散热和二次配光设计

　　“热光衰”是LED器件的特点之一，当温度上升超过一定数值时，其光效急剧下降或严重时导致整个LED提前失效。因此良好的散热设计是保证大功率LED灯具性能和寿命的必要条件。

　　在实际应用中，应采用了以热管技术为基础的散热设计，热管技术能使热量迅速传递到铝翅片散热器上，配合静音轴风扇将LED工作中产生的热能迅速的排出。

　　由于大功率LED芯片的光输出多为朗伯分布，50%光强角度为120度，不能满足舞台专业灯具的配光要求。

　　舞台功能灯具要求对配光进行控制，不同的灯具对光束角有不同的要求，因此需要对LED进行二次光学设计。主要需要利用光学元件高效地改变LED的光强分布，使之达到灯具的设计要求。

　　对于远距离使用的聚光灯，要求10%光强角度小至10度左右。

　　例如大中型剧场使用的面光灯，照射距离一般在30米以上，通常选用聚光性能非常好的长焦平凸透镜聚光灯，这样既可以很好的聚光，又能使杂散光得到有效控制。

　　基于PWM和RGBW混色算法的LED驱动控制

　　在舞台应用中，对灯具色温的稳定性要求很高，因此根据LED光源的基本电气特性，应采用精确高效的恒流驱动方式，使光输出稳定可靠。

　　调光方式应采用PWM（脉宽调制）的方式，保证在LED调光时的色温（白色）或波长（彩色）不致发生变化。

　　LED灯具与卤钨灯具调光过程色温变化对比如图3所示，可以看出LED灯具在调光过程中色温是不变的。

　　混色算法是控制光源调光混色，输出符合要求的色光的关键环节。

　　根据PWM调光的基本原理，改变红光、绿光、蓝光和白光LED驱动电流的占空比，可以改变各自色光的强度，通过不同占空比的组合，就可以得到不同混合比例的光色。

　　根据色度学计算，若采用确定的RGB三种LED光谱混出2300K~3200K范围某个色温的白光，只会有唯一的混色比例。

　　但只利用RGB三种颜色混色，混出的光谱是不连续的，有很多可见光波段光谱能量为0，显色性会很差。而采用RGBW四种颜色混出某个色温点的白光，混色比例会有无穷多种，每种比例对应一种同色异谱光。

　　对于照明灯具来说，由于显色指数是非常重要的一个指标，显色指数不合格会导致被照明的物体颜色出现明显差异，无法使用。因此，需要从众多混色比例中筛选出显色指数最佳的一组比例来使用。

　　如图3所示是利用RGBW(其中W光源色温3200K，Ra=90）四种LED光源进行混色实现的3200K白光光谱。

　　图3中光谱一般显色指数为Ra=95.0708，其中特殊显色指数R1到R15分别为：99.5533，95.7185，85.2074，93.8084，97.6345，93.3711，94.3570，95.9162，99.4148，88.1205，92.9515，79.5729，98.4708，92.9175，99.4494，完全满足舞台影视灯具照明需求。

　　拟合黑体轨迹LED光源的调节效果

　　黑体轨迹又称普朗克轨迹，定义为理想黑体在加热过程中随温度升高发出的光色在色品坐标下形成的轨迹线。

　　由于卤钨灯是热辐射光源，发光原理与理想黑体相同，因此其色温变化时光色轨迹十分接近黑体轨迹。

　　为了模拟卤钨灯光源的色温调节效果，计算出色品图中黑体轨迹上色温范围2300K~3200K的色品坐标，在显色指数最大的约束条件下计算出各色品坐标对应的RGBW混色比例和占空比，最终控制光源发出相应色温的白光。

　　测试表明LED光源发出的白光，在色温2300K至3200K之间光色达到了拟合黑体曲线的效果，并且在色温2800K~3200K可以获得理想的一般显色指数（Ra>85）。

　　部分测试数据如表1所示，测试数据在色品坐标中的位置如图4所示。

　　3、结论

　　选用特殊排布的RGBW四色光源，散热和二次配光设计，以及设计了基于PWM和RGBW混色算法的LED驱动控制系统。

　　实测结果表明，灯具具备了拟合黑体曲线的白光连续色温调节能力，达到了替代卤钨灯具的水平，在实际应用中能够为演出行业提供具有良好光色质量的新型LED灯具。