PWM調(diào)制占空比對混合白光LED光源光色度的影響

胡奕彬，劉士偉，劉思遠(yuǎn)，劉騰方，胡　樂，莊其仁

(華僑大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院，福建 廈門　361021)

?

PWM調(diào)制占空比對混合白光LED光源光色度的影響

胡奕彬，劉士偉，劉思遠(yuǎn)，劉騰方，胡樂，莊其仁

(華僑大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院，福建 廈門361021)

脈沖寬度調(diào)制(PWM)是LED照明光源智能控制的常用方法，為了準(zhǔn)確控制混合白光LED光源的光度和色度，本文研究了基于兩種不同色溫白光LED的混合光源雙通道PWM調(diào)制光色度理論模型，推導(dǎo)出混合光源色坐標(biāo)、相關(guān)色溫、最大亮度與雙通道調(diào)制脈沖占空比比值的關(guān)系式。采用暖白光(色溫3282K)和冷白光(色溫12930K)兩種白光LED進(jìn)行混色實(shí)驗(yàn)，通過單片機(jī)控制脈沖寬度實(shí)現(xiàn)占空比可調(diào)。結(jié)果顯示實(shí)驗(yàn)測量值與理論計(jì)算值吻合很好，證明理論模型的正確性。實(shí)驗(yàn)結(jié)果同時(shí)表明采用雙通道PWM調(diào)節(jié)混合光源的色坐標(biāo)和色溫時(shí)，在相關(guān)色溫4233K～7316K范圍內(nèi)可以保證光源亮度(光通量)輸出值不低于最大值的70%。

白光LED；光色度；PWM；占空比

引言

研究表明，光照環(huán)境對人的生理和心理都具有明顯的影響，光色度可調(diào)的動態(tài)照明對緩解視覺疲勞、治療失眠癥、減輕時(shí)差效應(yīng)等方面都有一定作用[1]。為了實(shí)現(xiàn)LED的動態(tài)照明設(shè)計(jì)，需要對光源的亮度和色度量進(jìn)行定量控制[2]。LED常用的調(diào)光方法有模擬調(diào)光和脈沖寬度(Pulse Width Modulation,PWM)調(diào)光兩種。相比于模擬調(diào)光，PWM調(diào)光的優(yōu)點(diǎn)在于可以非常精確地控制光通量，且產(chǎn)生的色差較小[3]。

雖然近年已有雙通道 PWM 調(diào)光調(diào)色的相關(guān)研究論文報(bào)道[4-6]，但還缺乏一個(gè)簡捷的理論公式進(jìn)行混合光源色坐標(biāo)、相關(guān)色溫和亮度值與雙通道 PWM調(diào)制脈沖占空比關(guān)系的計(jì)算公式。為此本文將分析雙通道 PWM 調(diào)光調(diào)色的簡捷的計(jì)算模型，推導(dǎo)出相關(guān)計(jì)算公式，并進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，用于指導(dǎo)光色度可調(diào)的LED動態(tài)照明光源設(shè)計(jì)。

1　理論模型

在兩種不同色溫的白光LED混合光源系統(tǒng)中，采用雙通道脈沖寬度調(diào)制(PWM)方法實(shí)現(xiàn)光度和色度可調(diào)，需要分析占空比與混色光源光色度的關(guān)系。

1.1色坐標(biāo)與占空比的關(guān)系

設(shè)經(jīng)過PWM調(diào)制的兩種不同色溫的白光LED混合后的色坐標(biāo)為W(xm,ym)，三刺激值為(Xm,Ym,Zm)，亮度為Lm。使用的兩種白光LED色坐標(biāo)分別為W1(x1,y1)和W2(x2,y2)，相應(yīng)的三刺激值為(X1,Y1,Z1)和(X2,Y2,Z2)。兩種不同色溫的白光LED在滿電流工作下的亮度分別為L1和L2，雙通道脈寬調(diào)制占空比分別為D1和D2。根據(jù)格拉斯曼顏色混合定律和1931國際照明委員會(CIE)標(biāo)準(zhǔn)[7]，有以下關(guān)系式

(1)

(2)

1931 CIE標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，X，Z兩色只代表色度，沒有亮度，亮度只與三刺激值Y成比例，因此經(jīng)過PWM調(diào)制的兩種不同色溫白光LED的三刺激值可用亮度和色度表示為

(3)由式(1)、(3)可得混色后的三刺激值(Xm,Ym,Zm)為

(4)

由式(2)、(4)可得混色后的色坐標(biāo)為

(5)式(5)整理后可得

(6)

式(6)即為經(jīng)過雙通道PWM調(diào)制的兩種不同色溫白光LED混色色坐標(biāo)W(xm,ym)與調(diào)制脈寬占空比D1和D2的關(guān)系式。對于選定的兩種不同色溫白光LED，式(6)中x1，y1，x2，y2均為常數(shù)，當(dāng)燈珠數(shù)量確定后，L1和L2也為常數(shù)，此時(shí)兩種不同色溫白光LED混合光源的色坐標(biāo)W(xm,ym)只與D1和D2有關(guān)。當(dāng)D1=D2，即雙通道占空比相同時(shí)，W(xm,ym)與D1和D2無關(guān)，進(jìn)一步分析可發(fā)現(xiàn)，用占空比比值D1/D2作為自變量對色坐標(biāo)W(xm,ym)的影響更直觀，式(6)可寫為

(7)

1.2相關(guān)色溫與占空比的關(guān)系

經(jīng)過PWM調(diào)制的兩種不同色溫白光LED混合光源的相關(guān)色溫計(jì)算可采用文獻(xiàn)[8]提出的色溫計(jì)算公式

(8)式中T為相關(guān)色溫；R(0)=9135.111、R(1)=-16 906.45,R(2)=12 998.05,R(3)=-2784.008,R(4)=-954.8603,R(5)=217.3433,R(6)=82.91618,R(7)=3.354065,R(8)=-5.5733497；A是等溫線斜率的倒數(shù)，它表示為

(9)

由式(7)～(9)可得相關(guān)色溫與雙通道占空比比值η的關(guān)系為

(10)

式(10)表明，參與混色的兩種不同色溫的白光LED色坐標(biāo)x1、y1、x2、y2和最高亮度參數(shù)L1、L2確定后，混合光源的相關(guān)色溫只與雙通道占空比比值η有關(guān)，當(dāng)η為常數(shù)時(shí)，即同時(shí)增大或減小占空比D1和D2，混合光源的相關(guān)色溫保持不變。

1.3一定色溫下混合光源亮度與占空比的關(guān)系

根據(jù)格拉斯曼顏色混合定律，可得混合光源的亮度為

Lm=L1D1+L2D2

(11)

對于確定的色溫(色坐標(biāo))混合光源，雙通道占空比比值η不變，式(11)中的D1和D2不能獨(dú)立變化，式(11)可改寫為

(12)

混合光源色坐標(biāo)W(xm,ym)的取值范圍由式(7)可得，

(13)

假設(shè)x2>x1，y2>y1，則式(12)等式成立的條件是

x2>xm>x1，y2>ym>y1

(14)

兩種不同色溫白光LED控制占空比的比值η由式(7)可得

(15)

綜上所述，混合光源色溫(色坐標(biāo)xm)、混光后亮度Lm和占空比比值η的取值范圍有如下關(guān)系：

(16)

2　實(shí)驗(yàn)測試與結(jié)果分析

實(shí)驗(yàn)選用高色溫(冷白)和低色溫(暖白)兩種白光LED作為光源，測試設(shè)備為遠(yuǎn)方HAAS-2000光譜分析系統(tǒng)，首先測得單顆白光LED光色參數(shù)如表1所示。圖1為雙通道PWM控制電路的結(jié)構(gòu)框圖，主要由AC/DC電源適配器、DC/DC降壓電路、STC89C52單片機(jī)最小系統(tǒng)、LED恒流芯片PT4115及外圍電路、LED光源、控制按鍵等組成。PT4115是一款連續(xù)電感電流導(dǎo)通模式的降壓恒流源，內(nèi)置功率開關(guān)管，DIM引腳可以接受模擬調(diào)光和PWM調(diào)光，用來驅(qū)動LED光源模塊并實(shí)現(xiàn)PWM調(diào)光調(diào)色。由單片機(jī)輸出PWM信號控制驅(qū)動模塊，改變相對應(yīng)冷色光和暖色光的比重。

表1　實(shí)驗(yàn)用白光LED光源光色參數(shù)

圖1　雙通道PWM控制電路的結(jié)構(gòu)框圖Fig.1　Hardware structure diagram of control circuit of two channels’PWM

理論計(jì)算值和實(shí)驗(yàn)測量結(jié)果的比較列于表2中，其中理論計(jì)算值是根據(jù)式(7)、式(10)和式(12)的計(jì)算結(jié)果，計(jì)算參數(shù)根據(jù)表1的數(shù)據(jù)，并且冷白 LED和暖白 LED各為2顆。對于同一光源類型，亮度與光通量成正比，所以表2中用光通量與公式中的亮度相對應(yīng)。

從表2中可以看到，雙通道PWM調(diào)制占空比比值η從0.1∶1增大到1∶0.1，混合光源色坐標(biāo)xm的理論計(jì)算值和實(shí)驗(yàn)測量值最大差值為0.0036，相關(guān)色溫Tm的理論計(jì)算值和實(shí)驗(yàn)測量值最大差值為240K，平均誤差為16K，最大光通量Lm的理論計(jì)算值和實(shí)驗(yàn)測量值最大差值為7.64lm，平均誤差為1.93lm，理論計(jì)算值和實(shí)驗(yàn)測量值的差值都很小，可見理論模型公式的正確性。表2同時(shí)說明雙通道PWM調(diào)制占空比比值η可以很好地調(diào)節(jié)兩種色溫白光LED混合光源的色坐標(biāo)和相關(guān)色溫，本實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)光源的色坐標(biāo)xm可從0.4030連續(xù)變化到0.2859。由于知道混色色坐標(biāo)xm后就可以計(jì)算出混色后的色坐標(biāo)ym，因此實(shí)驗(yàn)中對色坐標(biāo)ym不予考慮。從表2可以看到，隨著冷暖兩色白光LED占空比之比η的增加，即冷色白光的比重的增加，混色后的色坐標(biāo)x也由暖色坐標(biāo)逐漸向冷色坐標(biāo)變化(色坐標(biāo)值由大變小)，并且相關(guān)色溫Tm單向升高，相關(guān)色溫值可從3534K連續(xù)變化到10292K。上述分析表明采用雙通道PWM調(diào)制冷暖兩色白光LED的混合光源色度參數(shù)可調(diào)范圍較大。

表2　理論計(jì)算與測試結(jié)果

對于照明光源，亮度(光通量)是重要的參數(shù)，由表2可以看出混合光源的最大光通量受調(diào)制占空比比值η的影響很大，因此在考慮色溫要求的同時(shí)應(yīng)兼顧最大光通量的值。由表2可以看到，在色溫為5414K時(shí)混合光源最大光通量達(dá)到最大值，相應(yīng)占空比比值為1∶1。最大光通量下降到80%所對應(yīng)的色溫值為4661K和6415K，相應(yīng)占空比比值為0.6∶1和1∶0.6，最大光通量下降到70%所對應(yīng)的色溫值為4233K和7316K，相應(yīng)占空比比值為0.4∶1和1∶0.4。因此，雖然采用雙通道PWM調(diào)制冷暖兩色白光LED的混合光源色度參數(shù)可調(diào)范圍很大，但由于受最大光通量的限制，脈沖調(diào)制占空比比值η的取值范圍限制在0.4∶1和1∶0.4之間，或者0.6∶1和1∶0.6之間是比較合適的。

3　結(jié)論

研究了基于兩種不同色溫白光LED的混合光源雙通道PWM調(diào)制光色度理論模型，推導(dǎo)出混合光源色坐標(biāo)xm，ym、相關(guān)色溫Tm、最大亮度Lm與用于混色的兩種不同色溫白光LED色坐標(biāo)x1，y1和x2，y2、滿電流亮度L1和L2，雙通道調(diào)制脈沖占空比D1和D2、以及占空比比值η=D1/D2的關(guān)系式。結(jié)果表明混合光源色坐標(biāo)W(xm,ym)由雙通道占空比比值η決定，且雙通道PWM調(diào)制的雙色混光光源系統(tǒng)中，色坐標(biāo)xm，ym的獨(dú)立變量只有一個(gè)；參與混色的兩種不同色溫的白光LED色坐標(biāo)x1，y1，x2，y2和最高亮度參數(shù)L1、L2確定后，混合光源的相關(guān)色溫只與雙通道占空比比值η有關(guān)。采用暖白光(色溫3282K)和冷白光(色溫12930K)兩種白光LED進(jìn)行混色實(shí)驗(yàn)，通過單片機(jī)軟件編程控制脈沖寬度實(shí)現(xiàn)占空比可調(diào)。結(jié)果顯示實(shí)驗(yàn)測量值與理論計(jì)算值吻合很好，證明了理論模型的正確性。實(shí)驗(yàn)結(jié)果同時(shí)表明采用雙通道PWM調(diào)節(jié)混合光源的色坐標(biāo)和色溫時(shí)，在相關(guān)色溫4233K～7316K范圍內(nèi)可以保證光源亮度(光通量)輸出值不低于最大值的70%。

[1] 石路.光源色溫對人體生物節(jié)律和體溫調(diào)節(jié)的影響[J]. 人類工效學(xué)，2006，12(3): 53-55.

[2] 倪凱凱, 沈海平, 江磊, 等. LED光譜色溫可調(diào)照明系統(tǒng)及其優(yōu)化算法研究[J]. 照明工程學(xué)報(bào), 2015, 26(2): 42-46.

[3] BECZKOWSKI S, MUNK-NIELSEN S.LED spectral and power characteristics under hybrid PWM/AM dimming strategy[C].Atlanta Energy Conversion Congress and Exposition, 2010: 731-735.

[4] 王紀(jì)永，王建平.基于兩通道PWM的LED調(diào)光調(diào)色方法[J]. 光電工程，2012，39(7):132-136.

[5] 邸元國, 鄭利紅. 白光LED照明色溫調(diào)節(jié)方法的研究[J]. 照明工程學(xué)報(bào), 2015, 26(2):60-62.

[6] 劉康, 郭震寧, 林介本,等. 高亮度白光LED混色理論及其實(shí)驗(yàn)研究[J]. 照明工程學(xué)報(bào), 2012, 23(1):51-57.

[7] 金偉其，胡威捷.輻射度光度與色度及其測量[M].北京：北京理工大學(xué)出版社，2009:126-127.

[8] 黃志偉，陳金鎧，鄭蔚,等. 正交多項(xiàng)式最小二乘曲線擬合法求光源色溫的經(jīng)驗(yàn)公式[J].光譜學(xué)與光譜分析，1995,15(5):107-113.

The Influence of Duty Ratio of PWM Modulation on Photometric and Colorimetric Quantity of Mixture of White LEDs

HU Yibin, LIU Shiwei, LIU Siyuan, LIU Tengfang, HU Le, ZHUAN Qiren

(InformationScienceandEngineeringInstituteofHuaqiaoUniversity,Xiamen361021,China)

Pulse width modulation(PWM) is a common method for LED in intelligent lighting. In order to control photometric and colorimetric quantity of mixed light source of white LED accurately, this paper studies the photometric and colorimetric theoretical model of two channels’PWM based on mixed light source of the two kinds of white LED with different color temperatures,deducing the formula for chromaticity coordinate of mixed light source, correlated colour temperature, maximum luminance and ratio of duty ratio of two channels’PWM. Two white LED samples of low color temperature(3282K) and high color temperature(12930K) were mixed in experiment,changing the duty ratio by controlling the pulse width.The results show that the experimental results are in fairly good agreement with the theoretical value,proving the correctness of the theoretical model.The results also show that we can ensure the luminous flux is higher than 70% of maximum in the range of 4233K to 7316K,when adjusting the chromaticity coordinate and correlated colour temperature of mixed light source by two channels’PWM.

white LED; chromaticity; PWM; duty ratio

福建省科技計(jì)劃重點(diǎn)項(xiàng)目(2012H0029)，泉州市科技計(jì)劃項(xiàng)目(2014Z105)

莊其仁，E-mail：qrzhuang@hqu.edu.cn

TM923

A

10.3969j.issn.1004-440X.2016.02.012