基于led混合顏色調(diào)節(jié)的紫色性能研究

光柵照明的總要求和主導(dǎo)因素在每個(gè)邵氏光學(xué)特征的參數(shù)中，顏色是代表光學(xué)質(zhì)量的重要參數(shù)之一。色溫反映了光源所發(fā)光線顏色分布的狀況,在不同的時(shí)間和場(chǎng)合,對(duì)光線的顏色和光譜分布有不同的需求,光源的色溫越能迎合這種需求,照明效果就越好。可見色溫體現(xiàn)了照明效果,是追求高質(zhì)量照明不可或缺因素。有研究表明色溫對(duì)生理(睡眠、體溫等)、心理(舒適度、情緒等)都有影響,隨著生活質(zhì)量的提高,色溫的改善和動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)成為更加迫切的研究課題,色溫可調(diào)的照明系統(tǒng)必將成為未來的發(fā)展方向。1led光催化氧化原理根據(jù)色度學(xué)原理,在CIEx-y色品圖上,兩種顏色相加產(chǎn)生的第三種顏色總是在連接這兩種顏色的直線上。如圖1所示,W、R、B分別代表正白光、紅光、藍(lán)光在CIEx-y色品圖上的位置,正白光在色品圖上位于普朗克軌跡上方且靠近黃綠色的白色區(qū)域,通過紅光R和藍(lán)光B混合可得到中間色M。根據(jù)格拉斯曼混色原理可知,M在R、B連線上的具體位置由藍(lán)光和紅光的混合比例決定。同理,可用正白光W與M混合得到所需色溫的白光T,正白光與M的混合比例決定T在色品圖上的位置。從光譜上對(duì)正白光LED的特性進(jìn)行分析。正白光LED以及紅、綠、藍(lán)LED的光譜如圖2所示:由圖2可知,正白光LED具有兩個(gè)峰值波長(zhǎng),其中主峰波長(zhǎng)在550nm左右,次峰波長(zhǎng)在450nm左右,在480nm處有一個(gè)波谷;整個(gè)光譜曲線覆蓋了人眼可見光的范圍,同時(shí)主體能量集中在可見光范圍中部,能很好地起到均衡作用,避免系統(tǒng)過于偏向藍(lán)色調(diào)或紅色調(diào)。虛線部分分別為紅、綠、藍(lán)光LED的光譜分布曲線,分別位于可見光范圍的右、中、左三個(gè)位置,其中紅光和藍(lán)光LED的主峰所處位置剛好是正白光LED光譜能量較低的地方,很好地彌補(bǔ)了整體能量在兩邊的缺失;綠光LED的主峰則與正白LED的主峰有所重疊,從簡(jiǎn)化系統(tǒng)的角度可以將其省去。基于以上分析,本系統(tǒng)將采用正白光LED與紅光LED和藍(lán)光LED結(jié)合(RWB)的組合方式,來實(shí)現(xiàn)色溫可調(diào)的LED白光照明系統(tǒng)。通過上面的分析可知,圖1中三角形WRB所包含區(qū)域,都可以通過W、R、B三種顏色以不同比例混合實(shí)現(xiàn)。在圖1中可以看到,普朗克軌跡有很大部分被包含在三角形WRB內(nèi),故利用正白光、紅光和藍(lán)光,通過不同的比例混合,可以得到沿普朗克軌跡的任何色溫的白光,即通過改變?nèi)N光的混合比例,可以實(shí)現(xiàn)色溫的大范圍調(diào)節(jié)。目標(biāo)色溫坐標(biāo)與正白光、紅光、藍(lán)光色溫坐標(biāo)及亮度系數(shù)的關(guān)系由(1)式給出:其中(xw,yw)、(xr,yr)、(xb,yb)分別為正白、紅、藍(lán)三種顏色LED的色坐標(biāo),(xt,yt)為目標(biāo)色溫K的色坐標(biāo),Kw、Kr、Kb分別為正白、紅、藍(lán)三種顏色LED的亮度系數(shù)。由式(1)可知,目標(biāo)色的色坐標(biāo)只取決于正白、紅、藍(lán)三顏色的色坐標(biāo)和亮度。當(dāng)給出目標(biāo)色色溫時(shí),可先通過查表得到它的色品坐標(biāo),代人式(1)可求出正白、紅、藍(lán)三色的亮度系數(shù),通過分別調(diào)節(jié)正白、紅、藍(lán)各自的驅(qū)動(dòng)電流,得到目標(biāo)色溫的白光。2led發(fā)酵溫度的控制根據(jù)色溫的動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)原理,通過調(diào)節(jié)混合光源的各個(gè)分量的能量,可以改變整體的光譜分布,從而改變系統(tǒng)色溫。本系統(tǒng)通過改變正白光LED和紅、藍(lán)LED驅(qū)動(dòng)電流的方式,來控制每種LED的發(fā)光亮度,調(diào)節(jié)色溫。系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)框圖如圖3所示。系統(tǒng)主要分為驅(qū)動(dòng)模塊、控制模塊、光學(xué)模塊、散熱模塊和反饋模塊五大模塊,電源通過驅(qū)動(dòng)模塊給光學(xué)模塊提供合適的電流,驅(qū)動(dòng)LED發(fā)光;控制模塊對(duì)每路驅(qū)動(dòng)器進(jìn)行控制,以調(diào)節(jié)各路LED的亮度比例,合成特定的色溫;反饋模塊對(duì)所合成的白光色溫進(jìn)行監(jiān)控,及時(shí)將當(dāng)前色溫反饋給控制模塊,進(jìn)行適當(dāng)?shù)恼{(diào)節(jié),避免合成色溫與目標(biāo)色溫的偏離;散熱模塊負(fù)責(zé)散發(fā)系統(tǒng)熱量,避免由于溫度變化而造成色溫的漂移。2.1led控制器設(shè)計(jì)在驅(qū)動(dòng)模塊中,系統(tǒng)由一個(gè)電源統(tǒng)一供電,然后分開三個(gè)支路分別由正白、紅、藍(lán)三種LED驅(qū)動(dòng)器控制相應(yīng)的LED,同時(shí)每個(gè)驅(qū)動(dòng)器都受到控制器的控制。控制器通過對(duì)各支路驅(qū)動(dòng)器設(shè)置不同的驅(qū)動(dòng)電流,使LED出現(xiàn)不同的亮度組合,以形成所需要色溫的白光。為了與傳統(tǒng)燈座兼容,提高方便性,本系統(tǒng)采用220V,50Hz的市用交流電作為電源輸入。由于LED是低壓直流驅(qū)動(dòng)器件,需要對(duì)在驅(qū)動(dòng)電路中對(duì)輸入電流進(jìn)行降壓和整流處理。在輸出端,根據(jù)LED驅(qū)動(dòng)方式,可以采用恒流驅(qū)動(dòng)或者恒壓驅(qū)動(dòng)兩種方案。LED的亮度和色溫主要隨驅(qū)動(dòng)電流而變化,電壓的微小波動(dòng)對(duì)其產(chǎn)生的影響較小,因此系統(tǒng)采用恒流驅(qū)動(dòng)方式。另外,對(duì)于低壓直流的LED而言,在采用市電轉(zhuǎn)換而成的直流供電時(shí),要特別注意器件的保護(hù),保證LED的驅(qū)動(dòng)電流低于其額定電流,才能避免在溫度或者其他因素造成的電流波動(dòng)超過其最大值,導(dǎo)致LED被燒毀。因此,為了保證系統(tǒng)亮度和色溫的穩(wěn)定性和安全可靠性,應(yīng)該采用恒流驅(qū)動(dòng)方案。從LED的連接方式來看,串聯(lián)方式能保證所有LED的驅(qū)動(dòng)電流一致,因而獲得穩(wěn)定的亮度和色溫值;其缺點(diǎn)是當(dāng)其中一個(gè)LED失效時(shí),其所在的支路就會(huì)斷開,從而導(dǎo)致同一支路的其他LED失效。并聯(lián)驅(qū)動(dòng)方式屬于低壓驅(qū)動(dòng)類型,同時(shí)具有較低的EMI和較低的噪聲,其優(yōu)點(diǎn)是當(dāng)其中一個(gè)LED產(chǎn)生故障,其他LED不會(huì)受到影響,依然能夠正常工作,但是難以保證所有的LED都處于相同的亮度和色溫水平。一般而言,在高亮度的照明系統(tǒng)中,由于需要較多的LED共同發(fā)光,往往采用串聯(lián)和并聯(lián)混合的連接方式,這樣可以將較多的LED進(jìn)行分組,每組內(nèi)部進(jìn)行串聯(lián),各組之間進(jìn)行并聯(lián),既能保證系統(tǒng)大部分的LED處于相同的亮度和色溫水平,也能在個(gè)別LED發(fā)生故障時(shí),其他組的LED能繼續(xù)發(fā)光。從以上分析來看,本系統(tǒng)采取混聯(lián)方式來對(duì)LED進(jìn)行連接。考慮到每個(gè)支路中的LED處于串聯(lián)狀態(tài),為了避免由于個(gè)別LED失效造成整個(gè)支路的癱瘓,在每個(gè)LED上面并聯(lián)了一個(gè)穩(wěn)壓二極管,形成LED穩(wěn)壓保護(hù)電路,提高了電路的可靠性和穩(wěn)定性。根據(jù)以上分析,系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)模塊設(shè)計(jì)如圖4所示。驅(qū)動(dòng)模塊由EMI濾波器、帶有整流橋的PFC電路、Buck降壓變換電路、LED穩(wěn)壓保護(hù)電路、PWM恒流調(diào)節(jié)電路組成。EMI濾波器負(fù)責(zé)交流電網(wǎng)與工作電路的隔離,避免工作電路受到電網(wǎng)中其他設(shè)備的電磁干擾,同時(shí)防止工作電路中產(chǎn)生的電磁噪聲倒流進(jìn)電網(wǎng),造成電網(wǎng)污染。PFC電路內(nèi)部帶有整流橋,對(duì)輸入交流電進(jìn)行全波整流;帶有濾波電容,以便得到平滑的直流電壓;同時(shí)對(duì)電路進(jìn)行功率校正,降低由于整流濾波造成的交流電流畸變,減少諧波電流,提高功率因數(shù)。Buck電路采用PWM控制方式,負(fù)責(zé)直流降壓變換,產(chǎn)生適合LED發(fā)光的低壓直流電流。LED組合處給每一個(gè)LED加上穩(wěn)壓二極管,組成LED穩(wěn)壓保護(hù)電路,防止由于個(gè)別LED失效造成相應(yīng)支路的癱瘓。PWM恒流調(diào)節(jié)電路負(fù)責(zé)對(duì)LED發(fā)光模塊進(jìn)行恒流調(diào)節(jié),從而實(shí)現(xiàn)光線亮度控制。2.2黑、白、藍(lán)持續(xù)散射時(shí)的控制器設(shè)計(jì)控制模塊的核心器件是微控制器和存儲(chǔ)器,外圍設(shè)備包括晶振、調(diào)節(jié)旋鈕、反饋接口、輸出接口等(如圖5所示)。將色溫與電壓的對(duì)應(yīng)關(guān)系存儲(chǔ)在存儲(chǔ)器中,控制器通過向驅(qū)動(dòng)模塊中的PWM恒流調(diào)節(jié)電路輸出三路參考電壓來調(diào)節(jié)LED組合支路中的電流,從而調(diào)節(jié)其亮度組合,改變色溫。首先需要在存儲(chǔ)器中存儲(chǔ)各種色溫對(duì)應(yīng)的參考電壓,建立電壓—色溫?cái)?shù)據(jù)庫(kù)。如圖6所示,在黑體輻射軌跡上等間隔地選取一系列色溫值,如2500、3000、3500、4000、4500、5000、5500、6000、6500、7000K。由式(1)可求得每個(gè)色坐標(biāo)所需紅白藍(lán)的亮度,調(diào)整光學(xué)模塊中的LED亮度組合,使混合光源的色溫值與黑體輻射軌跡上的標(biāo)準(zhǔn)色溫值一一對(duì)應(yīng),記錄下此時(shí)LED組合各支路上的驅(qū)動(dòng)電流值,并計(jì)算出PWM恒流控制電路上對(duì)應(yīng)的參考電壓值,存儲(chǔ)到控制模塊的存儲(chǔ)其中。然后進(jìn)一步縮小間隔,根據(jù)已記錄下的參考電壓,通過計(jì)算機(jī)計(jì)算,得到以上十個(gè)色溫值之間的各種色溫點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的參考電壓值,也都存放到存儲(chǔ)器中,得到一個(gè)詳細(xì)的色溫—電壓數(shù)據(jù)庫(kù)。當(dāng)系統(tǒng)運(yùn)行時(shí),通過調(diào)節(jié)旋鈕選取所需要的色溫值,控制器就連接存儲(chǔ)器中的數(shù)據(jù)庫(kù),查詢得到相應(yīng)的參考電壓組合值,通過輸出接口把紅、白、藍(lán)三路LED所需要的參考電壓發(fā)送到PWM恒流調(diào)節(jié)電路出,控制各支路的驅(qū)動(dòng)電流,使光學(xué)模塊發(fā)出相應(yīng)色溫的白光。控制器還通過反饋接口與反饋模塊進(jìn)行連接,對(duì)實(shí)際發(fā)光的效果進(jìn)行監(jiān)控。但反饋模塊返回的信號(hào)表明實(shí)際色溫值發(fā)生漂移時(shí),控制器能根據(jù)漂移的方向和程度,自動(dòng)調(diào)整參考電壓值,將色溫向黑體輻射軌跡靠攏,保證了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。2.3芯片組合結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)光學(xué)模塊規(guī)定了LED芯片的組合方式和布局方式。在組合方式上,系統(tǒng)采用串聯(lián)/并聯(lián)混合的方式,紅、白、藍(lán)三種LED芯片之間是獨(dú)立連接的,每種LED芯片都有獨(dú)立的驅(qū)動(dòng)電路和獨(dú)立的恒流控制電路,在亮度控制方面互不干擾;而在每種顏色LED各自的連接方式上,如果直接串聯(lián),除了會(huì)提高所需要的驅(qū)動(dòng)電壓,還會(huì)造成個(gè)別LED失效導(dǎo)致整體癱瘓的隱患,因此將其分為若干串聯(lián)支路,支路之間則是并聯(lián)關(guān)系。文獻(xiàn)對(duì)紅、綠、藍(lán)三類LED組合的四種布局方式進(jìn)行了研究。從色品圖上分析,正白LED色溫大約為5000K,處在黑體輻射軌跡的偏藍(lán)端,對(duì)藍(lán)光的分量要求較低。經(jīng)過比較和分析,系統(tǒng)采用5×5的芯片布局方案,來實(shí)現(xiàn)較低的照明標(biāo)準(zhǔn)偏差和較高的顯色指數(shù),取得均勻的照明效果。從人眼的視覺效果來看,將藍(lán)光LED放置在單元中間,但系統(tǒng)處于高色溫狀態(tài)時(shí),照明對(duì)象表面中間藍(lán)色較明顯,符合高溫偏藍(lán)的特點(diǎn)和心理效果。此外,這種高度對(duì)稱的芯片排布方式,能夠從物理上保證不同顏色光線混合后產(chǎn)生均勻的照明效果。LED分布如表1如所示:2.4面為復(fù)合導(dǎo)電材料的含熱量的空氣散熱模塊采取“鋁基板+散熱鋁型材+外置熱電制冷散熱器”的組合方案,如圖7所示。將LED芯片焊接在鋁基板上面。熱量主要在LED的PN結(jié)處產(chǎn)生。散熱模塊的第一部分是與LED底座直接接觸的鋁基板,熱量在PN結(jié)處產(chǎn)生后,經(jīng)LED底座傳到鋁基板的覆銅層(兩者之間通過錫膏焊接層粘結(jié)一起)。覆銅層導(dǎo)熱系數(shù)達(dá)到400W/mK,而LED底座的導(dǎo)熱系數(shù)為80W/mK,因此前者能夠把底座傳導(dǎo)的絕大部分熱量吸收掉。然后熱量通過絕緣層傳導(dǎo)到鋁板上,鋁板的導(dǎo)熱系數(shù)比覆銅層小而比絕緣層高。至此,熱量已傳送到鋁基板的最后一層,接下來通過導(dǎo)熱硅膠墊片和散熱鋁型材,散發(fā)到空氣中,完成了一部分熱量的散發(fā)。余下熱量則通過外置的散熱器進(jìn)一步散發(fā),該外置散熱器采用熱電制冷方式,將散熱鋁型材的外側(cè)(其內(nèi)側(cè)已與上文中提到的導(dǎo)熱硅膠墊片粘合在一起)與熱電制冷散熱器的冷端結(jié)合。對(duì)熱電制冷器施加電場(chǎng)作用,使其處于制冷的工作狀態(tài)。這樣,沒有通過散熱鋁型材散發(fā)到空氣中的熱量,將會(huì)進(jìn)入熱電制冷器的冷端N區(qū),被吸收和傳導(dǎo)到制冷器的熱端P區(qū),快速釋放到空氣中,完成散熱過程。通過鋁基板、散熱鋁型材和熱電制冷器三者結(jié)合而成的散熱體系,能將系統(tǒng)中由LEDPN結(jié)產(chǎn)生的絕大部分熱量散發(fā)掉,保持系統(tǒng)溫度的穩(wěn)定。2.5反饋系統(tǒng)控制隨著使用時(shí)間的加長(zhǎng),系統(tǒng)可能會(huì)由于電流的波動(dòng)、環(huán)境溫度的變化或者其他因素,造成各個(gè)支路LED光通量的變化,從而造成色溫偏離黑體輻射軌跡,因此需要建立閉環(huán)的反饋回路,對(duì)混合光源的光照效果進(jìn)行檢測(cè)、反饋和控制,保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性。反饋模塊設(shè)計(jì)如圖8所示。反饋模塊設(shè)置了紅綠藍(lán)三種顏色傳感器,安裝在發(fā)光模塊的燈具內(nèi)壁上,不會(huì)對(duì)光照效果造成阻擋影響。這三種三個(gè)傳感器將所接收到的相應(yīng)顏色的光能轉(zhuǎn)換為電流,通過運(yùn)算放大器放大器進(jìn)行放大,再由A/D轉(zhuǎn)換器進(jìn)行模/數(shù)轉(zhuǎn)換,得到紅、綠、藍(lán)三種顏色的分量比例數(shù)值,該數(shù)值通過反饋接口發(fā)送到控制器。控制器接收到反饋信號(hào)后,根據(jù)色溫的計(jì)算方法,計(jì)算出混合光源的實(shí)際色溫值,再與黑體輻射軌跡進(jìn)行對(duì)比。如果發(fā)現(xiàn)兩者不相符,即出現(xiàn)了色溫漂移,控制器就對(duì)驅(qū)動(dòng)電路進(jìn)行恰當(dāng)?shù)恼{(diào)節(jié),將色溫漂移程度減少直至與黑體輻射軌跡一致。3染色后的染色對(duì)設(shè)計(jì)完成的系統(tǒng)進(jìn)行初步試驗(yàn),選擇不色溫值得到不同色溫的色坐標(biāo)及顯色指數(shù)如表2所示。通過查表可知,實(shí)驗(yàn)得到的色坐標(biāo)與普朗克軌跡吻合較好,說明系統(tǒng)基本可以證光源色溫沿著普朗克軌跡變化,達(dá)到理想的照明效果。