地鐵車內(nèi)照明短暫直流電力斬波無頻閃調(diào)光方法

朱凱濤

【摘 要】隨著時代的進步，人們生活的節(jié)奏越來越快，地鐵成為大多數(shù)人出行的必備交通工具。地鐵交通工具行駛在地下，照明成為它的一個重要的功能，伴隨科技的進步，地鐵車內(nèi)照明由原來的高壓熒光燈發(fā)展到今天的低壓LED燈，由原來的不可調(diào)光發(fā)展到現(xiàn)今的可調(diào)光。由于地鐵行駛空間的特殊性，要求車的安全性較其他行駛工具更高，對車的布線及EMC的要求也更高。對此，文章提出一種短暫電力線斬波無頻閃調(diào)光照明方法改善照明環(huán)境，改善EMC，對出行在外的人們提供健康的光環(huán)境。

【關(guān)鍵詞】LED調(diào)光；健康光環(huán)境；PWM；信號遠(yuǎn)程傳輸；直流電力短暫斬波；頻閃危害

【中圖分類號】TM923 【文獻(xiàn)標(biāo)識碼】A 【文章編號】1674-0688（2018）07-0111-03

0 前言

近年來，我國的照明行業(yè)發(fā)展迅速，其中LED照明發(fā)展很快，LED是一種固態(tài)電光源，是一種半導(dǎo)體照明器件，其電學(xué)特性具有很強的離散性。它具有體積小、機械強度大、功耗低、壽命長，便于調(diào)節(jié)控制及無污染等特征，是具有極大發(fā)展前景的新型光源產(chǎn)品。并且，照明環(huán)境越來越被用戶所重視，照明的舒適性、環(huán)保性、節(jié)能性成為提高照明行業(yè)競爭力的重要一環(huán)。其中，LED調(diào)光技術(shù)在LED照明中十分重要。

LED調(diào)光方法的實現(xiàn)分為2種：模擬調(diào)光和數(shù)字調(diào)光。模擬調(diào)光即限流模式調(diào)光，通過晶體管作為可變電阻實現(xiàn)限流控制。限流模式調(diào)光是在直流恒壓源的模塊輸出中，將LED燈和晶體管串聯(lián)，晶體管工作在放大區(qū)作為可變限流電阻，通過改變可變電阻的阻值有效控制LED電流，從而控制LED燈的亮度；其優(yōu)點是電流可連續(xù)，無頻閃。

數(shù)字調(diào)光又稱PWM調(diào)光，通過PWM波開啟和關(guān)閉LED來改變正向電流的導(dǎo)通時間，以達(dá)到亮度調(diào)節(jié)的效果。該方法基于人眼對亮度閃爍不夠敏感的特性，使負(fù)載LED時亮?xí)r暗。如果亮暗的頻率超過100 Hz，人眼看到的就是平均亮度，而不是LED在閃爍。PWM通過調(diào)節(jié)亮和暗的時間比例實現(xiàn)調(diào)節(jié)亮度，在一個PWM周期內(nèi)，因為人眼對大于100 Hz內(nèi)的光閃爍，感知的亮度是一個累積過程，即亮的時間在整個周期中所占的比例越大，人眼感覺越亮。但缺點是對于一些高頻采樣的設(shè)備，如高頻采樣攝像頭，采樣時有可能恰好采到LED暗時的圖像。并且，頻閃調(diào)光對人是有危害性的。頻閃危害有如下幾個方面：①照明光源頻閃會引發(fā)視覺疲勞、偏頭痛。②長期在高頻閃的燈光下生活，睫狀肌會不停地放大縮小，處于緊張運動的狀態(tài)，增加眼睛疲勞度，減退視力，導(dǎo)致人眼出現(xiàn)酸澀、疼痛、發(fā)癢等癥狀。③在光強不斷變化的有頻閃的光源下生活，視覺系統(tǒng)需要不斷地調(diào)節(jié)眼球瞳孔的大小來保證視網(wǎng)膜光照度的穩(wěn)定性和成像的清晰度?？傊谟蓄l閃的光源下生活，輕者產(chǎn)生眼疲勞，酸痛，重則造成視覺系統(tǒng)的損傷。由于頻閃照明的危害性，無頻閃的調(diào)光是勢在必行的。地鐵車內(nèi)的無頻閃照明也將成為趨勢。

地鐵車內(nèi)照明的布置情況：地鐵單節(jié)車廂有20 m長，LED燈布置有18 m長，共有256個燈板，由集中控制電源集中控制。單燈板離集中控制電源遠(yuǎn)的有17 m，如要控制LED燈板的亮度，需將調(diào)光信號遠(yuǎn)程傳輸?shù)絃ED燈板?，F(xiàn)今的信號遠(yuǎn)程傳輸有兩大類，一類是無線傳輸，另一類是有線傳輸。無線傳輸布線簡單但成本高，信號沒有有線傳輸?shù)姆€(wěn)定。有線傳輸布線復(fù)雜，成本低。由于地鐵的特殊性，既要考慮信號的穩(wěn)定性，又要考慮布線簡單，因此地鐵車內(nèi)照明調(diào)光一直是電力線斬波調(diào)光，即在動力輸出線上斬波調(diào)光。這樣既不用專用的信號傳輸線，也沒有無線傳輸信號。這種調(diào)光方式雖然調(diào)光穩(wěn)定性高，布線簡單，但是缺點是有頻閃，并對電磁環(huán)境有影響。因此，在信號的傳輸上要有新的設(shè)計方案，既可以將調(diào)光信號傳輸?shù)綗舭鍖崿F(xiàn)無線調(diào)光，又不增加專有的傳輸線路。本文提出一種電力線短暫斬波方式，既不用無線傳輸信號，又不用增加額外的線路傳輸信號，即可達(dá)到傳輸調(diào)光信號到燈板實現(xiàn)無頻閃調(diào)光，解決現(xiàn)今地鐵車內(nèi)照明無頻閃調(diào)光的問題。

現(xiàn)今，地鐵車內(nèi)的集中控制照明還沒有一種布線簡單且成本低的無頻閃的方案。

1 現(xiàn)今地鐵照明方案

110 VDC轉(zhuǎn)48 VDC模塊是指將直流100 VDC轉(zhuǎn)換為48 VDC直流電源模塊。PWM發(fā)生模塊是指發(fā)生PWM的電路模塊。MOS管是指將PWM信號控制直流電力輸出的元件。恒流芯片是指穩(wěn)定流過LED燈珠的電流而達(dá)到所用到的LED燈珠出光量的一致性。LED燈珠是指將電能產(chǎn)生光的元件。燈板是指恒流芯片、LED燈珠2個模塊的組合。集中控制電源是指110 VDC轉(zhuǎn)48 VDC模塊、PWM發(fā)生模塊、MOS管、調(diào)光擋位模塊4個模塊組合?，F(xiàn)有技術(shù)的結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。

該方案設(shè)計原理如下：將車載提供的110 VDC通過DC-DC電壓轉(zhuǎn)換模塊將高壓110 VDC轉(zhuǎn)為48 VDC安全電壓，PWM發(fā)生模塊根據(jù)調(diào)光擋位模塊、調(diào)光參數(shù)產(chǎn)生不同寬度的輻值為10 VDC PWM信號給驅(qū)動MOS管對輸出給燈板的48 VDC斬波，燈板恒流芯片在電壓不穩(wěn)定的狀態(tài)下保證LED燈電流恒定，從而保證LED燈亮度不發(fā)生變化。

PWM發(fā)生模塊輸出10 VDC輻值的PWM VGS信號，MOS管采用共源極接法的電路，輸出特性如下面公式所示。

當(dāng)VGS為10 VDC時：

iD=IDS■-12

由于MOS管是電壓控制元件，所以主要由柵源電壓VGS決定其工作狀態(tài)。MOS管作為開關(guān)元件，是工作在截止或?qū)?種狀態(tài)。由于MOS管的導(dǎo)通特性及電力線存在電感，所以在大電流的開關(guān)狀態(tài)下會產(chǎn)生電磁輻射，影響車內(nèi)電子設(shè)備及手機用戶。

該LED集中控制電源對LED輸出的電力波形如圖2所示。

從圖2中我們可以看出，現(xiàn)有的地鐵照明是有閃頻的，這必然會對人體健康造成影響。因此，必須對其進行升級改進。

由于原方案是電力斬波，MOS管一直對電力輸出暫波，所以會產(chǎn)生電磁波，對EMC有較大的影響，并產(chǎn)生了頻閃照明。針對以上的缺點，本文提供一種1 s短暫對電力斬波的無頻閃調(diào)光方案，設(shè)計的思路如下：

（1）PWM斬波中是可以包含信息在波形中的，比如脈寬的寬度即可以表示所需調(diào)光值的大小，只要在燈板增加一個PWM信號分析電路采取電力線信號，即可將電力線PWM信號信息提取并保存。每當(dāng)電力線的PWM信號更新時，保存最新調(diào)整的PWM信號參數(shù)。

（2）1 s對現(xiàn)今的單片機運算時間很短，1 s的時間人基本是不會注意的到光的變化過程?，F(xiàn)今的單片機運算速度快，主頻基本上是幾十兆赫茲的，即1 s可以執(zhí)行上萬條的指令，所以在1 s內(nèi)完全可以將PWM波形中的信息分析出來，并輸出為模擬電壓信號。

（3）由于低頻對電路設(shè)計的要求低，電磁輻頻低，所以電力斬波頻率盡量選擇低頻。由于人的視覺反應(yīng)在最低100 Hz頻閃中人眼也感覺不出閃爍，所以電力斬波頻率選擇為100 Hz。在信號分析上，100 Hz頻率1 s內(nèi)包含100個脈寬信號，這足夠PWM分析模塊分析出調(diào)光參數(shù)。

（4）燈板上設(shè)計模擬調(diào)光模塊提取PWM信號分析模塊分析出的模擬電壓信號。調(diào)整LED燈珠電流，使LED中的電流保持穩(wěn)定，從而達(dá)到LED燈無頻閃發(fā)光輸出。

2 新設(shè)計的方案

綜合上述，LED集中控制電源選擇提供1 s時間的頻率為100 Hz的電力斬波，燈板上PWM信號分析模塊分析PWM中的調(diào)光參數(shù)，即可實現(xiàn)無頻閃調(diào)光，而不用一直采用斬波方式調(diào)光。新的設(shè)計方案如圖3所示。

（1）在原有的基礎(chǔ)上對PWM發(fā)生器2模塊的程序進行新的設(shè)計。

（2）在燈板增加PWM信號分析模塊6，對PWM信號分析提取出調(diào)光模塊、調(diào)光參數(shù)輸出模擬電壓。

（3）在燈板上改進原LED恒流調(diào)光模塊4，該模塊可提取PWM信號分析模塊6輸出的模擬電壓值對LED電流值調(diào)整，從而實現(xiàn)LED燈無頻閃調(diào)光。

（4）PWM發(fā)生器2模塊的程序如圖4所示。

集中LED驅(qū)動電源開機時產(chǎn)生開機復(fù)位信號，PWM發(fā)生模塊單片機1 s常高電平，讓MOS驅(qū)動管導(dǎo)通，先給PWM信號分析模塊大電容充電使PWM信號分析模塊能在后續(xù)的1 s PWM的電力斬波中有電檢測集中電源調(diào)光擋位模塊調(diào)光參數(shù)，單片機根據(jù)該參數(shù)調(diào)整PWM脈寬寬度輸出頻率為100 Hz PWM波形驅(qū)動MOS管集中電源PWM輸出。1 s后輸出MOS管常通信號，使MOS常通，集中電源正常輸出。當(dāng)調(diào)光擋位調(diào)光信號參數(shù)變化，單片機重新檢測集中電源調(diào)光信號參數(shù)，單片機根據(jù)該參數(shù)調(diào)整PWM脈寬寬度輸出頻率為100 Hz PWM波形驅(qū)動MOS管集中電源PWM輸出。1 s后輸出MOS管常通信號，使MOS常通，集中電源正常輸出。

功能不復(fù)雜的可采用低成本的8位單片機即可實現(xiàn)。波形如圖5所示。

從圖5中可以看出，LED燈只有1 s時間是頻閃的，其后一直無頻閃輸出，對人健康無影響。

（5）PWM信號分析模塊6程序框圖如圖6所示。

PWM信號分析模塊檢測電力線電壓信號，當(dāng)檢測出有PWM波形時對PWM波形進行分析，根據(jù)斬波的脈寬寬度提取其中的調(diào)光參數(shù)信號，輸出模擬電壓信號，控制LED燈亮度。其中，脈寬寬度的測量可通過單片機的定時器計時功能測量，當(dāng)PWM信號分析模塊檢測到電力線電壓信號有下降時，延時開始1 s的PWM脈寬寬度的測量。

測量的方法如下：當(dāng)電力線電壓為低電平時開始計數(shù)，高電平結(jié)束計數(shù)。根據(jù)集中電源輸出PWM的頻率為100 Hz可計算出低電平脈寬的寬度，將計數(shù)寬度值保存到D/A轉(zhuǎn)換器寄存器中，輸出模擬電壓。每觸發(fā)一次的計數(shù)時，該次脈寬數(shù)值最大值為最終記錄值。

由于PWM信號分析模塊功能不復(fù)雜，所以單片機選擇上可采用低成本的8位單片機即可實現(xiàn)以上功能。PWM信號分析模塊6輸入輸出波形如圖7所示。

（6）LED恒流調(diào)光模塊根據(jù)PWM信號分析模塊輸出的電壓值調(diào)整LED驅(qū)動電流，從而達(dá)到LED燈無頻閃調(diào)光。LED光源采用相互串聯(lián)方式，共由14只高亮度小功率LED燈珠組成；每只LED燈珠的壓降約3.1 V，工作電流約30 mA。由白光LED的正向伏安特性可知，當(dāng)LED端電壓超過其正向?qū)妷汉?，較小的電壓波動都會導(dǎo)致工作電流的劇烈變化，從而影響LED的正常使用。因此，LED恒流調(diào)光模塊須采用電壓控制形高精度恒流控制電路。

電壓控制形高精度恒流控制電路設(shè)計如下：在LED回路中接入高精度的電流采樣電阻及電流控制三極管。運算放大器以PWM信號分析模塊輸出的電壓為基準(zhǔn)跟蹤LED電流采樣電阻采樣電壓方式，驅(qū)動電流控制三極管，使LED回路中的電阻上電壓值與PWM信號分析模塊輸出的電壓值相等，使電流能閉環(huán)控制而達(dá)到高精度的線性流恒控制，保證了車內(nèi)多燈亮度的一致性。

3 結(jié)語

本文主要根據(jù)照明頻閃對人健康造成的影響，結(jié)合現(xiàn)有的地鐵車內(nèi)照明技術(shù)，總結(jié)了地鐵車內(nèi)照明技術(shù)缺陷，在原車內(nèi)照明設(shè)計的基礎(chǔ)上提出一種新的無頻閃照明解決方法，即通過直流電力線短暫斬波實現(xiàn)無頻閃調(diào)光而無需在原線路上增加多余的控制線，為今后地鐵車內(nèi)照明提供新的方案設(shè)計。并且，直流電力線短暫斬波方式還可以應(yīng)用在不用增加專用的信號傳輸線進行信號傳輸。

參 考 文 獻(xiàn)

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[責(zé)任編輯：陳澤琦]