LED 生鲜灯光电参数理论模型研究＊

张留朝，陈光军

（潍坊学院，山东 潍坊 261061）

LED 生鲜灯在各大商场、超市的果蔬区、肉制品区、熟食区都有广泛的应用，以达到使这些食品有较佳的视觉效果。但果蔬区、肉制品区和熟食区对光源色质要求不同，果蔬区要求光源色质偏绿，肉制品区要求光源色质偏红，熟食区要求光源色质偏黄，即不同的应用对象对光源色温的要求不同。为了满足这些不同的需求，LED 生鲜灯往往有不同的实现方案，比如白光LED 配绿光LED 来满足果蔬区的照明需要，白光LED 配红光LED 来满足肉制品区的照明需要等等。但是，白光LED 配有色光LED 的方案显色指数较低，所以，为了尽量提高生鲜灯的显色指数，本文采用了三基色RGB-LED 来进行生鲜灯的设计。然而，在无光电参数模型可遵循的情况下，此方案的配光设计过程相对复杂，并且所设计出来的生鲜灯，显色指数相对较低。为了简化LED 生鲜灯配光设计过程，并本文给出了RGB-LED 生鲜灯光电参数计算的理论模型。

1 LED 生鲜灯模型理论基础

和LED 生鲜灯光学模型建立相关的有三个重要的光学参数：光通量、照度、色温和色坐标。

1.1 光通量

辐射体在给定时间内所辐射的能量称为辐射能，其单位是焦耳。辐射体在单位时间内发出或通过一定截面的辐射能量称为辐射通量，又被称为辐射功率，单位为瓦（W），用P 表示。辐射可能由各种波长组成，每种波长的辐射通量又可能各不相同，是波长的函数，用Pλ表示。假设在极窄的波长范围dλ内所辐射的通量为dP，则

总的辐射通量为

光通量是辐射体在单位时间内发出的并为人的视觉系统所感受到的那部分光辐射能，用φ表示，单位为流明（lm）。对于波长为λ的单色光，其光通量［1］为

对于极窄波长范围的光，其光通量为

总的光通量为

1.2 照度

照度E定义为每单位面积所接收的光通量，单位是lx（lm／m2）［2］。

1.3 色温与色坐标

当某种色光的色度与某个绝对温度（TC）的黑体辐射的色度相等时，就可以把该色光的颜色用黑体的绝对温度来表示，并将此时的TC称为色温，单位为开尔文（K）。如果对象发射的色度与黑体辐射的色度不完全一致时，可以采用与其最接近的黑体的绝对温度（TCP）来表示，并将其称为相关色温［3］。色温较低则偏红，色温较高则偏蓝。

色坐标［4］，就是颜色的坐标。现在常用的颜色坐标，横轴为X，纵轴为Y。有了色坐标，可以在色度图上确定一个点。这个点精确表示了发光颜色。一个色坐标对应一个色温，而一个色温对应多个色坐标也即由色坐标可以算出色温，而知道色温只能求出等温线。所以，在后文中准确描述生鲜灯色度需求时，用的是色坐标而非色温。

2 LED 生鲜灯光电参数计算

LED 生鲜灯照明需求中，有四个重要的参数：灯具高度h、光的出射角度θ、照度E和色坐标（xw，yw）。为了便于分析，把LED 光源视为一点光源，LED 生鲜灯出光模型如图1所示。

图1 LED 生鲜灯出光模型

图1中，θ是生鲜灯的光出射角度，r是光照区域的半径，h 是光照区域距离LED 光源的高度。

这里以实际需求为例来进行光电参数的计算：假设灯具安装高度h 为2m，光出射角度θ为60°，照度E为350lx，色坐标xw，yw分别为0.3795和0.3763，对应的色温为4000K，下面就根据这两个参数推导RGB-LED 生鲜灯的其他光电参数。

2.1 光通量的计算

根据LED 生鲜灯出光模型，生鲜灯的光出射角θ和LED 光源的高度h，计算光照区域半径：

光照区域面积：

根据设计需求中灯具安装高度h 为2m，生鲜灯的光出射角θ 为60°，计算得到光照区域半径r 为1.15m，光照区域面积A 为4.19m2。

所以，生鲜灯的有效光通量：

其中，E为设计需求照度350lx，从而计算得到有效光通量φe 为1466.5lm。

生鲜灯总的光通量和生鲜灯反光杯的反射率有如下关系：

在本设计中，反光杯的反射率η为0.94，由（10）式计算得到生鲜灯总的光通量为1560lm。

2.2 RGB三色光配比的计算

RGB-LED 三色光的色坐标分别用（xr，yr）、（xg，yg）和（xb，yb）来表示。把所需求色光的色坐标（xw，yw）和RGB 三色光的色坐标（xr，yr）、（xg，yg）和（xb，yb）代入配色矩阵［5］：

即得到配比Pr、Pg和Pb。本设计中，RGB-LED 三色光的色坐标（xr，yr）、（xg，yg）和（xb，yb）分别为（0.683，0.317）、（0.126，0.773）和（0.148，0.055），设计需求的色坐标（xw，yw）为（0.3795，0.3763），由（11）式计算得到RGB三色光的配比为：Pr=37.44%；Pg=58.61%；Pb=3.95%。

2.3 RGB三色光光通量的计算

分别用φe，r、φe，g和φe，b表示RGB-LED 有效光通量，则总光通量与配比的乘积即为RGB 三色光光通量，即：

（12）式中总的光通量φ 和三色光配比Pr、Pg、Pb已由（10）和（11）式计算得出，故RGB三色光有效光通量为：φe，r=584lm、φe，g=914lm 和φe，b=62lm

2.4 RGB-LED 功耗的计算

RGB-LED 的发光效率［6］分别用ηR、ηG 和ηB 来表示，则RGB-LED 的功耗分别为：

本设计所采用是OSRAM 公司的大功率高光效的LED，RGB-LED 的光效ηR、ηG 和ηB 分别为：65lm／W、129lm／W、35lm／W。由（13）式计算得到RGB-LED 的功耗分别为：PR=9W；PG=7W；PB=1.8W。

2.5 RGB-LED 单灯数量的计算

用VF，R、VF，G、VF，B分别表示RGB-LED 的前向电压，通常情况下，所选用的RGB-LED 额定电流相同，用ILED表示，那么RGB-LED 单灯数量分别为：

其中，NR、NG、NB分别表示RGB-LED 单灯数量。本设计中所采用的RGB-LED 的前向电压分别为：2.5V、3.45V 和3.45V，驱动电流ILED为100mA。所以，由（14）计算得到RGB-LED 的数量分别为：NR=36，NG=20，NB=5。

2.6 生鲜灯总功耗的计算

RGB-LED 的总功耗为：

由（15）式，得到RGB-LED 的功耗为：PLED=17.8W。这一功耗只是LED 的功耗，计算生鲜灯的功耗就必须考虑驱动电源的效率，驱动电源的效率用ηp 表示。这样，生鲜灯的总功耗：

在本设计中采用的是高效隔离驱动电源，电源效率为0.9。所以，生鲜灯总功耗为19.8W。

3 结论验证

按照上述计算结果，制作的LED 生鲜灯如图2所示。

此生鲜灯经积分球测试得到的光谱分布和数据如图3和表1所示。

通过表1的对比可以知道，根据LED 生鲜灯出光模型，通过计算得到的理论值和测试值有高度的一致性，这说明在生鲜灯设计过程中，可以参照这一模型来进行生鲜灯的设计。

图2 LED 生鲜灯

图3 LED 生鲜灯光谱分布

表1 LED 生鲜灯测试数据

4 结论

本文建立了LED 生鲜灯的出光模型，根据照明需求的三个参数：灯具高度h、照度E 和色坐标（xw，yw），最终推导出所需的设计参数，包括RGB三色光的配比、RGB-LED 的功耗、RGB-LED 单灯的数量和生鲜灯的总功耗。测试结果表明，理论计算在生鲜灯设计过程中，有很好的指导作用。随着半导体技术的发展，RGB-LED 光效会越来越高，采用RGB-LED 制作的灯具一个最明显的优势就是显色指数比白光LED 高很多。经测试，本文设计的LED 生鲜灯，显色指数为92。另外，本文建立的生鲜灯模型可推广至其他灯具的设计应用中。

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