基于兩通道PWM的LED調光調色方法

　　1.2.2 局限性的表征

　　為表征兩通道PWM 調光調色的能力，定義可控比，它是可行域與理論域的比值，用公式表示為：

　　式中：δ 為可控比。將式（7）化簡后可得：

　　從上式可以看出，可控比由參與混光的兩光源本身決定，與外在控制方法無關。可控比越大，說明PWM調控裕度越大，實現預期光度、色度值的概率越大。所以，可控比可作為光源組合選擇優劣的評判標準。

　　從圖1 中還可以看出：1） 混合光的色度量能且僅能在對應于x0 處取遍所有理論光度值；2） 若混合光的光度量不大于Yc、Yw 中的較小者，則可取遍所有理論色度值。所以要實現所有的色度值，Yc 和Yw 不應相差太大，且兩者的較小值應與期望光度值中的最大值相當。同樣實驗表明，Rc 和Rw 的差值越小，則可控比就越大，兩種LED 的利用率就越高。所以，在都能實現期望值的情況下，應選擇Rc 和Rw 相差最小的光源組合。

　2 實驗與結果分析

　　根據P.R. Boyce、J.W. Beckstead、N.H. Eklund 等人實驗提供的日光照度和色溫變化曲線，選取26個時間關節點上的光色值，對從黎明到中午的自然光進行模擬。根據光色值的變化范圍，選擇了兩種高顯色性白光LED，LED 的光色電等基本參數如表1 所示。

　　根據兩通道PWM 調光調色的局限性，計算期望光色值在理論域中的坐標值，如圖2 所示。進而根據式（5）計算落在可行域內的各光色值的占空比。單片機把各時間點具備特定占空比的方波動態分配給相應的LED 驅動芯片。兩種LED 均勻分布并用乳白玻璃將燈光混合，用檢測設備實時測量其混合光的光色量。

　　檢測儀器選用SUV3000 紫外可見光譜輻射分析儀，測量過程在標準暗室中進行。測量結果如圖3 所示。

　　實測照度值與期望照度值的平均誤差為15 lx，實測色溫值與期望色溫值平均誤差為23 K.

　　表1 實驗用 LED 的基本參數

　　實驗過程中，實測值與理論值存在一定的誤差，但總體上還是得到了很好的匹配。誤差主要來自以下幾個方面：1） 隨著實驗過程的進行，LED 芯片的結溫不斷升高。結溫的改變會引起其光度量和色度量的變化。2） 驅動LED 芯片的PWM 波形并非理想的方波。即使在同一開關狀態下，電流也并非保持恒定。

　　而驅動電流的變化則會導致LED 光度量和色度量的變化。占空比越小，這種情況引起的誤差就越大。

　　3） LED 個體性差異。即使是同一型號，同一批次的LED，其光度量和色度量也會不同，特別是兩者的動態特性。而在實驗中認為同一種LED 具有相同的光色電參數和動態特性。4） 檢測儀器的系統誤差以及操作過程中的隨機誤差。

　　圖2 實驗光色值在理論域中的分布。

　　圖 3 模擬從黎明到中午自然光的照度和色溫變化。

　　3 結 論

　　本研究提出了一種新型的基于PWM 的調光調色方法，建立了關于期望光色量和兩通道占空比的一一映射模型，可以準確的實現預期光度和色度要求的光譜，為LED 的動態照明技術提供了理論依據和實現方法。另外，該調光調色方法在LED 背光領域亦具有潛在的應用前景。