基于兩通道PWM的LED調(diào)光調(diào)色方法

2002年美國Brown大學(xué)David Berson等人在哺乳動物的視網(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)律等非視覺生物效應(yīng)方面發(fā)揮功能。照明設(shè)計也從單一地考慮視覺功能逐步過渡到考慮視覺與非視覺雙重功能上。研究表明，動態(tài)照明在治療失眠、減輕飛機(jī)時差效應(yīng)、提高工作效率等方面發(fā)揮作用。為實(shí)現(xiàn)LED的動態(tài)照明設(shè)計，需對光源的光色量進(jìn)行實(shí)時控制，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。LED常用的調(diào)光方法有模擬調(diào)光和PWM(Pulse Width Modulation)調(diào)光兩種。前者是線性調(diào)節(jié)LED電流，后者是使用開關(guān)電路以相對于人眼識別力足夠高的頻率來改變光輸出的平均值。在調(diào)光過程中，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：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PWM調(diào)光調(diào)色的研究相對較少，此前尚缺乏一個利用PWM同時控制光源光度量和色度量的量化計算方案。針對上述問題，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LED的動態(tài)照明設(shè)計提供了一個有效的實(shí)現(xiàn)方法。

方法

1、兩通道PWM調(diào)光調(diào)色的確定性

理論上可以證明，通過對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：

從上式可以看出，可控比由參與混光的兩光源本身決定，與外在控制方法無關(guān)?？煽乇仍酱?，說明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個時間關(guān)節(jié)點(diǎn)上的光色值，對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。

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

實(shí)驗(yàn)過程中，實(shí)測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。誤差主要來自以下幾個方面：1)隨著實(shí)驗(yàn)過程的進(jìn)行，LED芯片的結(jié)溫不斷升高。結(jié)溫的改變會引起其光度量和色度量的變化。2)驅(qū)動LED芯片的PWM波形并非理想的方波。即使在同一開關(guān)狀態(tài)下，電流也并非保持恒定，而驅(qū)動電流的變化則會導(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個體性差異。即使是同一型號，同一批次的LED，其光度量和色度量也會不同，特別是兩者的動態(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)和動態(tài)特性。4)檢測儀器的系統(tǒng)誤差以及操作過程中的隨機(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)確地實(shí)現(xiàn)預(yù)期光度和色度要求的光譜，為LED的動態(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。