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因素在每個邵氏光學特征的參數(shù)中，顏色是代表光學質(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?？梢娚珳伢w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(tǒng)過于偏向藍色調(diào)或紅色調(diào)。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(tǒng)的角度可以將其省去?；谝陨戏治?本系統(tǒng)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(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,可以實現(xiàn)色溫的大范圍調(diào)節(jié)。目標色溫坐標與正白光、紅光、藍光色溫坐標及亮度系數(shù)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(shù)。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(shù),通過分別調(diào)節(jié)正白、紅、藍各自的驅(qū)動電流,得到目標色溫的白光。2led發(fā)酵溫度的控制根據(jù)色溫的動態(tài)調(diào)節(jié)原理,通過調(diào)節(jié)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(tǒng)色溫。本系統(tǒng)通過改變正白光LED和紅、藍LED驅(qū)動電流的方式,來控制每種LED的發(fā)光亮度,調(diào)節(jié)色溫。系統(tǒng)的總體設計框圖如圖3所示。系統(tǒng)主要分為驅(qū)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(qū)動模塊給光學模塊提供合適的電流,驅(qū)動LED發(fā)光;控制模塊對每路驅(qū)動器進行控制,以調(diào)節(jié)各路LED的亮度比例,合成特定的色溫;反饋模塊對所合成的白光色溫進行監(jiān)控,及時將當前色溫反饋給控制模塊,進行適當?shù)恼{(diào)節(jié),避免合成色溫與目標色溫的偏離;散熱模塊負責散發(fā)系統(tǒng)熱量,避免由于溫度變化而造成色溫的漂移。2.1led控制器設計在驅(qū)動模塊中,系統(tǒng)由一個電源統(tǒng)一供電,然后分開三個支路分別由正白、紅、藍三種LED驅(qū)動器控制相應的LED,同時每個驅(qū)動器都受到控制器的控制?？刂破魍ㄟ^對各支路驅(qū)動器設置不同的驅(qū)動電流,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)動器件,需要對在驅(qū)動電路中對輸入電流進行降壓和整流處理。在輸出端,根據(jù)LED驅(qū)動方式,可以采用恒流驅(qū)動或者恒壓驅(qū)動兩種方案。LED的亮度和色溫主要隨驅(qū)動電流而變化,電壓的微小波動對其產(chǎn)生的影響較小,因此系統(tǒng)采用恒流驅(qū)動方式。另外,對于低壓直流的LED而言,在采用市電轉(zhuǎn)換而成的直流供電時,要特別注意器件的保護,保證LED的驅(qū)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(tǒng)亮度和色溫的穩(wěn)定性和安全可靠性,應該采用恒流驅(qū)動方案。從LED的連接方式來看,串聯(lián)方式能保證所有LED的驅(qū)動電流一致,因而獲得穩(wěn)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(lián)驅(qū)動方式屬于低壓驅(qū)動類型,同時具有較低的EMI和較低的噪聲,其優(yōu)點是當其中一個LED產(chǎn)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(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進行分組,每組內(nèi)部進行串聯(lián),各組之間進行并聯(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,也能在個別LED發(fā)生故障時,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LED進行連接?？紤]到每個支路中的LED處于串聯(lián)狀態(tài),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(lián)了一個穩(wěn)壓二極管,形成LED穩(wěn)壓保護電路,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)動模塊設計如圖4所示。驅(qū)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(wěn)壓保護電路、PWM恒流調(diào)節(jié)電路組成。EMI濾波器負責交流電網(wǎng)與工作電路的隔離,避免工作電路受到電網(wǎng)中其他設備的電磁干擾,同時防止工作電路中產(chǎn)生的電磁噪聲倒流進電網(wǎng),造成電網(wǎng)污染。PFC電路內(nèi)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(shù)。Buck電路采用PWM控制方式,負責直流降壓變換,產(chǎn)生適合LED發(fā)光的低壓直流電流。LED組合處給每一個LED加上穩(wěn)壓二極管,組成LED穩(wěn)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(diào)節(jié)電路負責對LED發(fā)光模塊進行恒流調(diào)節(jié),從而實現(xiàn)光線亮度控制。2.2黑、白、藍持續(xù)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(diào)節(jié)旋鈕、反饋接口、輸出接口等(如圖5所示)。將色溫與電壓的對應關系存儲在存儲器中,控制器通過向驅(qū)動模塊中的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。首先需要在存儲器中存儲各種色溫對應的參考電壓,建立電壓—色溫數(shù)據(jù)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(diào)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(qū)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(jù)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(shù)據(jù)庫。當系統(tǒng)運行時,通過調(diào)節(jié)旋鈕選取所需要的色溫值,控制器就連接存儲器中的數(shù)據(jù)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(fā)送到PWM恒流調(diào)節(jié)電路出,控制各支路的驅(qū)動電流,使光學模塊發(fā)出相應色溫的白光?？刂破鬟€通過反饋接口與反饋模塊進行連接,對實際發(fā)光的效果進行監(jiān)控。但反饋模塊返回的信號表明實際色溫值發(fā)生漂移時,控制器能根據(jù)漂移的方向和程度,自動調(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芯片組合結構設計光學模塊規(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、藍三種LED芯片之間是獨立連接的,每種LED芯片都有獨立的驅(qū)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(lián),除了會提高所需要的驅(qū)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(lián)支路,支路之間則是并聯(lián)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(jīng)過比較和分析,系統(tǒng)采用5×5的芯片布局方案,來實現(xiàn)較低的照明標準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,將藍光LED放置在單元中間,但系統(tǒng)處于高色溫狀態(tài)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(chǎn)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(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一起)。覆銅層導熱系數(shù)達到400W/mK,而LED底座的導熱系數(shù)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(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(其內(nèi)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(tài)。這樣,沒有通過散熱鋁型材散發(fā)到空氣中的熱量,將會進入熱電制冷器的冷端N區(qū),被吸收和傳導到制冷器的熱端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合而成的散熱體系,能將系統(tǒng)中由LEDPN結產(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)控制隨著使用時間的加長,系統(tǒng)可能會由于電流的波動、環(huán)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(huán)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(tǒng)的穩(wěn)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(fā)光模塊的燈具內(nèi)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(zhuǎn)換為電流,通過運算放大器放大器進行放大,再由A/D轉(zhuǎn)換器進行模/數(shù)轉(zhuǎn)換,得到紅、綠、藍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?？刂破鹘邮盏椒答佇盘柡?根據(jù)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(fā)現(xiàn)兩者不相符,即出現(xiàn)了色溫漂移,控制器就對驅(qū)動電路進行恰當?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染色后的染色對設計完成的系統(tǒng)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(shù)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(tǒng)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。