光影一体化灯具的研究与应用

时间：2024-07-28

胡才双

(广东隆源光电有限公司，广东中山 528415)

引言

随着LED照明技术及LED电源驱动技术的不断成熟与创新，LED照明产品在电光源照明领域市场的应用逐步拓宽，性价比不断提升，产品在光世界中占据不可撼动的重要地位。不论是建筑物轮廓照明、景观照明，还是户外照明、室内住宅照明，低碳城市建设都将是人与自然和谐发展、共同进步的必备内容[1]。

各国为推动LED照明产业发展，纷纷出台税收优惠政策和产业扶持条文，LED照明产业蓬勃发展，企业规模逐步扩大，企业数量大幅增多，市场竞争如火如荼。因此，LED照明企业想要脱颖而出，必须推陈出新，加强LED产品设计创新，使企业在激烈市场竞争中脱颖而出，取得较大市场占有份额。根据中日韩住宅照明联合调查报告可知，中国居民照明现状改善项目颇多，灯具亮度不可调节、灯具不易清洁、亮度不实用、功率消耗较大等问题层出不穷[2]，如图1所示。

图1 对照明现状的改善需求Fig.1 Demand for improvement of lighting status

光作为家居设计的重要组成部分，不仅具有物质性特征，即成为界定空间、分隔空间、改变空间、调整空间的手段；而且具有精神性特征，即通过光环境的塑造与创新，表现特定构思、空间格局、主人性格与文化内涵，满足人的精神需求[3]。随着传感器和LED新光源的强强联合，多种模式控制调节灯具亮度和灯光颜色以适应不同环境需求，同时实现节能减排与低碳照明[2]。如何充分发挥LED固态照明技术优势，使产品功能多样化、操作智能化、外观新颖化、用户使用安装便捷化，设计出照明、装饰、智能和光影有机结合、浑然一体的LED产品，完全改变现有固态白光LED纯粹的照明功能将是公司新产品设计亟待解决的重要问题。

1 设计思路及理念

通过对市场现有LED照明产品的研究分析可知，传统室内装修设计中常以暗槽灯设计，借助室内设计造型与灯光的漫反射的结合，实现光影梦幻效果。在注重照明设计与空间设计结合的基本理念下，以下因素将是LED照明产品设计的重点：1)个人需求、建筑、经济与环境；2)淡化、简化照度指标；3)突出照明质量[4]。研究住宅照明一体化的评价指标，一般从舒适性、健康性、艺术性、安全便利性和经济性五方面综合构建家居照明的设计方案[3]。源于此启发，公司设计开发可完全取代传统暗槽灯的灯具，实现用户不开槽装修即拥有光影完美结合、色彩变化多样、智能控制、安全性高、性价比高的快捷安装便利产品——光影灯。

传统讲，建筑与灯光的一体化是指其结构造型的多样化，灯具不再是灯具，而可以是装饰，也可以是雕塑，同时还可以是建筑本身，这些都赋予了灯光产品更多的可塑性[5]。光影灯以暗槽灯灯光效果为设计目标，通过侧面发光后光与墙面形成光的反射与漫反射，达到暗槽灯效果，结合光影灯优美的外形结构，展现装饰与照明的完美结合，取代暗槽灯避免繁琐的暗槽装修。同时，光影灯采用公母插式电源接口，使用安全，安装快捷，多个光影灯安装仅需关注第一个灯体的通电，配以隐藏式公母连接销实现灯与灯之间的快速安装，达到无缝连接效果。若灯与灯之间有矩离连接时，可用具有串接功能的公母插连接线进行连接安装。光影灯的整体外形设计与快速安装设计，做到了装饰安装的快捷方便与灵活科，一体式装饰照明设计，使光影灯见光不见灯的独特效果别具一格。

建筑与灯光一体化的另一个特点是可控性，包括亮度的自适应调节、人体感应控制、色温控制等，满足人们对光的多重需求[5]。智能照明是当前的趋势型产品，它利用计算机、网络通信、自动控制等技术，通过对环境信息和用户需求进行汇总、分析和处理，实行特定的控制方案与策略，对照明及其装置进行整体控制和管理，是实现健康、舒适与高效的室内照明的重要手段[6]。光影灯具有可控硅开关调光调色功能，是一款先进的智能装饰照明灯具，通过可控硅调光器调节灯具的发光亮度及发光颜色，实现多种照明环境效果，完全可以满足家居、舞会、办公场所等照明效果的需求，为人们生活增添无穷乐趣，以光与色彩营造出符合人们心理需求的氛围，追求一种更高的生活品质。

2 产品实现

2.1 产品结构概述

LED光影灯是替代传统暗槽灯的智能气氛照明产品，产品性价比更高、施工安装更加方便快捷、安全性更高，且更加节能环保，能够智能控制，是新型高科技产品。产品结构采用模块化设计，分为：结构部分、电源驱动部分、调光调色温控制部分、光源部分。

2.2 产品的设计和结构

产品(设计和结构)符合国家灯具安全标准，符合GB 7000.1 灯具一般安全要求与试验、GB 7000.10 固定式通用灯具安全要求。

2.2.1 产品主体结构

产品外观整体靓丽新颖，如飞翔的小鸟。灯体为两层发光模式，通过光与墙面的漫反射达到暗槽灯光影效果，结合光影灯优美的外形结构，展现了装饰与照明的完美结合，如图2所示。

图2 产品外观图Fig.2 Product appearance chart

产品主体结构采用PC材料,产品整体结构强度高，防火阻燃等级为94V0级，如图3所示。

①—端盖；②—螺丝；③—全塑胶管；④—LED光源板；⑤—PC灯罩；⑥—电源；⑦—装饰盖板图3 产品爆炸图Fig.3 Product explosion chart

2.2.2 扩光罩及装饰板部分

扩光罩部分，LED光影灯采用高透光率、高纯度的阻燃PC材料，使产品光效更高、光扩散角度更大、发光更加均匀，实现建筑空间无暗区，保证光的色温变化值更小。

2.2.2.1 装饰板颜色多样化

常规装饰板为白、红、绿、蓝四种颜色，但客户也可定制适合自我家居装饰风格所需的颜色，如图4所示。

图4 不同颜色的装饰板展示图Fig.4 Display drawings of decorative panels of different colors

2.2.2.2 装饰板大小样式任选

装饰板有大小两种样式可供用户选择，小装饰板两边分别各有一条发光的亮线，大装饰板两边分别各有2条发光的亮线，如图5、图6所示。

图5 装饰板外形尺寸图Fig.5 Decorative panel shape dimensions

图6 两种不同尺寸的装饰板展示图Fig.6 Two decorative panels of different sizes

2.2.3 产品通电方式

通电方式设计采用可串接公母插头，可以分为两种：一种如图7所示的公母连接销，可实现灯具之间的无缝串接；另一种如图8所示的公母连接线，可实现跨距离串接。该设计安全性更高，且便于用户安装使用；同时，LED光影灯通电方式多样化，可单端通电、双端通电，一切以客户安全、简单、方便、快捷为设计原则。

图7 公母连接销Fig.7 Straight connector

图8 公母连接线Fig.8 Connecting cable

2.3 光影灯功能介绍

光影灯具有调光调色温功能，可以通过普通的可控硅调光器进行调光调色调温。可控硅调光开关，能实现三种色温的循环切换，控制实现调色温功能；也可通过开关旋钮的调节，控制灯的亮度的强弱来实现调光功能。

2.3.1 产品规格齐全

LED光影灯产品长度分布在0.3m/0.6m/0.9m/1.2m/1.5m/2.4m全系列，规格齐全，满足不同空间的安装需求。

2.3.2 产品安全性更高

产品采用全塑结构、防火阻燃等级为94V0级，公母插头防触电设计，符合安规要求。

2.3.3 产品外观新颖多样化

产品外观为飞翔的小鸟，寓意自由自在、展翅高飞和鸟语花香，外观独特，韵味悠远。

2.3.4 产品智能人性化控制

产品配套使用市场通用可控硅调光开关，控制方便简单，通用性强。可调色温调光，满足用户营造各种照明气氛需求。

2.3.5 产品安装更加方便快捷

产品采用公母插串接设计，通过连接销进行灯与灯之间的无缝连接，免去用户安装布线的繁琐工作，灯与灯之间能串接无暗区，整体照明效果完美。

3 产品结构的功能拓展

3.1 转角光影灯

为解决光影灯在灯与灯无缝连接后，转角处有暗区且外观装饰效果不理想的问题，如图9所示。

图9 转角处存在暗区展示图Fig.9 The dark area at the corner

公司开发设计了转角灯，真正实现无缝连接、无暗区、装饰外观更加优美，结构如图10所示。

图10 转角灯展示图Fig.10 Display of corner lamp

3.2 具有主副照明的光影灯

为使光影灯产品应用场景更加灵活且具备多样性，公司开发出带有主、副照明的光影灯，主照明是正面发光，实现照明功能，副照明是两侧发光，安装墙壁进行折反射，产生柔光线，且该种柔光线为由亮到暗的渐变亮线，柔和优美，如图11所示。

图11 产品结构爆炸图Fig.11 Explosive Chart of Product Structure

同时，主副照明功能可通过墙壁调光开关的开与关，实现功能之间的循环切换，简单实用方便：

1)主照明纯粹照明具有调光功能；

2)副照明具有可调光调色温功能，具有烘托环境气氛的功能；

3)主副照明可通过开关实现功能之间的循环切换，例如实现主照明单独点亮，副照明单独点亮，主副照明同时点亮等功能。

4 产品智能控制设计

产品电源及控制部分采用模块化结构设计，共有两套方案：一是单片机智能遥控控制动态调节调光调色温方案；另一种是电源采用公司成熟的BP2818可控硅调光电源，控制部分采用芯飞凌S4225芯片的开关分段控制模块的方案。

4.1 白光LED色温动态可调的原理和实现方法

4.1.1 色温可调原理

不同色温白光LED混合成一束白光，混合白光的光通量为不同色温的白光LED的光通量的总和。混合白光的色温光谱功率分布曲线是由不同色温白光LED的光谱功率分布曲线叠加混合而成，由此得到全新色温的光谱功率分布曲线，以此确定了混合白光的色温值。通过改变不同色温的驱动电流改变不同色温的光通量，也就改变了不同色温的光谱功率分布曲线，则由不同色温产生的新的光谱功率分布曲线叠加混合形成一条新的光谱功率分布曲线，也就得到动态可调的白光。

4.1.2 遥控调光调色温的实施方法

首先设定项目的功能性要求如下：

1)遥控器可支持一对一控制，一对多控制及多对多控制，公规为四对四；

2)LED亮度调节及色温调节完全实现无级调节；

3)实用的小夜灯功能和最高亮度的便捷控制；

4)当遥控器丢失时五种式样的分段调光调色温功能让LED灯也能调光调色温。

针对以上功能需求，研发人员进行了灯具设计、RF接收板设计、配套遥控器整机设计等开发工作，形成可调光可调色温的LED照明灯具。

4.1.3 具体实施方式

该照明灯具的工作原理如图12所示，包括LED组件模块，用于发出照明光线；MCU控制模块用于对LED照明组件模块的亮度和色温进行调节；供电模块用于LED照明组件模块和MCU控制模块供电。LED的混合调光调色原理如图13所示，系统输出二路控制信号，一路是Y_PWM控制信号，控制暖色温(2 800 K)LED，调节其占空比来调节暖光亮度；另一路是W_PWM控制信号，控制冷色温(6 500 K)LED，调节其占空比来调节冷光亮度；两路LED在铝基板是彼此交错排列，进行混色混光，使得色温可以在2 800～6 500 K之间进行设定，亮度在0～100%之间进行调节。例如：客户想更换LED色温，只要按下遥控器色温调节键，即可调节到想要的色温效果，当设定好色温之后，按下遥控器的亮度调节键，即可保持当前色温的情形下进行亮度调节。

图12 原理结构示意图Fig.12 Schematic structure

图13 软件流程方框图Fig.13 Software flow diagram

4.2 通过普通开关调色温、调光灯具的实现方法

4.2.1 晶丰明源BP2818 LED驱动原理

BP2818 是一款支持可控硅调光的高精度恒流控制芯片，用于非隔离的LED电源系统，适合全范围的交流电压输入或者12～600 V的直流电压输入，其芯片内带有高精度的电流取样电路，同时采用恒流控制技术，实现高精度的 LED恒流输出和优异的线性调整率；芯片工作在电感电流临界模式，系统输出电流不随电感量和 LED工作电压的变化而变化，实现优异的负载调整率。BP2818 采用源极驱动技术，芯片静态工作电流只有 200 uA，无需辅助绕组供电，简化设计，降低系统成本，另其具有多重保护功能，包括 LED 短路保护、电流采样电阻短路保护和芯片过温保护。

4.2.2 基于芯飞凌S4225芯片的开关分段原理

S4225系列芯片是开关调色温的专用芯片，该芯片内置400 V1A的晶闸管，简化外围电路结构，既可以最大限度简化外围原件个数，又可以保证多个电源同时应用时的逻辑一致性。为了扩大应用的领域，S4225列可以使用在隔离反激，Buck或Buck-Boost结构中，给电源的设计提供便利性。

4.2.3 电源及控制电路概论

BP2818+S4225芯片电路，具有电路结构简单、性能稳定、兼容性好等特点，使LED照明灯具能够用普通可控硅调光开关，通过开关转换色温，调整相位实现调色温，同时实现调光、调色温功能，为LED照明产品的普及和推广做出贡献。

5 LED光影灯应用场景案例

5.1 应用于办公走廊的照明

办公走廊是一个公共区域，是各个办公区连接的纽带，需要明亮的工作环境，让人心情舒畅，工作起来效率更高。如图14所示，在狭长的走廊上安装了两排光影灯，在天花板处形成两条由暗到亮渐变的线性光带，同时光影灯的灯罩有两条向下照射的透光的亮线，令整个走廊的照明非常均匀柔和，且整齐划一的光线，能够提振办公人员的精气神；再结合光影灯所具有的调光调色温功能，用户可以根据室外环境及季节的变化进行调节：在冬季，外面的天气环境比较低沉时，我们可以将光影灯的色温切换到5 000 K，阴霾的心情一下子可以敞亮起来；在夏季的时候，外面的天气环境比较热腾和浮躁，我们将灯光调整到3 000 K，整个办公照明环境变得温暖和舒适。

图14 场景应用案例一Fig.14 Scenario application case 1

5.2 应用于室内天花板的照明

在家居装修中，一般在天花板上做一个暗槽造型，再将灯具隐藏在暗槽内，为了达到“见光不见灯”的效果；而光影灯自带暗槽与灯具的效果，光线向两侧边投射，与天花板进行反射和漫反射后向空中发散。如图15所示，由0.3～2.4 m系列的光影灯结合转角灯，通过连接销无缝串接，可组合成不同尺寸规格的框架灯具，安装在室内天花板上可取代暗槽灯使用，不再进行复杂的室内装修工程了，一方面可以压缩工期节省费用，另一方面适当的提高了室内天花板的整体高度，同时，也无需再去清理暗槽内的污垢了，让家居环境更加简洁而不压抑。

图15 场景应用案例二Fig.15 Scenario application case 2

5.3 应用于楼梯间的照明

光影灯的装饰板有多种颜色可选，也可以根据客户需求定制，将灯具安装在楼梯场景的墙面上，起到照明与提升环境空间层次的效果。如图16所示，白天可把它当作一个装饰品点缀我们的空间，晚上启动灯具后可供照明用，还可根据环境需要，适当调整亮度的大小，在深夜时可当作小夜灯使用。

图16 场景应用案例三Fig.16 Scenario application case 3

6 LED光影灯的市场应用优势

建筑照明致力于灯具与空间界面、灯具与建筑构件的融合，弱化灯具、降低光源亮度对场景感知的视觉干扰，谋求见光不见灯的照明效果，利用光线和阴影将室内空间或环境要素更好的凸显表达，获得更优良的的视觉感知[7]。LED光影灯打破了LED白光纯粹照明的传统，通过光的漫反射原理将灯光完美有机结合，融为一体，将装饰与照明融于一身。产品安全性高，通电采用公母插防触电设计，产品本身采用全塑设计，防火阻燃等级及电气绝缘强度高；产品性价比高，驱动及控制通用公司现有成熟方案，产品生产工艺简单，材料成本低，产品整体性价比高，集装饰与照明于一身，应用广泛，可满足用户整体装饰照明安装效果，以此替代传统暗槽灯装饰照明，也可进行局部装饰照明安装，营造和谐照明氛围。