基于led混合顏色調節的紫色性能研究

光柵照明的總要求和主導因素在每個邵氏光學特征的參數中，顏色是代表光學質量的重要參數之一。色溫反映了光源所發光線顏色分布的狀況,在不同的時間和場合,對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。可見色溫體現了照明效果,是追求高質量照明不可或缺因素。有研究表明色溫對生理(睡眠、體溫等)、心理(舒適度、情緒等)都有影響,隨著生活質量的提高,色溫的改善和動態調節成為更加迫切的研究課題,色溫可調的照明系統必將成為未來的發展方向。1led光催化氧化原理根據色度學原理,在CIEx-y色品圖上,兩種顏色相加產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域,通過紅光R和藍光B混合可得到中間色M。根據格拉斯曼混色原理可知,M在R、B連線上的具體位置由藍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。從光譜上對正白光LED的特性進行分析。正白光LED以及紅、綠、藍LED的光譜如圖2所示:由圖2可知,正白光LED具有兩個峰值波長,其中主峰波長在550nm左右,次峰波長在450nm左右,在480nm處有一個波谷;整個光譜曲線覆蓋了人眼可見光的范圍,同時主體能量集中在可見光范圍中部,能很好地起到均衡作用,避免系統過于偏向藍色調或紅色調。虛線部分分別為紅、綠、藍光LED的光譜分布曲線,分別位于可見光范圍的右、中、左三個位置,其中紅光和藍光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,從簡化系統的角度可以將其省去。基于以上分析,本系統將采用正白光LED與紅光LED和藍光LED結合(RWB)的組合方式,來實現色溫可調的LED白光照明系統。通過上面的分析可知,圖1中三角形WRB所包含區域,都可以通過W、R、B三種顏色以不同比例混合實現。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,故利用正白光、紅光和藍光,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,即通過改變三種光的混合比例,可以實現色溫的大范圍調節。目標色溫坐標與正白光、紅光、藍光色溫坐標及亮度系數的關系由(1)式給出:其中(xw,yw)、(xr,yr)、(xb,yb)分別為正白、紅、藍三種顏色LED的色坐標,(xt,yt)為目標色溫K的色坐標,Kw、Kr、Kb分別為正白、紅、藍三種顏色LED的亮度系數。由式(1)可知,目標色的色坐標只取決于正白、紅、藍三顏色的色坐標和亮度。當給出目標色色溫時,可先通過查表得到它的色品坐標,代人式(1)可求出正白、紅、藍三色的亮度系數,通過分別調節正白、紅、藍各自的驅動電流,得到目標色溫的白光。2led發酵溫度的控制根據色溫的動態調節原理,通過調節混合光源的各個分量的能量,可以改變整體的光譜分布,從而改變系統色溫。本系統通過改變正白光LED和紅、藍LED驅動電流的方式,來控制每種LED的發光亮度,調節色溫。系統的總體設計框圖如圖3所示。系統主要分為驅動模塊、控制模塊、光學模塊、散熱模塊和反饋模塊五大模塊,電源通過驅動模塊給光學模塊提供合適的電流,驅動LED發光;控制模塊對每路驅動器進行控制,以調節各路LED的亮度比例,合成特定的色溫;反饋模塊對所合成的白光色溫進行監控,及時將當前色溫反饋給控制模塊,進行適當的調節,避免合成色溫與目標色溫的偏離;散熱模塊負責散發系統熱量,避免由于溫度變化而造成色溫的漂移。2.1led控制器設計在驅動模塊中,系統由一個電源統一供電,然后分開三個支路分別由正白、紅、藍三種LED驅動器控制相應的LED,同時每個驅動器都受到控制器的控制。控制器通過對各支路驅動器設置不同的驅動電流,使LED出現不同的亮度組合,以形成所需要色溫的白光。為了與傳統燈座兼容,提高方便性,本系統采用220V,50Hz的市用交流電作為電源輸入。由于LED是低壓直流驅動器件,需要對在驅動電路中對輸入電流進行降壓和整流處理。在輸出端,根據LED驅動方式,可以采用恒流驅動或者恒壓驅動兩種方案。LED的亮度和色溫主要隨驅動電流而變化,電壓的微小波動對其產生的影響較小,因此系統采用恒流驅動方式。另外,對于低壓直流的LED而言,在采用市電轉換而成的直流供電時,要特別注意器件的保護,保證LED的驅動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超過其最大值,導致LED被燒毀。因此,為了保證系統亮度和色溫的穩定性和安全可靠性,應該采用恒流驅動方案。從LED的連接方式來看,串聯方式能保證所有LED的驅動電流一致,因而獲得穩定的亮度和色溫值;其缺點是當其中一個LED失效時,其所在的支路就會斷開,從而導致同一支路的其他LED失效。并聯驅動方式屬于低壓驅動類型,同時具有較低的EMI和較低的噪聲,其優點是當其中一個LED產生故障,其他LED不會受到影響,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中,由于需要較多的LED共同發光,往往采用串聯和并聯混合的連接方式,這樣可以將較多的LED進行分組,每組內部進行串聯,各組之間進行并聯,既能保證系統大部分的LED處于相同的亮度和色溫水平,也能在個別LED發生故障時,其他組的LED能繼續發光。從以上分析來看,本系統采取混聯方式來對LED進行連接。考慮到每個支路中的LED處于串聯狀態,為了避免由于個別LED失效造成整個支路的癱瘓,在每個LED上面并聯了一個穩壓二極管,形成LED穩壓保護電路,提高了電路的可靠性和穩定性。根據以上分析,系統驅動模塊設計如圖4所示。驅動模塊由EMI濾波器、帶有整流橋的PFC電路、Buck降壓變換電路、LED穩壓保護電路、PWM恒流調節電路組成。EMI濾波器負責交流電網與工作電路的隔離,避免工作電路受到電網中其他設備的電磁干擾,同時防止工作電路中產生的電磁噪聲倒流進電網,造成電網污染。PFC電路內部帶有整流橋,對輸入交流電進行全波整流;帶有濾波電容,以便得到平滑的直流電壓;同時對電路進行功率校正,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。Buck電路采用PWM控制方式,負責直流降壓變換,產生適合LED發光的低壓直流電流。LED組合處給每一個LED加上穩壓二極管,組成LED穩壓保護電路,防止由于個別LED失效造成相應支路的癱瘓。PWM恒流調節電路負責對LED發光模塊進行恒流調節,從而實現光線亮度控制。2.2黑、白、藍持續散射時的控制器設計控制模塊的核心器件是微控制器和存儲器,外圍設備包括晶振、調節旋鈕、反饋接口、輸出接口等(如圖5所示)。將色溫與電壓的對應關系存儲在存儲器中,控制器通過向驅動模塊中的PWM恒流調節電路輸出三路參考電壓來調節LED組合支路中的電流,從而調節其亮度組合,改變色溫。首先需要在存儲器中存儲各種色溫對應的參考電壓,建立電壓—色溫數據庫。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)可求得每個色坐標所需紅白藍的亮度,調整光學模塊中的LED亮度組合,使混合光源的色溫值與黑體輻射軌跡上的標準色溫值一一對應,記錄下此時LED組合各支路上的驅動電流值,并計算出PWM恒流控制電路上對應的參考電壓值,存儲到控制模塊的存儲其中。然后進一步縮小間隔,根據已記錄下的參考電壓,通過計算機計算,得到以上十個色溫值之間的各種色溫點所對應的參考電壓值,也都存放到存儲器中,得到一個詳細的色溫—電壓數據庫。當系統運行時,通過調節旋鈕選取所需要的色溫值,控制器就連接存儲器中的數據庫,查詢得到相應的參考電壓組合值,通過輸出接口把紅、白、藍三路LED所需要的參考電壓發送到PWM恒流調節電路出,控制各支路的驅動電流,使光學模塊發出相應色溫的白光。控制器還通過反饋接口與反饋模塊進行連接,對實際發光的效果進行監控。但反饋模塊返回的信號表明實際色溫值發生漂移時,控制器能根據漂移的方向和程度,自動調整參考電壓值,將色溫向黑體輻射軌跡靠攏,保證了系統的穩定性。2.3芯片組合結構設計光學模塊規定了LED芯片的組合方式和布局方式。在組合方式上,系統采用串聯/并聯混合的方式,紅、白、藍三種LED芯片之間是獨立連接的,每種LED芯片都有獨立的驅動電路和獨立的恒流控制電路,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,除了會提高所需要的驅動電壓,還會造成個別LED失效導致整體癱瘓的隱患,因此將其分為若干串聯支路,支路之間則是并聯關系。文獻對紅、綠、藍三類LED組合的四種布局方式進行了研究。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端,對藍光的分量要求較低。經過比較和分析,系統采用5×5的芯片布局方案,來實現較低的照明標準偏差和較高的顯色指數,取得均勻的照明效果。從人眼的視覺效果來看,將藍光LED放置在單元中間,但系統處于高色溫狀態時,照明對象表面中間藍色較明顯,符合高溫偏藍的特點和心理效果。此外,這種高度對稱的芯片排布方式,能夠從物理上保證不同顏色光線混合后產生均勻的照明效果。LED分布如表1如所示:2.4面為復合導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結處產生。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結處產生后,經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一起)。覆銅層導熱系數達到400W/mK,而LED底座的導熱系數為80W/mK,因此前者能夠把底座傳導的絕大部分熱量吸收掉。然后熱量通過絕緣層傳導到鋁板上,鋁板的導熱系數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,接下來通過導熱硅膠墊片和散熱鋁型材,散發到空氣中,完成了一部分熱量的散發。余下熱量則通過外置的散熱器進一步散發,該外置散熱器采用熱電制冷方式,將散熱鋁型材的外側(其內側已與上文中提到的導熱硅膠墊片粘合在一起)與熱電制冷散熱器的冷端結合。對熱電制冷器施加電場作用,使其處于制冷的工作狀態。這樣,沒有通過散熱鋁型材散發到空氣中的熱量,將會進入熱電制冷器的冷端N區,被吸收和傳導到制冷器的熱端P區,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合而成的散熱體系,能將系統中由LEDPN結產生的絕大部分熱量散發掉,保持系統溫度的穩定。2.5反饋系統控制隨著使用時間的加長,系統可能會由于電流的波動、環境溫度的變化或者其他因素,造成各個支路LED光通量的變化,從而造成色溫偏離黑體輻射軌跡,因此需要建立閉環的反饋回路,對混合光源的光照效果進行檢測、反饋和控制,保證系統的穩定性。反饋模塊設計如圖8所示。反饋模塊設置了紅綠藍三種顏色傳感器,安裝在發光模塊的燈具內壁上,不會對光照效果造成阻擋影響。這三種三個傳感器將所接收到的相應顏色的光能轉換為電流,通過運算放大器放大器進行放大,再由A/D轉換器進行模/數轉換,得到紅、綠、藍三種顏色的分量比例數值,該數值通過反饋接口發送到控制器。控制器接收到反饋信號后,根據色溫的計算方法,計算出混合光源的實際色溫值,再與黑體輻射軌跡進行對比。如果發現兩者不相符,即出現了色溫漂移,控制器就對驅動電路進行恰當的調節,將色溫漂移程度減少直至與黑體輻射軌跡一致。3染色后的染色對設計完成的系統進行初步試驗,選擇不色溫值得到不同色溫的色坐標及顯色指數如表2所示。通過查表可知,實驗得到的色坐標與普朗克軌跡吻合較好,說明系統基本可以證光源色溫沿著普朗克軌跡變化,達到理想的照明效果。