LED 太陽模擬器控制系統(tǒng)研究

王立輝，王凌云，2，蘇拾，2，張健，2，張國玉，2

（1.長春理工大學(xué) 光電工程學(xué)院 長春 130022；2.長春理工大學(xué) 光電測控與光信息傳輸技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，長春 130022）

太陽模擬器主要是模擬地球外層空間太陽的光輻射特性和幾何特性，主要包括太陽輻射強(qiáng)度、太陽視直徑、太陽光譜特性、輻照穩(wěn)定性和均勻性等，其在航天、船舶、氣象以及光伏光熱領(lǐng)域有著重要的應(yīng)用［1-2］。目前的太陽模擬器主要以氙燈、鹵鎢燈為光源，氙燈光源太陽模擬器，技術(shù)比較成熟，使用范圍廣［3］，但是氙燈光源存在發(fā)光效率低、壽命短、穩(wěn)定性差、光譜匹配度差等不足［4］，使氙燈為光源的太陽模擬器的性能很難提高。LED（Light Emitting Diode，LED）是一種新型半導(dǎo)體發(fā)光器件，具有節(jié)能高效、綠色環(huán)保、高穩(wěn)定性、壽命長的優(yōu)點(diǎn)［5］，且LED易于控制，可以令合成的光譜更接近太陽光譜，使LED太陽模擬器成為太陽模擬器研究的熱點(diǎn)。目前LED太陽模擬器在輻照強(qiáng)度、輻照不均勻性和輻照穩(wěn)定性等的指標(biāo)均達(dá)到了較理想效果，如美國Newport公司設(shè)計(jì)的一款太陽模擬器實(shí)現(xiàn)輻照穩(wěn)定性和不均勻性達(dá)到A級(jí)。但是目前LED太陽模擬器存在的光譜合成質(zhì)量低、與太陽光譜的匹配度不理想以及LED散熱效果差等不足，LED太陽模擬器技術(shù)有待進(jìn)一步完善。

結(jié)合LED太陽模擬器的高光譜匹配度的需求，本文研究了一種LED太陽模擬器控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法，設(shè)計(jì)了LED太陽模擬器的光源控制系統(tǒng)和溫度控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了與AM1.5太陽光譜的A級(jí)標(biāo)準(zhǔn)匹配。

1 LED太陽模擬器組成與工作原理

1.1 LED太陽光譜合成基本原理

LED的光譜輻射分布表示在LED的光譜輻射波長范圍內(nèi)各個(gè)波長的輻射分布，要得到寬波段的太陽光譜，需要利用多個(gè)波段LED共同作用，由光譜疊加原理得到光譜合成基本數(shù)學(xué)模型［6］：

式中，Sj(λ)為單個(gè)LED光譜分布，kj為未知系數(shù)，合成光譜L(λ)∞Sj(λ)。光譜匹配的目的就是適當(dāng)?shù)倪x取擬合參數(shù)k1,k2,...,kj，提高合成光譜與太陽光譜擬合精度。

LED發(fā)光光譜和太陽光譜是特定波長對(duì)應(yīng)能量的數(shù)據(jù)組，假定太陽光譜數(shù)據(jù)組｛xi，yi｝(i=1,2,...,n1)，LED光譜數(shù)據(jù)Sl(xi)（l=1,2,...,n2），且在xi處函數(shù)關(guān)系為yi=k1S1(xi)+k2S2(xi)+...+klSl(xi)，該函數(shù)關(guān)系可以表示為：

式（2）為超定方程組，是無解的，但是可以求它的最小二乘解，且因?yàn)閿M合系數(shù)是正的，所以只需要求非負(fù)最小二乘解k1,k2,...,kn，即可得到合成光譜。

各波段擬合系數(shù)比對(duì)應(yīng)相應(yīng)波段LED的能量比，且LED能量大小與電流是成正比的［7］，實(shí)際應(yīng)用中，可以通過調(diào)節(jié)各個(gè)波段LED電流來實(shí)現(xiàn)擬合系數(shù)的匹配，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)合成光譜與太陽光譜的最佳匹配。

1.2 控制系統(tǒng)組成和工作原理

LED太陽模擬器控制系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖1所示，光源控制系統(tǒng)可以調(diào)節(jié)任意波段LED電流，其中串口屏作為人機(jī)交互系統(tǒng)，將用戶指令經(jīng)串口通信發(fā)送到以單片機(jī)為核心的驅(qū)動(dòng)電路，控制單波段LED輸出穩(wěn)定可調(diào)的驅(qū)動(dòng)電流，以太陽光譜為目標(biāo)光譜調(diào)節(jié)各個(gè)波段LED驅(qū)動(dòng)電流，通過光譜測量模塊測量實(shí)時(shí)的LED合成光譜曲線并與標(biāo)準(zhǔn)太陽光譜曲線進(jìn)行對(duì)比分析，再次調(diào)節(jié)各個(gè)波段LED驅(qū)動(dòng)電流，經(jīng)過多次調(diào)節(jié)，實(shí)現(xiàn)各個(gè)波段能量的比值與擬合系數(shù)相對(duì)應(yīng)，最終實(shí)現(xiàn)太陽光譜的模擬。溫度控制系統(tǒng)通過連續(xù)采集LED光源陣列的溫度，與LED光源陣列間建立閉環(huán)反饋網(wǎng)絡(luò)，控制制冷片工作，實(shí)現(xiàn)對(duì)溫度的控制。

圖1 LED太陽模擬器總體結(jié)構(gòu)

1.3 LED光源功率計(jì)算

根據(jù)預(yù)期指標(biāo)要求，LED太陽模擬器輻照度指標(biāo)需達(dá)到0.5個(gè)太陽常數(shù)，即：E=0.5×1350W/m2=675w/m2，輸出合成光需要經(jīng)過光學(xué)系統(tǒng)輸出，模擬器光學(xué)系統(tǒng)能量利用率為：

式中，τd=0.93為復(fù)眼透鏡透過率，τf=0.9為菲涅爾透鏡的透過率，τp=0.99為勻光腔鏡的能量利用率，輻照面內(nèi)的輻照度由下式給出：

式中，τe=0.3為LED電光轉(zhuǎn)換效率，輻照面有效面積S為0.09m2，則光源總功率需達(dá)到245W，由于光源功率較大，所以選用額定功率為3W的大功率LED，考慮到其他的能量的損失，各個(gè)波段LED顆數(shù)的和需要達(dá)到100顆。

2 光源控制系統(tǒng)各部分設(shè)計(jì)

2.1 LED光源驅(qū)動(dòng)電路硬件

現(xiàn)階段大功率LED驅(qū)動(dòng)主要分為恒壓驅(qū)動(dòng)和恒流驅(qū)動(dòng)。在使用傳統(tǒng)的恒壓驅(qū)動(dòng)時(shí)，LED在工作一段時(shí)間后結(jié)溫會(huì)升高，其伏安特性曲線將會(huì)左移，電流會(huì)增加。但此時(shí)電流的增加不會(huì)使得LED亮度增加，只會(huì)使其溫升更高，這樣就會(huì)增加光衰，降低LED的壽命［8］。所以在環(huán)境溫度和使用時(shí)間改變時(shí)恒壓驅(qū)動(dòng)是不可靠的，為了使LED具有更好的穩(wěn)定性、可靠性，恒流驅(qū)動(dòng)技術(shù)成為了合適的LED驅(qū)動(dòng)技術(shù)［9］。

LED恒流驅(qū)動(dòng)模塊電路如圖2所示。運(yùn)算放大器LM324同相輸入端U+接D/A轉(zhuǎn)換輸出的基準(zhǔn)電壓UIN，因運(yùn)放電路兩輸入端具有“虛短”特性，則有：

電阻R3引入反饋信號(hào)，則有：

式中，IE為三極管射極電流，且三極管基極電流IB很小，可以認(rèn)為流過負(fù)載Rl的電流IRl等于IE，通過以上分析可知流過負(fù)載的電流只受輸入電壓UIN的控制，與三極管的性能無關(guān)，并且電路采用電流串聯(lián)負(fù)反饋電路，保證了輸出電流的穩(wěn)定。

圖2 恒流驅(qū)動(dòng)模塊

用中心波長620nm的LED對(duì)電路性能進(jìn)行測試：調(diào)整LED的亮度進(jìn)行四次實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)亮度分別是程序允許最大亮度的1/5、2/5、3/5、4/5，單次實(shí)驗(yàn)持續(xù)10分鐘。LED導(dǎo)通壓降為2V，在實(shí)驗(yàn)的全程基本無變化，電流測量的實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表1所示。

表1 LED驅(qū)動(dòng)電流給定值與實(shí)驗(yàn)值

從表中可以看出實(shí)際輸出電流與理論電流值是存在誤差的。造成誤差的原因包括電路本身的損耗，器件的誤差，測量誤差等，但是誤差很小，可以令LED達(dá)到預(yù)期亮度。單次實(shí)驗(yàn)前后LED電流基本保持不變，大約變化0.1mA，最大變化率為0.2%，輸出電流穩(wěn)定度良好，所以驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)滿足LED驅(qū)動(dòng)的要求。

圖3 D/A轉(zhuǎn)換模塊

恒流驅(qū)動(dòng)輸入的基準(zhǔn)電壓是由D/A轉(zhuǎn)換模塊提供的，由于對(duì)LED亮度調(diào)節(jié)是根據(jù)目標(biāo)光譜進(jìn)行調(diào)節(jié)，具體的D/A轉(zhuǎn)換精度需要根據(jù)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行選取，經(jīng)過實(shí)驗(yàn)得選用8位數(shù)模轉(zhuǎn)換器件即可滿足太陽模擬器調(diào)光需求。本文選用TLC5620，具有輸出電壓穩(wěn)定性好、線性度好等特點(diǎn)，D/A轉(zhuǎn)換模塊如圖3所示。

其中REF端為D/A轉(zhuǎn)換輸入的基準(zhǔn)電壓，DACA～DACD端為四路模擬電壓輸出端，與恒流模塊相連接，輸出時(shí)由程序控制輸出的通道、電壓值，各通道之間相互獨(dú)立，可以擴(kuò)展成多路模擬電壓輸出，與恒流模塊組成多路恒流源。

2.2 LED光源控制系統(tǒng)軟件

單片機(jī)主要實(shí)現(xiàn)串口數(shù)字信號(hào)讀取處理、D/A轉(zhuǎn)換控制。D/A轉(zhuǎn)換芯片的時(shí)序如圖4所示，11位的命令字包括8位數(shù)據(jù)位、2位通道選擇位和1位電壓倍增位。在編程上采用先通過3次循環(huán)送通道選擇位和電壓倍增位，再通過8次循環(huán)送電壓數(shù)據(jù)信號(hào)的方式。

圖4 TLC5620的時(shí)序圖

調(diào)光程序流程如圖5所示。調(diào)光程序由串口數(shù)據(jù)讀取子程序、數(shù)據(jù)處理主程序、數(shù)字信號(hào)輸出子程序組成。首先程序進(jìn)行初始化，接收到數(shù)據(jù)后進(jìn)行判斷，確定接收的數(shù)字信號(hào)的功能：通道選擇、電流增減。當(dāng)進(jìn)行通道選擇后，程序接下來會(huì)處理相應(yīng)通道的電流增減數(shù)字信號(hào)，否則會(huì)繼續(xù)讀取串口信號(hào)，直到接收一個(gè)通道選擇信號(hào)，之后接收的電流增減信號(hào)控制該通道LED的電流，當(dāng)程序再次接收數(shù)據(jù)時(shí)重復(fù)以上數(shù)據(jù)處理步驟。

圖5 調(diào)光程序流程圖

3 LED散熱設(shè)計(jì)

LED芯片的表面面積較小，工作時(shí)電流密度大，且用于照明時(shí)往往要求大量的LED組合而成，密集度大，導(dǎo)致芯片發(fā)熱密度高。而結(jié)溫上升會(huì)導(dǎo)致光輸出減少、芯片加快蛻化、縮短器件壽命［10］。LED的熱效應(yīng)影響LED太陽模擬器中大功率LED光源陣列的光譜穩(wěn)定性和輻照穩(wěn)定性，所以需要找到一種切實(shí)有效的方法對(duì)大功率LED光源陣列的溫度進(jìn)行控制。

目前散熱方法主要有熱管、翅片、熱電制冷、合成微噴技術(shù)等［10］。LED發(fā)熱量大，單獨(dú)靠熱管和翅片的被動(dòng)散熱方法達(dá)不到理想散熱效果，合成微噴技術(shù)冷卻系統(tǒng)復(fù)雜成本過高，所以最終選擇熱電制冷方式，其工作原理為：當(dāng)電流流經(jīng)兩個(gè)不同導(dǎo)體形成的接點(diǎn)處會(huì)產(chǎn)生放熱和吸熱現(xiàn)象，放熱或吸熱與電流的大小如式7所示：

式中，Q為放熱或吸熱功率；a為溫差電動(dòng)勢率；T為冷接點(diǎn)溫度；I為工作電流［11］。

雖然熱電制冷系統(tǒng)冷端制冷效果很好，但是熱端的熱量散發(fā)問題對(duì)整個(gè)熱電系統(tǒng)的散熱性能影響很大［12］，因此在結(jié)構(gòu)上一般在熱端加上散熱翅片，這種組合可以大大增加散熱效果［13］。制冷片的型號(hào)為TEC1—12706，將制冷片的冷面用硅脂貼合在鋁基板上，而熱面用硅脂將其貼合在翅片型散熱片上，整體結(jié)構(gòu)如圖6所示，并用風(fēng)扇對(duì)翅片進(jìn)行冷卻，使熱量傳遞加快經(jīng)散熱片傳到空氣中，保證熱面溫度不影響制冷效果。

圖6 LED光源陣列散熱結(jié)構(gòu)和實(shí)物圖

溫度控制系統(tǒng)由計(jì)算機(jī)、溫度傳感器、制冷片驅(qū)動(dòng)電路組成，溫度傳感器采集鋁基板溫度，當(dāng)溫度超過溫度閾值時(shí)，啟動(dòng)制冷片進(jìn)行散熱，實(shí)現(xiàn)了閉環(huán)反饋的溫度控制系統(tǒng)，溫度控制在±5℃左右。在環(huán)境溫度為25℃時(shí)，LED輸出光譜匹配度滿足要求的情況下，記錄持續(xù)工作的LED陣列的溫度實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如表2所示，從表中可以看出溫度控制系統(tǒng)的散熱效果良好。

表2 實(shí)驗(yàn)溫度數(shù)據(jù)

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

輸出的合成光在滿足光譜匹配度的前提下，輻照度達(dá)到680w/m2滿足0.5太陽常數(shù)的要求，光譜測量模塊測量的最終合成光譜如圖7所示，其中縱坐標(biāo)是歸一化的輻照度。

圖7 LED光源陣列輸出光譜

光譜測量模塊計(jì)算的合成光譜各波段范圍光譜匹配度如表3所示，光譜匹配度是各個(gè)波段范圍光譜輻照度百分比與標(biāo)準(zhǔn)光譜輻照度分布的百分比的比率，表3所示光譜匹配度均在75%～125%，光譜匹配度全部達(dá)到了AM1.5的A級(jí)標(biāo)準(zhǔn)［14］，達(dá)到了預(yù)期的目標(biāo)。

表3 光譜匹配度

5 結(jié)論

基于光譜合成原理，研究了LED太陽模擬器控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法。利用LED光強(qiáng)調(diào)節(jié)技術(shù)和反饋控制技術(shù)，結(jié)合熱電散熱方式，設(shè)計(jì)了光源控制系統(tǒng)和溫度控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了LED太陽模擬器控制系統(tǒng)的光譜匹配、能量可調(diào)與工作溫度可控。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明LED太陽模擬器控制系統(tǒng)輸出光譜與太陽光譜的匹配度達(dá)到了AM1.5的A級(jí)標(biāo)準(zhǔn)。且光譜形狀光滑，安全易實(shí)現(xiàn)。為以后LED太陽模擬器的商業(yè)化生產(chǎn)提供了理論基礎(chǔ)，為可調(diào)光LED照明提供了一種切實(shí)可行的方案。

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