LED光源的光譜調(diào)諧詳解

假如讓消費(fèi)者來(lái)描述完美的光源特性，那么你可能會(huì)在他們的描述中聽(tīng)到需要能量最低、光輸出和顏色可調(diào)、使用時(shí)間很長(zhǎng)等等各種各樣的理想特性。最低輸入能量是指輸入功率高效地轉(zhuǎn)換為流明輸出，被稱為功效；調(diào)節(jié)光輸出與減弱光亮度的調(diào)光有關(guān)，或者可以增加照明設(shè)備的顏色調(diào)節(jié)，以便模擬白天相對(duì)夜晚的狀況；并且通過(guò)調(diào)節(jié)流過(guò)LED的偏置電流，可以在較長(zhǎng)的使用壽命期間維持光輸出。

白熾燈能效低且使用壽命也較短；鈉燈提供的顏色選擇很少并且使用壽命短；熒光燈在可調(diào)光的選擇選擇較少，使用壽命也短。高亮度LED則聲稱具有良好的能效、較長(zhǎng)的使用壽命、易于選擇顏色與調(diào)光控制且無(wú)紫外（UV）射線。得益于于控制裝置的智能設(shè)計(jì)或LED驅(qū)動(dòng)電子器件，這些聲稱的優(yōu)點(diǎn)現(xiàn)在已獲實(shí)現(xiàn)。智能LED驅(qū)動(dòng)器可以在使用期內(nèi)針對(duì)亮度衰減進(jìn)行調(diào)節(jié)，提供驅(qū)動(dòng)特性來(lái)調(diào)節(jié)顏色，并替代獲得所需顏色和亮度的LED分選（binning）：通過(guò)針對(duì)系統(tǒng)中不同LED使用光譜調(diào)諧，來(lái)獲得所需的顏色和亮度。

光譜調(diào)諧對(duì)比分選

光譜調(diào)諧混合數(shù)種LED的光譜能量分布，例如適當(dāng)?shù)鼗旌霞t光、綠光、和藍(lán)光LED可產(chǎn)生白光。此RGB組合還用于產(chǎn)生幾乎所有顏色的光。如果LED驅(qū)動(dòng)器不是設(shè)計(jì)用于調(diào)節(jié)一組不同的LED，那么設(shè)計(jì)人員必須從分選過(guò)的LED中選擇以便產(chǎn)生特定的顏色。分選是制造商根據(jù)發(fā)光流明和顏色將LED分類的過(guò)程，圖1的例子顯示了一組行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的LED “分類標(biāo)準(zhǔn)”。

圖1：在色度圖上的LED分類標(biāo)準(zhǔn)。

分類由色度圖上標(biāo)繪的矩形區(qū)域顯示。一組包含在同一類的LED的將在顏色和亮度特性方面相近。然而，在包含許多照明設(shè)備的大型辦公室或工廠環(huán)境中，不同類可能仍然會(huì)導(dǎo)致不均勻的光色，這在一組大型照明設(shè)備中是很明顯的。經(jīng)分選的LED設(shè)計(jì)不會(huì)提供改變照明設(shè)備顏色的方法；而一組不同顏色的LED使用反饋來(lái)調(diào)諧系統(tǒng)中不同LED的光譜特性，就能夠在辦公室環(huán)境中建立補(bǔ)償照明系統(tǒng)，從而令整個(gè)空間的光線均勻。光譜調(diào)諧還可以補(bǔ)償其它影響，例如窗口朝外的房間邊上的自然光或反射進(jìn)房間的走廊照明。

LED的另一個(gè)影響是色偏，源自LED正向電流的變化。圖2顯示了一組業(yè)內(nèi)LED顏色隨正向電流變化的曲線。

圖2：按應(yīng)用分類的LED燈單元。

LED驅(qū)動(dòng)器可以采用嚴(yán)格的恒定電流（constant current， CC）輸出容差設(shè)計(jì)，然而，收緊CC容差將增加LED驅(qū)動(dòng)器的成本。由于正向電流經(jīng)過(guò)一組LED，故一個(gè)成本較低的解決方案是設(shè)計(jì)人員使用反饋系統(tǒng)來(lái)調(diào)節(jié)LED色偏，通過(guò)反饋來(lái)補(bǔ)償顏色變化。

分選LED通常在制造方面帶來(lái)影響，導(dǎo)致LED采購(gòu)成本增加。正因?yàn)長(zhǎng)ED分選設(shè)置是特定的，一些LED驅(qū)動(dòng)器可能仍然不能匹配眾多分類的LED應(yīng)用的正向偏置電流設(shè)置。此外，溫度效應(yīng)和壽命退化影響都會(huì)引起照明設(shè)備顏色的變化。反饋在光譜調(diào)諧中的應(yīng)用

下文將提出一種自動(dòng)調(diào)節(jié)顏色和亮度的照明設(shè)備，來(lái)說(shuō)明可以抵消系統(tǒng)變化影響的反饋控制方案。色彩傳感器和微控制器用于處理傳感器輸入。例如，色彩傳感器使用光電二極管，采用non-organic三路濾色器，在溫度和老化變化方面提供出色的穩(wěn)定性和極低漂移，且濾色器可設(shè)計(jì)用于實(shí)施人眼的光譜敏感曲線（CIE1931）。

閉合環(huán)路光譜調(diào)諧光源的原理圖如圖3所示。

圖3：光譜調(diào)諧光源。

控制回路如圖所示采用了微控制器。控制回路通過(guò)傳感器來(lái)測(cè)量亮度和顏色，并使用PWM信號(hào)來(lái)調(diào)節(jié)LED燈串中的電流。采用PWM輸入信號(hào)，F(xiàn)AN7346能夠控制單個(gè)LED串中的電流。電源可以是功率因數(shù)校正（power factor correction）前級(jí)，后接LLC DC/DC次級(jí)，以便為多個(gè)LED燈串供電，如圖4。電源也可以是一個(gè)現(xiàn)有的設(shè)計(jì)，采用FAN7346來(lái)控制對(duì)電源的反饋。替代設(shè)計(jì)可以使用三個(gè)功率轉(zhuǎn)換器（30W/10W/10W）組成，各自控制每組LED串，使用白光、綠光和琥珀光生成一個(gè)以白光為基礎(chǔ)的調(diào)諧系統(tǒng)、或使用帶有相同電源的三種燈串來(lái)“混合”紅光、綠光和藍(lán)光三種LED燈串，實(shí)現(xiàn)更寬泛的顏色調(diào)諧范圍。LED顏色無(wú)需進(jìn)行分選；可選擇具有照明應(yīng)用所需性能的低成本LED。

圖4：光譜調(diào)諧光源用電源。