室內(nèi)白光 LED 照明的精確控制開辟了創(chuàng)造性用途

作者：SAMY AHMED，應(yīng)用工程師經(jīng)理兼 DR。DIRCK SOWADA， Vishay Semiconductor GmbH 傳感器產(chǎn)品營銷、測試和表征高級經(jīng)理

雖然在安裝常規(guī)光源時必須指定并實施亮度和色彩效果，但室內(nèi)使用的白光 LED 的到來為用戶提供了多種多變和創(chuàng)造性的可能性。使用分檔和合適的光度計，可以選擇和精確控制復(fù)雜的光照場景。甚至可以考慮 LED 光源的老化過程。

盡管與傳統(tǒng)光源相比，白光 LED 具有多種選擇和優(yōu)勢，但它們需要額外的努力和費用來確保所需的照明條件在長期內(nèi)保持可變和可預(yù)測以及穩(wěn)定。主動控制系統(tǒng)可以提供幫助。除了長期變化，例如 LED 在其生命周期內(nèi)的亮度損失和白光 LED 中轉(zhuǎn)換器質(zhì)量的老化過程以及由此導(dǎo)致的色溫在黑體曲線附近的漂移之外，還需要控制系統(tǒng)對高速事件作出反應(yīng)和補償。其中包括光學(xué)參數(shù)隨溫度的變化、LED 集群中單個 LED 的故障以及工作點的變化（亮度 E V, 色溫 CCT) 由最終用戶決定。這種控制系統(tǒng)現(xiàn)在只需一個光學(xué)傳感器即可實現(xiàn)。 ?

光傳感器

為了實現(xiàn)白光控制方案，有多種傳感器選項。TEMD5510FX01 或 TEMT6200X01 等簡單的環(huán)境光傳感器可用于通過測量與人眼響應(yīng)度相對應(yīng)的模擬光電流來控制亮度。另一種選擇是 RGB 傳感器，例如基于 CIE1931/DIN5033 標(biāo)準(zhǔn)的 VEML6040。VEML6040 是一個 CMOS 芯片，包含一個放大器、模擬和數(shù)字電路，以及四個帶有用于紅、綠、藍和白光譜分量的帶通濾波器的光電二極管。RGBW 信息可以通過 I 2由微處理器檢索C總線。通過這種方式，可以針對暖白/冷白 LED 混合場景的亮度和色溫實現(xiàn)簡單的控制回路。甚至可以控制純色 RGB 光源或由 RGB 和白色 LED 制成的異構(gòu)組件。由于在獲得專利的 Filtron 技術(shù)中為傳感器實施了彩色濾光片，濾光片特性與 CIE1931 的標(biāo)準(zhǔn)化響應(yīng)曲線非常接近，因此可以實現(xiàn)在溫度范圍內(nèi)穩(wěn)定的精確控制系統(tǒng)（圖 1 ）。Vishay Semiconductors 在 VEML6040 以及 VEML6075 數(shù)字 UVA/B 傳感器和 VCNL4040 接近和環(huán)境光傳感器中使用了這項技術(shù)，以實現(xiàn)必要的光譜響應(yīng)度。

圖 1：VEML6040 RGB 傳感器中 RGB 通道的相對光譜響應(yīng)度，基于 CIE1931 的人眼響應(yīng)度。

當(dāng)談到控制回路中的溫度時，需要考慮兩種不同的溫度機制。一是環(huán)境溫度變化（通常從 20°C 到 85°C）對白光 LED 光譜特性的影響。另一個是 LED 在運行期間的內(nèi)在發(fā)熱，它也會以取決于亮度（電流）和 LED 技術(shù)的方式影響色溫。 ?

光參數(shù)的主動控制

今天的控制系統(tǒng)經(jīng)常使用預(yù)先測量的亮度和色溫特性曲線族。這些曲線是在最佳熱條件下確定的，最喜歡的解決方案是通過 EEPROM 將它們提供給控制系統(tǒng)。雖然這種解決方案在改變亮度或色溫時非?？焖伲捎谌狈χ鲃颖O(jiān)控的光學(xué)量，它們非常不靈活。通過同時測量 LED 散熱器附近的溫度來擴展控制系統(tǒng)，可以理想地消除數(shù)字化曲線族的熱漂移。然而，考慮到燈的老化幾乎是不可能的。 ?

圖 2 展示了 VEML6040 RGB 傳感器在混合照明的主動反饋控制系統(tǒng)中的使用，該系統(tǒng)使用基于微控制器的暖白和冷白 LED 集群和具有模擬控制輸入 (0–10 V) 的恒流電源或數(shù)字控制輸入（Dali、DMX）。亮度 E V 和色溫 CCT 是使用映射矩陣從測得的 RGB 傳感器值計算得出的，該映射矩陣為照明系統(tǒng)確定一次，并且必須存儲在 EEPROM 中。VEML6040 應(yīng)用說明中描述了這種映射矩陣的創(chuàng)建?。曲線族的可選存儲（CCT，E V 作為 LED 電流的函數(shù)）有助于在用戶切換亮度和色溫時快速設(shè)置初始工作點。由此，控制回路根據(jù)目標(biāo)值移動到最終操作點。將傳感器的集成時間設(shè)置為一組 RGB 值的默認(rèn)值 80 毫秒，啟動時間可能小于 400 毫秒至 600 毫秒。 ?

圖 2：使用微控制器和 RGB 傳感器的亮度 EV 和色溫 CCT 的主動控制系統(tǒng)。

為了驗證控制電路和 RGB 傳感器的性能，使用暖白 (CCT = 3050 K) 和冷白 (CCT) 的兩個 LED 集群（12 W，Ra > 90，最大 350 mA）設(shè)置照明系統(tǒng)= 6700 K)。除 RGB 傳感器外，還使用專業(yè)光度計和光譜光度計測量和檢查光學(xué)參數(shù)。

第一步，針對 100% 暖白、100% 冷白和 50% 暖白/50% 冷白的光照場景確定傳感器的 RGB 值。此外，使用光譜光度計測量三刺激 XYZ 值，它們用于定義傳遞矩陣 R、G、B -> X、Y、Z。借助該矩陣，在控制系統(tǒng)中計算了亮度和色溫的實際光學(xué)量。然后計算暖白光和冷白光 LED 集群的新電流并將其傳遞到電源。這關(guān)閉了控制回路。

在確定矩陣之后，可以計算和控制使用暖白和冷白的任意數(shù)量的混合場景。作為控制動作質(zhì)量的衡量標(biāo)準(zhǔn)，分析了色溫和亮度的目標(biāo)值與實際值之間的誤差。為了可視化測量的色溫，圖 3中再現(xiàn)了來自 CIE1931 的用于 LED 配置的混合區(qū)域的 x/y 顏色空間的相關(guān)摘錄。除了三個校準(zhǔn)值之外，還輸入了一些混合場景。這些場景的色溫是使用 RGB 傳感器確定的。在每種情況下輸入的誤差描述了 RGB 傳感器和專業(yè)測量參考之間的差異。

圖3：根據(jù)CIE1931，x/y顏色空間中色溫CCT的控制區(qū)域。

整個控制系統(tǒng)的精度受到RGB傳感器和控制算法的精度的決定性影響。雖然使用簡單的算法計算LED電流可以在整個參數(shù)空間（LED電流：0–350 mA）上實現(xiàn)優(yōu)于0.5%偏差的CCT和EV的可重復(fù)精度，但可以使用RGB傳感器設(shè)置所用白色LED簇的可達到混合顏色空間上的CTT<2.5%的測量誤差。對于帶有VEML6040 RGB傳感器的完整控制系統(tǒng)，CCT的控制精度優(yōu)于4%，亮度EV的控制精確度優(yōu)于5%。這些細(xì)微差異可用于室內(nèi)燈光控制。

測量結(jié)果表明，室內(nèi)使用的兩個最重要的光學(xué)參數(shù)的主動控制系統(tǒng)可以通過一個 RGB 傳感器簡單地實現(xiàn)，以創(chuàng)造長期穩(wěn)定的條件，并對快速變化做出精確反應(yīng)。

概括

基于 VEML6040 RGB 傳感器的主動控制系統(tǒng)可以顯著提高用戶便利性和基于白光 LED 的現(xiàn)代室內(nèi)照明場景的光質(zhì)量。目標(biāo)是為客戶提供一個獨立的系統(tǒng)，不需要最終用戶了解任何有關(guān)控制系統(tǒng)或光學(xué)參數(shù)的信息。在根據(jù)用戶友好的亮度設(shè)置和色溫（暖色、中性、冷色）形式的照明效果選擇照明場景后，主動控制系統(tǒng)本身可以最大程度地考慮和補償, 對于干擾變量，例如光源的老化和溫度的影響。從目前的角度來看，這增加了室內(nèi)舒適和便利的價值。

審核編輯 黃昊宇