色溫和光通量獨立可調的白光LED系統

閆 斌，劉廷章，欒新源，張修紅，金碧瑤，熊 峰

(上海大學機電工程與自動化學院，上海 200072)

引言

隨著LED技術的不斷發展，LED照明已經普及起來，特別是白光LED。普通照明應用對光源的品質有一定的要求，特別是其色溫和顯色指數[1]。研究表明，光源色溫對人的晝夜生物節律和不同環境溫度下體溫的調節都有重要的作用，且兩者之間存在著密切的相互關系[2]。地球上的生物在進化過程中，日光和它的光譜及白天和黑夜的交替對現存的生物及它們對自然環境的適應都有著決定性的作用。人體在晝夜節律的生理變化中，體溫的變化是一個重要的方面，在夜間睡覺時人的核心溫度下降，而在白天覺醒的時候體溫則升高。人體會分泌一種叫做褪黑素的物質，它可以促進睡眠，而褪黑素的分泌是和光照有關的。白天，強光線抑制了褪黑素的分泌，從而保持工作狀態，而在夜晚，沒有了強光的抑制，褪黑素的分泌促進了睡眠[2]。

LED白光的實現方式大致可以分為兩種。一種是利用覆蓋熒光材料直接做出白光LED來。比如日亞化學以460nm波長的InGaN藍光晶粒涂上一層YAG熒光物質，利用藍光LED照射此熒光物質以產生與藍光互補的555nm波長黃光，再利用透鏡原理將互補的黃光和藍光予以混合，便可得出肉眼所需的白光。第二種則是通過不同顏色的LED所發出的來的光進行混合進而形成所需的白光。這種方式可以通過調節基色的配比來動態的調節白光的色溫和輸出光通量，顯然效果更好，更加符合現實中人們對于光源的需求。

本文采用了第二種白光的實現方式，通過使用琥珀色(Amber)、薄荷色(Mint)、藍色(Blue)三種基色來混合產生白光。白光色溫不僅在2700K～5000K之間連續可調，而且色溫和輸出光通量獨立可調。

1 理論計算

1931年CIE在RGB系統的基礎上，改用三個假想的原色X、Y、Z建立了一個新的色度系統。將RGB系統光譜三刺激值進行轉換后，變為以X、Y、Z三原色匹配等能光譜的三刺激值，定名為“CIE1931標準色度觀察者光譜刺激值”，這一系統叫做“CIE1931標準色度系統”。

首先，我們定義所要配出的白光色坐標為(xmix，ymix)，光通量為Ymix，所取的三種基色琥珀色、薄荷色、藍色，其色坐標分別為(xamber，yamber)，(xeqw，yeqw)，(xblue，yblue)，相應的三刺激值分別為(Xmix，Ymix，Zmix)，(Xamber，Yamber，Zamber)，(Xeqw，Yeqw，Zeqw)，(Xblue，Yblue，Zblue)。根據格拉斯曼顏色混合定律及1931國際發光照明委員會(CIE)標準：

(1)

(2)

創建變換矩陣A

(3)

取矩陣A的逆矩陣記為，由(1)、(2)、(3)三個公式可以得三種基色的光通量與所需配光的光通量之間的關系如下所示：

(4)

在1931CIE標準中，X,Z兩色只代表色度，而光通量只與三刺激值Y成比例，所以上式表示只需要得知所要配出白光的色坐標及光通量就可以得到所選三原色的光通量值，進而可以通過控制LED的電流來控制三原色的輸出光通量。

2 電路結構及工作原理

為了調節白光LED的色溫和輸出光通量，就需要對白光LED中的三種基色的LED輸出光通量進行單獨的控制，這就需要三個獨立的LED驅動電路。

圖1 系統結構框圖Fig.1 Block diagram of the system

圖1為系統結構框圖，為了使用者方便進行色溫和輸出光通量的調節通過由液晶屏與按鍵組成的手持設備來提供良好的人機交互性，用戶可以通過在手持器上選定好需要的色溫和光通量，手持器通過RS-485接口向色溫和輸出光通量控制電路發送控制信號。色溫和輸出光通量控制電路通過單片機的程序處理之后分別向三路LED驅動電路發送特定比例的PWM信號，以此來調節三種基色的電流值的大小，進而實現控制色溫和輸出光通量的功能。

為了能夠獲得更佳的集成度，三路LED驅動電路均采用了元器件使用較少的Buck拓撲結構，如圖2所示。

圖2 LED驅動電路圖Fig.2 LED driver circuit

輸入端為48V直流， LED驅動芯片U1的CS引腳通過檢測電阻RS兩端的電壓控制流過LED的電流實現恒流控制。

芯片的PWMD端口可以接收由單片機發出的PWM控制信號，單片機通過改變PWM信號的占空比來實現對流過LED電流的調節，進而實現對于LED輸出光通量的控制。

3 色溫和輸出光通量獨立可調

傳統的色溫可調的設計中通常是通過改變某種顏色的電流，來混成不同的色溫。使用這種方式，在調節色溫的同時，光源的輸出光通量并不恒定，也會隨之發生改變。

為了實現色溫和輸出光通量的獨立控制，每種顏色的LED使用獨立的PWM驅動，通過變換不同的顏色間比例，來混成指定的色溫值。在保持某一色溫恒定的前提下，需要調節輸出光通量時，只需保持該色溫下各顏色間的比例不變，改變的只是每種顏色的輸出光通量。

在色溫為3000K時，100%亮度時，三種顏色的PWM占空比需要調節為Amber∶Mint∶Blue=73.7%∶61.2%∶95.7%；若所需亮度為50%，則三種顏色的PWM占空比調節為Amber∶Mint∶Blue=36.8%∶30.6%∶47.8%。通過這種方式來實現色溫和輸出光通量的獨立調節。

4 實驗結果分析

本實驗系統在色溫為2700K～5000K之間可以連續調節，在每種色溫下對其色容差進行了計算，結果如圖3所示。

圖3 色容差Fig.3 Color tolerance

由圖3可以看到，幾乎色溫對應的色容差的值均在7以下，符合GB 24823—2009普通照明用LED模塊的性能要求標準。

實驗中選取了兩種色溫(3000K、2700K)在不同亮度(50%亮度和100%)的情況下，對各基色的占空比進行了測量，測試值為表1、表2所示，其中三基色Amber、Mint、Blue的發光量分別為90lm、137lm、28lm。

表1 100%亮度下兩種色溫的占空比Table 1 Duty ratio of the two CCT under 100% luminance

表2 50%亮度下兩種色溫的占空比Table 2 Duty ratio of the two CCT under 50% luminance

由表1和表2的對比可以看出，在相同色溫不同亮度下，各個基色的PWM的占空比的比例相同。

經過測試，在100%亮度下，色溫為2700K時，白光光通量為1062.2lm；色溫為3000K時白光光通量為1061.3lm 。在不同色溫相同亮度的情況下，總的光通量幾乎相同，實現了色溫和輸出光通量的獨立可調。

5 結 論

本文介紹了一種色溫和輸出光通量獨立可調的白光LED系統。通過在單片機中進行編程處理，在調節色溫的同時保持輸出光通量不變，在調節輸出光通量時保持原色溫不變，實現了色溫和輸出光通量的獨立調節。經過實驗驗證，色溫和輸出光通量的調節均達到了良好的效果。

[1] 劉康.高亮度白光LED色溫動態可調及顯色指數的研究[J].半導體光電，2012，33(3).

[2] 石路.光源色溫對人體生物節律和體溫調節的影響[J].人類工效學,2006,12(3).

[3] 陳冬靈,林志賢.三基色光源連續色溫調控方法的研究[J].計算機與現代化,2012(6).