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        色溫和光通量獨(dú)立可調(diào)的白光LED系統(tǒng)

        2014-04-01 03:26:02劉廷章欒新源張修紅金碧瑤
        照明工程學(xué)報(bào) 2014年6期
        關(guān)鍵詞:基色光通量色溫

        閆 斌,劉廷章,欒新源,張修紅,金碧瑤,熊 峰

        (上海大學(xué)機(jī)電工程與自動(dòng)化學(xué)院,上海 200072)

        引言

        隨著LED技術(shù)的不斷發(fā)展,LED照明已經(jīng)普及起來(lái),特別是白光LED。普通照明應(yīng)用對(duì)光源的品質(zhì)有一定的要求,特別是其色溫和顯色指數(shù)[1]。研究表明,光源色溫對(duì)人的晝夜生物節(jié)律和不同環(huán)境溫度下體溫的調(diào)節(jié)都有重要的作用,且兩者之間存在著密切的相互關(guān)系[2]。地球上的生物在進(jìn)化過(guò)程中,日光和它的光譜及白天和黑夜的交替對(duì)現(xiàn)存的生物及它們對(duì)自然環(huán)境的適應(yīng)都有著決定性的作用。人體在晝夜節(jié)律的生理變化中,體溫的變化是一個(gè)重要的方面,在夜間睡覺(jué)時(shí)人的核心溫度下降,而在白天覺(jué)醒的時(shí)候體溫則升高。人體會(huì)分泌一種叫做褪黑素的物質(zhì),它可以促進(jìn)睡眠,而褪黑素的分泌是和光照有關(guān)的。白天,強(qiáng)光線抑制了褪黑素的分泌,從而保持工作狀態(tài),而在夜晚,沒(méi)有了強(qiáng)光的抑制,褪黑素的分泌促進(jìn)了睡眠[2]。

        LED白光的實(shí)現(xiàn)方式大致可以分為兩種。一種是利用覆蓋熒光材料直接做出白光LED來(lái)。比如日亞化學(xué)以460nm波長(zhǎng)的InGaN藍(lán)光晶粒涂上一層YAG熒光物質(zhì),利用藍(lán)光LED照射此熒光物質(zhì)以產(chǎn)生與藍(lán)光互補(bǔ)的555nm波長(zhǎng)黃光,再利用透鏡原理將互補(bǔ)的黃光和藍(lán)光予以混合,便可得出肉眼所需的白光。第二種則是通過(guò)不同顏色的LED所發(fā)出的來(lái)的光進(jìn)行混合進(jìn)而形成所需的白光。這種方式可以通過(guò)調(diào)節(jié)基色的配比來(lái)動(dòng)態(tài)的調(diào)節(jié)白光的色溫和輸出光通量,顯然效果更好,更加符合現(xiàn)實(shí)中人們對(duì)于光源的需求。

        本文采用了第二種白光的實(shí)現(xiàn)方式,通過(guò)使用琥珀色(Amber)、薄荷色(Mint)、藍(lán)色(Blue)三種基色來(lái)混合產(chǎn)生白光。白光色溫不僅在2700K~5000K之間連續(xù)可調(diào),而且色溫和輸出光通量獨(dú)立可調(diào)。

        1 理論計(jì)算

        1931年CIE在RGB系統(tǒng)的基礎(chǔ)上,改用三個(gè)假想的原色X、Y、Z建立了一個(gè)新的色度系統(tǒng)。將RGB系統(tǒng)光譜三刺激值進(jìn)行轉(zhuǎn)換后,變?yōu)橐訶、Y、Z三原色匹配等能光譜的三刺激值,定名為“CIE1931標(biāo)準(zhǔn)色度觀察者光譜刺激值”,這一系統(tǒng)叫做“CIE1931標(biāo)準(zhǔn)色度系統(tǒng)”。

        首先,我們定義所要配出的白光色坐標(biāo)為(xmix,ymix),光通量為Ymix,所取的三種基色琥珀色、薄荷色、藍(lán)色,其色坐標(biāo)分別為(xamber,yamber),(xeqw,yeqw),(xblue,yblue),相應(yīng)的三刺激值分別為(Xmix,Ymix,Zmix),(Xamber,Yamber,Zamber),(Xeqw,Yeqw,Zeqw),(Xblue,Yblue,Zblue)。根據(jù)格拉斯曼顏色混合定律及1931國(guó)際發(fā)光照明委員會(huì)(CIE)標(biāo)準(zhǔn):

        (1)

        (2)

        創(chuàng)建變換矩陣A

        (3)

        取矩陣A的逆矩陣記為,由(1)、(2)、(3)三個(gè)公式可以得三種基色的光通量與所需配光的光通量之間的關(guān)系如下所示:

        (4)

        在1931CIE標(biāo)準(zhǔn)中,X,Z兩色只代表色度,而光通量只與三刺激值Y成比例,所以上式表示只需要得知所要配出白光的色坐標(biāo)及光通量就可以得到所選三原色的光通量值,進(jìn)而可以通過(guò)控制LED的電流來(lái)控制三原色的輸出光通量。

        2 電路結(jié)構(gòu)及工作原理

        為了調(diào)節(jié)白光LED的色溫和輸出光通量,就需要對(duì)白光LED中的三種基色的LED輸出光通量進(jìn)行單獨(dú)的控制,這就需要三個(gè)獨(dú)立的LED驅(qū)動(dòng)電路。

        圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖Fig.1 Block diagram of the system

        圖1為系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖,為了使用者方便進(jìn)行色溫和輸出光通量的調(diào)節(jié)通過(guò)由液晶屏與按鍵組成的手持設(shè)備來(lái)提供良好的人機(jī)交互性,用戶可以通過(guò)在手持器上選定好需要的色溫和光通量,手持器通過(guò)RS-485接口向色溫和輸出光通量控制電路發(fā)送控制信號(hào)。色溫和輸出光通量控制電路通過(guò)單片機(jī)的程序處理之后分別向三路LED驅(qū)動(dòng)電路發(fā)送特定比例的PWM信號(hào),以此來(lái)調(diào)節(jié)三種基色的電流值的大小,進(jìn)而實(shí)現(xiàn)控制色溫和輸出光通量的功能。

        為了能夠獲得更佳的集成度,三路LED驅(qū)動(dòng)電路均采用了元器件使用較少的Buck拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),如圖2所示。

        圖2 LED驅(qū)動(dòng)電路圖Fig.2 LED driver circuit

        輸入端為48V直流, LED驅(qū)動(dòng)芯片U1的CS引腳通過(guò)檢測(cè)電阻RS兩端的電壓控制流過(guò)LED的電流實(shí)現(xiàn)恒流控制。

        芯片的PWMD端口可以接收由單片機(jī)發(fā)出的PWM控制信號(hào),單片機(jī)通過(guò)改變PWM信號(hào)的占空比來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)流過(guò)LED電流的調(diào)節(jié),進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)于LED輸出光通量的控制。

        3 色溫和輸出光通量獨(dú)立可調(diào)

        傳統(tǒng)的色溫可調(diào)的設(shè)計(jì)中通常是通過(guò)改變某種顏色的電流,來(lái)混成不同的色溫。使用這種方式,在調(diào)節(jié)色溫的同時(shí),光源的輸出光通量并不恒定,也會(huì)隨之發(fā)生改變。

        為了實(shí)現(xiàn)色溫和輸出光通量的獨(dú)立控制,每種顏色的LED使用獨(dú)立的PWM驅(qū)動(dòng),通過(guò)變換不同的顏色間比例,來(lái)混成指定的色溫值。在保持某一色溫恒定的前提下,需要調(diào)節(jié)輸出光通量時(shí),只需保持該色溫下各顏色間的比例不變,改變的只是每種顏色的輸出光通量。

        在色溫為3000K時(shí),100%亮度時(shí),三種顏色的PWM占空比需要調(diào)節(jié)為Amber∶Mint∶Blue=73.7%∶61.2%∶95.7%;若所需亮度為50%,則三種顏色的PWM占空比調(diào)節(jié)為Amber∶Mint∶Blue=36.8%∶30.6%∶47.8%。通過(guò)這種方式來(lái)實(shí)現(xiàn)色溫和輸出光通量的獨(dú)立調(diào)節(jié)。

        4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

        本實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)在色溫為2700K~5000K之間可以連續(xù)調(diào)節(jié),在每種色溫下對(duì)其色容差進(jìn)行了計(jì)算,結(jié)果如圖3所示。

        圖3 色容差Fig.3 Color tolerance

        由圖3可以看到,幾乎色溫對(duì)應(yīng)的色容差的值均在7以下,符合GB 24823—2009普通照明用LED模塊的性能要求標(biāo)準(zhǔn)。

        實(shí)驗(yàn)中選取了兩種色溫(3000K、2700K)在不同亮度(50%亮度和100%)的情況下,對(duì)各基色的占空比進(jìn)行了測(cè)量,測(cè)試值為表1、表2所示,其中三基色Amber、Mint、Blue的發(fā)光量分別為90lm、137lm、28lm。

        表1 100%亮度下兩種色溫的占空比Table 1 Duty ratio of the two CCT under 100% luminance

        表2 50%亮度下兩種色溫的占空比Table 2 Duty ratio of the two CCT under 50% luminance

        由表1和表2的對(duì)比可以看出,在相同色溫不同亮度下,各個(gè)基色的PWM的占空比的比例相同。

        經(jīng)過(guò)測(cè)試,在100%亮度下,色溫為2700K時(shí),白光光通量為1062.2lm;色溫為3000K時(shí)白光光通量為1061.3lm 。在不同色溫相同亮度的情況下,總的光通量幾乎相同,實(shí)現(xiàn)了色溫和輸出光通量的獨(dú)立可調(diào)。

        5 結(jié) 論

        本文介紹了一種色溫和輸出光通量獨(dú)立可調(diào)的白光LED系統(tǒng)。通過(guò)在單片機(jī)中進(jìn)行編程處理,在調(diào)節(jié)色溫的同時(shí)保持輸出光通量不變,在調(diào)節(jié)輸出光通量時(shí)保持原色溫不變,實(shí)現(xiàn)了色溫和輸出光通量的獨(dú)立調(diào)節(jié)。經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證,色溫和輸出光通量的調(diào)節(jié)均達(dá)到了良好的效果。

        [1] 劉康.高亮度白光LED色溫動(dòng)態(tài)可調(diào)及顯色指數(shù)的研究[J].半導(dǎo)體光電,2012,33(3).

        [2] 石路.光源色溫對(duì)人體生物節(jié)律和體溫調(diào)節(jié)的影響[J].人類(lèi)工效學(xué),2006,12(3).

        [3] 陳冬靈,林志賢.三基色光源連續(xù)色溫調(diào)控方法的研究[J].計(jì)算機(jī)與現(xiàn)代化,2012(6).

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