两通道PWM的LED调光调色方法

期望色度、光度值下的占空比是确定的，且是唯一的。此时，计算占空比与计算混合光的光色量是可逆过程。
　　1.2 两通道PWM 调光调色的局限性
　　理论上，混合光色坐标xm 的取值范围为[xc,xw]（设  xc < x w），混合光的光度量 Ym 的取值范围为[0, Yc + Y w ].混合光色度量和光度量所有可能取值所围成的区域称作理论域。事实上，两通道PWM 的调光调色方法并不能实现理论域中的所有取值，而仅可实现部分特定的区域。可实现的区域称作可行域，可行域的边界主要由电力约束条件决定。
　　1.2.1 电力约束条件
　　从实际意义出发，两通道的占空比还应满足0  ≤ Dc ≤1 ,0 ≤ Dw  ≤1  ,将式（5）解得的Dc、Dw代入该不等式，经化简后得到两通道PWM 混光下的电力约束条件如下：

　　上述电力约束条件可由图1 表示，图中x0=（Rc  xc + Rwxw ） /（R c +Rw） ，是两种LED占空比之比为1:1 时混合光的色坐标x.图中所示的整个矩形区域就是两通道PWM 混光下的理论域，阴影部分即为可行域。若参与混光的两种LED 已选定，当利用式（5）计算实现期望光色量的占空比时，应首先判断期望值是否在可行域内。若在可行域中，则可利用两通道PWM 混光方法得到。
　　否则，应考虑更换参与混光的光源。

图1 两通道 PWM 调光调色的理论域和可行域

　　1.2.2 局限性的表征
　　为表征两通道PWM 调光调色的能力，定义可控比，它是可行域与理论域的比值，用公式表示为：

　　式中：δ 为可控比。将式（7）化简后可得：

　　从上式可以看出，可控比由参与混光的两光源本身决定，与外在控制方法无关。可控比越大，说明PWM调控裕度越大，实现预期光度、色度值的概率越大。所以，可控比可作为光源组合选择优劣的评判标准。
　　从图1 中还可以看出：1） 混合光的色度量能且仅能在对应于x0 处取遍所有理论光度值；2） 若混合光的光度量不大于Yc、Yw 中的较小者，则可取遍所有理论色度值。所以要实现所有的色度值，Yc 和Yw 不应相差太大，且两者的较小值应与期望光度值中的最大值相当。同样实验表明，Rc 和Rw 的差值越小，则可控比就越大，两种LED 的利用率就越高。所以，在都能实现期望值的情况下，应选择Rc 和Rw 相差最小的光源组合。

　　2 实验与结果分析
　　根据P.R. Boyce、J.W. Beckstead、N.H. Eklund 等人实验提供的日光照度和色温变化曲线，选取26个时间关节点上的光色值，对从黎明到中午的自然光进行模拟。根据光色值的变化范围，选择了两种高显色性白光LED,LED 的光色电等基本参数如表1 所示。
　　根据两通道PWM 调光调色的局限性，计算期望光色值在理论域中的坐标值，如图2 所示。进而根据式（5）计算落在可行域内的各光色值的占空比。单片机把各时间点具备特定占空比的方波动态分配给相应的LED 驱动芯片。两种LED 均匀分布并用乳白玻璃将灯光混合，用检测设备实时测量其混合光的光色量。
　　检测仪器选用SUV3000 紫外可见光谱辐射分析仪，测量过程在标准暗室中进行。测量结果如图3 所示。
　　实测照度值与期望照度值的平均误差为15 lx,实测色温值与期望色温值平均误差为23 K.

表1 实验用 LED 的基本参数

　　实验过程中，实测值与理论值存在一定的误差，但总体上还是得到了很好的匹配。误差主要来自以下几个方面：1） 随着实验过程的进行，LED 芯片的结温不断升高。结温的改变会引起其光度量和色度量的变化。2） 驱动LED 芯片的PWM 波形并非理想的方波。即使在同一开关状态下，电流也并非保持恒定。
　　而驱动电流的变化则会导致LED 光度量和色度量的变化。占空比越小，这种情况引起的误差就越大。
　　3） LED 个体性差异。即使是同一型号，同一批次的LED,其光度量和色度量也会不同，特别是两者的动态特性。而在实验中认为同一种LED 具有相同的光色电参数和动态特性。4） 检测仪器的系统误差以及操作过程中的随机误差。

图2 实验光色值在理论域中的分布。

图 3 模拟从黎明到中午自然光的照度和色温变化。

　　3 结 论
　　本研究提出了一种新型的基于PWM 的调光调色方法，建立了关于期望光色量和两通道占空比的一一映射模型，可以准确的实现预期光度和色度要求的光谱，为LED 的动态照明技术提供了理论依据和实现方法。另外，该调光调色方法在LED 背光领域亦具有潜在的应用前景。

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