Проектирование светодиодных систем белого и цветного освещения


PDF версия

Системы на основе светодиодов высокой яркости обеспечивают интеллектуальное управление освещением, гибкость и экологичность. В статье рассмотрены вопросы, связанные с построением светодиодных систем белого и цветного освещения, выбором топологии преобразования напряжения, отбором светодиодов по цвету, температурными эффектами, обеспечением точности передачи цвета и влиянием других характеристик светодиодов на параметры освещения. Статья представляет собой перевод [1].

Введение

Светоизлучающие диоды (СИД) высокой яркости позволяют разработчикам контролировать цветовую температуру и в то же время поддерживать высокое значение коэффициента цветопередачи (Color Rendering Index — CRI — коэффициент цветопередачи CRI утвержден международной комиссией по освещению CIE.)  для приложений с белым светом. Эти же системы способны обеспечивать высокоточное цветное освещение широкого спектра.
Несмотря на то, что визуально эти два типа освещения различны, большинство интеллектуальных светодиодных систем как белого, так и цветного освещения построено на основе контроллера смешанного сигнала, драйверов постоянного тока и СИД высокой яркости. В обоих случаях используется многоканальная система управления СИД и, следовательно, при проектировании таких систем разработчикам придется иметь дело с такими проблемами как тщательный отбор светодиодов по цвету (биннинг), температурные эффекты, процессы старения и поддержка общей точности передачи цвета.
Использование контроллера смешанного сигнала — эффективный метод решения этих задач. В данной статье обсуждаются особенности проектирования приложений для белого и цветного освещения, проблемы разработки систем на основе СИД, а также некоторые доступные на сегодня мощные программные средства, которые помогают проектировщикам в решении этих задач.

Интеллектуальные системы освещения

Одной из важных особенностей таких систем является точная настройка параметров света. Раньше регулировка света была связана с затемнением или управлением площади рассеивания посредством оптической системы. В системах на основе СИД регулировка света связана с управлением различных характеристик света.
При проектировании интеллектуальных систем освещения следует в первую очередь определить, какой тип света необходимо получить: белый, цветной или оба типа света. Для белого света разработчики должны предусмотреть возможность настройки цветовой температуры и коэффициент цветопередачи CRI. Для цветного света, в зависимости от числа каналов СИД в системе, можно создать спектральную комбинацию цветов на базе набора заданных каналов СИД. На основе смешения цветов с помощью одного и того же устройства возможно создать как белый, так и цветной свет.

 

Рис. 1. Структурная схема интеллектуальной системы освещения

Такая гибкость сопровождается определенными сложностями и компромиссами в каждой системе освещения. Каждая интеллектуальная система освещения строится на базе структурной схемы, показанной на рисунке 1. В нее входят СИД высокой яркости, преобразователь системы питания и контроллер смешанного сигнала. Вначале следует выбрать светодиоды. Большинство поставщиков, включая компании Lumileds, Cree, Nichia и Osram, предлагает светодиоды с широким рядом параметров: номинальное значение тока и мощности, площадь рассеивания, цвет свечения, КПД, размеры посадочного места, тепловые характеристики, бин-код и т.д.
Перечень параметров одинаков для белых и цветных светодиодов, однако для белых СИД необходимо также учитывать цветовую температуру и CRI. Оба эти параметра в большой степени зависят от люминофора покрытия СИД голубого цвета свечения.
Технические и маркетинговые требования к проекту обычно помогают сузить выбор СИД. Часто разработчики вынуждены в первую очередь рассматривать тепловые характеристики СИД, особенно в компактных устройствах или в приложениях, где нельзя использовать крупные радиаторы для отвода тепла. Рассеиваемое тепло весьма важный фактор в приложениях, где используются СИД в компактных корпусах или в корпусах, содержащих несколько светодиодов. С помощью оптики можно скомпенсировать недостаточную площадь рассеивания, а контроллеры смешанного сигнала могут частично снять ограничения по рабочей температуре и цветовому оттенку (бин-коду).
Контроллер смешанного сигнала — важнейшая часть системы управления освещением. Управляемость и гибкость систем на основе СИД высокой яркости во многом обеспечиваются именно контроллером, способным компенсировать проблемы, которые возникают при регулировке света СИД. Для большинства приложений достаточной вычислительной мощностью обладают 8-разрядные микроконтроллеры, содержащие ОЗУ или флэш-память.
Для цифровой периферии весьма важным является число специализированных каналов регулировки яркости свечения и их разрешение, а также способность реализации различных коммуникационных интерфейсов. Каналы регулировки яркости используются для управления понижающими преобразователями. Они могут быть также реализованы на основе программных счетчиков. Однако программные каналы регулировки яркости используют ресурсы процессора, которые могут обеспечивать выполнение других полезных функций.
В интеллектуальных системах освещения обычно используется 8-разрядное разрешение для достижения хорошей точности передачи цвета, но в высококачественных системах может использоваться и 16-разрядное разрешение. Для большинства приложений 8-разрядное разрешение обеспечивает необходимую точность, и разработчики обычно используют более высокое разрешение для достижения лучшей линейности регулировки яркости при малых выходных уровнях. Некоторые специалисты обходят эту проблему с помощью применения схем интерполяции для сглаживания изменений выходного сигнала при низких уровнях.
Контроллер обычно имеет популярные интерфейсы SPI, UART и I2C, но также является важным, чтобы контроллер смешанного сигнала поддерживал и специализированные интерфейсы для систем освещения, подобные DALI, протокол DMX512, РЧ-связь, а также связь по линиям электропередач (Powerline Communication).
Что касается аналоговой периферии, разработчикам следует обратить внимание на наличие в контроллере АЦП, усилителя с программируемым коэффициентом усиления и компараторов. На основе АЦП можно обеспечить температурную обратную связь, считывая показания внешнего датчика температуры, либо организовать взаимодействие системы освещения с какими-либо внешними аналоговыми сигналами. Компараторы и усилители с программируемым коэффициентом усиления позволяют реализовать простую топологию системы питания.
Большинство поставщиков микроконтроллеров предлагает некоторые или все перечисленные виды периферии, однако необходимо учитывать, что при изменении системных требований набор нужной для реализации проекта периферии также можно изменить. Разработка интеллектуальной системы освещения на основе СИД высокой яркости является сложной задачей. Для систем, где требуется сверхвысокая производительность, за реализацию которой заказчик готов платить, хорошим решением было бы использование FPGA. Однако в системе на их основе, кроме того, должны использоваться дополнительные аналоговые компоненты. Наибольшую гибкость обеспечивают контроллеры с конфигурируемой периферией и настраиваемыми портами ввода/вывода.

 

Как достичь высокого качества белого света?

Для систем белого света (даже если эта же система производит смешанный цветной свет) нужно учитывать цветовую температуру и коэффициент цветопередачи CRI. Цветовая температура — это цвет, соотнесенный с линией цветностей черного тела, или кривой излучателя Планка на цветовой шкале, утвержденной Международной комиссией по освещению CIE в 1931 г. (см. рис. 2).

 

Рис. 2. Кривая излучателя Планка и цветовая температура

Например, черное тело, нагретое до температуры 2500 K, рассматривается как излучатель довольно теплого белого света, а нагретое до 7000 K — как излучатель холодного света. Системы на основе СИД высокой яркости в действительности не могут обеспечить цвета в соответствии с кривой излучателя Планка, и для измерения их характеристик используется относительная цветовая температура (Correlated Color Temperature — CCT).
Коэффициент цветопередачи — параметр, используемый для описания качества белого света путем сравнения передачи различных цветов данным и эталонным источником света. С точки зрения неспециалиста, передача цвета отражает точность цвета поверхности, освещаемой источником света в единицах от 1 до 100 относительно эталонного источника света. Как цветовую температуру, так и коэффициент цветопередачи можно настроить путем выбора соответствующего СИД, используя нужный канал СИД и управляя этими каналами с помощью контроллера смешанного сигнала.
Система белого освещения, содержащая только белые СИД, имеет ограничения по цветовой температуре, однако обеспечивает достаточно высокой коэффициент цветопередачи при данной цветовой температуре белых светодиодов. Поскольку коэффициент цветопередачи сильно зависит от цветового спектра СИД, установленных в системе, следует руководствоваться общим правилом — чем больше число СИД (особенно разного цвета), тем выше коэффициент цветопередачи.
В случае систем цветного освещения разработчики должны учитывать точность цвета, разрешение цвета и спектр смешанных цветов. Один из важных факторов — разрешение пределов регулировки яркости. Расширение спектра смешанных цветов зависит от цветовой гаммы, обеспечиваемой светодиодами в системе, что напрямую определяется количеством СИД различных цветов, составляющих цветовую гамму. Количество СИД и разрешение регулировки яркости также влияет на цветовое разрешение.
Большинство систем цветного освещения имеет минимум три СИД обычно основных цветов: красного, зеленого и синего. Если с помощью интеллектуальной системы требуется получить какие-либо специфические цвета, разработчики могут определить, способны ли выбранные светодиоды обеспечить этот цвет с помощью цветовой шкалы CIE, соединяя точки цветовой гаммы. Если цветовая гамма не включает цвет, который нужно получить, разработчик может добавить новый цвет светодиода, который расширяет цветовую гамму (см. рис. 3).

 

Рис. 3. Пример расширения цветовой гаммы с помощью четырех светодиодов

Системы белого и цветного освещения получают преимущества при использовании трех и более светодиодов, но это, кроме трудностей, связанных с применением оптики и поддержкой тепловых режимов, приводит к усложнениям алгоритмов управления. Проблемой является обеспечение требуемого числа каналов регулировки яркости с достаточным разрешением. В системах с четыремя и более СИД, кроме того, нужен более сложный алгоритм регулировки цветовой температуры, смешения цветов или увеличения коэффициент цветопередачи.
Разумеется, для интеллектуальных систем освещения нужно предусмотреть возможность управления количеством рассеиваемого тепла и обеспечить сортировку СИД по различныим параметрам (биннинг). При увеличении температуры светодиода светосила определенных СИД падает (например, для красного светодиода это очень заметно), и немного смещается длина волны света на выходе.
Использование радиаторов для рассеивания тепла и активное охлаждение являются небходимыми мерами. Однако эти методы не всегда предсказуемы и поддаются измерениям. Некоторое количество тепла всегда существует в системе, и точность передачи цвета из-за этого будет меняться. Использование температурного датчика позволяет поддерживать точность передачи цвета на уровне Δu’v’ = 0,004.
Эта оценка является общим требованием для систем, которые должны обеспечивать хороший уровень точности передачи цвета.
Одним из входных данных для алгоритма расчета величины изменения яркости света является световой поток. Используя кусочно-линейную аппроксимацию кривой зависимости температуры от светового потока СИД, контроллер смешанного сигнала может управлять точностью передачи цвета посредством соответствующей регулировки светосилы СИД в системе.
Сортировка по параметрам цветового оттенка (биннинг) необходима, т.к. СИД высокой яркости — это твердотельные приборы, и современный процесс их производства вносит разброс параметров, в частности, светосилы, длины волны и прямого напряжения. Из-за того, что световой поток является важной характеристикой при формировании смешанных цветов, отклонения этого параметра могут значительно влиять на результат. Однако в системах с низким качеством передачи цвета это может не приниматься во внимание.
Разработчики, которым важно качество передачи цвета, могут либо приобрести СИД со специальным бин-кодом, которые стоят на 15—20% дороже обычных, либо компенсировать отклонения параметров путем программирования контроллера смешанного сигнала. Можно составить таблицу бин-кодов, в которую вносятся возможные характеристики яркости светодиодов в системе. Затем в процессе производства, когда получены реальные СИД, программу контроллера смешанного сигнала можно обновить в соответствии с полученными бин-кодами.

 

Заключение

Для многих инженеров, переходящих от традиционных систем освещения к твердотельным, выбор используемых в проекте компонентов является довольно серьезной проблемой. В настоящее время существуют инструментальные средства разработчика для проектирования интеллектуальных систем освещения на основе СИД высокой яркости, которые используют традиционные языки программирования, такие как С.
Во многих случаях важнейшее значение имеют мощные программные средства разработки, оценочные платы и проекты разработчика. Такие преимущества систем освещения на основе СИД как интеллектуальность, гибкость и экологичность сопровождаются также и серьезными проблемами и возможными компромиссами.

 

Литература
1. Understand LED-based white and color-mixing system design, by Shone Tran and Ben Kropf//www.videsignline.com

Оставьте отзыв

Ваш емейл адрес не будет опубликован. Обязательные поля отмечены *