论文部分内容阅读
【摘要】 本文论述了LED的特点以及采用LED制作的演播室灯具的优缺点，对广电行业LED灯具进行了分析，为LED演播室灯具的选择提供了借鉴。
【关键词】 LED 光衰 主动型散热 被动型散热
LED（Lighting Emitting Diode）即发光二极管，是一种半导体固体发光器件。它是利用固体半导体芯片作为发光材料，在半导体中通过载流子发生复合放出过剩的能量而引起光子发射，直接发出红、绿、蓝、白色的光。LED照明产品就是利用LED作为光源制造出来的照明器具。
一.LED的优点
LED被称为第四代照明光源或绿色光源，具有很多特点，突出的优点有以下几个方面。
1.高效节能：LED采用直流驱动，超低功耗，单管可做到0.06 W-3W，电光功率转换接近100%，相同照明效果比传统光源节能80%以上。
2.长寿：LED属于固体冷光源，理论寿命可达10万小时，比传统光源寿命长10倍以上。
3.多色彩变幻：LED光源可利用红、绿、篮三基色原理，在计算机技术控制下使三种颜色具有256级灰度并任意混合，即可产生256×256×256=16777216种颜色，形成不同光色的组合，实现丰富多彩的动态变化效果。
4.利于环保：LED是由超导发光晶体产生的超高强度的灯光。他发出的热量很少，不像白炽光那样浪费太多热量，不像三基色荧光灯那样因消耗高能量而产生有毒气体，也不像镝灯那样要求镇流器产生高压而容易损坏，LED已被全球公认为新一代绿色照明光源。
因此，LED被广泛应用于各种指示、显示、装饰、背光源、普通照明和城市夜景等领域，电视演播室的灯具也逐步走向LED化。
二.电视演播室灯具指标
电视演播室是一个特殊的场合，演播室的照明必须满足摄像机对光线的要求，因此对照明灯具就产生一定的参数要求，具体是：
1.色温要求
摄像机的CCD是按3200°K设计的，当灯光色温为3200°K时，摄像机不用加装滤色镜便可以准确的调整“白平衡”，使画面色彩自然、逼真。如果色温偏离，就会影响电视画面的色彩还原。因此，要求演播室的灯光色温为3200°K。
2.照度要求
我们知道，光线越暗，摄像机就要增大透光量，也就是增大光圈，然而增大光圈会带来景深减小，使画面清晰度变差。所以，对演播室的照度应该有一个基本要求，即照度应≥2000lx。此照度可使摄像机光圈达到F8-F11，满足了拍摄的景深需要。
3.显色指数
所有光源都有显色性问题。 显色性，就是在该光源光线照射下，颜色的显示情况；显示的颜色，与自然光、或者标准光照射下显示的颜色越接近，则显色性好，反之则差。
显色指数，就是用来表示显色性优劣的。按现下国际照明委员会推荐（我国国家标准采纳），显色指数最高为100，即该光源照射下，各种颜色所显示的与自然光、或者标准光照射下显示的颜色完全一样，差距越大则数值越小。实践证明，对于人眼来说，显色指数Ra>90，显示的颜色基本就接近原色了。当然，显色指数越高越好，譬如传统的三基色冷光灯的显色指数Ra>95。对于LED来说，提高显色指数的同时，灯的亮度会随之降低，所以，在确定LED灯具参数时，应将显色指数和照度两项指标综合考虑。
4.调光性能
演播室的灯光根据位置不同，分为面光、侧光、逆光，调整各个位置的光比，可以使画面更生动，因此，演播室的灯具都要求具有调光性能。LED灯具属于低压、直流灯具，很容易实现数字调光。
DMX是Digital MultipleX的缩写，意为“数字多路复用”。 DMX512协议最先是由USITT（美国剧院技术协会）提出，现已发展成为从控制台用标准数字接口控制调光器的方式。
为了接受数字调光台的控制，每一个灯具必须配备一个数字解码器，它有一个可以任意设定的，并且<512的地址码，和满足DMX512协议的输入输出接口，通过数字调光台控制，灯具应实现0-100%调光
从以上的技术参数可以看出，色温、显色指数是由LED芯片决定的，照度是灯具结构决定的，而调光则是由电源和控制电路决定的。
三.影响LED灯具寿命的难点
上文说到LED长寿，但是用户发现，LED灯具的寿命远不及理论数字，随着使用时间的延长，灯具的照度越来越低，即发光量衰减很严重。这是何故呢？
大多数白光LED是由蓝色LED照射黄色荧光粉而得到的。引起LED光衰的主要原因有两个，一个是蓝光LED本身的光衰，蓝光LED的光衰远比红光、黄光、绿光LED要快。还有一个是荧光粉的光衰，荧光粉在高温下的衰减十分严重。
各种品牌的LED光衰是不同的。通常LED的厂家能够给出一套标准的光衰曲线来。我们以美国Cree公司的光衰曲线进行分析，如图1所示。
从图中可以看出，LED的光衰是和它的结温有关。所谓结温就是半导体PN结的温度，结温越高越早出现光衰，也就是寿命越短。从图上可以看出，假如结温为105度，亮度降至70%的寿命只有一万多小时，95度就有2万小时，而结温降低到75度，寿命就有5万小时，65度时更可以延长至9万小时。所以延长寿命的关键就是要降低结温。
降低结温就是要给LED散热，最简单的办法就是加装散热片。如果灯具寿命要达到5万小时，LED的结温就不应超过75度。我们在25度环境温度下进行依次推算，按热阻10度/W，热沉的温度为65度，到达散热器的表面温度为55度左右，温升为30度。
LED的光衰正常情况下有一个平稳的过程，但如果散热和驱动不好，就会加快这个过程。如果把温升控制在30度以内，一般的结温不超过85度。 为了延长寿命，控制光衰，LED芯片的选购，灯具散热结构的设计，导热材料的选取，都是至关重要的环节。
四.广电行业LED灯具分析
因为LED具有前述优点，所以LED灯具越来越多地走进了电视演播室。LED灯具给电视从业者带来了惊喜，同时也带来了苦恼，下面从使用者的角度对现有演播室LED灯具进行简单剖析，以便用户理性选择。
电视演播室的LED照明灯具大体分两类，一类是柔光灯，主要用于矮顶演播室的大面积铺光，一类是调焦聚光灯，常用于演播室的逆光，侧光和面光。
1.柔光灯
演播室柔光灯的功率一般在60-120W之间，按灯珠功率分成小功率、大功率两类。
小功率主要是用0.06W灯珠，像电源指示灯、户外景观照明、LED大屏幕等，都是用的这类灯珠。这类灯珠因为功率小，结温低，所以灯珠的发热量小，可以通过自然通风进行散热。用这类灯珠制作的灯具结构简单，技术难度小，造价低，大部分演播室都采用这种灯具。但因为这种灯具焊点多，60W的灯板要用1000个灯珠，焊点在2000以上，故障几率会高于其他灯具。
功率超过1W的灯珠称为大功率LED，用这种灯珠生产的灯具功率大，但是，这种灯珠的结温高，必须要增加散热结构，散热结构不好，光衰就很严重，为此，很多产品都是将散热片裸露在外，通过外界的自然风散热。
在矮顶型演播室，灯具悬挂高度都在2.4-3M之间，使用时就会发现，灯珠在全光时会很刺眼，尤其是面光，如果用柔光板遮挡，光线投射很近，照度会明显减少，与传统三基色冷光灯相比，其优点真的体现不充分。
其实，传统三基色冷光灯的优点也不少，照度恒定，显色指数高，光衰缓慢，寿命长（欧司朗的镇流器和灯管保用3年），光线柔和，只是在调光性能上有所欠缺，布光不如LED灯具方便。虽然有三基色调光类的产品供应，但都是模拟产品，不太受电视台的欢迎。日前，北京迪维码公司推出了一款DMX-512数字调光的三基色冷光灯，丰富了电视演播室柔光灯的品种，给用户多了一种选择。
2.聚光灯
演播室聚光灯的功率一般在100-200W，北京星光公司也有300W-400W的产品推出。
聚光灯的灯珠大都采用10x10的阵列集成封装，即将100颗灯珠按10串10并的阵列集成在一起，形成大功率LED芯片。如果每一个灯珠1W，集成后的芯片功率就是100W，如果每一个灯珠2W，集成后的芯片功率就是200W。LED芯片通过金属基板封装，便于固定和散热。
按散热形式分，LED聚光灯分主动型和被动型两种。
主动型是通过风扇对灯内的散热片进行强制散热，这种灯的优点是散热效果好，有效地抑制了光衰，缺点是散热风扇噪音大，会对录音产生影响，北京星光早期的100W聚光灯就属于这种类型。也有的公司采用密闭风路，通过风扇将热量吸出，风扇采用智能温控，有效地降低了灯体温度，同时降低了风扇噪音，北京迪维码的200W聚光灯就属于这类产品。
被动型是指散热片通过自然风冷散热，从结构上分也有两种。一种是采用“太阳花”散热器传递热量，一种是采用热管传递热量。
理论表明，根据散热环境不同，采用自然风冷的LED，每瓦LED约需要60-100cm散热面积。采用“太阳花”散热器传递热量的灯具，由于太阳花封闭在灯壳内，散热条件受限，所以，散热效果欠佳。笔者曾测试过，将灯具里的100W阵列LED灯芯及直径160mm，长度180mm的太阳花组件裸露在灯壳外，满载工作1小时后，太阳花散热器的表面温度为82C？，如果放在灯壳内，其温度可想而知。采用太阳花散热器的聚光灯大都是利用热光源的灯壳改造的，这种灯具造价低，在市场占有一定份额。
另一种被动型的聚光灯采用热管技术，生产厂家有广东华晨等。
热管技术是1963年美国LosAlamos国家实验室的G.M.Grover发明的一种称为“热管”的传热元件，它充分利用了热传导原理与致冷介质的快速热传递性质，透过热管将发热物体的热量迅速传递到热源外，其导热能力超过任何已知金属的导热能力。
采用热管技术的聚光灯是将LED安装在集热板上，通过热管将热量引出。热管的另一端安装散热翅片，与机壳外流动的空气接触，达到散热的目的，散热器翅片的面积与数量由LED功率决定，功率大翅片就多，反之，翅片就少，合理地解决了LED散热问题。笔者测试过翅片温度，LED功率200W时，翅片的温度仅为33C？。
由上可知，采用热管技术的聚光灯寿命无疑是最长的，性能稳定、可靠，但是结构复杂，造价偏高。
五.结束语
综上所述，随着LED技术的不断提升和人们对照明感官视觉追求的进一步提高，人们对LED产品性能和产品设计将提出更高的要求，这就需要LED制造商、终端产品设计师熟悉并掌握LED灯、灯具定义，了解LED灯具与传统照明灯具的区别，并时时跟踪国内外LED灯具最新标准动态。在产品设计上除了要考虑LED半导体照明灯具与传统照明灯具差异性外，还要把LED灯具光学、热学和电学特性与机械性能、散热设计、安装结构、美学设计等要素也要考虑进去，只有将它们作为一个整体、系统地优化，才能设计出符合现行LED灯具标准要求，并且性能出众的LED 广播电视照明灯具。
【关键词】 LED 光衰 主动型散热 被动型散热
LED（Lighting Emitting Diode）即发光二极管，是一种半导体固体发光器件。它是利用固体半导体芯片作为发光材料，在半导体中通过载流子发生复合放出过剩的能量而引起光子发射，直接发出红、绿、蓝、白色的光。LED照明产品就是利用LED作为光源制造出来的照明器具。
一.LED的优点
LED被称为第四代照明光源或绿色光源，具有很多特点，突出的优点有以下几个方面。
1.高效节能：LED采用直流驱动，超低功耗，单管可做到0.06 W-3W，电光功率转换接近100%，相同照明效果比传统光源节能80%以上。
2.长寿：LED属于固体冷光源，理论寿命可达10万小时，比传统光源寿命长10倍以上。
3.多色彩变幻：LED光源可利用红、绿、篮三基色原理，在计算机技术控制下使三种颜色具有256级灰度并任意混合，即可产生256×256×256=16777216种颜色，形成不同光色的组合，实现丰富多彩的动态变化效果。
4.利于环保：LED是由超导发光晶体产生的超高强度的灯光。他发出的热量很少，不像白炽光那样浪费太多热量，不像三基色荧光灯那样因消耗高能量而产生有毒气体，也不像镝灯那样要求镇流器产生高压而容易损坏，LED已被全球公认为新一代绿色照明光源。
因此，LED被广泛应用于各种指示、显示、装饰、背光源、普通照明和城市夜景等领域，电视演播室的灯具也逐步走向LED化。
二.电视演播室灯具指标
电视演播室是一个特殊的场合，演播室的照明必须满足摄像机对光线的要求，因此对照明灯具就产生一定的参数要求，具体是：
1.色温要求
摄像机的CCD是按3200°K设计的，当灯光色温为3200°K时，摄像机不用加装滤色镜便可以准确的调整“白平衡”，使画面色彩自然、逼真。如果色温偏离，就会影响电视画面的色彩还原。因此，要求演播室的灯光色温为3200°K。
2.照度要求
我们知道，光线越暗，摄像机就要增大透光量，也就是增大光圈，然而增大光圈会带来景深减小，使画面清晰度变差。所以，对演播室的照度应该有一个基本要求，即照度应≥2000lx。此照度可使摄像机光圈达到F8-F11，满足了拍摄的景深需要。
3.显色指数
所有光源都有显色性问题。 显色性，就是在该光源光线照射下，颜色的显示情况；显示的颜色，与自然光、或者标准光照射下显示的颜色越接近，则显色性好，反之则差。
显色指数，就是用来表示显色性优劣的。按现下国际照明委员会推荐（我国国家标准采纳），显色指数最高为100，即该光源照射下，各种颜色所显示的与自然光、或者标准光照射下显示的颜色完全一样，差距越大则数值越小。实践证明，对于人眼来说，显色指数Ra>90，显示的颜色基本就接近原色了。当然，显色指数越高越好，譬如传统的三基色冷光灯的显色指数Ra>95。对于LED来说，提高显色指数的同时，灯的亮度会随之降低，所以，在确定LED灯具参数时，应将显色指数和照度两项指标综合考虑。
4.调光性能
演播室的灯光根据位置不同，分为面光、侧光、逆光，调整各个位置的光比，可以使画面更生动，因此，演播室的灯具都要求具有调光性能。LED灯具属于低压、直流灯具，很容易实现数字调光。
DMX是Digital MultipleX的缩写，意为“数字多路复用”。 DMX512协议最先是由USITT（美国剧院技术协会）提出，现已发展成为从控制台用标准数字接口控制调光器的方式。
为了接受数字调光台的控制，每一个灯具必须配备一个数字解码器，它有一个可以任意设定的，并且<512的地址码，和满足DMX512协议的输入输出接口，通过数字调光台控制，灯具应实现0-100%调光
从以上的技术参数可以看出，色温、显色指数是由LED芯片决定的，照度是灯具结构决定的，而调光则是由电源和控制电路决定的。
三.影响LED灯具寿命的难点
上文说到LED长寿，但是用户发现，LED灯具的寿命远不及理论数字，随着使用时间的延长，灯具的照度越来越低，即发光量衰减很严重。这是何故呢？
大多数白光LED是由蓝色LED照射黄色荧光粉而得到的。引起LED光衰的主要原因有两个，一个是蓝光LED本身的光衰，蓝光LED的光衰远比红光、黄光、绿光LED要快。还有一个是荧光粉的光衰，荧光粉在高温下的衰减十分严重。
各种品牌的LED光衰是不同的。通常LED的厂家能够给出一套标准的光衰曲线来。我们以美国Cree公司的光衰曲线进行分析，如图1所示。
从图中可以看出，LED的光衰是和它的结温有关。所谓结温就是半导体PN结的温度，结温越高越早出现光衰，也就是寿命越短。从图上可以看出，假如结温为105度，亮度降至70%的寿命只有一万多小时，95度就有2万小时，而结温降低到75度，寿命就有5万小时，65度时更可以延长至9万小时。所以延长寿命的关键就是要降低结温。
降低结温就是要给LED散热，最简单的办法就是加装散热片。如果灯具寿命要达到5万小时，LED的结温就不应超过75度。我们在25度环境温度下进行依次推算，按热阻10度/W，热沉的温度为65度，到达散热器的表面温度为55度左右，温升为30度。
LED的光衰正常情况下有一个平稳的过程，但如果散热和驱动不好，就会加快这个过程。如果把温升控制在30度以内，一般的结温不超过85度。 为了延长寿命，控制光衰，LED芯片的选购，灯具散热结构的设计，导热材料的选取，都是至关重要的环节。
四.广电行业LED灯具分析
因为LED具有前述优点，所以LED灯具越来越多地走进了电视演播室。LED灯具给电视从业者带来了惊喜，同时也带来了苦恼，下面从使用者的角度对现有演播室LED灯具进行简单剖析，以便用户理性选择。
电视演播室的LED照明灯具大体分两类，一类是柔光灯，主要用于矮顶演播室的大面积铺光，一类是调焦聚光灯，常用于演播室的逆光，侧光和面光。
1.柔光灯
演播室柔光灯的功率一般在60-120W之间，按灯珠功率分成小功率、大功率两类。
小功率主要是用0.06W灯珠，像电源指示灯、户外景观照明、LED大屏幕等，都是用的这类灯珠。这类灯珠因为功率小，结温低，所以灯珠的发热量小，可以通过自然通风进行散热。用这类灯珠制作的灯具结构简单，技术难度小，造价低，大部分演播室都采用这种灯具。但因为这种灯具焊点多，60W的灯板要用1000个灯珠，焊点在2000以上，故障几率会高于其他灯具。
功率超过1W的灯珠称为大功率LED，用这种灯珠生产的灯具功率大，但是，这种灯珠的结温高，必须要增加散热结构，散热结构不好，光衰就很严重，为此，很多产品都是将散热片裸露在外，通过外界的自然风散热。
在矮顶型演播室，灯具悬挂高度都在2.4-3M之间，使用时就会发现，灯珠在全光时会很刺眼，尤其是面光，如果用柔光板遮挡，光线投射很近，照度会明显减少，与传统三基色冷光灯相比，其优点真的体现不充分。
其实，传统三基色冷光灯的优点也不少，照度恒定，显色指数高，光衰缓慢，寿命长（欧司朗的镇流器和灯管保用3年），光线柔和，只是在调光性能上有所欠缺，布光不如LED灯具方便。虽然有三基色调光类的产品供应，但都是模拟产品，不太受电视台的欢迎。日前，北京迪维码公司推出了一款DMX-512数字调光的三基色冷光灯，丰富了电视演播室柔光灯的品种，给用户多了一种选择。
2.聚光灯
演播室聚光灯的功率一般在100-200W，北京星光公司也有300W-400W的产品推出。
聚光灯的灯珠大都采用10x10的阵列集成封装，即将100颗灯珠按10串10并的阵列集成在一起，形成大功率LED芯片。如果每一个灯珠1W，集成后的芯片功率就是100W，如果每一个灯珠2W，集成后的芯片功率就是200W。LED芯片通过金属基板封装，便于固定和散热。
按散热形式分，LED聚光灯分主动型和被动型两种。
主动型是通过风扇对灯内的散热片进行强制散热，这种灯的优点是散热效果好，有效地抑制了光衰，缺点是散热风扇噪音大，会对录音产生影响，北京星光早期的100W聚光灯就属于这种类型。也有的公司采用密闭风路，通过风扇将热量吸出，风扇采用智能温控，有效地降低了灯体温度，同时降低了风扇噪音，北京迪维码的200W聚光灯就属于这类产品。
被动型是指散热片通过自然风冷散热，从结构上分也有两种。一种是采用“太阳花”散热器传递热量，一种是采用热管传递热量。
理论表明，根据散热环境不同，采用自然风冷的LED，每瓦LED约需要60-100cm散热面积。采用“太阳花”散热器传递热量的灯具，由于太阳花封闭在灯壳内，散热条件受限，所以，散热效果欠佳。笔者曾测试过，将灯具里的100W阵列LED灯芯及直径160mm，长度180mm的太阳花组件裸露在灯壳外，满载工作1小时后，太阳花散热器的表面温度为82C？，如果放在灯壳内，其温度可想而知。采用太阳花散热器的聚光灯大都是利用热光源的灯壳改造的，这种灯具造价低，在市场占有一定份额。
另一种被动型的聚光灯采用热管技术，生产厂家有广东华晨等。
热管技术是1963年美国LosAlamos国家实验室的G.M.Grover发明的一种称为“热管”的传热元件，它充分利用了热传导原理与致冷介质的快速热传递性质，透过热管将发热物体的热量迅速传递到热源外，其导热能力超过任何已知金属的导热能力。
采用热管技术的聚光灯是将LED安装在集热板上，通过热管将热量引出。热管的另一端安装散热翅片，与机壳外流动的空气接触，达到散热的目的，散热器翅片的面积与数量由LED功率决定，功率大翅片就多，反之，翅片就少，合理地解决了LED散热问题。笔者测试过翅片温度，LED功率200W时，翅片的温度仅为33C？。
由上可知，采用热管技术的聚光灯寿命无疑是最长的，性能稳定、可靠，但是结构复杂，造价偏高。
五.结束语
综上所述，随着LED技术的不断提升和人们对照明感官视觉追求的进一步提高，人们对LED产品性能和产品设计将提出更高的要求，这就需要LED制造商、终端产品设计师熟悉并掌握LED灯、灯具定义，了解LED灯具与传统照明灯具的区别，并时时跟踪国内外LED灯具最新标准动态。在产品设计上除了要考虑LED半导体照明灯具与传统照明灯具差异性外，还要把LED灯具光学、热学和电学特性与机械性能、散热设计、安装结构、美学设计等要素也要考虑进去，只有将它们作为一个整体、系统地优化，才能设计出符合现行LED灯具标准要求，并且性能出众的LED 广播电视照明灯具。