控制可調(diào)白光照明的三種方法

照明產(chǎn)業(yè)已經(jīng)重新認(rèn)識調(diào)色的價值，可以支援附加價值應(yīng)用，例如以人為本的照明。本文描述三種模型，并闡明為何其中的一種模型 - 傳感器啟用閉路控制—能在效能和成本方面更為優(yōu)越。本文并說明將閉路控制元件添加至照明裝置時需要考慮的光學(xué)設(shè)計注意事項。

隨著LED每千流明（kilolumen）歐元價格的迅速下降，基于LED照明的經(jīng)濟效益，商業(yè)和高級住宅的新照明裝置已轉(zhuǎn)而采用白光調(diào)色燈具。

例如，典型辦公室嵌入式天花板燈具（Troffer）的售價在150歐元至300歐元之間，在整個燈具的材料清單（BoM）中，LED燈條的成本不到4歐元。 主要組件的成本與用戶為燈具付出的價格之間存在著極大差距，這就給了制造商增加更多功能和價值的空間，用來抵抗低成本、低質(zhì)量的競爭產(chǎn)品所施加的價格壓力。

創(chuàng)造有別于標(biāo)準(zhǔn)照明燈具的差異化，調(diào)色是一種特別有吸引力的方式。調(diào)色這個術(shù)語一般是指調(diào)諧燈具照明輸出的白色相關(guān)色溫（CCT）的能力。 通常的分界就是色溫高達(dá)6500K時是極度冷白，CCT為2200K時是極度暖白。典型的可調(diào)白光燈具不會采用太過極端的調(diào)色，范圍一般是白熾燈的2700K到5000K，有利于辦公室照明。 商用嵌入式天花板燈具的例子中，一般需要CCT值?2700K和?5000K的雙LED燈條，以及復(fù)雜的控制電路。

即使這會將燈具LED和電子零件的制造成本提高到25歐元，它仍然只是售價的一小部分。調(diào)色功能使燈具制造商能夠打著「以人為本照明（HCL）」的旗幟銷售燈具。 HCL旨在讓照明能夠覆蓋CCT范圍，有助于符合人體的自然晝夜節(jié)律。

例如，可調(diào)白光系統(tǒng)可設(shè)定為在白天中午產(chǎn)生較冷的光線（藍(lán)白光），在接近黃昏時逐漸升高色溫以產(chǎn)生溫暖（黃白色）光，晚上則可能減輕一些藍(lán)光影響。 研究表明，這種人造光色調(diào)的調(diào)整，有助于人體產(chǎn)生激素反應(yīng)，在白天促進(jìn)生產(chǎn)力和警覺性，在夜間則有助于放松和睡眠。

換句話說，與日光燈或其他沒有調(diào)整功能的燈具相比，HCL能提供更多的用戶舒適度及生產(chǎn)力，對健康更有益處。 這些有吸引力的好處有助于維持現(xiàn)今許多商業(yè)和居家照明產(chǎn)品的高價。

因此，現(xiàn)今照明產(chǎn)業(yè)的問題已從是否采用調(diào)色到如何實現(xiàn)它。現(xiàn)今常用的三種調(diào)色控制模型之間存在明顯差異。本文描述這三種模型，并闡明為何其中的一種模型—傳感器啟用閉路控制—能在效能和成本方面更為優(yōu)越。本文并說明將閉路控制元件添加至照明裝置時需要考慮的光學(xué)設(shè)計注意事項。

控制可調(diào)白光照明的三種方法

最基本及最不準(zhǔn)確的可調(diào)白光照明控制方法，是使用一個小型微控制器來管理燈具的暖光和冷光LED燈串，該微控制器提供了一個簡單的查找表，計算通過暖光和冷光LED燈串的驅(qū)動電流比，以接近CCT目標(biāo)值。透過仔細(xì)選擇和LED特性，以及高精度電源系統(tǒng)（LED驅(qū)動器），在新產(chǎn)品及實驗室條件下，這種方法可以提供適當(dāng)?shù)慕Y(jié)果，但是一旦這些設(shè)定進(jìn)入現(xiàn)實世界，LED行為會隨著時間和不同操作條件而產(chǎn)生變異，這就暴露了查找表的限制。

例如，當(dāng)調(diào)暗，或者當(dāng)環(huán)境溫度與制造商指定的標(biāo)稱值不同時，LED的色點會發(fā)生偏移，其光通量會隨著標(biāo)稱值的變化而變化。這種變異性會嚴(yán)重影響系統(tǒng)調(diào)色控制的準(zhǔn)確性。人眼對于光線的變化是很敏感，小至千分之幾，所以變化通常會被立即察覺。隨著時間的推移，這些差異變得更加明顯，因為老化會加大LED初始特性與實際性能之間的差距。

調(diào)色系統(tǒng)嘗試的第二種方法，是第一種方法的精確版：一種利用查找表的補償系統(tǒng)。這種方法模擬了因為工作溫度變化和老化所造成的LED行為變化預(yù)測，并將這些預(yù)測整合至更復(fù)雜的查找表中。若能與電流反饋電路相結(jié)合，則能更佳地管理LED驅(qū)動器的電流變化，這種方法可以產(chǎn)生較第一種方法更準(zhǔn)確的色彩控制，且效能更可以持續(xù)。實施這種方法，要在裝配線上進(jìn)行逐光（light-by-light）校準(zhǔn)，以消除元件從一個生產(chǎn)單元到另一個生產(chǎn)單元的微小變化所產(chǎn)生的影響。

雖然這種方法的效能優(yōu)越，但它有幾個嚴(yán)重缺點：

● 增加了溫度和電流補償?shù)脑杀?/p>

● 高精度、多通道LED驅(qū)動器

● 高度依賴LED初始特性和老化預(yù)測。在超過10年的燈具壽命期間，幾乎任何預(yù)測模型都會顯示與現(xiàn)實性能不盡相同，且由于LED市場是動態(tài)的，該模型可能是衍生自早期元件，而整合至燈具中的元件可能是新的，如此就會導(dǎo)致與實際性能的差異更為明顯。

● 燈具制造商受制于初始元件選擇，因為若有任何更改，就需要對修改后的系統(tǒng)設(shè)計進(jìn)行全面重新定性，以實現(xiàn)可重復(fù)的結(jié)果。

閉路控制方法

第三種方法是使用燈具內(nèi)的校準(zhǔn)顏色傳感器連續(xù)測量混合光，以調(diào)諧閉路反饋控制系統(tǒng)。利用這種方法，微處理器和算法將對提供給每個LED燈串的驅(qū)動電流進(jìn)行連續(xù)及主動的調(diào)整，以使混合光輸出保持在其目標(biāo)CCT值。 控制回路會繼續(xù)感測光輸出并持續(xù)調(diào)整功率輸入以維持目標(biāo)色溫：由溫度波動、老化或調(diào)光操作引起的色移會被持續(xù)補償。

這個反饋系統(tǒng)不需要了解它控制的LED—甚至不需要知道它們的標(biāo)稱色溫。它不需要LED隨時間和溫度變化的行為預(yù)測模型。 它不需要從嚴(yán)格指定的類別中小心選擇LED批次。采用預(yù)先校準(zhǔn)的感測元件，燈具無需在生產(chǎn)線上進(jìn)行校準(zhǔn)。

取而代之的，燈具制造商可以在色溫標(biāo)度范圍內(nèi)廣泛選擇各種顏色，且這些種類的混合可以隨時間改變，卻不影響調(diào)色控制系統(tǒng)的CCT效能。用來驅(qū)動控制回路的色彩感測元件可以在整個產(chǎn)品周期保持其校準(zhǔn)，因此不需要生產(chǎn)單元的進(jìn)一步校準(zhǔn)。

當(dāng)燈具是新的，閉路系統(tǒng)的效能優(yōu)于前兩種方法，因為無論操作條件如何，控制回路都會真正測量實際的光輸出，而非依賴于假定條件下的光輸出理論模型。它不是一種預(yù)測，而是一種自適應(yīng)方法。

這種優(yōu)勢將隨著時間而更為強大，因為閉路方法的效能在正常的LED燈具使用壽命后也依然如新，仍一樣作用，而前兩種方法的效能必然會隨著時間而降低。

采用這種方法，對于LED和電源系統(tǒng)的規(guī)格要求較為寬松，因此這種優(yōu)越效能也能以較低成本提供。 透過擴大LED種類，燈具制造商可以在可調(diào)CCT范圍內(nèi)自由選擇低成本或更容易獲得的LED，如此可降低整體供應(yīng)鏈風(fēng)險。此外，庫存管理可以大大簡化，成本降低。 再者，由于不需生產(chǎn)線校準(zhǔn)，所以可減少最終產(chǎn)品的裝配時間和成本。

最后，燈具制造商可以不斷更新電路板設(shè)計，用新推出、更好的產(chǎn)品替換舊的LED，無需經(jīng)過漫長而昂貴的工序來定性新LED及發(fā)展新的查找表。

閉路感測的整合方法

實現(xiàn)一個用于可調(diào)白光照明的閉路控制系統(tǒng)，僅需一些組立元件，包括高質(zhì)量的色彩傳感器、微控制器和內(nèi)部開發(fā)的算法，用于調(diào)節(jié)LED的驅(qū)動電流以對應(yīng)傳感器測量。

然而，該軟件的開發(fā)是一項復(fù)雜而艱巨的任務(wù)。它需要各種學(xué)科的專業(yè)知識，包括調(diào)光/調(diào)諧方法（用于平順調(diào)諧效果）、嵌入式編程、光學(xué)設(shè)計、光學(xué)系統(tǒng)定性和閉路方法，以防止振蕩或同步缺陷。與電子系統(tǒng)設(shè)計中的情況一樣，用于調(diào)色的閉路控制的整合型系統(tǒng)單晶片（SoC）解決方案節(jié)省了空間和成本，并且讓系統(tǒng)設(shè)計者可以更快、更容易地進(jìn)行開發(fā)。

光學(xué)設(shè)計考量

在閉路控制系統(tǒng)中，傳感器必須能夠觀察從雙LED串發(fā)出的混合光輸出。

鑒于光導(dǎo)（light guide）被安裝在燈具反射器或外殼邊緣，為了可以看到全部的混合光，可以將傳感器安裝在LED板上。

結(jié) 論

在LED燈具中增加閉路感測，可以直接降低BoM和制造成本，既可用于直接可調(diào)照明系統(tǒng)，也可用于那些使用傳感器回路在燈具壽命期間保持單一CCT或流明輸出目標(biāo)的系統(tǒng)。針對這些可調(diào)諧系統(tǒng)，閉路系統(tǒng)可以使用精確度較低的元件，同時可以實現(xiàn)更精確的調(diào)色。

透過調(diào)色創(chuàng)造附加價值應(yīng)用，照明制造商將能期望獲得更多的競爭優(yōu)勢及更佳價格。這些應(yīng)用包括晝夜節(jié)律優(yōu)化和其他HCL應(yīng)用，可以提高員工生產(chǎn)力和使用者滿意度。