CN107809814A - 一种合成高显色指数白光的四通道led调光系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种合成高显色指数白光的四通道LED调光系统，其采用模块化设计，包括控制模块、蓝牙模块、LED驱动模块I、LED驱动模块II、LED驱动模块III、LED驱动模块IV、直流降压模块、交直流转换器、220V交流电、LED(R)、LED(G)、LED(B)、LED(W)、晶振模块，所述控制模块通过蓝牙模块接收来自手机客户端的调光信号，依据相关调光关系式，分别对各LED驱动模块输出不同占空比的方波信号，通过分别控制红、绿、蓝、暖白四色LED光源的发光强度，实现混合白色光源的光通量及色温调节，且合成的光源具有较高的显色指数。

Description

一种合成高显色指数白光的四通道LED调光系统

技术领域

本发明涉及一种LED调光系统，尤其涉及一种合成高显色指数白光的四通道LED调光系统。

背景技术

LED光源以发光效率高、寿命长、光色可调、节能环保等优点，在室内外照明、景观照明、舞台照明、背光、显示等方面有着广泛应用，被视为可替代传统照明光源的第四代照明光源。目前，市面上大功率白光LED采用的是蓝光芯片激发单一黄色荧光粉，其存在色温单一、显色性差等缺点，难以满足人们对高品质优质光源的需求。2002年，David Berson等人在哺乳动物的视网膜上，发现了具有非视觉生物效应的第三种感光细胞，其对照明环境的生理反应，不仅体现在对人体内分泌调节、体温调节、昼夜节律，而且还会影响人的工作、学习效率等。因此，在满足不同照明需求、提高视觉舒适度等方面，光色度动态可调的超高显色指数白色LED光源具有重要的应用价值。

目前，人工获得高显色指数白光LED光源，通过多种颜色光源不同发光强度混合成目标光源，现有主要方法包括：红/绿/蓝/黄LED、红/绿/蓝/暖白LED、红/青/蓝/暖白LED等。而对于上述调光法，虽均能达到高显色的目的，但因缺少有效调光关系式，且需要借助各种模型以及辅助计算机软件，过程复杂且硬件实现难度大而不易在实践中应用。因此，研究易于硬件实现、操作简单、设计成本低的高显色指数的白色LED光源的方法，仍是LED照明技术领域的热门话题。

发明内容

本发明是在提出的“3+2”调光方法基础上设计的，具体为在绿、暖白两光源之间取特定第三种光源色坐标，与红、蓝光源共同合成目标白色光源，利用三通道调光关系式获得输入红、蓝光源驱动PWM占空比和第三种光源的光通量。再由两通道调光关系式，可得输入绿、暖白驱动PWM占空比。而之前第三种光源的色坐标，则可通过实验方法获取。该方法极易于硬件电路实现，在上述理论指导下，完成对调光硬件设备的开发，通过带有蓝牙功能的智能手机分别控制红、绿、蓝、暖白四种LED光源发光强度，使其对黑体线轨迹进行动态跟踪模拟，实现高显色白色光源色温及光通量的调节。

附图说明

图1系统总体结构图。

具体实施方式

下面结合附图给出具体实施例，进一步说明本发明是如何实现的。

如图1所示本发明公开了一种合成高显色指数白光的四通道LED调光系统，其采用模块化设计，其各部分功能如下：控制模块采用STM32F103RCT6作为控制中心，当收到调光信息后，会根据收到的不同信息内容，通过调光相关公式的计算，调整输出四路PWM信号的占空比，分别控制各LED光源发光强度，实现白色光源的合成。

蓝牙模块为ATK-HC05，主要用来接收来自手机客户端的指令，并将收到的数据通过串口传递给控制器；LED驱动模块使用PT4115芯片的扩展电路，利用芯片具有的PWM调光模式，通过改变输入PWM信号的占空比，实现光源光通量同步变化的功能；电源模块为控制模块及蓝牙模块提供3.3V电压，为LED提供18.5V恒压源。

调光方法解析：

1调光关系式的推导

根据格拉斯曼颜色混和定律，则有公式

Y＝D₁Y₁+D₂Y₂+…+D_nY_n (1)

式中：Y₁、Y₂、…、Y_n分别为各光源输出最大光通量，D₁、D₂、…、D_n分别为其输入PWM信号占空比，Y为混合光的光通量。

根据混色原理及CIE1931色坐标计算方法，占空比分别为D₁、D₂、…、D_n时n种光源混光后的色坐标应满足：

式中：(x，y)为n种光源合成目标光源的色品坐标，(x₁，y₁)、(x₂，y₂)、……、(x_n，y_n)为n种光源的色品坐标，其中：R₁＝Y₁/y₁R₂＝Y₂/y₂、……、R_n＝Y_n/y_n。结合(1)式和(2)式，当n＝2时，可推导出在蓝、暖白光源直线上，合成第三种光源色坐标为(x_GW，y_GW)、光通量为Y_GW时，输入PWM占空比与色品坐标以及光通量的关系式：

式中：(x_G，y_G)、(x_H，y_H)分别为绿、暖白LED光源的色品坐标，Y_H、Y_H则分别为其最大光通量。

当n＝3时，可推导出上述第三种光源与蓝、暖白合成白光坐标为(x，y)、光通量为Y时，输入PWM占空比与色品坐标以及光通量的关系：

式中：(x_R，y_R)、(x_B，y_B)分别为红、蓝LED光源的色坐标，T_G·W、Y_R、Y_B则分别为三种光源最大光通量，则D_R、D_G、D_B、D_W为合成目标白光时，四种输入光源驱动的PWM占空比。

2目标光源色坐标的确立

由公式(4)可知，实现白色光源的调光调色，需要获取已知色温下的色品坐标。由于黑体公式表述太复杂，若通过已知色温计算色坐标比较困难，因此，使用黑体模拟轨迹的Chebyshev法确定色坐标与色温之间的关系式：

在式中：(u，v)为在CIE1960 UCS图中的色品坐标，再将其转换成CIE1931色坐标形式：

3约束条件

在理论上，当四种光源输出最大光通量为Y_R、Y_G、Y_B、Y_W时，混合光的光通量Y的取值范围应为[0，Y_R+Y_G+Y_B+Y_W]。然而在实际的调节中，在合成目标光源的情况下，各输入光源驱动模块的PWM信号占空比的值必须同时满足0≤D_R≤1、0≤D_G≤1、0≤D_B≤1、0≤D_W≤1，于是可得出混合光色坐标为(x，y)时，输出光通量阈值范围为：

且输出光通量的最大值为(7)式中最小值。

4调光实现

由于公式(1)、(2)中总共仅三个式子，对于四通道调光法，因变量数超过公式项数，方程存在无定型解，因此，不能通过直接通过推导公式，求合成目标光源时输入各光源驱动PWM占空比。若在已知公式的基础上，再确立一项关系式，则方程可存在定解。解决的方法是在绿、暖白LED光源的直线上，取第三种光源的色坐标(x_GW，y_GW)，与红、蓝LED光源组成三通道调光关系式，可以利用公式(4)得到合成目标光源所需D_R、D_B，以及第三种光源的光通量Y_GH，因第三种光源色品坐标及光通量均已知，再由公式(3)获得D_G、D_H。

而上述中特定第三种光源的色坐标(x_GW，y_GW)，则可以通过实验寻优的方法确定，即合成白光在较高显色指数时，色温与色坐标值x_GH的关系。又因两种光混合成第三种光的色品坐标理论上会在其连线上，具体位置取决于两种光源的混合比例，则y_GW坐标为：

综上所述，以上具体实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，凡基于上述基本思想，不脱离本创作精神和范围内的，都应属于本发明所公开的范围。

Claims (3)

1.一种合成高显色指数白光的四通道LED调光系统，其特征在于：系统采用模块化设计，包括控制模块、蓝牙模块、LED驱动模块I、LED驱动模块II、LED驱动模块III、LED驱动模块IV、直流降压模块、交直流转换器、220V交流电、LED(R)、LED(G)、LED(B)、LED(W)、晶振模块，所述控制模块通过蓝牙模块接收来自手机客户端的调光信号，依据相关调光关系式，分别对各LED驱动模块输出不同占空比的方波信号，通过分别控制红、绿、蓝、暖白四色LED光源的发光强度，实现白光的合成。

2.根据权利要求1所述的一种合成高显色指数白光的四通道LED调光系统，其特征在于：该系统实现合成白色光源光通量及色温的调节。

3.根据权利要求1所述的一种合成高显色指数白光的四通道LED调光系统，其特征在于：该系统合成的光源具有较高的显色指数。