基于兩通道PWM的LED調(diào)光調(diào)色方法

　　引言

　　2002年美國Brown大學(xué)DavidBerson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(jì)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(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的動態(tài)照明設(shè)計(jì)，需對光源的光色量進(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。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(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(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PWM調(diào)光調(diào)色的研究相對較少，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(jì)提供了一個(gè)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)?？煽乇仍酱螅f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(gè)時(shí)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(gè)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(gè)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)確的實(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。