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一種新型的兩通道PWM的LED調(diào)光調(diào)色方法

發(fā)布時(shí)間:2013-10-09 責(zé)任編輯:eliane

【導(dǎo)讀】針對(duì)PWM調(diào)光調(diào)色,此前尚缺乏一個(gè)利用PWM同時(shí)控制光源光度量和色度量的量化計(jì)算方案。本文提出了一種新型的兩通道PWM調(diào)光調(diào)色的混光模型,可以準(zhǔn)確地調(diào)制出期望光度、色度要求的光譜,為L(zhǎng)ED的動(dòng)態(tài)照明設(shè)計(jì)提供了一個(gè)有效的實(shí)現(xiàn)方法。

2002年美國(guó)Brown大學(xué)DavidBerson等人在哺乳動(dòng)物的視網(wǎng)膜上發(fā)現(xiàn)了第三種感光細(xì)胞,它主要在調(diào)節(jié)人體內(nèi)分泌、控制生理節(jié)律等非視覺(jué)生物效應(yīng)方面發(fā)揮功能。照明設(shè)計(jì)也從單一地考慮視覺(jué)功能逐步過(guò)渡到考慮視覺(jué)與非視覺(jué)雙重功能上。研究表明,動(dòng)態(tài)照明在治療失眠、減輕飛機(jī)時(shí)差效應(yīng)、提高工作效率等方面發(fā)揮作用。

為實(shí)現(xiàn)LED的動(dòng)態(tài)照明設(shè)計(jì),需對(duì)光源的光色量進(jìn)行實(shí)時(shí)地控制,調(diào)制出符合光生物學(xué)要求的光譜。

這里的光色量是光度量和色度量的合稱(chēng)。LED常用的調(diào)光方法有模擬調(diào)光和PWM(PulseWidthModulation)調(diào)光兩種。前者是線性調(diào)節(jié)LED電流,后者是使用開(kāi)關(guān)電路以相對(duì)于人眼識(shí)別力足夠高的頻率來(lái)改變光輸出的平均值。在調(diào)光過(guò)程中,防止色度量發(fā)生偏移相當(dāng)重要。產(chǎn)生色偏的因素主要有兩個(gè):正向?qū)娏骱蚉-N結(jié)溫度。模擬調(diào)光產(chǎn)生的色差取決于兩者,PWM則主要決定于后者。一般情況下PWM產(chǎn)生較小的色差(白光LED因結(jié)溫引起的色差不超過(guò)4SDCM),工程實(shí)踐中多不考慮PWM調(diào)光產(chǎn)生的色差。

恒流驅(qū)動(dòng)下的PWM具有以下特點(diǎn):改變LED的占空比,光度量相應(yīng)地線性改變而色度量保持恒定。光度量和色度量都是整數(shù)倍于方波周期時(shí)間內(nèi)的平均值。PWM也因具有較寬的調(diào)節(jié)范圍,在工程實(shí)踐中得到了廣泛應(yīng)用。

目前對(duì)PWM調(diào)光調(diào)色的研究相對(duì)較少,此前尚缺乏一個(gè)利用PWM同時(shí)控制光源光度量和色度量的量化計(jì)算方案。針對(duì)上述問(wèn)題,提出了兩通道PWM調(diào)光調(diào)色的混光模型,建立了期望光色量與兩通道占空比之間的一一映射。該算法能定量地調(diào)制出期望光度、色度要求的光譜,為L(zhǎng)ED的動(dòng)態(tài)照明設(shè)計(jì)提供了一個(gè)有效的實(shí)現(xiàn)方法。

實(shí)現(xiàn)LED動(dòng)態(tài)照明設(shè)計(jì)方法

1、兩通道PWM調(diào)光調(diào)色的確定性

理論上可以證明,通過(guò)對(duì)LED進(jìn)行混光,兩通道PWM的占空比與混合光的光色量之間存在確定的映射關(guān)系。這種確定性由PWM混光技術(shù)下的幾何、光度、色度約束條件共同決定。

1.1、幾何約束條件

由色度學(xué)知識(shí)可知,混合光的色品坐標(biāo)必在參與混光的兩光源色品坐標(biāo)連線上,具體位置取決于兩種光源的混合比例。以此表示兩通道PWM混光的幾何約束條件,用公式表示如下:
一種新型的兩通道PWM的LED調(diào)光調(diào)色方法:公式1

式中:xc、yc和xw、yw分別為參與混光的冷光源(高色溫LED)和暖光源(低色溫LED)在滿電流、占空比為100%下的色坐標(biāo);xm、ym為混合光的色坐標(biāo)。

1.2、光度約束條件

改變驅(qū)動(dòng)LED的PWM占空比,其色度量不變而光度量相應(yīng)地線性變化,且光度量的比值等于占空比的比值。根據(jù)測(cè)試條件,光度量可以是光通量、照度、亮度或光強(qiáng),色度量可以是色品坐標(biāo)或相關(guān)色溫。

若已知兩光源的占空比,則混合光的光度量可結(jié)合疊加原理計(jì)算如下:
一種新型的兩通道PWM的LED調(diào)光調(diào)色方法:公式2

式中:Yc、Yw分別為參與混光的冷光源和暖光源在滿電流、占空比為100%下的光度量;Dc、Dw分別為冷光源和暖光源的占空比;Ym為混合光的光度量。這就是兩通道PWM混光的光度約束條件。
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1.3、色度約束條件

根據(jù)加混色原理及CIE1931色坐標(biāo)計(jì)算方法,占空比分別為Dc、Dw時(shí)兩光源混光后的色坐標(biāo)應(yīng)滿足:
一種新型的兩通道PWM的LED調(diào)光調(diào)色方法:公式3

式中:Rc=Yc/yc,Rw=Yw/yw。實(shí)際上,由幾何約束條件可知,當(dāng)已知兩光源的色品坐標(biāo)和混合光的x坐標(biāo)時(shí),混合光的y坐標(biāo)是確定的,且是唯一的。故兩通道PWM混光的色度約束條件可簡(jiǎn)化為:
一種新型的兩通道PWM的LED調(diào)光調(diào)色方法:公式4

1.4、兩通道PWM調(diào)光調(diào)色的定量計(jì)算模型

在PWM混光下,占空比是控制光色量的唯一因素。若期望的光度量為Ym,期望的色坐標(biāo)為(xm,ym),則兩通道占空比可結(jié)合光度、色度約束條件求得。若期望的色度量是相關(guān)色溫,則需先將期望相關(guān)色溫結(jié)合幾何約束條件轉(zhuǎn)換為期望色坐標(biāo)。轉(zhuǎn)換方法為:在CIE1931色品圖中做Tm的等溫線,把(xc,yc)和(xw,yw)的連線與此等溫線的交點(diǎn)作為期望色坐標(biāo)(xm,ym)。聯(lián)立式(2)和式(4)并將其寫(xiě)成矩陣的形式如下:
一種新型的兩通道PWM的LED調(diào)光調(diào)色方法:公式5

由線性代數(shù)知識(shí)可知,當(dāng)xc≠xw且yc≠yw時(shí)方程組有唯一解。由此可知,給定期望色度、光度值下的占空比是確定的,且是唯一的。此時(shí),計(jì)算占空比與計(jì)算混合光的光色量是可逆過(guò)程。

2、兩通道PWM調(diào)光調(diào)色的局限性

理論上,混合光色坐標(biāo)xm的取值范圍為[xc,xw](設(shè)xc《xw),混合光的光度量Ym的取值范圍為[0,Yc+Yw]?;旌瞎馍攘亢凸舛攘克锌赡苋≈邓鶉傻膮^(qū)域稱(chēng)作理論域。事實(shí)上,兩通道PWM的調(diào)光調(diào)色方法并不能實(shí)現(xiàn)理論域中的所有取值,而僅可實(shí)現(xiàn)部分特定的區(qū)域??蓪?shí)現(xiàn)的區(qū)域稱(chēng)作可行域,可行域的邊界主要由電力約束條件決定。

2.1、電力約束條件

從實(shí)際意義出發(fā),兩通道的占空比還應(yīng)滿足0≤Dc≤1,0≤Dw≤1,將式(5)解得的Dc、Dw代入該不等式,經(jīng)化簡(jiǎn)后得到兩通道PWM混光下的電力約束條件如下:
一種新型的兩通道PWM的LED調(diào)光調(diào)色方法:公式6

上述電力約束條件可由圖1表示,圖中x0=(Rcxc+Rwxw)/(Rc+Rw),是兩種LED占空比之比為1:1時(shí)混合光的色坐標(biāo)x.圖中所示的整個(gè)矩形區(qū)域就是兩通道PWM混光下的理論域,陰影部分即為可行域。若參與混光的兩種LED已選定,當(dāng)利用式(5)計(jì)算實(shí)現(xiàn)期望光色量的占空比時(shí),應(yīng)首先判斷期望值是否在可行域內(nèi)。若在可行域中,則可利用兩通道PWM混光方法得到。否則,應(yīng)考慮更換參與混光的光源。

一種新型的兩通道PWM的LED調(diào)光調(diào)色方法:圖1
圖1兩通道PWM調(diào)光調(diào)色的理論域和可行域
 
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2.2、局限性的表征

為表征兩通道PWM調(diào)光調(diào)色的能力,定義可控比,它是可行域與理論域的比值,用公式表示為:
一種新型的兩通道PWM的LED調(diào)光調(diào)色方法:公式7

式中:δ為可控比。將式(7)化簡(jiǎn)后可得:
一種新型的兩通道PWM的LED調(diào)光調(diào)色方法:公式8

從上式可以看出,可控比由參與混光的兩光源本身決定,與外在控制方法無(wú)關(guān)??煽乇仍酱?,說(shuō)明PWM調(diào)控裕度越大,實(shí)現(xiàn)預(yù)期光度、色度值的概率越大。所以,可控比可作為光源組合選擇優(yōu)劣的評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)。

從圖1中還可以看出:1)混合光的色度量能且僅能在對(duì)應(yīng)于x0處取遍所有理論光度值;2)若混合光的光度量不大于Yc、Yw中的較小者,則可取遍所有理論色度值。所以要實(shí)現(xiàn)所有的色度值,Yc和Yw不應(yīng)相差太大,且兩者的較小值應(yīng)與期望光度值中的最大值相當(dāng)。同樣實(shí)驗(yàn)表明,Rc和Rw的差值越小,則可控比就越大,兩種LED的利用率就越高。所以,在都能實(shí)現(xiàn)期望值的情況下,應(yīng)選擇Rc和Rw相差最小的光源組合。

實(shí)驗(yàn)與結(jié)果分析

根據(jù)P.R.Boyce、J.W.Beckstead、N.H.Eklund等人實(shí)驗(yàn)提供的日光照度和色溫變化曲線,選取26個(gè)時(shí)間關(guān)節(jié)點(diǎn)上的光色值,對(duì)從黎明到中午的自然光進(jìn)行模擬。根據(jù)光色值的變化范圍,選擇了兩種高顯色性白光LED,LED的光色電等基本參數(shù)如表1所示。

根據(jù)兩通道PWM調(diào)光調(diào)色的局限性,計(jì)算期望光色值在理論域中的坐標(biāo)值,如圖2所示。進(jìn)而根據(jù)式(5)計(jì)算落在可行域內(nèi)的各光色值的占空比。單片機(jī)把各時(shí)間點(diǎn)具備特定占空比的方波動(dòng)態(tài)分配給相應(yīng)的LED驅(qū)動(dòng)芯片。兩種LED均勻分布并用乳白玻璃將燈光混合,用檢測(cè)設(shè)備實(shí)時(shí)測(cè)量其混合光的光色量。
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檢測(cè)儀器選用SUV3000紫外可見(jiàn)光譜輻射分析儀,測(cè)量過(guò)程在標(biāo)準(zhǔn)暗室中進(jìn)行。測(cè)量結(jié)果如圖3所示。

一種新型的兩通道PWM的LED調(diào)光調(diào)色方法:圖2
圖2:實(shí)驗(yàn)光色值在理論域中的分布
一種新型的兩通道PWM的LED調(diào)光調(diào)色方法:圖3
 
圖3:模擬從黎明到中午自然光的照度和色溫變化 

實(shí)測(cè)照度值與期望照度值的平均誤差為15lx,實(shí)測(cè)色溫值與期望色溫值平均誤差為23K。

實(shí)驗(yàn)過(guò)程中,實(shí)測(cè)值與理論值存在一定的誤差,但總體上還是得到了很好的匹配。誤差主要來(lái)自以下幾個(gè)方面:

1)隨著實(shí)驗(yàn)過(guò)程的進(jìn)行,LED芯片的結(jié)溫不斷升高。結(jié)溫的改變會(huì)引起其光度量和色度量的變化;
2)驅(qū)動(dòng)LED芯片的PWM波形并非理想的方波。即使在同一開(kāi)關(guān)狀態(tài)下,電流也并非保持恒定。而驅(qū)動(dòng)電流的變化則會(huì)導(dǎo)致LED光度量和色度量的變化。占空比越小,這種情況引起的誤差就越大;
3)LED個(gè)體性差異。即使是同一型號(hào),同一批次的LED,其光度量和色度量也會(huì)不同,特別是兩者的動(dòng)態(tài)特性。而在實(shí)驗(yàn)中認(rèn)為同一種LED具有相同的光色電參數(shù)和動(dòng)態(tài)特性;
4)檢測(cè)儀器的系統(tǒng)誤差以及操作過(guò)程中的隨機(jī)誤差。

結(jié)論

本研究提出了一種新型的基于PWM的調(diào)光調(diào)色方法,建立了關(guān)于期望光色量和兩通道占空比的一一映射模型,可以準(zhǔn)確的實(shí)現(xiàn)預(yù)期光度和色度要求的光譜,為L(zhǎng)ED的動(dòng)態(tài)照明技術(shù)提供了理論依據(jù)和實(shí)現(xiàn)方法。另外,該調(diào)光調(diào)色方法在LED背光領(lǐng)域亦具有潛在的應(yīng)用前景。

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