周錦榮

功率型白光LED的非線性混合調(diào)光方法

周錦榮

(閩南師范大學 物理與信息工程學院,福建 漳州 363000)

分析脈沖寬度調(diào)制(PWM)雙通道輸出白光LED的混合調(diào)光方法，建立PWM與混合光源輸出的光通量和色溫之間變化關(guān)系的非線性數(shù)學模型?；赯igBee無線通信模塊CC2530作為雙路PWM輸出，控制以SN3350為核心的LED恒流驅(qū)動電源，完成占空比可調(diào)的暖白和冷白兩路白光LED的色溫和光通量混合調(diào)光控制系統(tǒng)設(shè)計，并通過高精度快速光譜輻射計HAAS-2000測試系統(tǒng)進行測試。實驗結(jié)果表明，雙路PWM能夠較好地實現(xiàn)對LED色溫和光通量的輸出大小進行控制，混合光源相關(guān)色溫在3 250～15 000 K范圍內(nèi)連續(xù)可調(diào)。理論計算與系統(tǒng)控制的光通量和色溫存在的相對誤差分別小于1.70%和8.50%。

動態(tài)照明控制； LED混合調(diào)光； 非線性調(diào)光； 脈沖寬度調(diào)制

1 引 言

LED照明光源以節(jié)能環(huán)保、光色可調(diào)、使用壽命長等優(yōu)點，廣泛應用于醫(yī)學治療、室內(nèi)外照明、植物組培光照等領(lǐng)域[1-6]。LED光源的光強度及其色溫等形成的照明環(huán)境對植物成長規(guī)律、人眼的視覺舒適度都有明顯的影響，研究LED光色度動態(tài)可調(diào)的照明控制技術(shù)有利于優(yōu)化白光LED光譜，對應滿足不同應用場合照明需求具有實際的應用價值[1-9]。動態(tài)控制LED照明需對LED光源的光度量和光色量進行實時調(diào)光控制，目前常用的兩種LED調(diào)光方法是模擬調(diào)光和脈沖寬度調(diào)制(PWM)調(diào)光[1,10-11]。模擬調(diào)光通過線性調(diào)節(jié)LED 的注入電流達到相應的控制目的，具有電路簡單、容易實現(xiàn)的優(yōu)點；PWM調(diào)光技術(shù)采用占空比可調(diào)的恒流驅(qū)動模式，通過改變LED注入電流的占空比實現(xiàn)光色度量的精確控制，具有控制高效和較寬的線性調(diào)節(jié)范圍[1,10-11]。功率型白光LED實現(xiàn)光色度調(diào)節(jié)主要采用多通道光源的混合調(diào)光方法[8-13]。然而，混合調(diào)光控制技術(shù)隨著通道數(shù)的增加而變得復雜，系統(tǒng)性能穩(wěn)定性和設(shè)計成本也會受到影響。本文基于PWM脈沖寬度調(diào)制和ZigBee無線物聯(lián)網(wǎng)控制技術(shù)，建立實現(xiàn)冷、暖白光LED雙通道的智能混合調(diào)光系統(tǒng)數(shù)學模型，并對系統(tǒng)的數(shù)學模型進行實驗測試和精準度分析。

2 實 驗

2.1 混合調(diào)光控制平臺

整個系統(tǒng)分為電源變換模塊、LED恒流電源驅(qū)動模塊、ZigBee無線物聯(lián)控制模塊、PC上位機控制和信息采集顯示4個部分[14-15]。其中主電源產(chǎn)生穩(wěn)定的電壓供給后級的LED恒流驅(qū)動電源以及ZigBee芯片；LED恒流驅(qū)動電源產(chǎn)生兩路恒定的電流給暖白色和正白色的LED供電；ZigBee網(wǎng)絡負責控制命令收發(fā)、數(shù)據(jù)的采集和傳輸以及自組網(wǎng)絡的搭建。其中，與PC端相連接的ZigBee協(xié)調(diào)器，用于轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)和數(shù)據(jù)采集；與LED驅(qū)動電源相連ZigBee終端控制系統(tǒng)，用于控制和采集數(shù)據(jù)。PC上位機通過串口與ZigBee協(xié)調(diào)器完成信息交換，用來控制LED的色溫和亮度，顯示LED驅(qū)動電源的實時狀態(tài)。各模塊連接如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)原理圖Fig.1 System diagram

圖1中，電源模塊采用UCC28810構(gòu)成的PFC反激式隔離型AC/DC的LED恒流驅(qū)動電源，并由Zigbee無線物聯(lián)模塊中的CC2530微處理器和SN3350電流采集模塊構(gòu)成PWM雙路恒流可調(diào)電路。該電源模塊的AC/DC效率≥86.5%，功率因數(shù)均值≥0.97，能夠?qū)崿F(xiàn)恒流可控的PWM調(diào)制。為雙通道LED提供恒壓可調(diào)和恒流線性可調(diào)的驅(qū)動電源。ZigBee模塊作為整個系統(tǒng)的控制核心，通過串口實時檢測PC機和LED恒流驅(qū)動電源的狀態(tài)，根據(jù)具體數(shù)據(jù)信息利用調(diào)光關(guān)系式進行計算，輸出控制雙路PWM的占空比大小，來改變冷、暖白光雙組LED燈的注入電流，實現(xiàn)閉環(huán)的反饋調(diào)整。

2.2 光電特性實驗測試平臺

采用WY605精密電源、AIS_2_0.5m_R98的LED積分球、TC-100大功率溫度控制器、CL-200溫控裝置和HAAS-2000高精度快速光譜儀構(gòu)成LED光電特性實驗測試系統(tǒng)，測試裝置示意圖如圖2所示。

雙通道LED模塊冷白和暖白兩種燈珠交叉分布構(gòu)成2×2的混合布局，同一種光源的2個1 W燈珠串聯(lián)焊接到鋁基板，用導熱膠固定到鋁散熱片上，以減少結(jié)溫引起的色漂移和光效的降低。燈珠采用深圳瑞佳鴻光電有限公司生產(chǎn)的RJH-P1W140A3-110T型1W大功率帶鋁基板暖白光燈珠和RJH-P1W140A4-110T型1 W大功率帶鋁基板冷白光燈珠，主要參數(shù)為：正向電壓3.0～3.4 V；輸入電流350 mA；亮度110～120 lm。

圖2 LED實驗測試裝置Fig.2 LED test equipment

測試時將雙路LED測試模塊放入積分球中，通過上位機軟件控制TC-100，設(shè)定CL-200溫控裝置處于25 ℃恒溫狀態(tài)。設(shè)定LED驅(qū)動電源使雙通道PWM占空比均為100%時對應的雙路驅(qū)動電流輸出均為350 mA。當系統(tǒng)穩(wěn)定時，測得選定樣品的單路冷光、單路暖光以及冷暖雙路混光時的光通量、色坐標和色溫分別為：Yc=137.24 lm，xc=0.269 9，yc=0.246 7，Tcc=20 700 K；Yw=158.01 lm，xw=0.427 9，yw=0.415 8，Tcw=3 250 K；Ym=158.01 lm，xm=0.332 5，ym=0.311 1，Tcm=5 482 K。測得占空比均為100%時的相對光譜如圖3所示。

圖3 占空比100%時的相對光譜Fig.3 Relative spectrum at 100% duty cycle

3 結(jié)果與討論

3.1 PWM占空比與輸出光通量的關(guān)系模型

若改變LED 的PWM占空比，其色溫不變而光強相應地線性變化，而且光強的比值等于占空比的比值。在已知冷暖白光LED的占空比分別為Dc、Dw的情況下，冷暖白光LED滿電流工作下光度量分別為Yc、Yw，結(jié)合格拉斯曼顏色混合定律[2,16]有：

Yh=Yc×Dc+Yw×Dw，

(1)

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；Yh為混合光的光度量。在實際的工程應用調(diào)節(jié)中，雙通道冷暖白光PWM信號的占空比必須同時滿足0≤Dc≤1、0≤Dw≤1。

圖1通過中改變雙通道PWM的占空比值來調(diào)整LED恒流驅(qū)動電源輸出大小，從而調(diào)整冷暖白光的混光效果。由于LED具有正向伏安特性，需要一定的導通壓降，也就是需要一定的正向?qū)鞑拍馨l(fā)光。因此，實驗中在滿電流為350 mA條件下，輸入PWM信號占空比從5%開始。實驗每測試一次，占空比遞增5%，直至占空比為100%。在每次改變占空比時都利用光譜儀HAAS-2000采集積分球內(nèi)的雙路LED混合光的光譜信號送上位機軟件進行處理，測量出冷、暖白光LED單路和雙路混合光的光電特性數(shù)據(jù)。通過測試，得到輸入PWM信號占空比與輸出光通量的關(guān)系如圖4所示。

圖4 輸入PWM信號占空比與輸出光通量的關(guān)系Fig.4 Input PWM signal duty cycle vs.output flux

圖4是冷、暖白光LED進行單路和混光測試得到的光通量大小與驅(qū)動電流占空比的大小變化關(guān)系，利用數(shù)據(jù)趨勢擬合方法，可得出冷白、暖白及混合光光通量與輸入占空比的關(guān)系為：

(2)

其中，Ycs、Yws分別為兩條支路的輸入占空比在0≤Dc≤1、0≤Dw≤1范圍內(nèi)按5%遞增的實際測量值趨勢回歸數(shù)學模型。按照混光理論，把混合光光通量記為Yml，則結(jié)合式(2)可得：

(3)

為了驗證式(3)數(shù)學模型的精度，圖4中的混合光通量曲線是取冷白、暖白兩路的占空比Dc=Dw=x且0≤x≤1，對曲線進行擬合可得實際雙路混光的光通量模型為：

Yms=-100x2+392.19x+1.7440，

(4)

利用式(4)，并引入實際相對誤差δ來對式(1)和式(3)數(shù)學模型進行精度測試比較：

(5)

假定在同樣測試條件下實驗測量值Yms為真值，根據(jù)式(5)，則式(3)和式(1)所建立的數(shù)學模型與實際測量值的相對誤差如圖5所示。

圖5 模型計算值與實驗測量值的相對誤差Fig .5 Relative error model calculations and experimental measurements

從圖5可以看出，公式(1)線性疊加表示雖然簡單，但沒有較好地考慮LED光-電-熱之間的非線性關(guān)系，存在較大的誤差，而且占空比越小，對光通量控制精度越差，不能精確地表示占空比和輸出光通量之間的對應控制關(guān)系。這種原因主要是由于占空比變化的實質(zhì)是注入電流大小的變化，而LED燈具有相應的伏安特性，注入電流大小會導致LED燈導通電阻變化，從而產(chǎn)生的功耗也不同。從能量守恒角度分析，若占空比變大，LED的注入電流會增大，相應的導通電阻變小，功耗增大，從而使LED燈實際產(chǎn)生的光通量小于理論值。另一方面，白光LED注入電流的變化會使得其結(jié)溫發(fā)生相應的變化，從而影響其光通量、色溫等光學特性的非線性變化[17]。公式(3)數(shù)學模型計算值與實驗測量值在整個占空比調(diào)整范圍的相對誤差小于1%，優(yōu)于公式(1)，但其數(shù)學模型是非線性二次方程，在控制上會相對復雜。

3.2 PWM占空比與輸出色溫的關(guān)系模型

根據(jù)色度學和格拉斯曼混色原理[4,14]，混合光的具體色品坐標由兩種混合光源所占的比例決定。如果混合光的色品坐標x已知，則其y坐標為：

(6)

式中，x、y為混合光的色品坐標，xc、yc和xw、yw分別為冷、暖白光LED的色品坐標。

同時，占空比分別為Dc、Dw的冷、暖白光LED進行混光后的色坐標應滿足：

(7)

根據(jù)式(1)、(6)和(7)可得冷、暖白光雙通道輸入PWM占空比與混合后的混合光源的色品坐標以及光通量的關(guān)系：

(8)

根據(jù)上述原理，為驗證占空比與色溫之間的調(diào)整對應關(guān)系，實驗中對選定的冷白、暖白兩路不同色溫的LED樣品進行混光色溫測量。當占空比Dc=Dw=x且0≤x≤1，即雙通道PWM占空比相同時，得到輸入PWM信號占空比與輸出色溫的關(guān)系如圖6所示。圖中Tc-w、Tc-c、Tc-m分別為單通道暖光、單通道冷光以及冷暖雙通道混合光源的色溫。

從圖6可知，當輸入冷、暖白光雙通道占空比Dc=Dw時，混合色溫在5 010～5 482 K之間，基本與占空比變化無關(guān)。而LED冷白光和暖白光混合光源色溫的理想調(diào)節(jié)范圍是在暖白色溫和冷白光色溫之間。為了達到良好的混合光源色溫調(diào)整，實驗中暖光占空比Dw按5%遞增，并取Dw+Dc=1，得到實驗結(jié)果如圖7所示。圖中Tc-w、Tc-c、Tc-m分別為單通道暖光、單通道冷光以及冷暖雙通道混合光源的色溫。

圖6 Dc=Dw時的混合光源色溫隨占空比的變化Fig .6 Variation of color temperature of mixed light source with duty ratio while Dc=Dw

圖7 Dc + Dw=1時的混合光源色溫隨占空比的變化Fig .7 Variation of color temperature of mixed light source with duty ratio while Dc + Dw=1

對圖7 實驗數(shù)據(jù)曲線進行擬合，建立冷、暖白光單通道和雙通道混合光源的色溫控制數(shù)學模型如式(9)和式(10)所示：

(9)

Tc-m=-3895ln(Dw)+2771.8，

(10)

從圖7曲線擬合得到的式(9)數(shù)學模型分析可知，雙通道混合白光的色溫與冷、暖白光單通道的色溫并不是簡單的線性疊加關(guān)系，式(10)中采用對數(shù)函數(shù)進行趨勢回歸便于分析占空比和色溫之間的關(guān)系。所建立的色溫與占空比之間的關(guān)系模型具有非線性特性，用式(10)對數(shù)函數(shù)建模存在一定的誤差。根據(jù)參考文獻[11]提出的方法，對測量樣本所采集到的光譜數(shù)據(jù)進一步研究發(fā)現(xiàn)輸入雙通道占空比的比值Dc/Dw對混合光色坐標(xm，ym)的影響更為明顯，若把Dc/Dw作為自變量[11]，則式(7)可改寫為：

(11)

式(11)中，xc、yc、xw、yw以及Yc、Yw均為常數(shù)，雙通道混合光源的色坐標(xm，ym)只與η有關(guān)，η=Dc/Dw。根據(jù)文獻[18]得出的相關(guān)色溫與色坐標的關(guān)系式:

Tc=-437n3+3601n2-6861n+5514.31，

(12)

為了檢驗文中所提出的方法對光通量和色溫的控制精度情況，我們通過理論計算20個樣本的光通量和色溫值作為輸入，并測量實際的輸出。通過計算，得到兩者之間的相對誤差如圖8所示。

圖8 混光系統(tǒng)測試結(jié)果的相對誤差Fig .8 Relative error of the test results of the mixed light system

對圖8分析可知，利用建立的占空比與光通量和色溫之間關(guān)系的數(shù)學模型對冷暖白光雙通道混光的計算值和實際測量值進行比較，20個樣本得到光通量的相對誤差小于1.70%，色溫的相對誤差在8.50%以下。測量相對誤差表明，所建立的系統(tǒng)數(shù)學模型對于混合光源輸出的光通量控制精度較高，而對于色溫的控制偏差相對較大，主要是由于占空比變化所引起的注入電流變化對于色溫具有較為明顯的非線性影響。

4 結(jié) 論

功率型白色LED的混合調(diào)光調(diào)色技術(shù)在動態(tài)照明的智能調(diào)控領(lǐng)域中具有重要的應用價值。PWM控制LED驅(qū)動輸出的注入電流對光源輸出的光通量和色溫的影響具有非線性特性，從而使得混合調(diào)光的控制精度受到了影響。本文結(jié)合實驗方法，根據(jù)格拉斯曼混色原理和PWM調(diào)制方法，建立冷、暖白光雙通道輸入PWM占空比與光通量和色溫的數(shù)學模型，并利用ZigBee無線物聯(lián)控制以及PFC反激式隔離型AC/DC的LED恒流驅(qū)動控制方法，實現(xiàn)對混合光源的光通量和色溫智能控制。實驗對冷、暖白光雙通道混光進行了系統(tǒng)性能測試，采集20個樣本得到計算值和實際測量值進行比較，結(jié)果表明利用建立的占空比與光通量和色溫之間關(guān)系的數(shù)學模型，光通量的相對誤差小于1.70%，色溫的相對誤差在8.50%以下。所建立的系統(tǒng)數(shù)學模型對于混合光源輸出的光通量控制精度較高，而對于色溫的控制偏差相對較大，主要是由于占空比變化所引起的注入電流變化對于色溫具有較為明顯的非線性影響。

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周錦榮(1974-)，男，福建漳州人，碩士，2006年于同濟大學獲得碩士學位，主要從事光電控制與信息處理方面的研究。

E-mail: jinrongzhou@163.com

Nonlinear Mixed-dimming Method for Power White LED

ZHOU Jin-rong

(CollegeofPhysicsandInformationEngineering,MinnanNormalUniversity,Zhangzhou363000,China)

A nonlinear mathematical model of the relationship between the luminous flux and the color temperature of the hybrid light source is established by analyzing the hybrid dimming method of pulse width modulation (PWM) dual channel output white LED.The system uses ZigBee wireless communication module CC2530 as a dual PWM output control to SN3350 as the core of the LED constant current drive power.It achieves a duty cycle adjustable warm white and cool white two white LED color temperature and luminous flux mixed dimming control.Experiments were carried out using a high-precision,fast spectroradiometer (HAAS-2000) test system.Experimental results show that the dual PWM can achieve better control of LED color temperature and luminous flux,and the correlated color temperature of the mixed light source can be continuously adjusted in the range of 3 250 K to 15 000 K.The relative errors of theoretical calculation and system control are less than 1.70% and 8.50%,respectively,corresponding to the luminous flux and color temperature.

dynamic lighting control; LED mixed dimming; nonlinear mixed dimming; pulse width modulation(PWM)

1000-7032(2017)09-1249-07

2017-02-08;

2017-03-22

福建省自然科學基金(2016J01758 )； 福建省資助省屬高?？蒲袑ｍ?JK2016026)； 福建省教育廳科技項目(JAT160284)資助

TN206； TM923

A

10.3788/fgxb20173809.1249

*CorrespondingAuthor,E-mail:jinrongzhou@163.com

Supported by Natural Science Foundation of Fujian Province(2016J01758); Special Scientific Research Project of Provincial Universities of Fujian Province(JK2016026); Science Project of Education Bureau of Fujian Province(JAT160284)