Színhőmérséklet
Egy fényforrás színhőmérséklete egy olyan feketetest hőmérséklete, amely a fényforrás színéhez nagyon közeli fényt sugároz ki. A két szín közötti távolság meghatározásához szükség van egy paraméteres színmeghatározási módszerre, mint amilyen például az 1. ábrán látható CIE 1931 xy-színtér.
Ez a színtér olyan egyszerű mechanizmust biztosít, amely elősegíti a színkeverést. Az 1. ábrán láthatók az ún. Planck-féle helyek (a feketetest kisugárzási helye), amelyet a feketetestnek a hőmérséklet függvényében felvett lehetséges színei határoznak meg. Az alkalmazásban megvalósítandó színek ezen a feketetestvonalon találhatók. A fényforrást úgy célszerű konfigurálni, hogy egy adott színhőmérsékletről induljon. A feketetest spektrális teljesítménye egy adott hőmérsékleten a Planck-törvény szerint oszlik el.
Fényteljesítmény
Mivel ebben az alkalmazásban lehetséges a színhőmérséklet konfigurálása, a konzisztencia érdekében jó lenne, ha gazdálkodhatnánk valamely fényteljesítmény-tartomány felett bármely választott színhőmérséklet tekintetében. Ehhez a színkeverés végén egy további, normalizálást szolgáló lépésre van szükség, amely a fényteljesítmény maximumát ugyanarra az értékre állítja be valamennyi lehetséges színhőmérséklet tekintetében.
Az izzólámpa működésének szimulálásához egy további skálázási faktor alkalmazására is szükség van minden olyan színhőmérséklet vonatkozásában, amelyeket számítani kell. A kiválasztott fénytompítási mechanizmus olyan feketetestet modellez, amelynek teljesítménykimenetét egy csúszka szabályozza.
Ez lehetővé teszi, hogy a színhőmérsékletet és a kimeneti fényteljesítményt meglehetősen természetes módon kapcsolják egymáshoz a Stefan–Boltzmann-törvény szerint, amely azt állítja, hogy a feketetest által kisugárzott teljesítmény arányos az abszolút hőmérséklet negyedik hatványával. A vizsgált alkalmazásban a teljesítmény szabályozása lineáris két, egyedileg meghatározott érték között, a megfelelő hőmérséklet meghatározása pedig LED-ek kombinációjával történik.
A CIE 1931 színtér egyes hőmérsékleteknek megfelelő koordinátái számítás útján meghatározhatók. A háromszínes értékek a LED-ek által kiadott teljesítményszint mellett arányosak a fényteljesítménnyel. Mivel a színkeverési algoritmus az egyedi LED-ek relatív intenzitására épül, ez az arányosság minden egyes színhőmérsékletre lehetővé teszi skálázási tényezők számítását, amely minden LED-re érvényes.
Színkeverés
Ha a kiindulási alapjuk a CIE 1931 színtér adott koordinátái által kiadott szín, a LED-koordinátákat úgy lehet kiszámítani, hogy először is ellenőrizzük, hogy a pont a három LED-re nézve a CIE 1931 színtér háromszögeinek határolóvonalain belül helyezkedik-e el bármely esetben. Minden olyan háromszögnél, amelyen a pont belül foglaltatik, az egyedi LED-ek hozzájárulásának mértéke a végeredményhez számítható, ezek után pedig csupán a konfiguráció kiválasztásának kérdése, hogy a kiválasztott LED-hez a maximális kimenetet elérjük.
A LED fényerejének tompítási értékei a fényáramértékekből az alábbi feltételek mellett származtathatók:
- a kimeneti fényáram jó közelítéssel arányos a LED-chipen átfolyó áramerősséggel,
- minden maximális fényáramérték ugyanabból a LED-mérésből származó, chipen átfolyó áramerősségre érvényes,
- az alkalmazáshoz csak a relatív kimeneti fényáram szükséges, és a színt a fényáramok aránya, nem pedig az abszolút értéke határozza meg.
Az utolsó lépésben a tompítási értékeket úgy kell skálázni, hogy nulla és a LED-en alkalmazható impulzusszélesség-moduláció által meghatározott legnagyobb használható érték közé essen. Az ebben a lépésben megkapott értékek használhatók állandó mértékű fényáram biztosítására bármely színhőmérsékleten. További munkával egyetlen színhőmérsékleten is megvalósítható a fényerőtompítás, illetve ezek az értékek használhatók azokkal a skálázási tényezőkkel is, amelyekkel izzószálas lámpa viselkedése imitálható.
Hardver
A feladat kifejlesztésére felhasználható egy módosított Microchip világítástechnikai kommunikációs alaplap és az 1. ábrán látható CIE 1931 színdiagramot megvalósító színhőmérsékleti tartományokat támogató, 4 db Cree gyártmányú LED.
Az alaplap minden LED-re 200 mA nagyságrendű maximális meghajtóáramot tud kényszeríteni. A színkoordinátákat állandónak, a meghajtóáramtól függetlennek tekintjük, a kimeneti fényáramot pedig a meghajtóárammal arányosnak vesszük.
Ezekkel a feltételezésekkel a LED-ek kimenetének kívánt színhőmérsékletre keveréséhez szükséges áramerősségek könnyedén kiszámíthatóvá válnak. Az 1. táblázatban szereplő 4 db LED használata során a CIE 1931 színtérnek csupán töredéke érhető el, amely területet az egyes LED-ek koordinátája által körülhatárolt terület jelzi. A 2. ábra ezt a területet a Planck-féle helyek részeként ábrázolja.
Az alkalmazás 2100 és 5700 K színhőmérséklet közötti, állandó kimeneti fényáramú fény reprodukálására képes. Izzószálas lámpatest szimulációja során minden színhőmérséklethez relatív kimeneti fényáram tartozik. A színhőmérsékletet a virtuális feketetest teljesítménye határozza meg, amelyet az alaplapon kialakított csúszkás szabályozószerv segít beállítani.
Az izzószálas lámpa szimulációjának első lépésében a felhasználó beállítja a csúszkát a kívánt pozícióba, amely megfeleltetésre kerül egy olyan színhőmérsékletnek, amely felhasználható valamennyi LED-re érvényes skálázási tényező meghatározásához, illetve minden egyes LED-hez egy egyedi skálázási tényező megtalálásához.
Az alkalmazás három üzemmódot támogat, amelyek között a felhasználó kapcsolgathat:
- Izzószálas lámpa szimulációja: fényerőtompítás és színhőmérséklet-változtatás a beállított modell sajátosságainak megfelelően.
- Állandó értékű kimeneti fényáram: lehetővé teszi, hogy a felhasználó a csúszka segítségével kiválasszon egy színhőmérsékletet, amely mellett a kimeneti fényáram értékét a rendszer a maximumon tartja.
- Fényerőtompítás állandó színhőmérséklet mellett: ez az üzemmód fényerőtompítást valósít meg az előző üzemmódban kiválasztott színhőmérséklet mellett.
Konklúzió
Láthattuk, hogy ahhoz, hogy egyedi LED-ek vezérlésével izzószálas lámpa viselkedését szimulálhassuk, jelentős számítási teljesítményre van szükség, amelyet offline is el lehet végezni, és adatait egy Microchip PIC-sorozatú mikrovezérlő fedélzeti memóriájában lehet fordítási időben tárolni. A táblázatok adatainak kiszámításához elérhető egy PC-alkalmazás, amely a LED-paraméterek felhasználó általi konfigurációját veszi figyelembe (illusztrációért lásd a 3. ábrát).
Az alkalmazás kimeneti adatai hat, táblázatba csoportosított állandót tartalmaznak, amelyeket az alkalmazásból a mikrovezérlő firmware-ének forrásfájljába kell másolni. Miután a faktorok teljesen szabadon állíthatók és a színhőmérséklet-tartomány is rugalmas, az alkalmazás szabadon használható más LED-paraméterekkel is.
