黃順云

(航空工業(yè)上海航空電器有限公司，上海 201101)

引言

位于飛機(jī)駕駛艙控制板組件上的指示燈也稱(chēng)信號(hào)燈，有的是單獨(dú)的、有的包含于按壓開(kāi)關(guān)內(nèi)部(Push Button Annunciator, PBA)，用于顯示飛機(jī)駕駛狀態(tài)、航行狀況、機(jī)體信息等，基于不同的狀態(tài)信息和反饋需求顯示不同的顏色與亮滅狀態(tài)、對(duì)應(yīng)不同的應(yīng)用場(chǎng)景。飛機(jī)在全天候氣象條件下航行，會(huì)遇到差異較大的各種光環(huán)境，如陽(yáng)光直射或黑暗環(huán)境等，指示燈上的信息必須在所有情況下被飛行員迅速識(shí)別且不會(huì)產(chǎn)生不必要的干擾。為適應(yīng)人眼的需求，指示燈需有調(diào)光功能，即其亮度參數(shù)需隨外部光環(huán)境的變化而改變。目前通用的方式是亮、暗兩種模式的切換，也有少部分機(jī)型提供低亮度段的連續(xù)調(diào)光功能。由于LED高光效、長(zhǎng)壽命、小尺寸、安全可靠等特點(diǎn)，目前主流機(jī)型的指示燈均使用LED為光源，其調(diào)光實(shí)現(xiàn)方式主要為脈沖寬度調(diào)制(Pulse width modulation, PWM)調(diào)光、模擬調(diào)光等[1]。

本文針對(duì)駕駛艙LED指示燈的調(diào)光，調(diào)研了國(guó)內(nèi)外行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)以及在研、運(yùn)營(yíng)機(jī)型中相關(guān)的光性能指標(biāo)要求，從LED特性出發(fā)分析兩種調(diào)光方式的優(yōu)劣，測(cè)試了指示燈電流與亮度的關(guān)系，確認(rèn)模擬調(diào)光方案的可行性。本文為后續(xù)機(jī)型的駕駛艙指示燈調(diào)光設(shè)計(jì)提供參考依據(jù)，以期提供多種選擇，在保障駕駛艙光電性能等品質(zhì)的條件下提高設(shè)計(jì)與制造的工作效率，并為指示燈產(chǎn)品的國(guó)產(chǎn)化研制提供理論基礎(chǔ)。

1 光性能指標(biāo)要求

飛機(jī)駕駛艙指示燈的示例如圖1所示，與其光性能指標(biāo)相關(guān)的國(guó)外標(biāo)準(zhǔn)包括SAE ARP4102/4[2]、MIL-PRF-22885[3]、MIL-STD-411[4]、SAE AS25050[5]、MIL-STD-3009[6]等。國(guó)內(nèi)的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)多是參考國(guó)外標(biāo)準(zhǔn)，主要涉及GJB 1006[7]、HB 6441[8]、GJB 1394[9]、GJB 2020A[10]等，其中的亮度與色度的量化指標(biāo)與國(guó)外標(biāo)準(zhǔn)相似。綜合上述的標(biāo)準(zhǔn)，飛機(jī)指示燈亮度的調(diào)光要求集中在亮模式(BRT)510～1300 cd/m2、暗模式(DIM)51±10 cd/m2(告警注意類(lèi))或3.4±1.7 cd/m2(信息提示類(lèi))，極端情況需暗至0.34 cd/m2(夜視兼容類(lèi))。由于民用飛機(jī)無(wú)夜視兼容的要求，因此，依據(jù)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，其駕駛艙指示燈的調(diào)光范圍需達(dá)到18倍與266倍。

圖1 飛機(jī)駕駛艙指示燈示例

對(duì)于指示燈的色度指標(biāo)，綜合國(guó)內(nèi)外的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，主要分為三類(lèi)，如圖2所示。

圖2 行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的色度指標(biāo)

根據(jù)部分在研與運(yùn)營(yíng)的民用機(jī)型的需求，其指示燈的亮度指標(biāo)集中在亮模式514.5～1 715 cd/m2、暗模式15～82.3 cd/m2，因此指示燈的調(diào)光范圍約為20～50倍，色度要求如圖3所示。

圖3 各機(jī)型色度指標(biāo)

2 模擬調(diào)光特性

2.1 指示燈調(diào)光方式

主流機(jī)型的駕駛艙指示燈調(diào)光方式分為占空比PWM調(diào)光及模擬調(diào)光兩種，前者由于色度穩(wěn)定、亮度調(diào)節(jié)線(xiàn)性度好，所以更多地被應(yīng)用。

PWM調(diào)光的方式是在LED光源上加載周期性通斷的驅(qū)動(dòng)，當(dāng)通斷變化頻率較高(如大于100 Hz)，人眼無(wú)法識(shí)別通與斷的狀態(tài)，便感受不到閃爍。此時(shí)視覺(jué)感受是平均化后的亮度，由此可以通過(guò)調(diào)節(jié)占空比的量值而改變指示燈的亮度，兩者關(guān)系是線(xiàn)性的。PWM調(diào)光的優(yōu)勢(shì)是LED亮度控制精準(zhǔn)、色度漂移較小，因此應(yīng)用較為廣泛。但劣勢(shì)是需要利用可編程硬件或軟件實(shí)現(xiàn)占空比的量值控制，增加了設(shè)計(jì)的復(fù)雜度，對(duì)飛機(jī)整體的可靠性、成本等不利，還會(huì)增加研制過(guò)程中管控的工作量。同時(shí)為保障亮模式與暗模式間的調(diào)光精確度，PWM方波需包含較多的高頻信號(hào)，這與駕駛艙中的電磁兼容要求有沖突[11,12]。

模擬調(diào)光的原理較為簡(jiǎn)單，由于LED發(fā)出的光量與其電流呈近似線(xiàn)性關(guān)系，因此通過(guò)調(diào)節(jié)LED的電流即可相應(yīng)改變指示燈的亮度。根據(jù)文獻(xiàn)調(diào)研，當(dāng)單色LED的電流上升，其色度會(huì)向藍(lán)色方向偏移，即波長(zhǎng)會(huì)減小、色度x值隨之減小。當(dāng)LED的節(jié)溫上升，其色度會(huì)向紅色方向偏移，波長(zhǎng)增大、色度x值隨之增大[13]。由于電流與溫度有相關(guān)性，所以指示燈的色度漂移情況不確定。而對(duì)于白光LED，當(dāng)受到電流與溫度影響，其內(nèi)部的藍(lán)光波長(zhǎng)發(fā)生偏移，熒光粉的激發(fā)效率會(huì)發(fā)生變化，從而影響色度x值與y值。同時(shí)，由于指示燈的亮度調(diào)節(jié)范圍大，暗模式時(shí)需使用的LED電流較低(如小于1 mA)。此時(shí)，LED電流與亮度不再是精確的線(xiàn)性關(guān)系，曲線(xiàn)會(huì)發(fā)生變化，從而對(duì)亮度的控制造成困難。基于上述這些原因，一般認(rèn)為模擬調(diào)光對(duì)指示燈的光色影響較大，是次之的選擇。但其光性能的變化究竟有多少，是否超出了可使用的范圍，下一節(jié)將做詳細(xì)的測(cè)試分析。

2.2 指示燈模擬調(diào)光實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)測(cè)試樣本選取業(yè)內(nèi)全球主流的供應(yīng)商出售的318系列指示燈產(chǎn)品，其簡(jiǎn)述的照明電路原理示意如圖4所示。其中，上方的LED為指示燈的上層字符(如有)照明，下方的LED為指示燈的下層字符(如有)照明。LED串聯(lián)一個(gè)限流電阻，用以控制指示燈的亮度。不同的指示燈產(chǎn)品其內(nèi)部LED的數(shù)量與串并聯(lián)方式會(huì)有所不同，但其光性能相似。

圖4 LED指示燈照明電路原理示意

選擇若干常用的紅光、琥珀光、綠光、白光指示燈，根據(jù)上述調(diào)研的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)中暗模式最低需調(diào)節(jié)至3.4 cd/m2的要求，設(shè)置實(shí)驗(yàn)條件如表1所示，在不同供電條件下測(cè)試指示燈字符的亮度，實(shí)驗(yàn)裝置使用示意如圖5所示?？紤]到各指示燈上下層字符顏色不同，因此實(shí)驗(yàn)以半層字符為對(duì)象考量電流與亮度的關(guān)系。

表1 實(shí)驗(yàn)用設(shè)備及實(shí)驗(yàn)條件

圖5 實(shí)驗(yàn)裝置使用示意

如圖6所示為某一指示燈的測(cè)試結(jié)果，在大部分情況時(shí)其亮度的變化與電流的變化呈正比，只在較低的電流條件下逐漸出現(xiàn)變化且變化量較小，如圖7所示。雖然電流與亮度間的關(guān)系變化不明顯，但根據(jù)實(shí)際的使用經(jīng)驗(yàn)，模擬調(diào)光的方式會(huì)對(duì)指示燈的暗模式亮度有顯著的影響。

圖6 指示燈光性能測(cè)試示意

圖7 指示燈電流亮度測(cè)試結(jié)果(低電流段)

將測(cè)試結(jié)果轉(zhuǎn)換為亮度歸一化與電流歸一化的比值，分析該比值與電流之間的關(guān)系。圖8為所有指示燈樣本的測(cè)試結(jié)果，橫坐標(biāo)為半層指示燈的電流值I，縱坐標(biāo)為半層指示燈字符亮度歸一化與電流歸一化的比值?？梢钥吹礁髦甘緹舻内厔?shì)較為接近，隨著電流降低，特別是小于2 mA時(shí)，亮度的降低速度逐漸快于電流。

圖8 指示燈亮度電流歸一化比值與電流的關(guān)系

根據(jù)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)與機(jī)型需求，指示燈的調(diào)光需求至少大于18倍，因此指示燈在暗模式時(shí)的工作電流需小于2 mA。選取此區(qū)間內(nèi)的測(cè)試數(shù)據(jù)，擬合為式1，如圖9所示。擬合結(jié)果R2為0.948、P值小于0.01，方程具有顯著性，即具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義，可以解釋實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)中94.8%的變異量。

Ln/In=0.1174ln(I) + 0.9289 (I≤2 mA)

(1)

其中，Ln為亮度歸一化值即亮度的下降比例、In為電流歸一化值即電流的下降比例，I為半層指示燈的電流、是亮模式時(shí)的最大電流IBRT乘以In。

圖9 2 mA及以下區(qū)間測(cè)試點(diǎn)的擬合

因此，式(1)可以轉(zhuǎn)換為式(2)，其中，Ln是已知的亮度下降比例的要求，亮模式電流IBRT可通過(guò)測(cè)試獲取，由此可計(jì)算出電流的下降比例In。再通過(guò)已知的亮模式電流值IBRT可得暗模式時(shí)的電流值IDIM為IBRT×In，將此計(jì)算所得的暗模式電流落實(shí)到指示燈的調(diào)光電路設(shè)計(jì)中，即可滿(mǎn)足指示燈暗模式時(shí)的亮度要求。

Ln/In=0.1174ln(IBRT×In) + 0.9289 (I≤2 mA)

(2)

為確認(rèn)上述的擬合公式是否滿(mǎn)足使用要求，隨機(jī)抽取指示燈樣本，在不同的暗模式亮度條件下將電流測(cè)試值與理論計(jì)算值進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果見(jiàn)表2，其誤差趨勢(shì)如圖10所示?？梢钥吹秸{(diào)光比例小于1 000倍時(shí)，計(jì)算所得暗模式的電流值誤差在12%以?xún)?nèi)。根據(jù)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)與機(jī)型需求，至多266倍的調(diào)光要求能夠由上述的擬合公式滿(mǎn)足。由于不同類(lèi)型的指示燈內(nèi)部LED光源數(shù)量及串并聯(lián)方式不同，其亮度電流曲線(xiàn)會(huì)有所不同，但曲線(xiàn)的趨勢(shì)是類(lèi)似的，基于上述的方法均即可尋到一個(gè)適用的擬合關(guān)系式。另外，由于白光LED與單色LED發(fā)光機(jī)理不同，白光指示燈使用數(shù)據(jù)全集所擬合的公式計(jì)算所得的結(jié)果誤差會(huì)大于其它顏色的指示燈，如圖10所示。如果指示燈亮度的容差范圍較小、對(duì)理論計(jì)算誤差的要求較高，可為白光指示燈單獨(dú)擬合關(guān)系式。

接下來(lái)是指示燈色度性能的考察，色度隨電流變化的測(cè)試結(jié)果如圖11所示，紅光、琥珀光、綠光指示燈的色度相對(duì)于其需求范圍漂移不明顯，根據(jù)式(3)計(jì)算得其偏移量均值分別為0.003、0.0017、0.024，變化量小于各自要求范圍的1/10。白光的變化相對(duì)大些，平均的偏移量為0.013，小于其要求范圍的1/5。

ΔE=(Δx2+Δy2)1/2

(3)

表2 擬合公式的計(jì)算誤差

圖10 擬合公式有效性驗(yàn)證

其中，Δx與Δy為色度差異最大的兩個(gè)點(diǎn)的坐標(biāo)差值，即ΔE是此兩點(diǎn)的距離。

圖11 指示燈電流色度測(cè)試結(jié)果

為進(jìn)一步確認(rèn)白光指示燈隨電流變化時(shí)的色度漂移是否會(huì)對(duì)人眼視覺(jué)產(chǎn)生影響，根據(jù)GB/T 10682[14]以量化的色容差參數(shù)做評(píng)判，計(jì)算方法如式(4)，標(biāo)準(zhǔn)中要求在5個(gè)單位內(nèi)為可接受范圍。

(g11Δx2+ 2g12ΔxΔy+g22Δy2)1/2

(4)

其中，Δx與Δy為色度差異最大的兩個(gè)點(diǎn)的坐標(biāo)差值，根據(jù)本次測(cè)試的白光色溫區(qū)域，g11=38×104、g12=-20×104、g22=25×104。

計(jì)算得被測(cè)的白光指示燈的平均色容差為4.3，符合小于5的要求，所以白光指示燈由亮模式到暗模式的色度漂移也在人眼可接受的范圍內(nèi)。以上的測(cè)試僅適用于選定系列的指示燈，對(duì)于不同供應(yīng)商、不同系列的指示燈產(chǎn)品，針對(duì)不同的機(jī)型需求，均應(yīng)以上述的方式確認(rèn)指示燈的色度偏移量是否能夠符合暗模式調(diào)光的要求。

2.3 應(yīng)用案例

某民用機(jī)型中，使用的指示燈為318系列產(chǎn)品，部分指示燈安裝在無(wú)軟件控制的位置，使用模擬調(diào)光是較優(yōu)的方式。

以一琥珀色指示燈為例，僅下層有字符需照明，如圖12框線(xiàn)內(nèi)的部分為指示燈內(nèi)部照明原理示意。指示燈的亮度指標(biāo)要求為亮模式514.5～1 543.5 cd/m2、暗模式27.4～82.3 cd/m2，即調(diào)光倍數(shù)為18.8，色度要求如表3所示。

首先測(cè)得該指示燈在亮模式時(shí)的電流為12.78 mA、亮度為986.7 cd/m2，計(jì)算得其內(nèi)部單個(gè)電阻的阻值約為950 Ω。根據(jù)式(2)可得暗模式的電流約為0.77 mA。而后設(shè)計(jì)調(diào)光電路如圖13所示，暗模式時(shí)指示燈的外部增加串聯(lián)一限流電阻。根據(jù)暗模式的電流值等已知信息，計(jì)算得到增加的限流電阻為15 kΩ。將此方案應(yīng)用于產(chǎn)品，該指示燈在暗模式下的亮度測(cè)試結(jié)果為49.56 cd/m2，符合27.4～82.3 cd/m2的要求；色度測(cè)試結(jié)果為x=0.6264、y=0.3726，符合表3的要求。

表3 某機(jī)型指示燈琥珀色色度要求

圖12 某機(jī)型琥珀色指示燈及其模擬調(diào)光原理示意

3 總結(jié)

結(jié)合上述的需求調(diào)研、實(shí)驗(yàn)測(cè)試、結(jié)果分析及應(yīng)用案例，模擬調(diào)光的方式可應(yīng)用于飛機(jī)駕駛艙LED指示燈的亮暗調(diào)節(jié)。所得的式(2)可計(jì)算暗模式時(shí)指示燈的電流以確保其亮度符合要求，色度在調(diào)光過(guò)程中出現(xiàn)的漂移量符合要求的范圍以及人眼視覺(jué)的需求。需指出的是，若指示燈內(nèi)部的電路原理或LED選型發(fā)生變更，則式(2)可能不再適用，需根據(jù)2.3中的方法測(cè)試得到一系列數(shù)據(jù)重新擬合關(guān)系式，同時(shí)需注意考察色度的漂移量是否超出要求的范圍。

模擬調(diào)光雖有其劣勢(shì)，但勝在設(shè)計(jì)簡(jiǎn)潔且成本低，民用飛機(jī)駕駛艙指示燈的調(diào)光設(shè)計(jì)需結(jié)合產(chǎn)品總體的設(shè)計(jì)方案綜合考量，選用最合適的方法。