PWM调制占空比对混合白光LED光源光色度的影响

胡奕彬，刘士伟，刘思远，刘腾方，胡　乐，庄其仁

(华侨大学信息科学与工程学院，福建 厦门　361021)



PWM调制占空比对混合白光LED光源光色度的影响

胡奕彬，刘士伟，刘思远，刘腾方，胡乐，庄其仁

(华侨大学信息科学与工程学院，福建 厦门361021)

脉冲宽度调制(PWM)是LED照明光源智能控制的常用方法，为了准确控制混合白光LED光源的光度和色度，本文研究了基于两种不同色温白光LED的混合光源双通道PWM调制光色度理论模型，推导出混合光源色坐标、相关色温、最大亮度与双通道调制脉冲占空比比值的关系式。采用暖白光(色温3282K)和冷白光(色温12930K)两种白光LED进行混色实验，通过单片机控制脉冲宽度实现占空比可调。结果显示实验测量值与理论计算值吻合很好，证明理论模型的正确性。实验结果同时表明采用双通道PWM调节混合光源的色坐标和色温时，在相关色温4233K～7316K范围内可以保证光源亮度(光通量)输出值不低于最大值的70%。

白光LED；光色度；PWM；占空比

引言

研究表明，光照环境对人的生理和心理都具有明显的影响，光色度可调的动态照明对缓解视觉疲劳、治疗失眠症、减轻时差效应等方面都有一定作用[1]。为了实现LED的动态照明设计，需要对光源的亮度和色度量进行定量控制[2]。LED常用的调光方法有模拟调光和脉冲宽度(Pulse Width Modulation,PWM)调光两种。相比于模拟调光，PWM调光的优点在于可以非常精确地控制光通量，且产生的色差较小[3]。

虽然近年已有双通道 PWM 调光调色的相关研究论文报道[4-6]，但还缺乏一个简捷的理论公式进行混合光源色坐标、相关色温和亮度值与双通道 PWM调制脉冲占空比关系的计算公式。为此本文将分析双通道 PWM 调光调色的简捷的计算模型，推导出相关计算公式，并进行实验验证，用于指导光色度可调的LED动态照明光源设计。

1　理论模型

在两种不同色温的白光LED混合光源系统中，采用双通道脉冲宽度调制(PWM)方法实现光度和色度可调，需要分析占空比与混色光源光色度的关系。

1.1色坐标与占空比的关系

设经过PWM调制的两种不同色温的白光LED混合后的色坐标为W(xm,ym)，三刺激值为(Xm,Ym,Zm)，亮度为Lm。使用的两种白光LED色坐标分别为W1(x1,y1)和W2(x2,y2)，相应的三刺激值为(X1,Y1,Z1)和(X2,Y2,Z2)。两种不同色温的白光LED在满电流工作下的亮度分别为L1和L2，双通道脉宽调制占空比分别为D1和D2。根据格拉斯曼颜色混合定律和1931国际照明委员会(CIE)标准[7]，有以下关系式

(1)

(2)

1931 CIE标准规定，X，Z两色只代表色度，没有亮度，亮度只与三刺激值Y成比例，因此经过PWM调制的两种不同色温白光LED的三刺激值可用亮度和色度表示为

(3)由式(1)、(3)可得混色后的三刺激值(Xm,Ym,Zm)为

(4)

由式(2)、(4)可得混色后的色坐标为

(5)式(5)整理后可得

(6)

式(6)即为经过双通道PWM调制的两种不同色温白光LED混色色坐标W(xm,ym)与调制脉宽占空比D1和D2的关系式。对于选定的两种不同色温白光LED，式(6)中x1，y1，x2，y2均为常数，当灯珠数量确定后，L1和L2也为常数，此时两种不同色温白光LED混合光源的色坐标W(xm,ym)只与D1和D2有关。当D1=D2，即双通道占空比相同时，W(xm,ym)与D1和D2无关，进一步分析可发现，用占空比比值D1/D2作为自变量对色坐标W(xm,ym)的影响更直观，式(6)可写为

(7)

1.2相关色温与占空比的关系

经过PWM调制的两种不同色温白光LED混合光源的相关色温计算可采用文献[8]提出的色温计算公式

(8)式中T为相关色温；R(0)=9135.111、R(1)=-16 906.45,R(2)=12 998.05,R(3)=-2784.008,R(4)=-954.8603,R(5)=217.3433,R(6)=82.91618,R(7)=3.354065,R(8)=-5.5733497；A是等温线斜率的倒数，它表示为

(9)

由式(7)～(9)可得相关色温与双通道占空比比值η的关系为

(10)

式(10)表明，参与混色的两种不同色温的白光LED色坐标x1、y1、x2、y2和最高亮度参数L1、L2确定后，混合光源的相关色温只与双通道占空比比值η有关，当η为常数时，即同时增大或减小占空比D1和D2，混合光源的相关色温保持不变。

1.3一定色温下混合光源亮度与占空比的关系

根据格拉斯曼颜色混合定律，可得混合光源的亮度为

Lm=L1D1+L2D2

(11)

对于确定的色温(色坐标)混合光源，双通道占空比比值η不变，式(11)中的D1和D2不能独立变化，式(11)可改写为

(12)

混合光源色坐标W(xm,ym)的取值范围由式(7)可得，

(13)

假设x2>x1，y2>y1，则式(12)等式成立的条件是

x2>xm>x1，y2>ym>y1

(14)

两种不同色温白光LED控制占空比的比值η由式(7)可得

(15)

综上所述，混合光源色温(色坐标xm)、混光后亮度Lm和占空比比值η的取值范围有如下关系：

(16)

2　实验测试与结果分析

实验选用高色温(冷白)和低色温(暖白)两种白光LED作为光源，测试设备为远方HAAS-2000光谱分析系统，首先测得单颗白光LED光色参数如表1所示。图1为双通道PWM控制电路的结构框图，主要由AC/DC电源适配器、DC/DC降压电路、STC89C52单片机最小系统、LED恒流芯片PT4115及外围电路、LED光源、控制按键等组成。PT4115是一款连续电感电流导通模式的降压恒流源，内置功率开关管，DIM引脚可以接受模拟调光和PWM调光，用来驱动LED光源模块并实现PWM调光调色。由单片机输出PWM信号控制驱动模块，改变相对应冷色光和暖色光的比重。

表1　实验用白光LED光源光色参数

图1　双通道PWM控制电路的结构框图Fig.1　Hardware structure diagram of control circuit of two channels’PWM

理论计算值和实验测量结果的比较列于表2中，其中理论计算值是根据式(7)、式(10)和式(12)的计算结果，计算参数根据表1的数据，并且冷白 LED和暖白 LED各为2颗。对于同一光源类型，亮度与光通量成正比，所以表2中用光通量与公式中的亮度相对应。

从表2中可以看到，双通道PWM调制占空比比值η从0.1∶1增大到1∶0.1，混合光源色坐标xm的理论计算值和实验测量值最大差值为0.0036，相关色温Tm的理论计算值和实验测量值最大差值为240K，平均误差为16K，最大光通量Lm的理论计算值和实验测量值最大差值为7.64lm，平均误差为1.93lm，理论计算值和实验测量值的差值都很小，可见理论模型公式的正确性。表2同时说明双通道PWM调制占空比比值η可以很好地调节两种色温白光LED混合光源的色坐标和相关色温，本实验系统光源的色坐标xm可从0.4030连续变化到0.2859。由于知道混色色坐标xm后就可以计算出混色后的色坐标ym，因此实验中对色坐标ym不予考虑。从表2可以看到，随着冷暖两色白光LED占空比之比η的增加，即冷色白光的比重的增加，混色后的色坐标x也由暖色坐标逐渐向冷色坐标变化(色坐标值由大变小)，并且相关色温Tm单向升高，相关色温值可从3534K连续变化到10292K。上述分析表明采用双通道PWM调制冷暖两色白光LED的混合光源色度参数可调范围较大。

表2　理论计算与测试结果

对于照明光源，亮度(光通量)是重要的参数，由表2可以看出混合光源的最大光通量受调制占空比比值η的影响很大，因此在考虑色温要求的同时应兼顾最大光通量的值。由表2可以看到，在色温为5414K时混合光源最大光通量达到最大值，相应占空比比值为1∶1。最大光通量下降到80%所对应的色温值为4661K和6415K，相应占空比比值为0.6∶1和1∶0.6，最大光通量下降到70%所对应的色温值为4233K和7316K，相应占空比比值为0.4∶1和1∶0.4。因此，虽然采用双通道PWM调制冷暖两色白光LED的混合光源色度参数可调范围很大，但由于受最大光通量的限制，脉冲调制占空比比值η的取值范围限制在0.4∶1和1∶0.4之间，或者0.6∶1和1∶0.6之间是比较合适的。

3　结论

研究了基于两种不同色温白光LED的混合光源双通道PWM调制光色度理论模型，推导出混合光源色坐标xm，ym、相关色温Tm、最大亮度Lm与用于混色的两种不同色温白光LED色坐标x1，y1和x2，y2、满电流亮度L1和L2，双通道调制脉冲占空比D1和D2、以及占空比比值η=D1/D2的关系式。结果表明混合光源色坐标W(xm,ym)由双通道占空比比值η决定，且双通道PWM调制的双色混光光源系统中，色坐标xm，ym的独立变量只有一个；参与混色的两种不同色温的白光LED色坐标x1，y1，x2，y2和最高亮度参数L1、L2确定后，混合光源的相关色温只与双通道占空比比值η有关。采用暖白光(色温3282K)和冷白光(色温12930K)两种白光LED进行混色实验，通过单片机软件编程控制脉冲宽度实现占空比可调。结果显示实验测量值与理论计算值吻合很好，证明了理论模型的正确性。实验结果同时表明采用双通道PWM调节混合光源的色坐标和色温时，在相关色温4233K～7316K范围内可以保证光源亮度(光通量)输出值不低于最大值的70%。

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The Influence of Duty Ratio of PWM Modulation on Photometric and Colorimetric Quantity of Mixture of White LEDs

HU Yibin, LIU Shiwei, LIU Siyuan, LIU Tengfang, HU Le, ZHUAN Qiren

(InformationScienceandEngineeringInstituteofHuaqiaoUniversity,Xiamen361021,China)

Pulse width modulation(PWM) is a common method for LED in intelligent lighting. In order to control photometric and colorimetric quantity of mixed light source of white LED accurately, this paper studies the photometric and colorimetric theoretical model of two channels’PWM based on mixed light source of the two kinds of white LED with different color temperatures,deducing the formula for chromaticity coordinate of mixed light source, correlated colour temperature, maximum luminance and ratio of duty ratio of two channels’PWM. Two white LED samples of low color temperature(3282K) and high color temperature(12930K) were mixed in experiment,changing the duty ratio by controlling the pulse width.The results show that the experimental results are in fairly good agreement with the theoretical value,proving the correctness of the theoretical model.The results also show that we can ensure the luminous flux is higher than 70% of maximum in the range of 4233K to 7316K,when adjusting the chromaticity coordinate and correlated colour temperature of mixed light source by two channels’PWM.

white LED; chromaticity; PWM; duty ratio

福建省科技计划重点项目(2012H0029)，泉州市科技计划项目(2014Z105)

庄其仁，E-mail：qrzhuang@hqu.edu.cn

TM923

A

10.3969j.issn.1004-440X.2016.02.012