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美国能源部CALiPER发布白光可调LED灯具的光色度测试研究报告

更新时间:2016-06-20  来源:未知  有147人阅读

核心提示:白光可调LED灯具的光度测试研究报告照明市场产品不断更新换代,半导体固态照明技术的出现给照明行业带来了翻天覆地的变化。近几年,颜色可调灯具的出现更是得到了人们的青睐,并在改善人体健康、调节心情及提供视觉享受等方面展现出独特的优势。

白光可调LED灯具的光度测试研究报告照明市场产品不断更新换代,半导体固态照明技术的出现给照明行业带来了翻天覆地的变化。近几年,颜色可调灯具的出现更是得到了人们的青睐,并在改善人体健康、调节心情及提供视觉享受等方面展现出独特的优势,美国能源部CALiPER项目更是及早关注到颜色可调灯具这一具有巨大潜力的产品市场,并对其性能作了详细的研究,旨在促进这个新生产品的快速成长。

1. 颜色可调产品的分类
1.1 三种调光调色机理
在广泛调研基础上,CALiPER将目前市场上的颜色可调灯具大体分为暗及暖色(Dim-to-warm)、白光可调(white-tunable) 及全色可调(full-color-tunable)三种类型,其主要区别在于灯具所拥有的控制通道的数量(见表1)。Dim-to-warm与white-tunable类型都需要两个以上的LED基色(通常是暖白和冷白的荧光粉型LED),不同的是前者只有一个控制通道来进行强度和颜色调节(即在调节强度的同时,相对色温CCT发生变化);后者至少需要两个控制通道来实现颜色与强度的分别控制。而full-color-tunable类灯具可输出白色或彩色光,至少需要3个基色LED(如红、绿、蓝),其控制通道往往更加复杂,通常采用数字控制或程序控制。
 
表1 三种颜色可调产品的特征

 
1.2 线性白光和非线性白光可调产品
本报告中着重研究的是白光可调(white-tunable)类产品,可分为线性白光和非线性白光可调产品。其中由两个LED基色组成的为线性白光可调产品,由三个以上的LED基色组成的为非线性白光可调产品。两者之间的性能区别直观体现在追随黑体轨迹(灰色曲线)的能力上。在光学领域,每个温度时的光色,转化为色坐标,点在色度图上就成为一条曲线,我们称为称为“黑体轨迹”。(如图1)可以看出,非线性类产品(黄色曲线)在颜色调节过程中更吻合“黑体轨迹”,因此也称作“黑体白光可调”产品。


图1 线性与非线性白光可调产品例子
 
为此,CALiPER在研究中选取了线性白光和非线性白光8个不同的样品进行了大量测试,主要目的在于了解上述不同类型的白光可调灯具在整个颜色范围内调节时的性能变化,并最终确定如何全面客观地表征其性能(见表2)。
 
表2 8个白光可调产品的特征

 
2. 样本采集和测量
   本报告中,光色测量程序依据标准IES LM-79-08进行,地点在PNNL(Pacific Northwest National Laboratory)实验室,测量仪器为积分球,测试结果如表3、表4。 两个列表中的所有参数(除外)均是在最大强度输出下,全量程内进行颜色调节的测试数据统计;则是在固定颜色输出下,在全量程内进行强度调节的测试数据统计。

表3 在颜色调节过程中颜色参数的变化

表4 在颜色调节过程中光度和电学参数的变化

 
3. 测量结果分析
3.1 不同产品的性能趋势无规律可循
   在颜色调节过程中,不同产品的光输出、光效和能耗都发生了不同程度的变化。如图2所示,从选取的四个产品的变化曲线图中,可以看出15-08-D与15-07-D有近似恒定的光输出或能耗,全量程变化不到1%,性能比较稳定;然而有些产品性能变化较大,如15-05-D,能耗从12.2W到28.1W(131%的变化),光输出从263lm到905lm(244%的变化),这在应用端是非常不利的。研究发现,对大多数产品而言,其性能变化趋势并没有规律可循。


图2 部分产品在颜色调节过程中光输出、光效以及能耗的变化
 
3.2  非线性白光可调和线性白光可调产品的比较
3.2.1 非线性白光可调产品光效较低
图3为测试样品的光效以及辐射光效柱形图。不难看出,虽然灯具SPD产生光输出的能力(LER比值)相当,但是因为筒灯形式因素、LED元件选择(窄带绿光激发器)等原因,由三个以上的LED基色组成的非线性白光可调产品的光效显著低于由两个LED基色组成的线性白光可调产品,通俗来说,线性白光可调产品光能效较高,更为节能。


图3 最大强度下光效以及辐射光效柱形图
注:LER是灯具输出的光通量与辐射通量的比值,表征SPD产生光输出的能力。
 
3.2.2 非线性可调产品颜色质量更佳
因为颜色可调产品具有很低的光效,颜色质量成为其唯一优势。纵观两类白光可调产品的颜色变化(如图4),发现在跟随“黑体轨迹”的能力上非线性产品表现更好,而线性可调产品在相对色温(CCT)调节过程中,发生了变化,因此光线不仅仅是由暖变冷,而且出现了“绿”化或“粉“化的现象,这种现象是不利的。


(a)
 

(b)
图4 色坐标变化曲线:(a)线性可调产品 (b)非线性可调产品
 
3.2.3 线性和非线性可调产品的颜色稳定性相当
颜色稳定性是指给定颜色点处,当强度从最大输出不断减小的过程中灯具保持其色品坐标稳定的能力。在此次研究中,给出的8个样品的色品变化测试结果(如图5),分别列出了调节过程中出现的最大色差以及平均色差。可以看出,除个别外,两种产品在颜色保持能力上没有明显的差别。


图5 给定颜色点处在强度变化过程中的色品变化最大值平均值
 
4. 结论
从此次美国能源部CALiPER发布的白光可调LED灯具的光度测试研究报告中,可以得出以下结论:A. 在颜色调节过程中,白光可调产品的光输出、光效以及能耗没有明确的规律可循。因此少量测试点无法准确把握产品的性能,在综合权衡测试负担以及测试精度后,本报告决定在未来的测试中将至少需要5到7个测试点来进行测试。B. 比较两种类型的白光可调产品,不难发现,线性产品的具有相对较高的光效,然而在颜色调节过程中,不能保持恒定,在某些区域出现“绿”化或“粉”化的现象。与此相反,非线性白光可调灯具在追随黑体轨迹上具有极好的表现,可以保证更好的色质。C. 生产商在设计上应仔细的选择元件,在光输出、光效以及能耗等性能方面做出综合权衡考虑。
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