色溫和光通量獨(dú)立可調(diào)的白光LED系統(tǒng)

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，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，在夜間睡覺時(shí)人的核心溫度下降，而在白天覺醒的時(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。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。第二種則是通過不同顏色的LED所發(fā)出的來的光進(jìn)行混合進(jìn)而形成所需的白光。這種方式可以通過調(diào)節(jié)基色的配比來動(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，通過使用琥珀色(Amber)、薄荷色(Mint)、藍(lán)色(Blue)三種基色來混合產(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)而可以通過控制LED的電流來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)通過由液晶屏與按鍵組成的手持設(shè)備來提供良好的人機(jī)交互性，用戶可以通過在手持器上選定好需要的色溫和光通量，手持器通過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引腳通過檢測(cè)電阻RS兩端的電壓控制流過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)通過改變PWM信號(hào)的占空比來實(shí)現(xiàn)對(duì)流過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)中通常是通過改變某種顏色的電流，來混成不同的色溫。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)，通過變換不同的顏色間比例，來混成指定的色溫值。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%。通過這種方式來實(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).