基于参数化模型的建筑采光设计方法

边　宇，马　源，方小山

(1.华南理工大学建筑学院，亚热带建筑科学国家重点实验室，广东 广州　510640；

2.广东工业大学建筑与城规学院，广东 广州　510090)



基于参数化模型的建筑采光设计方法

边宇1，马源2，方小山1

(1.华南理工大学建筑学院，亚热带建筑科学国家重点实验室，广东 广州510640；

2.广东工业大学建筑与城规学院，广东 广州510090)

摘要：参数化模型技术的推出使得建筑领域中量化分析工作的效率大幅提高，使得建筑光环境问题的研究可以朝向更加精细的方面发展。本文结合华南区的光气候特点介绍了广州地区某建筑项目使用参数化模型技术进行建筑采光方案的分析并进行择优的方法并对优化方案进行了采光表现的分析。 本文以CREE高功率冷白光LED为光源，设计了高安全性的符合德国K-mark的StVZO 22A No.23法规的自行车前照灯。其体积微小，具有清晰的明暗截止线和均匀的光分布，适合自行车照明的需求，为骑行者提供了一个安全的行车环境，也保障了行路人和其他人的人身安全。 随着我国老年人口的快速增长，我国的人口老龄化形势也日益严峻，人口老龄化问题将是21世纪整个社会所面临的最严峻问题之一。年龄的增长带来的视觉机能的改变使老年人的照明需求与年轻人相比存在很大的不同。本文通过对老年人视觉特性的研究总结了老年人照明需求特性的变化，并在此基础上结合对国内外老年人居住建筑照明设计标准的研究，最终提出了我国老年人居住建筑室内外照明推荐标准。 射线检测是无损检测行业常用的方法之一，工业X射线检测底片需有较高的黑度以保证底片的对比度，观片灯需要高亮度以满足高黑度底片的评片需求。本文设计一种基于PT4207 驱动芯片的大功率LED观片灯，采用交流市电供电，电容触摸输入PWM调光，温控风扇自动调速。观片灯采用大功率LED为光源，亮度可调适应不同黑度级别的底片评片需求，兼有效率高、寿命长、节能环保及操作方便等优点，具有很高的使用价值。

关键词：建筑采光；优化选择；参数化模型 LED；自行车前照灯；光学设计；K-mark法规 老年居住建筑；室内外；照明标准 PT4207；大功率；LED观片灯；交流供电;PWM调光

Optimal Daylighting Design Based on Parametric Building Modeling

Bian Yu1，Ma Yuan2，Fang 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

良好的建筑采光设计可带来节能、舒适、健康等有益的效果，在建筑设计时当给予足够的重视，以采光为出发点营造建筑表皮不失为一种务实的选择，建筑的设计必须突出地域性特点[1]。良好的采光设计由诸多因素决定，具体到技术方法层面有两点值得我们着重思考[2]：

1)如何科学评价某方案的采光表现：采光系数(daylight factor)在实际使用中存在不足，可尝试对于在CIE全云天条件下定义的采光系数进行一定的改进，使得改进后的采光系数可更好地反映某地区年周期内(或某时间段)建筑采光能力大小；

2)采光设计方案中不同参数之间的择优：采光设计方案经过构思成型后，要求针对设施中的具体参数(如：尺寸、角度、材料光学特性)进行量化分析、比较以选择最优化方案[3]。

图1　Siemens中东总部建筑表皮(局部)Fig.1　The envelope of Siemens Middle-east headquarter (partial)

图1所示为Sheppard Robson Architects设计的西门子中东总部项目，该建筑项目在进行侧窗采光设计时使用参数化技术对采光设施进行了优化设计，在中东地区光气候特点下量化研究了各参数变化对于采光效果的改变，使得室内获得了良好的采光效果并保证了良好视野。该项目采用了基于参数化模型的采光设计分析方法但由于采光的研究与设计具有极强的地域性，本文以广州为代表的华南地区内的某项目为例介绍该区域的基于参数化模型的采光设计过程并提出优化设计方法[4]。

1研究方法

基于课题组前期的研究成果[5]，本文使用一个适合华南区的改进后的“采光系数”量值用于分析该地区建筑物的采光能力大小，此改进后的采光系数值(简称：DFS)，该指标可以反映广州地区天空亮度分布的均值情况，将建筑物朝向等信息考虑其中，其实质是将在CIE全云天条件下定义的采光系数值，修改为广州地区典型天空模型下进行计算，针对参数化模型获取DFS的计算方法的流程如图2所示(CSRS：华南区典型天空亮度模型)[6-7]。

图2　参数化模型的DFS计算流程图Fig.2　The procedure of DFS generation within parametric building model

本文中所涉及的参数化建模以及采光计算机模拟分析均使用Rhino以及Grasshopper程序，Grasshopper是一款在Rhino环境下运行的采用程序算法生成模型的插件，可以实现参数输入模型生成以及开发相应优化算法的功能。如图2所示将采光口与遮阳构件等在Rhino中建立参数化模型后在Grasshopper程序中输入相关的参数变量并进行相应的“采光系数”模拟计算，其中关键的线性分量K的取值可参考本研究团队前期研究成果[5]。

2以采光优化为目标的遮阳构件择优

本文以广州地区某高层建筑西南向立面的采光设计为例说明采光设计过程，在探索基于参数化模型的优化设计过程中强调了以下两点：

1)基于CSRS模型的采光模拟分析：CSRS模型由于可以较好地代表项目所在地的天空亮度分布均值情况，因此本文将之作为模拟计算的标准，在此天空模型下的模拟计算结果可以充分反应项目的采光均值情况，其模拟结果较之CIE标准模型以及perez模型更为准确；

2)采光构件视作参数化模型单元进行分析：参数化模型上开展采光模拟分析，分析各参数变量与采光表现之间的关系。该方法可高效率地量化研究采光构件参数与采光表现之间的关系，有利于方案择优[8]。

2.1　研究对象

研究对象位于广州地区，场地周围无明显遮挡，图3所示，场地中红色区块为建筑主体，该建筑物标准层为矩形平面，朝向为南偏西31.7°。

图3　建筑场地平面Fig.3　The plan of building site

该项目标准层平面与幕墙剖面如图4和图5所示，该建筑平面的特点：

图4　标准层平面Fig.4　The plan of standard layer

图5　未安装采光设施的幕墙剖面Fig.5　The section of facade without shading facilities

1)矩形平面；

2)朝向为南偏西31.7°。

平面的特点使得建筑的采光问题较正南北向建筑情况复杂，在进行采光分析时选取西南立面上一个单元为研究对象，参照建筑采光设计规范中的规定[9]，设定建筑幕墙为透光率0.60的透明玻璃。研究单元面宽6m，进深10m，层高3.25m，玻璃幕墙下沿距地板0.45m，玻璃高度2.8m，地板反射率为0.54，墙面反射率为0.90，天花板反射率为0.80，幕墙为透光率0.60的透明玻璃，房间朝向为南偏西31.7°，如图6所示。

图6　研究模型单元Fig.6　The research model unit

针对未安装采光设施的研究单元进行模拟分析。研究对象单元9月的采光模拟均值结果如表1所示

由9月的采光模拟结果可以直观的看出，该建筑空间在采光上的问题有总体上归结为如下三点：

1)自然光照度分布不均匀，照度随进深增加快速下降；

2)近窗部分存在过亮问题；

3)由于朝向为南偏西使得下午时间段存在较为严重的“西晒”问题。

表1 研究模型单元的天然光照度分布模拟值(9月份)

Table 1Simulated daylight illuminance distribution

in model room unit, September

2.2　遮阳构件参数择优

针对研究对象的具体情况，课题组搭建了一套兼顾水平和垂直方向的改变自然光传播方向的遮阳构件，此形式可兼具增强天然光在大进深空间的分布以及遮阳效果，可以有效地解决照度分布不均匀以及下午时间段内出现的严重“西晒”问题。结合前期的研究成果，该类型采光构件较简单垂直或水平构件能达到更为理想的采光效果。

图7　遮阳构件设计方案Fig.7　The scheme of shading facility

该构件的设计包含长度与角度两类共计5个参数(为了简化相关研究工作，材料反射率的探讨借鉴前期研究成果)：L1/L2/R1/R2/R3，各参数的意义于图7中标注；结合图表分析、现场条件以及先期的研究积累将5个参数的取值限定为如下范围：

L1=950/1050/1150(mm)

L2=2250/2350/2450(mm)

R1=35/45/55(°)

R2=9/12/15(°)

R3=15/20/25(°)

在以上参数范围内随机生成一定数量的参数组合G，并针对参数G对应的遮阳构件求取DFS值。针对若干随机组合参数样本的模拟分析结果得到，如下5种组合在随机生成的样本中采光表现较好：

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)

针对5组优选数据各位置上数值的交叉互换后生成的小数量样本进一步研究分析得出数据组合Gopt(1050,2350,45,12,20)的采光表现为优选。

2.3　优选方案的采光表现

针对采光设计优选方案进行改进后的采光系数(DFS)的模拟分析，图8中列出了DFS的比较结果，从图中可以明显看出经过参数优化的采光构件使得室内自然光分布有明显提升，大进深空间的采光情况得以改善。

总体而言，该采光设计方案可以使得室内自然光环境达到较为理想的效果，自然光照度分布均匀度提升明显，安装采光构件后DFS均值由小幅降低，但是其分布进一步合理，有效改善了近窗部分的过量问题，且提高了大进深区域的采光情况，通过进一步的研究测试可知原先较为严重的西晒问题由于遮阳构件的作用使之影响减轻。

图8　安装与未安装遮阳构件的侧窗DFS分布比较Fig.8　The comparison of DFS distribution between side-lit window with and without shading facility

3结论

经过对天空亮度的长时间连续性的观测，广州地区典型天空亮度模型(CSRS)可以定义为：

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

在该天空亮度分布情况下定义的改进的“采光系数”(DFS)较之CIE全云天模型下定义的采光系数可以较好地反映广州地区天空亮度分布情况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。

将建筑物的采光变量(如采光口尺寸、遮阳构件等等)参数化后开展采光模拟分析使得采光问题的量化研究以较高的效率进行，在此基础上使得采光设计最优化的问题得以程序的形式进行设计与解决，大大提高了研究的效率与效果，不失为处理建筑采光问题的一种良好的途径。

(图片来源：图1为Sheppard Robson Architects设计的Siemens中东总部建筑，来源自网络图片；图4、图5借用广州珠江新城B2-10项目建筑项目场地与平面，林毅提供；其余图片与表格均为课题组成员自绘。)

致谢：感谢J. Alstan Jakubiec博士对于本文研究过程中给予的帮助。

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基于大功率LED的自行车前照灯的设计

朱雪菘，倪凯凯，林泽文，刘木清

(复旦大学电光源研究所，先进照明技术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

随着半导体技术的不断发展，LED在应用领域已经显现出了体积小、响应快、色域广、高光效、寿命长及环保等显著特点。在汽车应用领域，白光LED 已经被应用于前照灯的设计[1]。同样地，高功率LED的特点决定了它在自行车前照灯的运用上也拥有显著的优势和广阔的前景。然而，现有许多LED自行车前照灯的品质参差不齐，许多都是有高能量密度的光形，而不是具有防眩且符合法规安全规范的光形。

良好的照明要在合适的位置提供充足的照明，对于自行车照明，必须达到提供骑行者清楚的路况照明，又不至于影响对向来车的骑行者的视线要求，让骑行者能够做出准确的判断。虽然现在大多数的路段都有路灯设置，但是对于一些山地自行车爱好者来说，路灯所提供的亮度显然是不符合需求的，又因为车距与路况的关系，也常造成照明的死角，因此无法提供自行车的安全照明。此外，在完全没有夜间照明的路段，自行车所使用的照明设备，相比之下更为之重要[2]。

近年来，骑乘自行车的人口急速上升，攸关行车安全性的自行车照明系统变得更加重要。长期以来，欧洲一直是自行车交通发达的地区，对于自行车的行车安全较为重视，车辆的安全灯光与警示配件等皆有完善的法律规范。 并且车灯的光形需要在正确的设计下，才能保证足够的照明且不会对交通安全造成威胁。因此，本文便以一种欧洲常用的自行车前灯法规为依据，针对高功率的白光LED，设计高安全性的自行车前灯。德国StVZO法规(Economic Commission for Europe)，又称为K-mark 法规。本文以编号为StVZO 22A No.23的法规作为设计的基础，设计满足中心照度、截止区域等要求的光形，以提供具有主动安全性的自行车前灯[3]。

1光学设计要求

在K-mark的StVZO 22A No. 23规范中，定义检测面为距离灯具10 m处之垂直面，如图1所示。而图2为规范检测面上各量测点位置之示意图。

图1　灯具与检测面示意图Fig.1　Sketch of lamp and testing

图2　StVZO 22ANo.23法规效果图Fig.2　Effect sketch of StVZO 22ANo.23 regulations

光源距量测点为10 m距离，中心亮点称为 HV，最亮点称为Emax。 HV点其照度值需大于10 lx，Emax不得超过HV照度值的1.2倍 。HV向上3.4°的点照度值需小于2lx。HV向下1.5°，向左向右 4° 的点照度值需大于 HV/2。HV向下5°的点照度值需大于 1.5 lx 。HV向下 5°, 再向左向右 4°的点照度值需大于1 lx 。

以上是德国法规对光形的要求。HV向上3.4°的点照度值小于2 lx 就是要做到明暗截止线，防止车灯影响到对向骑行者的视线。Emax的规定就是防止单一点的光束过于集中。其他各点的规范，是为了让光束可以均匀分布。所以德规车灯最难设计的部分有两个，明暗截止线与光束均匀分布。

2光学设计原理

反射器是一种重新分配，控制光源光通量的器件。光源发出的光经反射器反射后，投射到要求的方向。为了提高效率，反射器由高反射率的材料做成。反射器的形式多种多样，有抛物面反射器，球面反射器，椭球面反射器，双曲面反射器，柱面抛物面反射器，复合型反射器等。在车灯设计中，常用的有复合型抛物面反射器和椭球面反射器。[4,5]

在抛物面反射器中，母线为抛物线，绕其光轴旋转180°，即构成旋转抛物面反射器。描写母线的方程为

y2=4fx

(1)

式中，f是抛物面的焦距．在极坐标系统中，母线的方程为

(2)

式中，ρ为焦点至母线上一点的矢径，φ是矢径与极轴之间夹角。

若将一点光源置于完美的抛物面反射镜的焦点上，则所有的反射光线都将平行于光轴。探照灯和很多投光灯就是按照这一原理设计的。光源在轴上偏离焦点位置时，光束不再是平行光。当光源位于焦点以内时，光束发散；而当光源位于焦点以外时，光束先会聚而后再发散。理想的点光源是不存在的，光源总有一定的尺寸。最大发散度是发生在顶点的位置上，最大发散角α0为

(3)

式中，r为光源半径，f为抛物面反射器焦距，在角α0以外没有反射光。最大发散角的原理同样可以应用在反射器的投影面上，靠近光源的区域产生最大的投影面积，在前照灯光型中起到扩散的作用；同时，较小的投影面积起到热点(汇聚)的作用。

对于椭球面反射器，母线为椭圆。椭圆方程的表达式为

(4)

a2-b2=c2

(5)

式中，a和b为椭圆的长短半轴，c为焦点至坐标原点的距离。椭圆有两个焦点。若一个点光源放置在一个焦点F上，则反射光线将通过另一个焦点F′。有一个有趣的应用例子：将椭球反射器在AB处切开，所有的光线看上去都是从焦点F′出的。如果在AB处加上一个盖子，但中央留一个孔，则使所有的光线仍然能够通过。在某些情况下可以利用这一性质，通过一个狭小的开口发射出发散的光来，这样可以很容易地隐蔽光源[6]。

3LED自行车灯的光学设计

根据K-mark的StVZO 22A No.23规范，我们大概可以把它分为两个部分，如图3所示。第一部分为主要亮区，光形设计为水平延伸，但在V-V方向也要有良好的对比度。而第二部分，则为较宽的次要亮区。

图3　K-mark效果图分析Fig.3　Effect analysis for K-mark

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

在K-mark规范中，主要亮区的光形需要在垂直方向上有很好的对比度，而且在水平方向也有足够的延伸，所以本文利用椭球面反射器加水平拉伸的抛物面的结构，如图4所示。

图4　光源在SolidWorks中的3D模型三视图Fig.4　3D modeling three view of the light source in solidworks

由图4所示，下方结构是一个椭球面反射器，上方结构是一个复合抛物面反射器，其中光源与椭球面第一反射器焦点重合，抛物面反射器焦点与椭球面第二焦点重合。椭球面反射器与水平拉伸抛物面通过机械螺丝固定连接。

椭球面反射器主要起到预先收集光能量的作用，这样使得出光角度更小，效率也显著提高。水平拉伸的复合抛物面反射器由3块抛物面绕着不同的旋转中心旋转而成。这样的水平拉伸抛物面设计是为了满足达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线，防止车灯影响到对方骑车人的视线，又能让光线可以相对均匀分布，且让光形下方有一定数量的光线进行照亮。

该光源模型的尺寸最大处为7.5cm，体积小，灵活易安装，符合自行车前照灯的设计要求。

4实验结果

在软件TracePro中，设置点光源的出光角度为朗伯体发光，光通量122lm，模拟的总光线数为10000条，接受面距离光源10m，模拟光路图如图5所示。

图5　TracePro光线追迹示意图Fig.5　Effect sketch of light in Tracepro

根据软件TracePro的仿真结果，距离光源10m远处接受面的光形及照度分布如图6所示。

仿真结果符合K-mark法规设计要求，具有清晰的明暗截止线，光束均匀分布，并且也有较高的能量向下延伸。

实际模型如图7所示。

在实际测量中，在暗室里先用直流电源把LED点亮，在350mA稳定点亮30 min后，在距离光源正前方10m处的接收面上进行照度的测试，光形分布如图8所示，各点照度值如表1所示。

图6　TracePro仿真结果Fig.6　Simulation result in Tracepro

图7　实际模型图Fig.7　Physical design model

图8　实测光型图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)

由实测结果可知，本文设计的大功率自行车前照灯符合K-mark法规的设计要求。

5误差分析

对比TracePro仿真模拟结果和实测光形结果，实测光形的各点照度值低于仿真结果，其误差主要来源于以下几点：

第一，在仿真模拟中，反射器被设为理想镜面反射，反射率为100%。但是实际加工选用的镜面材料是铝膜, 其反射率为86.7%。因此实际测试结果中各点照度会低于仿真结果。

第二，在自行车灯的光学设计和TracePro仿真模拟中，光源按照点光源进行设计和模拟仿真，但在实际加工过程中，选配的LED光源型号为CREE公司的 XP-E2 白光LED，LED尺寸为3.45mm×3.45mm，并不能视作理想的点光源，因此会对最终光型分布产生影响。

第三，加工过程受制于加工精度，制造出的反射器并非完全符合设计的要求，特别是在离散反射面交接处不能很好地处理过渡台阶，导致该处反射的光线发生偏移。

第四，从系统设计的光源到反射器的不同部件，装配过程中的位置偏移也会对最终的光斑分布造成影响。

综合以上原因，实测结果中的照度表现为数值上低于仿真结果，分布上也存在一定差异，但是整体光形及分布与仿真结果基本一致。并且实测结果符合K-mark法规的详细设计要求，因此该自行车灯设计可以满足自行车照明的需求。

6结论

近年来，由于新型LED的高速发展，使LED的优势能在更多的领域得以充分地利用。本文以CREE高功率冷白光LED为光源，在350 mA的直流驱动下设计了高安全性的符合德国K-mark的StVZO 22A No.23法规的自行车前照灯。其体积微小，适合自行车照明的需求。本文利用了椭球面反射器加水平拉伸的抛物面的结构以达到明暗截止线和均匀的光分布的要求，提供了行车安全性，不仅为骑行者提供了一个安全的行车环境，也保障了行路人和对向骑行者的人身安全。而更加清晰的截止线问题将在未来的设计中进行进一步的优化和改进。

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老年居住建筑照明标准的研究

李农，梁凯

(北京工业大学城市照明规划设计研究所，北京100022)

Research on Lighting Standards of the Elderly Residential Buildings

Li Nong, Liang Kai

(UrbanLightingPlanningandDesignResearchInstitute，Beijing100022,China)

引言

根据2010年我国第六次人口普查的结果，我国60岁及其以上人口数量已经占人口总数的13.26%，相关预测研究表明[1]，到2020年我国60岁及其以上人口将占到总人口的16.7%。按照联合国的标准，当一个国家或地区60岁以上人口达到总人口的10%，或者当65岁以上人口占总人口的7%，即视为该地区进入老龄化社会，这预示着当前中国的老龄化形势正日益严峻。

随着我国逐渐进入老龄化社会，养老问题的解决和养老设施的建设迫在眉睫，针对老年人视觉特点进行有针对性的照明设计显得十分紧迫和重要，然而我国养老设施的照明设计标准却近乎空白。伴随着人口老龄化问题的日益突出，越来越多的国家正在关注养老问题和养老设施的建设问题，但目前世界各国养老设施的照明设计标准均还不够完善。

1老年人视觉现象

随着年龄的增长，老年人的眼睛跟大脑在生理和神经上都会逐渐退化，导致其感觉器官变得迟钝，其视力也会随之下降，另外，老年人还会出现生理性老视、色觉改变、视觉适应能力改变、对比敏感度下降、对眩光敏感和视野变小等视觉变化。老年人视力的衰退虽然有中枢神经部分衰弱的原因，但主要的原因还是由于眼睛结构的光学变化造成的。

1.1　透过率

随着年龄的增长，人类视觉系统的生理变化会导致人眼整体的透过率降低。北美照明学会发布的《老年住居视觉环境与照明规程》[2](ANSI/IES RP-28-96)中的研究结果表明(图1)，相对于25岁的年轻人而言，50岁的人眼透过率会降低约40%，而75岁的人眼透过率会降低近80%。笔者对上述数据进行数学拟合后得到下列计算公式：

τ=-1.58y+140.45

(1)

式中：τ为人眼的相对透过率；y为年龄。

图1　年龄和相对透射率的关系Fig.1　The relationship between age and transmission rates

1.2　瞳孔直径

随着年龄的增长人类瞳孔直径的变小也会导致眼睛进光量的减少，根据Marc Green的研究结果[3](图2)，相对于20岁的年轻人，白天50岁的人眼瞳孔直径缩小约25%，而80岁的人眼瞳孔直径缩小约51%，夜晚差异更大，分别达到37%和69%。

图2　年龄与瞳孔直径的关系Fig.2　The relationship between age and the pupil diameter

2老年人照明需求的变化

2.1　亮度水平

照明所需的亮度水平除受年龄影响外，还与人的视觉特性存在密切关系，国际照明委员会发布的《增强光和照明的应用指南》[4](CIE 196—2011)中的研究结果表明(图3)，当取同等条件下的20~29岁组和60~69岁组相比较时，不同精细工作(不同视敏度)情况下，要获得同等视敏度时，老年人和年轻人所需的亮度水平差异在不同精细工作情况下有所不同：高精细工作情况下，亮度水平差异达到10倍；中等程度精细工作情况下，亮度水平差异达到4倍；而非精细工作情况下，亮度水平差异也达到2倍。由此可见，视觉系统的变化可以通过适当的亮度水平来补偿。总的来看，若取其中位数(对应中等程度精细工作)，亮度水平差异应在4倍左右，而且最少应在2倍(非精细工作)，可见老年人总是比年轻人需要更高的亮度水平，但其比例与视觉特性(视觉工作的精细程度)有关。

图3　不同年龄人群视觉敏感度与亮度Fig.3　The relationship between visual sensitivity and brightness of different age groups

2.2　对比度

对比度是影响人类视功能的又一个重要因素。随着年龄的增长，眼睛生理机能的退化会影响到老年人的对比灵敏度，导致其随年龄的增长而降低，造成这种现象的主要原因是光在眼睛内部的散射效应所导致的。

ANSI/IES RP-28-96中的研究结果表明(图4)，当选择20~65岁的年龄段进行比较，要获得同等视敏度时，老年人和年轻人所需的对比度差异在不同满意人群比例、不同年龄情况下有所不同，取20岁与60岁比较的结果：高满意人群比例(95%)情况下，老年人要求的对比度是年轻人的5.5倍；低满意人群比例(50%)情况下，老年人要求的对比度是年轻人的2.3倍。

图4　年龄与对比度的关系(同等视敏度情况下)Fig.4　The relationship between age and contrast

2.3　眩光

老年人眼睛屈光的介质变化会导致老年人眼内光线散射数量的增加，CIE 196—2011中的研究结果表明(图5)，同样视觉环境下落在70岁老年人视网膜上的散射光线是20岁年轻人的2倍，从总体上来看，老年人视网膜上的散射光线至少是年轻人的1.5倍以上，这种现象的发生无疑加剧了眩光对老年人的影响。

图5　年龄与眼内散射的关系Fig.　The relationship between age and intraocular scattering

不舒适眩光的生理基础至今未完全明晰化，显然从视觉生理上看，角膜、瞳孔、晶状体、玻璃体和视网膜等的变化都可能引起眩光感觉的变化，因此至少目前的阶段还难以精确计算。因为透过率和散射量存在密切关系，故笔者仅仅通过透过率进行了简单测算。根据式(1)可以计算出相对25岁年轻人100%的透射率而言，60岁老年人眼睛的透射率仅有45.7%，然后带入统一眩光值UGR的计算公式不难算出：

UGR(60) = UGR(25) - 2.72

(2)

式中:UGR(60)，UGR(25)分别为60岁和25岁年龄透射率数据计算的UGR值。

由此不难看出由于眼睛透射率的降低所引起老年人眩光的影响，应使老年人照明的UGR值相对于年轻人提高2.72个单位，如果再考虑其它因素的作用，综合来看老年人照明的眩光防护等级(UGR)相对于年轻人提高3个单位，即1个等级是适宜的。

此外，因老年人视觉收缩调节能力的下降，视觉适应能力也随之改变，故与年轻人相比需要更高的照明均匀度，因此确保室内空间光线的均匀性十分重要。而且科学研究表明，老年人对颜色的感受性也降低，特别是短波段的蓝、绿色更为明显，相对来讲，老年人对长波段的暖色光相对更为敏感，因此，照明光源的色温应采用暖色调(低色温)。另外，对于光源的显色指数Ra而言，理论上也与年龄有关，但现实中影响不大，只要Ra大于80基本可以满足老年人照明的需求。

3照明推荐标准

3.1　国内外老年居住建筑照明设计标准的比较

由于我国对老年人照明设计的研究起步较晚，所以现阶段对老年人视觉和照明的研究与实践应用还处于初级的阶段，还没有系统的老年人活动环境的照明标准以及照明设计方法的指南等，在《建筑照明设计标准》[5](GB 50034—2013)中也只是增加了老年人卧室、起居室、阅览室的照度标准。

国外很多国家由于进入老龄化的时间比我国早，所以对老年人视觉和照明环境的研究相对起步也早，很多国家和机构已经在老年人视觉特性、老年人活动环境的照明标准、照明方法、照明器材和管理等方面进行了一定深度的研究，即使这样，纵观国外主要经济发达地区或国家的老年居住建筑照明标准大多也不完善，如表1所示。表中选取了我国、美国和日本两个典型发达国家的代表性的两类标准(成年人和老年人)进行了比较。表中括弧内场所名称表示选取GB 50034—2013中的场所名称。从比较的结果来看有以下特征：

1)ANSI/IES RP-28-96(2007)老年人照度标准体系最为完善；

2)我国老年人相关的照度标准值相对于成年人的照度标准值是翻倍或增加一个照度等级的关系；

3)美国和日本老年人相关的照度标准值相对于成年人的照度标准值增加的幅度比我国的要大。

总体来看，我国的照度标准值相对偏低，当然成年人照度标准值的情况也同样。

此外，我国老年住宅或养老设施的室外照明设计标准尚为空白，纵观国内外主要经济发达地区或国家，相关的设计标准也不完善，由于相关资料更少，而且是支离破碎的，笔者顺带对美国和日本资料进行了大量的收集，试图从中拼凑出一个完整的体系或结构，以方便设计师使用。

表1　国内外老年居住建筑室内照明设计标准的比较

注：*—混合照明照度；◆—阅读所需照度与字体大小有关，此处选择的是中等字体大小对应的数值；★—餐厅所需照度与餐厅类型有关，此处选择的是照度最高的快餐厅数值；●—日本照明手册所给出的照度值一部分针对场所，一部分针对所作工作，表1中数值由笔者对号入座。

3.2　老年人照明设计推荐标准

照明标准的制定首先需要考虑的是视觉工作的精细程度，其次需要考虑的是视觉对象的类型，如青少年、成年人或老年人，除此之外还需要考虑国家的整体实力或经济发展水平，综观全球发达国家的标准水平均高于发展中国家和不发达国家，从我国照明标准的进化过程就可以验证上述结论，总之，制订照明设计标准必须综合全面考虑多方面的影响因素。

针对上述老年人视觉和照明的技术分析，不论是亮度水平、亮度对比还是眩光指标，老年人相对成年人均需要有所提高，才能补偿由视力衰退所造成的识别水平降低。从亮度水平、亮度对比的研究结果可以看出，提高的倍率至少1倍，最佳是3倍；由眩光的研究结果可以看出，老年人照明的眩光防护等级(UGR)相对于年轻人应提高1个等级。

从目前我国居住建筑照明设计标准中仅有的几个数值可以看出，它们相对于成年人的标准均是翻倍或提高一个照度等级的关系，即2∶1的关系。再从美国IESNA-2011来看，青少年、成年人与老年人照度标准的关系是1∶2∶4，也是翻倍的关系，这说明标准值都只是保证最低限度要求而非最佳比例关系，虽说美国IESNA—2011成年人的照明标准总体上高于我国同类标准，但针对老年人照明增加的倍率与我国相同，鉴于此笔者根据上述原则，结合老年人的视觉特点，编制了老年住宅和养老设施建筑室内外照明推荐标准，见表2～表4。

表2　老年住宅建筑照明推荐标准

注：表2中，*—混合照明照度。

表3　养老设施建筑照明推荐标准

注：表3中，*—混合照明照度。

表4　老年居住建筑室外照明推荐标准

注：表4中，水平照度为路面最小平均照度；活动区垂直照度为距地面1.5m高处的最小垂直照度；其他垂直照度为道路中心线距路面1.5m高处，且法线与道路轴线平行的垂直面上最小照度。

4结束语

通过上述针对老年人照明的研究，可以发现照明对老年人的生活质量至关重要，而且由于众所周知的原因，生活于养老设施中的老年人身体障碍的严重程度比生活于非养老设施的同龄老年人严重得多，因此应更为关注养老设施的照明质量。面对我国已进入老龄社会的严峻现实，照明设计师应为老

年人创造一个良好的室内外照明环境，才能带给老年人高品质的晚年生活。

[1] 全国老龄工作委员会办公室. 中国人口老龄化发展趋势预测研究报告[R]. 2006.

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

[3] 刘炜，杨春宁，陈仲林．老年人住宅照明光环境 [J]． 照明工程学报，2001，12(3)：14.

[4] CIE GUIDE TO INCREASING ACCESSIBILITY IN LIGHT AND LIGHTING：CIE 196-2011[S].CIE，2011.

[5] 建筑照明设计标准：GB 50034—2013[S]. 北京：中国建筑工业出版社，2013.

[6] IES. THE LIGHTING HANDBOOK[M].Tenth Edition.IESNA，2011.

[7] 日本工业标准调查会. 照明标准总则：JISZ 9110—2010[S]. 日本规格协会，2010.

[8] 日本照明学会.照明手册[M].李农，杨燕,译.北京：科学出版社，2005.

大功率交流供电LED工业X射线观片灯设计

余健1，郑国恒1，黄新超2

(1.郑州大学物理工程学院，河南 郑州450001;2.郑州德隆检测设备有限公司，河南 郑州450004)

引言

X射线检测是无损检测中应用较为广泛、成熟的检测技术，常以胶片作为记录信息的工具。工业X射线底片往往需要具有较高的黑度，才可得到满足评片需求的对比度，这就必然对观片灯要求的提高[1]。国家标准GB/T 19802—2005对底片不同黑度级别，观片灯评片亮度提出了新的最低要求，传统观片灯亮度往往不能满足其中黑度大于4.5时要求最小屏亮度的要求[2]。

针对目前工业X射线观片灯不能满足高黑度底片的评片需求等问题，本文设计一种基于PT4207驱动芯片的交流供电大功率LED工业X射线观片灯。它基于PT4207驱动电路设计简单可靠，带有填谷式PFC电路，实现高功率因数和恒流驱动功能，兼有亮度可稳定调节、散热性能良好、操作方便等特点。

1LED电学特性

LED由一个PN结组成，伏安特性和普通二极管相似，伏安特性曲线如图1所示。LED正向导通时，正向电压UF微小变化会引起正向电流IF较大的变化，导致辐射光强较大范围的改变。加在LED两端的整流滤波输出电压往往随着电网电压的波动产生变化，采用恒压源驱动往往不能保证LED亮度的一致性。因此，LED驱动通常采用恒流源驱动。

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

2供电方式选择

LED驱动电路的作用是将供电电源转换成适合LED工作的直流电流，根据供电电源的类型，可分为直流供电和交流供电。

2.1　直流供电

直流供电电源来源于直流电源，如干电池、蓄电池和直流电源模块等，可直接提供较为稳定的直流电流。LED驱动电路设计较为简单，体积较小。由于供电电压较低，一般低于24V，大功率驱动需要提供较大的电流值，导致系统设计复杂性提高和可靠性降低，因此直流供电LED驱动电路比较适合中小功率型LED驱动应用。

2.2　交流供电

交流供电电源直接来源于交流电网，这是LED驱动最有前景、最有价值的供电方式，交流供电方式的研究也有利于推进LED照明的普及。交流供电方式的基本架构可分两大部分：AC/DC电压变换部分和DC/DC恒流变换部分。AC/DC电压变换部分主要是将市电220V交流电变换成可用于驱动芯片控制的直流电，DC/DC恒流变换部分用于驱动芯片将直流电转换成适合LED工作的直流电流，交流驱动的一般架构如图2所示[3]。

图2　LED交流驱动电源一般架构Fig.2　The common architecture of LED AC power driver

3基于PT4207的DC/DC恒流转换原理

基于PT4207的PWM调光驱动电路是一种峰值电流检测、固定关断时间的PWM控制型DC/DC恒流变换电源。基于PT4207的恒流驱动原理图可简化如图3所示，图中输入电压Uin即为前级AC/DC电压变换模块的输出直流电压。

根据电流在一个周期内是否降为零，电感L的工作模式可分为电感电流连续模式(CCM)和电感电流断续模式(DCM)。CCM模式下电感电流连续变化且不会降为零，DCM模式下开关管Q关断时间内电感电流会降为零。选择合适的电感值，使得这里的电感L工作于CCM模式。根据开关管Q的开启和关断状态，电感L一个工作周期可分为两部分，即开启周期和关断周期。

图3　基于PT 4207恒流驱动示意图Fig.3　The sketchy diagram of constant current driver based on PT 4207

1)峰值电流检测：当开关管Q开启时， LED负载电流由Vin提供，电流由Vin流经LED、电感L、开关管Q以及采样电阻Rcs进入地线，如图3中实线箭头方向所示。电感L两端加正向电压，电流值增大。PT4207利用采样引脚CS通过采样电阻Rcs对电感电流进行采样，到达峰值Ipk时，CS引脚电压达到内部参考电压Uref，即通过GATE控制开关管的关断。其中，峰值电流Ipk由外接电阻Rcs大小决定。

2)固定关断时间：电感电流达到峰值Ipk时，电感工作即进入关断周期。关断周期负载LED的电流由电感L提供，电感电流IL经二极管D流向负载LED，如图3中虚线箭头防线所示。电感两端电压为负值，电感电流逐渐下降。PT4207控制GATE引脚经过固定的关断时间Toff重新开启开关管Q，使电感工作重新进入开启周期。其中，关断时间Toff由外接电阻Roff阻值确定。

电感电流波形如图4所示，电流到达峰值Ipk即进入固定的关断时间Toff，CCM模式下，平均电流值为Iavg，如图4中实线所示。

图4　CCM模式下电感电流波形示意图Fig.4　The sketch diagram of inductive current waveform on CCM

3)PWM控制：PT4207专用调光引脚DIM通过PWM脉冲对电感平均电流进行控制。DIM管脚输入高电平时，电感工作于CCM模式，平均电流Iavg最大，如图5(a)中实线所示，记为Imax；DIM管脚输入低电平时，开关管处于截止状态，电感平均电流达到最小；当DIM管脚输入占空比为D的PWM调光脉冲时，电感平均电流Iavg为

Iavg=D×Imax

如图5(d)中实线所示，电感平均电流值由PWM调光脉冲占空比的改变而改变，负载LED与电感串联，即实现对LED亮度的调节。

图5　PWM调光过程电流波形示意图Fig.5　The process of PWM dimming current waveform sketchy diagram

4LED观片灯设计实现

4.1　方案总体框图

方案实现框图如图6所示。输入交流电分两路，一路经降压模块分为12V和5V两个高稳定性直流电压，分别给风扇和微控制器芯片供电；另一路经AC/DC电压变换和DC/DC恒流变换，在LED驱动芯片的控制下给LED阵列恒流供电。调光输入模块实现人机交互，通过触摸按键对观片灯进行调光[6]。

PWM调光脉冲的传输通道需加一光电耦合器，将LED驱动电源和微控制器电源隔离开，并保证PWM信号传递的单向性。温度传感器采集观片灯的温度信息，用于微控制器对风扇启停及转速的控制。

图6　方案总体框图Fig.6　The total block diagram of the scheme

4.2　LED阵列的排列

LED观片灯的光源往往采用LED灯珠按一定形式排列的平面阵列，以满足光源的大功率性。大功率LED灯珠一般发光面较小、光通量大、光能较集中，但是大功率LED阵列往往散热性能差、眩光较严重、发光均匀性无法满足要求；小功率LED 阵列可较好地满足发光均匀性要求，散热、眩光等问题容易解决，但完成相同功率往往需要增加LED数量，LED阵列面积较大[5]。

图7　LED阵列排列方式Fig.7　The arrangement of LED array

根据测试情况，综合考虑观片灯窗尺寸、LED阵列功率等问题，本方案LED灯珠选择深圳某公司推出的大功率LED系列，产品型号为：STPC3-3628XB，单颗灯珠功率1W，发光角度为120°，发光效率80~110lm/W,工作电流为300mA[7]。LED阵列中灯珠以矩形阵列形式排列，灯珠总数为150，可提供150W的LED照明功率。LED阵列采用混联的方式，在物理上呈25×6排列，逻辑上呈50×3排列，即每列3个LED并联成一组，25组串联成一路，上下两路再串联，如图7所示。考虑到观片灯窗的尺寸、散热和发光均匀性等问题，LED阵列等间距均匀排列，间距取1.1cm。

4.3　散热系统

基于目前的半导体制造技术，LED灯珠正常工作以热能的形式消耗掉的输入电能仍占大部分。LED结温的高低直接影响到LED发光效率、器件寿命、发射波长等，因此对于大功率LED应用设计，导热散热是一个极为关键的问题。对于观片灯来说，观察窗的升温可能导致底片变形而影响评片质量,给用户的操作带来不便。

LED灯珠的结温主要由环境温度和PN结到环境的热阻所决定，可见设计LED散热系统的关键在于减小PN结和环境的热阻[7]。综合考虑LED观片灯的工作环境，本方案用到的散热方法主要有增加外部热沉和主动散热两种。

1)增加外部热沉：外部热沉是以热传递的形式散热，焊接LED阵列的线路板取热阻较小的铝基板，并通过导热硅胶将铝基板和散热片紧密粘连。散热片散热面积大，导热性能良好，有利于减小系统热阻。

2)主动散热：主动散热的做法是增加风扇，以热对流的形式增强散热。本方案设计三个风扇用于观片灯的主动散热，一个主要用于增强散热片的散热，剩余两个风扇装于观片灯机壳两相对的侧面，形成对流，用于增强机壳内部与外环境间的散热。考虑到观片灯的亮度可调，长时间工作于不同亮度必然产生一定的温度梯度。温控风扇自动调速是通过温度传感器采集温度信息，微控制器根据温度信息按一定温度梯度调节风扇转速[6]。

4.4　调光输入模块

观片灯工作模式有三种：一种待机模式和两种调光模式。调光模式分为手动调光模式和脚踏调光模式，该模式下观片灯亮度可调。退出调光模式时，记录此时的调光数据，下次进入该调光模式可恢复上次调光亮度。当观片灯退出调光模式，便进入待机工作模式，该模式下PWM调光脉冲占空比固定，亮度不可调，等待调光模式的切换。

图8　调光输入模块框图Fig.8　The input of dimming module block diagram

如图8所示，调光输入由四个按键组成， UP、DOWN和HAND按键为触控输入，由触摸感应器ST04D驱动，FOOT按键由开关实现。当微控制器检测到UP按键按下则增大PWM调光脉冲占空比，增大负载LED的平均电流以增大观片灯的亮度；检测到DOWN按键按下则减小PWM调光脉冲占空比，减小负载LED的平均电流以减小观片灯的亮度。微控制器运行时保存PWM调光占空比，再次进入该调光模式可恢复上次设定观片灯亮度。

脚踏调光模式由FOOT开关触发进入，由MCU高优先级外中断实现，在脚踏调光模式下无法进入手动调光模式；手动调光模式由HAND触摸输入触发进入，由MCU低优先级外中断实现。脚踏调光模式在脚踏开关闭合后进入，脚踏开关断后退出，只触发一次中断；手动调光模式在HAND按键按下后进入，再次按下后退出，触发两次中断[6]。

4.5　微控制器部分

微控制器模块功能主要分为两大部分：一是检测调光模块输入而输出PWM调光脉冲，用于调节观片灯亮度；二是分析温度传感器采集的温度信息而输出另一路PWM信号用于调节风扇的转速[6]。

微控制器芯片选择深圳宏晶公司的STC12C5410AD单片机，5V电源供电，时钟选择外部8MHz的无源晶振，内部集成Max810专用复位电路。AC/DC电源模块将220V交流电转成12V直流电用于给风扇供电，再由DC/DC模块转成5V的稳定性较好的直流电给单片机供电。

主程序流程如图9所示。刚开机时系统完成对I/O口、定时器、外中断等片上外设初始化后，便进入待机模式，PWM脉冲占空比不可调；模式判定用于等待着调光模式的切换，若无调光模式切换信号触发，则保持待机模式；调光模式由外中断触发进入，进入调光模式后，先恢复上次在该模式下退出时的调光数据，若开机第一次进入调光模式则恢复一预设定值；检测UP和DOWN按键,UP按键按下，则增大PWM调光脉冲占空比，DOWN按键按下则减小PWM调光脉冲占空比。主程序最后返回模式判断，如此循环工作。

图9　主程序流程图Fig.9　The flow diagram of main program

为保证温控散热系统的实时性，温度调控由定时器中断的方式实现。定时器以固定的时间间隔产生中断，在中断服务子程序中采集温度信息，然后按照预设温度梯度，输出不同占空比的PWM脉冲对风扇转速进行调节。图10所示温度调控程序流程图有着三层温度梯度，其中A

图10　温度调控程序流程图Fig.10　The flow diagram of temperature control program

4.6　电路参数设计

图11　基于PT4207的恒流驱动原理图Fig.11　The schematic diagram of constant current driver based on PT4207

为分析方便将系统原理图简化如图11所示，输入为交流市电和PWM调光信号，输出为LED驱动电流。

图11中电容C1、C2，二极管D1、D2和D3及电阻R1组成填谷电路，相同参数的电容C1和C2以串联的方式充电，并联的方式放电，用于提高功率因数。

PT4207是通过启动电阻R2打开开关管Q1，电流经过开关管从S管脚由内部电流通路向电容C6充电，使VDD达到启动电压后开始工作的。驱动芯片仅需较小的启动电流，因此启动电流需选择较大的启动电阻，推荐使用1MΩ的电阻。

1)LED设计基本参数计算。

150W的观片灯光源采用50×3的平面LED阵列，每列3个LED灯珠成一组，根据LED灯珠参数：Pd=1W，IF=300mA，LED平均电流

Iavg=3×300mA=0.9A

(1)

LED阵列负载电压

(2)

2)峰值电流Ipk及关断时间Toff设定。

为满足LED平均电流达到1A，采样电阻取0.33Ω的电阻，根据PT4207的峰值电流检测特性，峰值电流

(3)

Toff外接电阻决定PT4207的固定关断时间，外接电阻R5阻值取10kΩ，则关断时间

(4)

3)电感参数计算。

电感L的纹波电流

ΔiL=2×(Ipk-Iavg)=0.32A

(5)

根据电感纹波大小计算电感大小

(6)

电感参数可取470μH/2A。

4)PWM调光脉冲频率设置。

STC12C5410AD单片机的PCA模块可设置其工作于8位PWM模式下，系统时钟选择外部8MHz晶振。PCA时钟输入源取系统时钟12分频，即PWM频率

(7)

5)光耦参数设计。

取输入端电阻R3阻值500Ω，光耦输入正向工作电流

(8)

输出端电阻R4取值过大，则光耦的频率响应变差，PWM调光脉冲严重失真；取值过小，电流Ice较大，饱和压降较大，高于0.35V时则开关管不能完全关掉，影响调光效果。根据实测光耦输出波形情况取R4阻值5kΩ。

(9)

5调试讨论

PT4207正常工作需要经过一个大的启动电阻R2，R2推荐值为1MΩ，调试中曾遇VDD不能达到正常工作电压时，可考虑减小启动电阻以提高PT4207的启动电流，使之达到正常启动效果。

驱动电路中还有个关键问题是电感的电感值和电流参数都很高，体积较大，这往往与观片灯有限的机壳空间产生冲突。选择较高的Q1开关频率可减小电感L的体积，提高开关频率的方法是减小关断时间，因此可通过设定较小的外接电阻以减小开关频率。由式(4)和式(6) 可得

可知在其他设计参数相同时电感值与外接电阻R5成正比，因此在能满足PT4207最短开启时间的条件下，选择较小的外接电阻可减小电感体积大小。

在现有实验条件下，该驱动电路实现驱动多达70串LED，实测填谷电路给LED灯板提供超过210V的电压。但驱动串数是基于效率和功率因数的折衷考虑，驱动的串数越高，即填谷电路提供的驱动电压越高，整流二极管导通时间越短，功率因数越小，但工作效率越高。

经过多轮调试后，LED观片灯实际测试结果基本符合设计要求，观片灯的调光模式实现手动和脚踏两种模式。风扇根据观片灯机壳内部温度自动调速，手动调光和脚踏调光的调光级数均可根据触控按键的DOWN和UP增减，进而实现观片灯亮度的调节。

6结束语

本文设计的LED观片灯采用大功率LED灯珠阵列作为光源，以其高亮度、发光均匀、亮度可调等特点满足工业X射线检测不同黑度级别的评片需求，同时兼有寿命长、散热好、节能环保、操作简单等优点。随着LED技术的发展，大功率LED灯珠的散热、光效等方面的发展及封装技术的改进，大功率LED照明应用会越来越广，相信以大功率LED为光源的观片灯有着广泛的应用价值。

[1] 黄河. LED工业观片灯和传统观片灯的对比[J]. 无损检测,2009,09:743-745.

[2] 无损检测工业射线照相观片灯最低要求：GB/T 19802—2005[S].北京：中国标准出版社，2005.

[3] 徐超. 大功率LED无源均流驱动电源的研究[J]. 照明工程学报,2013,24(4):89-94.

[4] 沙占友,安国臣. LED驱动电源PFC电路的设计[J]. 电源技术应用,2011,06:52-56.

[5] 高维惜,顾鑫,沈海平,等. 人眼对于PWM驱动下的LED亮度感知水平的提高[J]. 照明工程学报,2013,24(3):73-76.

[6] 郑国恒,颜小飞,黄新超. 温控触摸型LED工业X射线观片灯[J]. 照明工程学报,2012,23(1):82-87.

[7] 郭凌曦,左敦稳,孙玉利,等. LED散热技术及其研究进展[J]. 照明工程学报,2013,24(4):64-70.

简讯

★2016年1月8日，2015年度国家科技奖励大会在北京召开，南昌大学江风益教授带领的研究队伍，创造性地发展了新的LED照明技术路线，以“硅衬底高光效GaN基蓝色发光二极管”项目获得了国家技术发明一等奖。

国际上现有三条LED照明技术路线，分别是蓝宝石、碳化硅和硅衬底GaN基LED技术路线。前两条技术线路的主要贡献者分别获得了日本、美国两国最高科技奖。“本项目在国际上率先实现了硅衬底LED产业化，近三年直接经济效益11亿元，使我国新技术产品冲破了国外的专利束缚，在市场上形成了强劲的竞争力。”

★2015年12月23日，广东省光电技术协会成立大会在广州成功召开，由此诞生中国首个“互联网+”新型行业协会，200多位来自全国光电行业的企业老总及专家学者出席大会。会议审议并通过了协会相关章程，选举并产生广东省光电协会首届会长、常务副会长、副会长、监事长及秘书长。大会召开了广东省光电技术协会第一届会员代表大会，选举并产生广东省光电技术协会首届会长文尚胜(华南理工大学教授)。

★2016年1月16日，2015-2016年度文化部科技创新项目“LED在博物馆美术馆的应用现状与前景研究”课题中期成果汇报研讨会在南京博物院成功召开。本次会议主要是对课题前期调研成果的总结性汇报。多位知名专家和媒体代表共同参加。会议始终洋溢着浓浓的学术氛围，大家热情地探讨学术问题。

★2015年12月29日，星光影视35周年庆典活动在星光影视园1500平米演播室隆重举行。此次活动主题为“星光和星光的朋友们”，来自政府各级领导、全国各省市电视台、剧场、高等院校、各界协会、学会，业界同行等500余位嘉宾与公司员工欢聚一堂，同贺庆典。北京星光影视集团作为中国舞台灯具及相关业务的制造企业，开拓创新，为中国的舞台灯具照明的发展做出了巨大的贡献。

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)

通讯作者：马源，E-mail:mayuan0714@163.com

基金项目：国家自然科学青年基金项目(51208205)；亚热带建筑科学国家重点实验室自主课题(2015ZC15)

中图分类号：TM923 TM923 TM923 TM923

文献标识码：A A A A

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