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如何精确控制室内白光场景?

时间:2017-06-06 作者:Joerg Wedermann 阅读:
安装传统光源时必须规定和实现亮度和色效,但室内白光LED的出现给使用者提供了各种变化和创造可能性。使用分级(binning)和合适的光度测定法可选择和精确控制复杂灯光场景,甚至考虑到LED光源老化过程。

虽然白光LED有大量选择和对传统光源的优势,但确保期望的照明条件保持可变和可预测以及长期稳定性更为费力费钱。这时就需要主动控制系统的帮助。除了长期变化,如LED使用过程中的亮度损失和白光LED中转换器主体的老化过程(所产生的色温漂移接近黑体曲线),我们期望让控制系统响应并补偿高速事件,如光学参数随温度的变化,LED灯串中单个LED失效,以及最终使用者对工作点(亮度EV,色温CCT)的改动。现在只用一个光学传感器即可实现这种控制系统。jsVEETC-电子工程专辑

光传感器

白光控制方案的实施有多种传感器选择。亮度控制可使用简单的环境光传感器,如TEMD5510FX01或TEMT6200X01,其方法是测量与人眼响应度相对应的模拟光电电流。另一种选择是使用RGB传感器,如VEML6040,这是基于CIE1931/DIN5033标准 [1]。VEML6040 是一种 CMOS 芯片,包含一个放大器、模拟和数字电路以及四个光电二极管(带有用于红、绿、蓝和白色 [RGBW] 光谱成分的带通滤波器)。RGBW信息可由微处理器通过I2C总线取得。这样即可简单实现针对暖白/冷白LED混合场景的亮度和色温控制回路。甚至可设想控制纯色RGB光源或由RGB和白光LED构成的异构组合系统。由于使用FiltronTM专利技术(滤波特征非常接近CIE1931的标准化响应度曲线)实现了用于传感器的滤色器,所以精确控制系统在温度条件下具有稳定性是可能的(图1)。Vishay Semiconductors在VEML6040以及VEML6075数字式UVA/B传感器与VCNL4040接近和环境光传感器中使用这种技术来实现需要的光谱响应度。jsVEETC-电子工程专辑

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图1:VEML6040 RGB传感器中RGB通道的相对光谱响应度,基于人眼的响应度和依据CIE1931标准。jsVEETC-电子工程专辑

在控制回路的温度方面,需要考虑两种不同的温度变化机制。一是环境温度变化(范围通常为20°C - 85°C)对白光LED的光谱特征的影响。二是LED工作期间固有的变热现象,这还会影响色温,具体方式取决于亮度(电流)和LED技术。jsVEETC-电子工程专辑

主动控制光参数

目前的控制系统常常使用提前测量的亮度和色温特征曲线族。这些曲线是在最佳热条件下测量得到,一种较佳解决方案是通过EEPROM将它们提供给控制系统使用。虽然这种解决方案在改变亮度或色温时速度非常快,但却非常不灵活,这是因为它们不主动监测光学物理量。通过同时测量LED散热器附近的温度来扩展控制系统的功能可完美消除数字化曲线族的热漂移,但几乎不可能考虑灯的老化过程。jsVEETC-电子工程专辑

图2显示的是对使用暖白和冷白LED灯串的混合照明系统,在微控制器和恒流电源(带有模拟控制输入 [0 - 10 V] 或数字控制输入 [Dali,DMX])基础上使用VEML6040 RGB传感器实现一种主动反馈控制系统。亮度EV和色温CCT是在RGB传感器值基础上使用对照明系统进行一次性确定并必须存储在EEPROM中的映射矩阵计算得出。VEML6040应用指南 [2] 中描述了如何创建这种映射矩阵。曲线族(CCT和EV,是LED电流的函数)的可选存储对于在用户切换亮度和色温时快速设置初始工作点很有帮助。此后,控制回路按照目标值向最终工作点移动。当传感器对一组RGB读值的积分时间设置为默认值80 ms,这样400 ms至600 ms的响应时间(attack time)是可能的。jsVEETC-电子工程专辑

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图2:基于微控制器和RGB传感器的亮度EV和色温CCT主动控制系统。jsVEETC-电子工程专辑

为验证控制电路和RGB传感器性能,使用暖白(CCT = 3050 K)和冷白(CCT = 6700 K)两个LED灯串(12 W,Ra > 90,最大电流350 mA)建立一个照明系统。除RGB传感器外,光学参数均使用专业光度测定法和分光光度计进行测量和检查。jsVEETC-电子工程专辑

在第一步中,测量传感器在100%暖白、100%冷白以及50%暖白/50%冷白照明场景下的RGB值。此外,使用分光光度计测量三刺激XYZ值,并用其定义转移矩阵R,G,B -> X,Y,Z [3]。在该矩阵的帮助下,在控制系统中计算亮度和色温这些实际光学物理量。然后计算暖白和冷白LED灯串的新电流并传送至电源。这是完整的控制回路。jsVEETC-电子工程专辑

在矩阵确定后,即可计算和控制基于暖白和冷白的任意数量混合灯光场景。为了测量控制质量,分析色温和亮度的目标值与实际值之间的误差。为显示所测量的色温,图3再现了对于LED配置的混合区域,从CIE1931标准的x/y色彩空间进行的相关引用。除了三个校准值外,还输入了几个混合场景。这些场景的色温用RGB传感器测定。在每种情况下输入的误差描述了RGB传感器与专业测量基准间的差异。jsVEETC-电子工程专辑

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图3:针对 x/y颜色空间内色温CCT的控制区,依据CIE1931jsVEETC-电子工程专辑

RGB传感器精度和控制算法对整个控制系统的精确度有决定性影响。对于CCT和EV测量,尽管使用计算LED电流的简单算法可在整个参数空间(LED电流:0 - 350 mA)上实现优于0.5 %偏差的可重复精确度,但用RGB传感器可在所用LED串的可达到混合色彩空间上实现测量不准确度CTT < 2.5 %。对于采用VEML6040 RGB传感器的完整控制系统,色温CCT和亮度EV的控制准确度可分别达到优于4%和5 %。这些轻微差异对室内灯光控制系统是可以接受的。jsVEETC-电子工程专辑

测量结果表明,对于室内应用,只用一个RGB传感器即可实现两个最重要光学参数的主动控制系统,以创建具有长期稳定性并能对快速变化做出精确反应的控制条件。jsVEETC-电子工程专辑

总结

基于VEML6040 RGB传感器的主动控制系统能够显著增加使用者方便和基于白光LED的现代室内照明场景的灯光质量。目标是向客户提供一种独立系统,它不需要使用者知道有关控制系统的任何事情或者光学参数。在根据使用者喜欢的亮度设置和照明效果(采用色温形式,如暖光、中性光、冷光等)选择了照明场景后,主动控制系统本身能够考虑并最大限度补偿干扰变量,如光源的老化和温度效应。目前看来,这能提高室内照明的舒适和方便性。jsVEETC-电子工程专辑

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