色温和光通量独立可调的白光LED系统

闫 斌，刘廷章，栾新源，张修红，金碧瑶，熊 峰

(上海大学机电工程与自动化学院，上海 200072)

引言

随着LED技术的不断发展，LED照明已经普及起来，特别是白光LED。普通照明应用对光源的品质有一定的要求，特别是其色温和显色指数[1]。研究表明，光源色温对人的昼夜生物节律和不同环境温度下体温的调节都有重要的作用，且两者之间存在着密切的相互关系[2]。地球上的生物在进化过程中，日光和它的光谱及白天和黑夜的交替对现存的生物及它们对自然环境的适应都有着决定性的作用。人体在昼夜节律的生理变化中，体温的变化是一个重要的方面，在夜间睡觉时人的核心温度下降，而在白天觉醒的时候体温则升高。人体会分泌一种叫做褪黑素的物质，它可以促进睡眠，而褪黑素的分泌是和光照有关的。白天，强光线抑制了褪黑素的分泌，从而保持工作状态，而在夜晚，没有了强光的抑制，褪黑素的分泌促进了睡眠[2]。

LED白光的实现方式大致可以分为两种。一种是利用覆盖荧光材料直接做出白光LED来。比如日亚化学以460nm波长的InGaN蓝光晶粒涂上一层YAG荧光物质，利用蓝光LED照射此荧光物质以产生与蓝光互补的555nm波长黄光，再利用透镜原理将互补的黄光和蓝光予以混合，便可得出肉眼所需的白光。第二种则是通过不同颜色的LED所发出的来的光进行混合进而形成所需的白光。这种方式可以通过调节基色的配比来动态的调节白光的色温和输出光通量，显然效果更好，更加符合现实中人们对于光源的需求。

本文采用了第二种白光的实现方式，通过使用琥珀色(Amber)、薄荷色(Mint)、蓝色(Blue)三种基色来混合产生白光。白光色温不仅在2700K～5000K之间连续可调，而且色温和输出光通量独立可调。

1 理论计算

1931年CIE在RGB系统的基础上，改用三个假想的原色X、Y、Z建立了一个新的色度系统。将RGB系统光谱三刺激值进行转换后，变为以X、Y、Z三原色匹配等能光谱的三刺激值，定名为“CIE1931标准色度观察者光谱刺激值”，这一系统叫做“CIE1931标准色度系统”。

首先，我们定义所要配出的白光色坐标为(xmix，ymix)，光通量为Ymix，所取的三种基色琥珀色、薄荷色、蓝色，其色坐标分别为(xamber，yamber)，(xeqw，yeqw)，(xblue，yblue)，相应的三刺激值分别为(Xmix，Ymix，Zmix)，(Xamber，Yamber，Zamber)，(Xeqw，Yeqw，Zeqw)，(Xblue，Yblue，Zblue)。根据格拉斯曼颜色混合定律及1931国际发光照明委员会(CIE)标准：

(1)

(2)

创建变换矩阵A

(3)

取矩阵A的逆矩阵记为，由(1)、(2)、(3)三个公式可以得三种基色的光通量与所需配光的光通量之间的关系如下所示：

(4)

在1931CIE标准中，X,Z两色只代表色度，而光通量只与三刺激值Y成比例，所以上式表示只需要得知所要配出白光的色坐标及光通量就可以得到所选三原色的光通量值，进而可以通过控制LED的电流来控制三原色的输出光通量。

2 电路结构及工作原理

为了调节白光LED的色温和输出光通量，就需要对白光LED中的三种基色的LED输出光通量进行单独的控制，这就需要三个独立的LED驱动电路。

图1 系统结构框图Fig.1 Block diagram of the system

图1为系统结构框图，为了使用者方便进行色温和输出光通量的调节通过由液晶屏与按键组成的手持设备来提供良好的人机交互性，用户可以通过在手持器上选定好需要的色温和光通量，手持器通过RS-485接口向色温和输出光通量控制电路发送控制信号。色温和输出光通量控制电路通过单片机的程序处理之后分别向三路LED驱动电路发送特定比例的PWM信号，以此来调节三种基色的电流值的大小，进而实现控制色温和输出光通量的功能。

为了能够获得更佳的集成度，三路LED驱动电路均采用了元器件使用较少的Buck拓扑结构，如图2所示。

图2 LED驱动电路图Fig.2 LED driver circuit

输入端为48V直流， LED驱动芯片U1的CS引脚通过检测电阻RS两端的电压控制流过LED的电流实现恒流控制。

芯片的PWMD端口可以接收由单片机发出的PWM控制信号，单片机通过改变PWM信号的占空比来实现对流过LED电流的调节，进而实现对于LED输出光通量的控制。

3 色温和输出光通量独立可调

传统的色温可调的设计中通常是通过改变某种颜色的电流，来混成不同的色温。使用这种方式，在调节色温的同时，光源的输出光通量并不恒定，也会随之发生改变。

为了实现色温和输出光通量的独立控制，每种颜色的LED使用独立的PWM驱动，通过变换不同的颜色间比例，来混成指定的色温值。在保持某一色温恒定的前提下，需要调节输出光通量时，只需保持该色温下各颜色间的比例不变，改变的只是每种颜色的输出光通量。

在色温为3000K时，100%亮度时，三种颜色的PWM占空比需要调节为Amber∶Mint∶Blue=73.7%∶61.2%∶95.7%；若所需亮度为50%，则三种颜色的PWM占空比调节为Amber∶Mint∶Blue=36.8%∶30.6%∶47.8%。通过这种方式来实现色温和输出光通量的独立调节。

4 实验结果分析

本实验系统在色温为2700K～5000K之间可以连续调节，在每种色温下对其色容差进行了计算，结果如图3所示。

图3 色容差Fig.3 Color tolerance

由图3可以看到，几乎色温对应的色容差的值均在7以下，符合GB 24823—2009普通照明用LED模块的性能要求标准。

实验中选取了两种色温(3000K、2700K)在不同亮度(50%亮度和100%)的情况下，对各基色的占空比进行了测量，测试值为表1、表2所示，其中三基色Amber、Mint、Blue的发光量分别为90lm、137lm、28lm。

表1 100%亮度下两种色温的占空比Table 1 Duty ratio of the two CCT under 100% luminance

表2 50%亮度下两种色温的占空比Table 2 Duty ratio of the two CCT under 50% luminance

由表1和表2的对比可以看出，在相同色温不同亮度下，各个基色的PWM的占空比的比例相同。

经过测试，在100%亮度下，色温为2700K时，白光光通量为1062.2lm；色温为3000K时白光光通量为1061.3lm 。在不同色温相同亮度的情况下，总的光通量几乎相同，实现了色温和输出光通量的独立可调。

5 结 论

本文介绍了一种色温和输出光通量独立可调的白光LED系统。通过在单片机中进行编程处理，在调节色温的同时保持输出光通量不变，在调节输出光通量时保持原色温不变，实现了色温和输出光通量的独立调节。经过实验验证，色温和输出光通量的调节均达到了良好的效果。

[1] 刘康.高亮度白光LED色温动态可调及显色指数的研究[J].半导体光电，2012，33(3).

[2] 石路.光源色温对人体生物节律和体温调节的影响[J].人类工效学,2006,12(3).

[3] 陈冬灵,林志贤.三基色光源连续色温调控方法的研究[J].计算机与现代化,2012(6).