的年輕人而言，50歲的人眼透過率會降低約40%，而75歲的人眼透過率會降低近80%。筆者對上述數(shù)據(jù)進行數(shù)學(xué)擬合后得到下列計算公式：

τ=-1.58y+140.45

(1)

式中：τ為人眼的相對透過率；y為年齡。

圖1　年齡和相對透射率的關(guān)系Fig.1　The relationship between age and transmission rates

1.2　瞳孔直徑

隨著年齡的增長人類瞳孔直徑的變小也會導(dǎo)致眼睛進光量的減少，根據(jù)Marc Green的研究結(jié)果[3](圖2)，相對于20歲的年輕人，白天50歲的人眼瞳孔直徑縮小約25%，而80歲的人眼瞳孔直徑縮小約51%，夜晚差異更大，分別達(dá)到37%和69%。

圖2　年齡與瞳孔直徑的關(guān)系Fig.2　The relationship between age and the pupil diameter

2老年人照明需求的變化

2.1　亮度水平

照明所需的亮度水平除受年齡影響外，還與人的視覺特性存在密切關(guān)系，國際照明委員會發(fā)布的《增強光和照明的應(yīng)用指南》[4](CIE 196—2011)中的研究結(jié)果表明(圖3)，當(dāng)取同等條件下的20~29歲組和60~69歲組相比較時，不同精細(xì)工作(不同視敏度)情況下，要獲得同等視敏度時，老年人和年輕人所需的亮度水平差異在不同精細(xì)工作情況下有所不同：高精細(xì)工作情況下，亮度水平差異達(dá)到10倍；中等程度精細(xì)工作情況下，亮度水平差異達(dá)到4倍；而非精細(xì)工作情況下，亮度水平差異也達(dá)到2倍。由此可見，視覺系統(tǒng)的變化可以通過適當(dāng)?shù)牧炼人絹硌a償?？偟膩砜矗羧∑渲形粩?shù)(對應(yīng)中等程度精細(xì)工作)，亮度水平差異應(yīng)在4倍左右，而且最少應(yīng)在2倍(非精細(xì)工作)，可見老年人總是比年輕人需要更高的亮度水平，但其比例與視覺特性(視覺工作的精細(xì)程度)有關(guān)。

圖3　不同年齡人群視覺敏感度與亮度Fig.3　The relationship between visual sensitivity and brightness of different age groups

2.2　對比度

對比度是影響人類視功能的又一個重要因素。隨著年齡的增長，眼睛生理機能的退化會影響到老年人的對比靈敏度，導(dǎo)致其隨年齡的增長而降低，造成這種現(xiàn)象的主要原因是光在眼睛內(nèi)部的散射效應(yīng)所導(dǎo)致的。

ANSI/IES RP-28-96中的研究結(jié)果表明(圖4)，當(dāng)選擇20~65歲的年齡段進行比較，要獲得同等視敏度時，老年人和年輕人所需的對比度差異在不同滿意人群比例、不同年齡情況下有所不同，取20歲與60歲比較的結(jié)果：高滿意人群比例(95%)情況下，老年人要求的對比度是年輕人的5.5倍；低滿意人群比例(50%)情況下，老年人要求的對比度是年輕人的2.3倍。

圖4　年齡與對比度的關(guān)系(同等視敏度情況下)Fig.4　The relationship between age and contrast

2.3　眩光

老年人眼睛屈光的介質(zhì)變化會導(dǎo)致老年人眼內(nèi)光線散射數(shù)量的增加，CIE 196—2011中的研究結(jié)果表明(圖5)，同樣視覺環(huán)境下落在70歲老年人視網(wǎng)膜上的散射光線是20歲年輕人的2倍，從總體上來看，老年人視網(wǎng)膜上的散射光線至少是年輕人的1.5倍以上，這種現(xiàn)象的發(fā)生無疑加劇了眩光對老年人的影響。

圖5　年齡與眼內(nèi)散射的關(guān)系Fig.　The relationship between age and intraocular scattering

不舒適眩光的生理基礎(chǔ)至今未完全明晰化，顯然從視覺生理上看，角膜、瞳孔、晶狀體、玻璃體和視網(wǎng)膜等的變化都可能引起眩光感覺的變化，因此至少目前的階段還難以精確計算。因為透過率和散射量存在密切關(guān)系，故筆者僅僅通過透過率進行了簡單測算。根據(jù)式(1)可以計算出相對25歲年輕人100%的透射率而言，60歲老年人眼睛的透射率僅有45.7%，然后帶入統(tǒng)一眩光值UGR的計算公式不難算出：

UGR(60) = UGR(25) - 2.72

(2)

式中:UGR(60)，UGR(25)分別為60歲和25歲年齡透射率數(shù)據(jù)計算的UGR值。

由此不難看出由于眼睛透射率的降低所引起老年人眩光的影響，應(yīng)使老年人照明的UGR值相對于年輕人提高2.72個單位，如果再考慮其它因素的作用，綜合來看老年人照明的眩光防護等級(UGR)相對于年輕人提高3個單位，即1個等級是適宜的。

此外，因老年人視覺收縮調(diào)節(jié)能力的下降，視覺適應(yīng)能力也隨之改變，故與年輕人相比需要更高的照明均勻度，因此確保室內(nèi)空間光線的均勻性十分重要。而且科學(xué)研究表明，老年人對顏色的感受性也降低，特別是短波段的藍(lán)、綠色更為明顯，相對來講，老年人對長波段的暖色光相對更為敏感，因此，照明光源的色溫應(yīng)采用暖色調(diào)(低色溫)。另外，對于光源的顯色指數(shù)Ra而言，理論上也與年齡有關(guān)，但現(xiàn)實中影響不大，只要Ra大于80基本可以滿足老年人照明的需求。

3照明推薦標(biāo)準(zhǔn)

3.1　國內(nèi)外老年居住建筑照明設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)的比較

由于我國對老年人照明設(shè)計的研究起步較晚，所以現(xiàn)階段對老年人視覺和照明的研究與實踐應(yīng)用還處于初級的階段，還沒有系統(tǒng)的老年人活動環(huán)境的照明標(biāo)準(zhǔn)以及照明設(shè)計方法的指南等，在《建筑照明設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)》[5](GB 50034—2013)中也只是增加了老年人臥室、起居室、閱覽室的照度標(biāo)準(zhǔn)。

國外很多國家由于進入老齡化的時間比我國早，所以對老年人視覺和照明環(huán)境的研究相對起步也早，很多國家和機構(gòu)已經(jīng)在老年人視覺特性、老年人活動環(huán)境的照明標(biāo)準(zhǔn)、照明方法、照明器材和管理等方面進行了一定深度的研究，即使這樣，縱觀國外主要經(jīng)濟發(fā)達(dá)地區(qū)或國家的老年居住建筑照明標(biāo)準(zhǔn)大多也不完善，如表1所示。表中選取了我國、美國和日本兩個典型發(fā)達(dá)國家的代表性的兩類標(biāo)準(zhǔn)(成年人和老年人)進行了比較。表中括弧內(nèi)場所名稱表示選取GB 50034—2013中的場所名稱。從比較的結(jié)果來看有以下特征：

1)ANSI/IES RP-28-96(2007)老年人照度標(biāo)準(zhǔn)體系最為完善；

2)我國老年人相關(guān)的照度標(biāo)準(zhǔn)值相對于成年人的照度標(biāo)準(zhǔn)值是翻倍或增加一個照度等級的關(guān)系；

3)美國和日本老年人相關(guān)的照度標(biāo)準(zhǔn)值相對于成年人的照度標(biāo)準(zhǔn)值增加的幅度比我國的要大。

總體來看，我國的照度標(biāo)準(zhǔn)值相對偏低，當(dāng)然成年人照度標(biāo)準(zhǔn)值的情況也同樣。

此外，我國老年住宅或養(yǎng)老設(shè)施的室外照明設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)尚為空白，縱觀國內(nèi)外主要經(jīng)濟發(fā)達(dá)地區(qū)或國家，相關(guān)的設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)也不完善，由于相關(guān)資料更少，而且是支離破碎的，筆者順帶對美國和日本資料進行了大量的收集，試圖從中拼湊出一個完整的體系或結(jié)構(gòu)，以方便設(shè)計師使用。

表1　國內(nèi)外老年居住建筑室內(nèi)照明設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)的比較

注：*—混合照明照度；◆—閱讀所需照度與字體大小有關(guān)，此處選擇的是中等字體大小對應(yīng)的數(shù)值；★—餐廳所需照度與餐廳類型有關(guān)，此處選擇的是照度最高的快餐廳數(shù)值；●—日本照明手冊所給出的照度值一部分針對場所，一部分針對所作工作，表1中數(shù)值由筆者對號入座。

3.2　老年人照明設(shè)計推薦標(biāo)準(zhǔn)

照明標(biāo)準(zhǔn)的制定首先需要考慮的是視覺工作的精細(xì)程度，其次需要考慮的是視覺對象的類型，如青少年、成年人或老年人，除此之外還需要考慮國家的整體實力或經(jīng)濟發(fā)展水平，綜觀全球發(fā)達(dá)國家的標(biāo)準(zhǔn)水平均高于發(fā)展中國家和不發(fā)達(dá)國家，從我國照明標(biāo)準(zhǔn)的進化過程就可以驗證上述結(jié)論，總之，制訂照明設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)必須綜合全面考慮多方面的影響因素。

針對上述老年人視覺和照明的技術(shù)分析，不論是亮度水平、亮度對比還是眩光指標(biāo)，老年人相對成年人均需要有所提高，才能補償由視力衰退所造成的識別水平降低。從亮度水平、亮度對比的研究結(jié)果可以看出，提高的倍率至少1倍，最佳是3倍；由眩光的研究結(jié)果可以看出，老年人照明的眩光防護等級(UGR)相對于年輕人應(yīng)提高1個等級。

從目前我國居住建筑照明設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)中僅有的幾個數(shù)值可以看出，它們相對于成年人的標(biāo)準(zhǔn)均是翻倍或提高一個照度等級的關(guān)系，即2∶1的關(guān)系。再從美國IESNA-2011來看，青少年、成年人與老年人照度標(biāo)準(zhǔn)的關(guān)系是1∶2∶4，也是翻倍的關(guān)系，這說明標(biāo)準(zhǔn)值都只是保證最低限度要求而非最佳比例關(guān)系，雖說美國IESNA—2011成年人的照明標(biāo)準(zhǔn)總體上高于我國同類標(biāo)準(zhǔn)，但針對老年人照明增加的倍率與我國相同，鑒于此筆者根據(jù)上述原則，結(jié)合老年人的視覺特點，編制了老年住宅和養(yǎng)老設(shè)施建筑室內(nèi)外照明推薦標(biāo)準(zhǔn)，見表2～表4。

表2　老年住宅建筑照明推薦標(biāo)準(zhǔn)

注：表2中，*—混合照明照度。

表3　養(yǎng)老設(shè)施建筑照明推薦標(biāo)準(zhǔn)

注：表3中，*—混合照明照度。

表4　老年居住建筑室外照明推薦標(biāo)準(zhǔn)

注：表4中，水平照度為路面最小平均照度；活動區(qū)垂直照度為距地面1.5m高處的最小垂直照度；其他垂直照度為道路中心線距路面1.5m高處，且法線與道路軸線平行的垂直面上最小照度。

4結(jié)束語

通過上述針對老年人照明的研究，可以發(fā)現(xiàn)照明對老年人的生活質(zhì)量至關(guān)重要，而且由于眾所周知的原因，生活于養(yǎng)老設(shè)施中的老年人身體障礙的嚴(yán)重程度比生活于非養(yǎng)老設(shè)施的同齡老年人嚴(yán)重得多，因此應(yīng)更為關(guān)注養(yǎng)老設(shè)施的照明質(zhì)量。面對我國已進入老齡社會的嚴(yán)峻現(xiàn)實，照明設(shè)計師應(yīng)為老

年人創(chuàng)造一個良好的室內(nèi)外照明環(huán)境，才能帶給老年人高品質(zhì)的晚年生活。

[1] 全國老齡工作委員會辦公室. 中國人口老齡化發(fā)展趨勢預(yù)測研究報告[R]. 2006.

[2] ANSI， IES RP-28-96. Recommended Practice for Lighting and the Visual Environment for Senior Living [S]. IESNA，2007.

[3] 劉煒，楊春寧，陳仲林．老年人住宅照明光環(huán)境 [J]． 照明工程學(xué)報，2001，12(3)：14.

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[7] 日本工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)調(diào)查會. 照明標(biāo)準(zhǔn)總則：JISZ 9110—2010[S]. 日本規(guī)格協(xié)會，2010.

[8] 日本照明學(xué)會.照明手冊[M].李農(nóng)，楊燕,譯.北京：科學(xué)出版社，2005.

大功率交流供電LED工業(yè)X射線觀片燈設(shè)計

余健1，鄭國恒1，黃新超2

(1.鄭州大學(xué)物理工程學(xué)院，河南 鄭州450001;2.鄭州德隆檢測設(shè)備有限公司，河南 鄭州450004)

引言

X射線檢測是無損檢測中應(yīng)用較為廣泛、成熟的檢測技術(shù)，常以膠片作為記錄信息的工具。工業(yè)X射線底片往往需要具有較高的黑度，才可得到滿足評片需求的對比度，這就必然對觀片燈要求的提高[1]。國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 19802—2005對底片不同黑度級別，觀片燈評片亮度提出了新的最低要求，傳統(tǒng)觀片燈亮度往往不能滿足其中黑度大于4.5時要求最小屏亮度的要求[2]。

針對目前工業(yè)X射線觀片燈不能滿足高黑度底片的評片需求等問題，本文設(shè)計一種基于PT4207驅(qū)動芯片的交流供電大功率LED工業(yè)X射線觀片燈。它基于PT4207驅(qū)動電路設(shè)計簡單可靠，帶有填谷式PFC電路，實現(xiàn)高功率因數(shù)和恒流驅(qū)動功能，兼有亮度可穩(wěn)定調(diào)節(jié)、散熱性能良好、操作方便等特點。

1LED電學(xué)特性

LED由一個PN結(jié)組成，伏安特性和普通二極管相似，伏安特性曲線如圖1所示。LED正向?qū)〞r，正向電壓UF微小變化會引起正向電流IF較大的變化，導(dǎo)致輻射光強較大范圍的改變。加在LED兩端的整流濾波輸出電壓往往隨著電網(wǎng)電壓的波動產(chǎn)生變化，采用恒壓源驅(qū)動往往不能保證LED亮度的一致性。因此，LED驅(qū)動通常采用恒流源驅(qū)動。

圖1　LED的伏安特性曲線Fig.1　The volt-ampere characteristics curve of LED

2供電方式選擇

LED驅(qū)動電路的作用是將供電電源轉(zhuǎn)換成適合LED工作的直流電流，根據(jù)供電電源的類型，可分為直流供電和交流供電。

2.1　直流供電

直流供電電源來源于直流電源，如干電池、蓄電池和直流電源模塊等，可直接提供較為穩(wěn)定的直流電流。LED驅(qū)動電路設(shè)計較為簡單，體積較小。由于供電電壓較低，一般低于24V，大功率驅(qū)動需要提供較大的電流值，導(dǎo)致系統(tǒng)設(shè)計復(fù)雜性提高和可靠性降低，因此直流供電LED驅(qū)動電路比較適合中小功率型LED驅(qū)動應(yīng)用。

2.2　交流供電

交流供電電源直接來源于交流電網(wǎng)，這是LED驅(qū)動最有前景、最有價值的供電方式，交流供電方式的研究也有利于推進LED照明的普及。交流供電方式的基本架構(gòu)可分兩大部分：AC/DC電壓變換部分和DC/DC恒流變換部分。AC/DC電壓變換部分主要是將市電220V交流電變換成可用于驅(qū)動芯片控制的直流電，DC/DC恒流變換部分用于驅(qū)動芯片將直流電轉(zhuǎn)換成適合LED工作的直流電流，交流驅(qū)動的一般架構(gòu)如圖2所示[3]。

圖2　LED交流驅(qū)動電源一般架構(gòu)Fig.2　The common architecture of LED AC power driver

3基于PT4207的DC/DC恒流轉(zhuǎn)換原理

基于PT4207的PWM調(diào)光驅(qū)動電路是一種峰值電流檢測、固定關(guān)斷時間的PWM控制型DC/DC恒流變換電源?；赑T4207的恒流驅(qū)動原理圖可簡化如圖3所示，圖中輸入電壓Uin即為前級AC/DC電壓變換模塊的輸出直流電壓。

根據(jù)電流在一個周期內(nèi)是否降為零，電感L的工作模式可分為電感電流連續(xù)模式(CCM)和電感電流斷續(xù)模式(DCM)。CCM模式下電感電流連續(xù)變化且不會降為零，DCM模式下開關(guān)管Q關(guān)斷時間內(nèi)電感電流會降為零。選擇合適的電感值，使得這里的電感L工作于CCM模式。根據(jù)開關(guān)管Q的開啟和關(guān)斷狀態(tài)，電感L一個工作周期可分為兩部分，即開啟周期和關(guān)斷周期。

圖3　基于PT 4207恒流驅(qū)動示意圖Fig.3　The sketchy diagram of constant current driver based on PT 4207

1)峰值電流檢測：當(dāng)開關(guān)管Q開啟時， LED負(fù)載電流由Vin提供，電流由Vin流經(jīng)LED、電感L、開關(guān)管Q以及采樣電阻Rcs進入地線，如圖3中實線箭頭方向所示。電感L兩端加正向電壓，電流值增大。PT4207利用采樣引腳CS通過采樣電阻Rcs對電感電流進行采樣，到達(dá)峰值Ipk時，CS引腳電壓達(dá)到內(nèi)部參考電壓Uref，即通過GATE控制開關(guān)管的關(guān)斷。其中，峰值電流Ipk由外接電阻Rcs大小決定。

2)固定關(guān)斷時間：電感電流達(dá)到峰值Ipk時，電感工作即進入關(guān)斷周期。關(guān)斷周期負(fù)載LED的電流由電感L提供，電感電流IL經(jīng)二極管D流向負(fù)載LED，如圖3中虛線箭頭防線所示。電感兩端電壓為負(fù)值，電感電流逐漸下降。PT4207控制GATE引腳經(jīng)過固定的關(guān)斷時間Toff重新開啟開關(guān)管Q，使電感工作重新進入開啟周期。其中，關(guān)斷時間Toff由外接電阻Roff阻值確定。

電感電流波形如圖4所示，電流到達(dá)峰值Ipk即進入固定的關(guān)斷時間Toff，CCM模式下，平均電流值為Iavg，如圖4中實線所示。

圖4　CCM模式下電感電流波形示意圖Fig.4　The sketch diagram of inductive current waveform on CCM

3)PWM控制：PT4207專用調(diào)光引腳DIM通過PWM脈沖對電感平均電流進行控制。DIM管腳輸入高電平時，電感工作于CCM模式，平均電流Iavg最大，如圖5(a)中實線所示，記為Imax；DIM管腳輸入低電平時，開關(guān)管處于截止?fàn)顟B(tài)，電感平均電流達(dá)到最??；當(dāng)DIM管腳輸入占空比為D的PWM調(diào)光脈沖時，電感平均電流Iavg為

Iavg=D×Imax

如圖5(d)中實線所示，電感平均電流值由PWM調(diào)光脈沖占空比的改變而改變，負(fù)載LED與電感串聯(lián)，即實現(xiàn)對LED亮度的調(diào)節(jié)。

圖5　PWM調(diào)光過程電流波形示意圖Fig.5　The process of PWM dimming current waveform sketchy diagram

4LED觀片燈設(shè)計實現(xiàn)

4.1　方案總體框圖

方案實現(xiàn)框圖如圖6所示。輸入交流電分兩路，一路經(jīng)降壓模塊分為12V和5V兩個高穩(wěn)定性直流電壓，分別給風(fēng)扇和微控制器芯片供電；另一路經(jīng)AC/DC電壓變換和DC/DC恒流變換，在LED驅(qū)動芯片的控制下給LED陣列恒流供電。調(diào)光輸入模塊實現(xiàn)人機交互，通過觸摸按鍵對觀片燈進行調(diào)光[6]。

PWM調(diào)光脈沖的傳輸通道需加一光電耦合器，將LED驅(qū)動電源和微控制器電源隔離開，并保證PWM信號傳遞的單向性。溫度傳感器采集觀片燈的溫度信息，用于微控制器對風(fēng)扇啟停及轉(zhuǎn)速的控制。

圖6　方案總體框圖Fig.6　The total block diagram of the scheme

4.2　LED陣列的排列

LED觀片燈的光源往往采用LED燈珠按一定形式排列的平面陣列，以滿足光源的大功率性。大功率LED燈珠一般發(fā)光面較小、光通量大、光能較集中，但是大功率LED陣列往往散熱性能差、眩光較嚴(yán)重、發(fā)光均勻性無法滿足要求；小功率LED 陣列可較好地滿足發(fā)光均勻性要求，散熱、眩光等問題容易解決，但完成相同功率往往需要增加LED數(shù)量，LED陣列面積較大[5]。

圖7　LED陣列排列方式Fig.7　The arrangement of LED array

根據(jù)測試情況，綜合考慮觀片燈窗尺寸、LED陣列功率等問題，本方案LED燈珠選擇深圳某公司推出的大功率LED系列，產(chǎn)品型號為：STPC3-3628XB，單顆燈珠功率1W，發(fā)光角度為120°，發(fā)光效率80~110lm/W,工作電流為300mA[7]。LED陣列中燈珠以矩形陣列形式排列，燈珠總數(shù)為150，可提供150W的LED照明功率。LED陣列采用混聯(lián)的方式，在物理上呈25×6排列，邏輯上呈50×3排列，即每列3個LED并聯(lián)成一組，25組串聯(lián)成一路，上下兩路再串聯(lián)，如圖7所示。考慮到觀片燈窗的尺寸、散熱和發(fā)光均勻性等問題，LED陣列等間距均勻排列，間距取1.1cm。

4.3　散熱系統(tǒng)

基于目前的半導(dǎo)體制造技術(shù)，LED燈珠正常工作以熱能的形式消耗掉的輸入電能仍占大部分。LED結(jié)溫的高低直接影響到LED發(fā)光效率、器件壽命、發(fā)射波長等，因此對于大功率LED應(yīng)用設(shè)計，導(dǎo)熱散熱是一個極為關(guān)鍵的問題。對于觀片燈來說，觀察窗的升溫可能導(dǎo)致底片變形而影響評片質(zhì)量,給用戶的操作帶來不便。

LED燈珠的結(jié)溫主要由環(huán)境溫度和PN結(jié)到環(huán)境的熱阻所決定，可見設(shè)計LED散熱系統(tǒng)的關(guān)鍵在于減小PN結(jié)和環(huán)境的熱阻[7]。綜合考慮LED觀片燈的工作環(huán)境，本方案用到的散熱方法主要有增加外部熱沉和主動散熱兩種。

1)增加外部熱沉：外部熱沉是以熱傳遞的形式散熱，焊接LED陣列的線路板取熱阻較小的鋁基板，并通過導(dǎo)熱硅膠將鋁基板和散熱片緊密粘連。散熱片散熱面積大，導(dǎo)熱性能良好，有利于減小系統(tǒng)熱阻。

2)主動散熱：主動散熱的做法是增加風(fēng)扇，以熱對流的形式增強散熱。本方案設(shè)計三個風(fēng)扇用于觀片燈的主動散熱，一個主要用于增強散熱片的散熱，剩余兩個風(fēng)扇裝于觀片燈機殼兩相對的側(cè)面，形成對流，用于增強機殼內(nèi)部與外環(huán)境間的散熱?？紤]到觀片燈的亮度可調(diào)，長時間工作于不同亮度必然產(chǎn)生一定的溫度梯度。溫控風(fēng)扇自動調(diào)速是通過溫度傳感器采集溫度信息，微控制器根據(jù)溫度信息按一定溫度梯度調(diào)節(jié)風(fēng)扇轉(zhuǎn)速[6]。

4.4　調(diào)光輸入模塊

觀片燈工作模式有三種：一種待機模式和兩種調(diào)光模式。調(diào)光模式分為手動調(diào)光模式和腳踏調(diào)光模式，該模式下觀片燈亮度可調(diào)。退出調(diào)光模式時，記錄此時的調(diào)光數(shù)據(jù)，下次進入該調(diào)光模式可恢復(fù)上次調(diào)光亮度。當(dāng)觀片燈退出調(diào)光模式，便進入待機工作模式，該模式下PWM調(diào)光脈沖占空比固定，亮度不可調(diào)，等待調(diào)光模式的切換。

圖8　調(diào)光輸入模塊框圖Fig.8　The input of dimming module block diagram

如圖8所示，調(diào)光輸入由四個按鍵組成， UP、DOWN和HAND按鍵為觸控輸入，由觸摸感應(yīng)器ST04D驅(qū)動，F(xiàn)OOT按鍵由開關(guān)實現(xiàn)。當(dāng)微控制器檢測到UP按鍵按下則增大PWM調(diào)光脈沖占空比，增大負(fù)載LED的平均電流以增大觀片燈的亮度；檢測到DOWN按鍵按下則減小PWM調(diào)光脈沖占空比，減小負(fù)載LED的平均電流以減小觀片燈的亮度。微控制器運行時保存PWM調(diào)光占空比，再次進入該調(diào)光模式可恢復(fù)上次設(shè)定觀片燈亮度。

腳踏調(diào)光模式由FOOT開關(guān)觸發(fā)進入，由MCU高優(yōu)先級外中斷實現(xiàn)，在腳踏調(diào)光模式下無法進入手動調(diào)光模式；手動調(diào)光模式由HAND觸摸輸入觸發(fā)進入，由MCU低優(yōu)先級外中斷實現(xiàn)。腳踏調(diào)光模式在腳踏開關(guān)閉合后進入，腳踏開關(guān)斷后退出，只觸發(fā)一次中斷；手動調(diào)光模式在HAND按鍵按下后進入，再次按下后退出，觸發(fā)兩次中斷[6]。

4.5　微控制器部分

微控制器模塊功能主要分為兩大部分：一是檢測調(diào)光模塊輸入而輸出PWM調(diào)光脈沖，用于調(diào)節(jié)觀片燈亮度；二是分析溫度傳感器采集的溫度信息而輸出另一路PWM信號用于調(diào)節(jié)風(fēng)扇的轉(zhuǎn)速[6]。

微控制器芯片選擇深圳宏晶公司的STC12C5410AD單片機，5V電源供電，時鐘選擇外部8MHz的無源晶振，內(nèi)部集成Max810專用復(fù)位電路。AC/DC電源模塊將220V交流電轉(zhuǎn)成12V直流電用于給風(fēng)扇供電，再由DC/DC模塊轉(zhuǎn)成5V的穩(wěn)定性較好的直流電給單片機供電。

主程序流程如圖9所示。剛開機時系統(tǒng)完成對I/O口、定時器、外中斷等片上外設(shè)初始化后，便進入待機模式，PWM脈沖占空比不可調(diào)；模式判定用于等待著調(diào)光模式的切換，若無調(diào)光模式切換信號觸發(fā)，則保持待機模式；調(diào)光模式由外中斷觸發(fā)進入，進入調(diào)光模式后，先恢復(fù)上次在該模式下退出時的調(diào)光數(shù)據(jù)，若開機第一次進入調(diào)光模式則恢復(fù)一預(yù)設(shè)定值；檢測UP和DOWN按鍵,UP按鍵按下，則增大PWM調(diào)光脈沖占空比，DOWN按鍵按下則減小PWM調(diào)光脈沖占空比。主程序最后返回模式判斷，如此循環(huán)工作。

圖9　主程序流程圖Fig.9　The flow diagram of main program

為保證溫控散熱系統(tǒng)的實時性，溫度調(diào)控由定時器中斷的方式實現(xiàn)。定時器以固定的時間間隔產(chǎn)生中斷，在中斷服務(wù)子程序中采集溫度信息，然后按照預(yù)設(shè)溫度梯度，輸出不同占空比的PWM脈沖對風(fēng)扇轉(zhuǎn)速進行調(diào)節(jié)。圖10所示溫度調(diào)控程序流程圖有著三層溫度梯度，其中A

圖10　溫度調(diào)控程序流程圖Fig.10　The flow diagram of temperature control program

4.6　電路參數(shù)設(shè)計

圖11　基于PT4207的恒流驅(qū)動原理圖Fig.11　The schematic diagram of constant current driver based on PT4207

為分析方便將系統(tǒng)原理圖簡化如圖11所示，輸入為交流市電和PWM調(diào)光信號，輸出為LED驅(qū)動電流。

圖11中電容C1、C2，二極管D1、D2和D3及電阻R1組成填谷電路，相同參數(shù)的電容C1和C2以串聯(lián)的方式充電，并聯(lián)的方式放電，用于提高功率因數(shù)。

PT4207是通過啟動電阻R2打開開關(guān)管Q1，電流經(jīng)過開關(guān)管從S管腳由內(nèi)部電流通路向電容C6充電，使VDD達(dá)到啟動電壓后開始工作的。驅(qū)動芯片僅需較小的啟動電流，因此啟動電流需選擇較大的啟動電阻，推薦使用1MΩ的電阻。

1)LED設(shè)計基本參數(shù)計算。

150W的觀片燈光源采用50×3的平面LED陣列，每列3個LED燈珠成一組，根據(jù)LED燈珠參數(shù)：Pd=1W，IF=300mA，LED平均電流

Iavg=3×300mA=0.9A

(1)

LED陣列負(fù)載電壓

(2)

2)峰值電流Ipk及關(guān)斷時間Toff設(shè)定。

為滿足LED平均電流達(dá)到1A，采樣電阻取0.33Ω的電阻，根據(jù)PT4207的峰值電流檢測特性，峰值電流

(3)

Toff外接電阻決定PT4207的固定關(guān)斷時間，外接電阻R5阻值取10kΩ，則關(guān)斷時間

(4)

3)電感參數(shù)計算。

電感L的紋波電流

ΔiL=2×(Ipk-Iavg)=0.32A

(5)

根據(jù)電感紋波大小計算電感大小

(6)

電感參數(shù)可取470μH/2A。

4)PWM調(diào)光脈沖頻率設(shè)置。

STC12C5410AD單片機的PCA模塊可設(shè)置其工作于8位PWM模式下，系統(tǒng)時鐘選擇外部8MHz晶振。PCA時鐘輸入源取系統(tǒng)時鐘12分頻，即PWM頻率

(7)

5)光耦參數(shù)設(shè)計。

取輸入端電阻R3阻值500Ω，光耦輸入正向工作電流

(8)

輸出端電阻R4取值過大，則光耦的頻率響應(yīng)變差，PWM調(diào)光脈沖嚴(yán)重失真；取值過小，電流Ice較大，飽和壓降較大，高于0.35V時則開關(guān)管不能完全關(guān)掉，影響調(diào)光效果。根據(jù)實測光耦輸出波形情況取R4阻值5kΩ。

(9)

5調(diào)試討論

PT4207正常工作需要經(jīng)過一個大的啟動電阻R2，R2推薦值為1MΩ，調(diào)試中曾遇VDD不能達(dá)到正常工作電壓時，可考慮減小啟動電阻以提高PT4207的啟動電流，使之達(dá)到正常啟動效果。

驅(qū)動電路中還有個關(guān)鍵問題是電感的電感值和電流參數(shù)都很高，體積較大，這往往與觀片燈有限的機殼空間產(chǎn)生沖突。選擇較高的Q1開關(guān)頻率可減小電感L的體積，提高開關(guān)頻率的方法是減小關(guān)斷時間，因此可通過設(shè)定較小的外接電阻以減小開關(guān)頻率。由式(4)和式(6) 可得

可知在其他設(shè)計參數(shù)相同時電感值與外接電阻R5成正比，因此在能滿足PT4207最短開啟時間的條件下，選擇較小的外接電阻可減小電感體積大小。

在現(xiàn)有實驗條件下，該驅(qū)動電路實現(xiàn)驅(qū)動多達(dá)70串LED，實測填谷電路給LED燈板提供超過210V的電壓。但驅(qū)動串?dāng)?shù)是基于效率和功率因數(shù)的折衷考慮，驅(qū)動的串?dāng)?shù)越高，即填谷電路提供的驅(qū)動電壓越高，整流二極管導(dǎo)通時間越短，功率因數(shù)越小，但工作效率越高。

經(jīng)過多輪調(diào)試后，LED觀片燈實際測試結(jié)果基本符合設(shè)計要求，觀片燈的調(diào)光模式實現(xiàn)手動和腳踏兩種模式。風(fēng)扇根據(jù)觀片燈機殼內(nèi)部溫度自動調(diào)速，手動調(diào)光和腳踏調(diào)光的調(diào)光級數(shù)均可根據(jù)觸控按鍵的DOWN和UP增減，進而實現(xiàn)觀片燈亮度的調(diào)節(jié)。

6結(jié)束語

本文設(shè)計的LED觀片燈采用大功率LED燈珠陣列作為光源，以其高亮度、發(fā)光均勻、亮度可調(diào)等特點滿足工業(yè)X射線檢測不同黑度級別的評片需求，同時兼有壽命長、散熱好、節(jié)能環(huán)保、操作簡單等優(yōu)點。隨著LED技術(shù)的發(fā)展，大功率LED燈珠的散熱、光效等方面的發(fā)展及封裝技術(shù)的改進，大功率LED照明應(yīng)用會越來越廣，相信以大功率LED為光源的觀片燈有著廣泛的應(yīng)用價值。

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簡訊

★2016年1月8日，2015年度國家科技獎勵大會在北京召開，南昌大學(xué)江風(fēng)益教授帶領(lǐng)的研究隊伍，創(chuàng)造性地發(fā)展了新的LED照明技術(shù)路線，以“硅襯底高光效GaN基藍(lán)色發(fā)光二極管”項目獲得了國家技術(shù)發(fā)明一等獎。

國際上現(xiàn)有三條LED照明技術(shù)路線，分別是藍(lán)寶石、碳化硅和硅襯底GaN基LED技術(shù)路線。前兩條技術(shù)線路的主要貢獻者分別獲得了日本、美國兩國最高科技獎?！氨卷椖吭趪H上率先實現(xiàn)了硅襯底LED產(chǎn)業(yè)化，近三年直接經(jīng)濟效益11億元，使我國新技術(shù)產(chǎn)品沖破了國外的專利束縛，在市場上形成了強勁的競爭力。”

★2015年12月23日，廣東省光電技術(shù)協(xié)會成立大會在廣州成功召開，由此誕生中國首個“互聯(lián)網(wǎng)+”新型行業(yè)協(xié)會，200多位來自全國光電行業(yè)的企業(yè)老總及專家學(xué)者出席大會。會議審議并通過了協(xié)會相關(guān)章程，選舉并產(chǎn)生廣東省光電協(xié)會首屆會長、常務(wù)副會長、副會長、監(jiān)事長及秘書長。大會召開了廣東省光電技術(shù)協(xié)會第一屆會員代表大會，選舉并產(chǎn)生廣東省光電技術(shù)協(xié)會首屆會長文尚勝(華南理工大學(xué)教授)。

★2016年1月16日，2015-2016年度文化部科技創(chuàng)新項目“LED在博物館美術(shù)館的應(yīng)用現(xiàn)狀與前景研究”課題中期成果匯報研討會在南京博物院成功召開。本次會議主要是對課題前期調(diào)研成果的總結(jié)性匯報。多位知名專家和媒體代表共同參加。會議始終洋溢著濃濃的學(xué)術(shù)氛圍，大家熱情地探討學(xué)術(shù)問題。

★2015年12月29日，星光影視35周年慶典活動在星光影視園1500平米演播室隆重舉行。此次活動主題為“星光和星光的朋友們”，來自政府各級領(lǐng)導(dǎo)、全國各省市電視臺、劇場、高等院校、各界協(xié)會、學(xué)會，業(yè)界同行等500余位嘉賓與公司員工歡聚一堂，同賀慶典。北京星光影視集團作為中國舞臺燈具及相關(guān)業(yè)務(wù)的制造企業(yè)，開拓創(chuàng)新，為中國的舞臺燈具照明的發(fā)展做出了巨大的貢獻。

The Design of High Power LED Industrial X-ray Film Viewer With AC Supply

Yu Jian1，Zheng Guoheng1，Huang Xinchao2

( 1.SchoolofPhysical&Engineering，ZhengzhouUniversity，Zhengzhou450001，China;

2.ZhengzhouDelongEquipmentCoLtd.,Zhengzhou450004，China)

通訊作者：馬源，E-mail:mayuan0714@163.com

基金項目：國家自然科學(xué)青年基金項目(51208205)；亞熱帶建筑科學(xué)國家重點實驗室自主課題(2015ZC15)

中圖分類號：TM923 TM923 TM923 TM923

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DOI:10.3969j.issn.1004-440X.2016.01.011 10.3969j.issn.1004-440X.2016.01.016 10.3969j.issn.1004-440X.2016.01.012 10.3969j.issn.1004-440X.2016.01.021