FőoldalKonstruktőrHogyan tervezzünk szabályozható fényerejű lámpát négy LED felhasználásával?
2017. február 09., csütörtök ::

Hogyan tervezzünk szabályozható fényerejű lámpát négy LED felhasználásával?

Az egyedi színhőmérsékletű világítótestek megvalósításának egyik módja, ha négy különálló, fehér LED kimenetét keverjük különböző paraméterek megfelelő felkonfigurálásával. Ily módon szabályozható fényerejű, kívánt színhőmérsékletű világítás tervezhető, vagy olyan dinamikus modell valósítható meg, amellyel a fényerőtompítás hatására változó színhőmérsékletet produkáló izzólámpa viselkedése szimulálható. A módszerrel tehát ismert paraméterű LED-ekkel állítható színhőmérsékletű világítás, valamint ismeretlen LED-ek mérése és kalibrálása útján konzisztens kimenetű fényforrás is megvalósítható

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.

1. ábra. A CIE 1931 xy színdiagram

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.

1. táblázat. A LED-koordináták és kimeneti fényáramuk 350 mA meghajtóáramnál a CIE 1931 színdiagramban

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.

2. ábra. 4 db fehér LED használatával elérhető színtér és a színhőmérséklet-görbe renderelhető része

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:

  1. Izzószálas lámpa szimulációja: fényerőtompítás és színhőmérséklet-változtatás a beállított modell sajátosságainak megfelelően.
  2. 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.
  3. 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).

3. ábra. A lámpakonfigurációhoz köthető számítási feladatok nagy részét a PC-alkalmazás végzi el

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.

A Microchip Technology honlapja

Tudomány / Alapkutatás

tudomany

CAD/CAM

cad

Járműelektronika

jarmuelektronika

Led technológia

Led technológia

Rendezvények / Kiállítások

Mostanában nincsenek események
Nincs megjeleníthető esemény