LED燈絲燈調(diào)光控制技術(shù)

呂天剛 ，呂鶴男，王躍飛，徐炳健

(1.鴻利智匯集團股份有限公司，廣東 廣州 510890；2.廣州市萊帝亞照明股份有限公司，廣東 廣州 510890)

引言

LED燈絲燈是一種以LED為發(fā)光器件，模擬傳統(tǒng)白熾燈燈絲和燈外形而設計的燈泡(若如無特殊說明，本文中的“LED燈絲”表示LED燈絲器件，“LED燈絲燈”或“燈”表示成品燈泡)。經(jīng)過數(shù)年發(fā)展，LED燈絲燈產(chǎn)品技術(shù)不斷升級，日趨完善。目前，LED燈絲燈技術(shù)發(fā)展到一個新的階段，光品質(zhì)、光色調(diào)制課題開始越來越受到大家的關注[1]。LED燈絲燈的獨特之處在于其晶瑩剔透的燈殼和燈殼里的“絲”。但是LED燈絲光源極細，不適合多路調(diào)光的設計，且每個燈絲只有兩個電極,多路排布及及引線也無法實現(xiàn)。因此，LED燈絲燈光色調(diào)制技術(shù)的難點就在于需要同時滿足LED燈絲燈的高顏值和光色調(diào)制的靈活性和完美光品質(zhì)。這就是本文研究的主要內(nèi)容。

1 現(xiàn)有LED燈絲燈技術(shù)

目前市場上的LED燈絲燈產(chǎn)品分成普通LED燈絲燈和具備可調(diào)光功能的LED燈絲燈兩種。

1)普通LED燈絲和非調(diào)光LED燈絲燈。、LED燈絲指一種細絲狀LED封裝器件，是由多顆LED芯片在一根細絲狀的基板上封裝而成。用LED燈絲結(jié)合外殼同傳統(tǒng)白熾燈外殼制作的燈泡就是LED燈絲燈。本文的“非調(diào)光LED燈絲燈”就是僅有恒定光輸出功能，自身不具備調(diào)光功能，且不能兼容普通調(diào)光器進行調(diào)光輸出的LED燈絲燈。普通LED燈絲燈一般發(fā)普通白光，不需要額外調(diào)光調(diào)色功能。設計主要以前面提到的普通LED燈絲器件為光源，再配以驅(qū)動(AC/DC恒流控制裝置)[4]、燈外殼，共三大部分組成。每個組成部分又由多個細分部件組成，如燈外殼又包括：玻殼、燈頭、燈柱等。這是目前市場上主流 LED燈絲燈產(chǎn)品。而非調(diào)光LED燈絲燈由于不用考慮調(diào)光功能，其設計方案都是極簡的，外觀和基本發(fā)光性能是這類產(chǎn)品設計的主要目標。這類LED燈絲和成品燈有很多優(yōu)點，例如：外形美觀、易于設計。燈絲雙電極、體積小、外部接線簡潔、便于組裝。

2)可調(diào)光LED燈絲燈?，F(xiàn)有LED燈絲燈調(diào)光技術(shù)主要包括兩種類型：基于普通LED燈絲(如最常見的單回路LED燈絲)的調(diào)光設計；基于多回路LED燈絲的調(diào)光設計。

(a)基于普通LED燈絲的調(diào)光設計及產(chǎn)品特點。恒流驅(qū)動、PWM脈寬調(diào)制[4]驅(qū)動、可控硅相控驅(qū)動等多種驅(qū)動方式都適用于普通LED燈絲(也就是單回路LED ，包括串聯(lián)、并聯(lián)、混聯(lián)電路)，此外，還有脈沖調(diào)頻驅(qū)動、脈沖調(diào)項驅(qū)動等調(diào)光方式。普通LED燈絲有很多優(yōu)點，例如：外形美觀、易于設計。雙電極、體積小、外部接線簡潔、便于組裝。從調(diào)光的角度來看，它也有其自身的缺點。盡管配合PWM調(diào)光和可控硅調(diào)光驅(qū)動，也可以實現(xiàn)光通量大小調(diào)節(jié)。但由于只有兩個電極，其調(diào)光功能設計具有很大局限性，即只能單路控制，無法實現(xiàn)經(jīng)典的多路混光混色設計[5,6]和色溫、色調(diào)調(diào)節(jié)。

(b)基于多路LED燈絲的調(diào)光設計及特點。根據(jù)目標色溫，選擇參與調(diào)光的LED燈絲的發(fā)光色調(diào)/色溫，為每種發(fā)光色調(diào)/色溫設置一個可獨立調(diào)節(jié)的通道。通過調(diào)節(jié)不同色調(diào)/色溫的燈的光通量比例，實現(xiàn)調(diào)節(jié)混光輸出的色調(diào)/色溫[7]，即采用多路混光混色設計，實現(xiàn)色溫、色調(diào)調(diào)節(jié)?；芈窋?shù)通常為二、三、四、五路，每個回路由一種光色的LED組成。如RGB三基色調(diào)光器就是由紅、綠、藍三種顏色的三個回路構(gòu)成的。①多路LED燈絲，可調(diào)光多路LED燈絲燈即是基于傳統(tǒng)多回路LED調(diào)光技術(shù)設計的。但具體實施方式有兩種：方式一，在一個燈絲基板上設計兩個或以上回路，每個回路由不同發(fā)光顏色/色溫組成，且有可獨立控制的電極引出端。配合多路輸出的可調(diào)光控制器實現(xiàn)調(diào)光功能。方式二，采用多顆不同發(fā)光顏色/色溫的普通LED燈絲，每顆LED燈絲為一獨立回路，再配以調(diào)光控制電路，實現(xiàn)調(diào)光功能。這種方式制成的LED燈絲燈與普通LED燈絲燈外觀相同。這兩種可調(diào)光多路LED燈絲燈，調(diào)光原理相同，外形及配光效果不同。如：方式一，燈絲外形較寬，呈扁平狀，和普通LED燈絲差異較大；方式二，無論是燈絲還是成品燈，在外觀上都與普通燈無任何差別，只是燈點亮時，如仔細看，可見每個燈絲發(fā)光顏色/色溫不同，混色效果沒有第一種好。②基于多回路LED燈絲可調(diào)光設計。與基于普通LED燈絲的調(diào)光設計類似，其區(qū)別是，第一，增加了控制器輸出回路數(shù)，第二，增加混光混色軟件算法，算法內(nèi)容主要包括：根據(jù)需要調(diào)節(jié)獲得的光色目標值，分析參與混光顏色/色溫種類，并計算各類混光單元混合比，根據(jù)比例加工成相應控制信號，將控制信號發(fā)送到所對應的回路進行輸出。具體控制信號編碼類型取決于硬件調(diào)光方式。多路LED燈絲燈調(diào)光方案優(yōu)點是實現(xiàn)了LED燈絲燈的光色調(diào)節(jié)功能，配合PWM調(diào)光，可調(diào)光通量大小，可混光混色，可實現(xiàn)色溫、色調(diào)調(diào)節(jié)。缺點是這種調(diào)光技術(shù)與LED燈存在先天的兼容性問題。方式一：功能方面，四電極、外部接線復雜、難組裝。結(jié)構(gòu)外觀，體積大、不美觀，與燈絲燈外觀設計不協(xié)調(diào)。方式二：同一燈泡內(nèi)采用不同色溫的普通燈絲來實現(xiàn)混色，由于燈泡殼是透明的，點亮時混光效果差，視覺效果也不好。

2 LED燈絲燈調(diào)光設計方案

2.1 總體方案設計

1)設計需求分析。本文研究的目標是：設計開發(fā)一種可調(diào)光LED燈絲燈，包括新的LED燈絲和調(diào)光方法，解決現(xiàn)有可調(diào)光LED燈絲燈存在的諸多兼容性問題。通過微處理器數(shù)字控制的方式實現(xiàn)燈的光色調(diào)節(jié)，讓人體驗到舒適自然的光環(huán)境感受[9]。項目產(chǎn)品應能同時滿足以下幾個特征：第一，外觀方面，成品燈完全保留單色LED燈絲燈的優(yōu)勢特征，具有與傳統(tǒng)白熾燈較高的相似度。第二，結(jié)構(gòu)方面，燈絲雙電極、體積小、外部接線簡潔、便于組裝。第三，調(diào)光性能方面，除光通量大小調(diào)節(jié)外，還可混光混色實現(xiàn)發(fā)光顏色/色溫調(diào)節(jié)。

2)總體方案。由顏色混合定律之格拉斯曼混光原理，兩種顏色種類的光按照一定比例混合，可以獲得另一種顏色的光。本項目采用 “異步雙向脈寬調(diào)制驅(qū)動控制”。首先，在同一燈絲上均勻排列兩種參與混光的LED，用特殊的連接方式串聯(lián)連接，使兩種LED分別獨立串聯(lián)并極性相反。然后，利用LED單向?qū)щ娞匦訹10]，在僅有的兩個電極上施加PWM脈沖驅(qū)動電流，并對不同極性方向的兩路LED實施分時控制。由于人眼的視覺暫留現(xiàn)象，只要控制信號時間計算合理，其過程完全不會被察覺。本項目原理方框圖如圖1所示。

圖1 原理方框圖Fig.1 Schematic block diagram

2.2 硬件設計

1)燈絲器件設計。

(a)電路設計。根據(jù)總體設計方案，制定光源部分電路原理圖(圖2)。A、B為電路的兩個輸入端，也是燈絲的兩個電極。L1～L4和L1′～L4′為燈絲的LED，LED分兩種發(fā)光顏色，每種發(fā)光顏色為一個回路，其中，第一組是L1、L2、L3、L4，第二組是L1′、L2′、L3′、L4′，兩組分別構(gòu)成兩種不同發(fā)光顏色的回路。并且兩個回路極性相反，當驅(qū)動電流IF方向為COM1→COM2時，第一組LED點亮，第二組LED熄滅。當驅(qū)動電流IF方向為COM2→COM1時，第二組LED點亮，第一組LED熄滅。

圖2 電路原理圖Fig.2 Schematic circuit diagram

(b)結(jié)構(gòu)設計。結(jié)構(gòu)設計的質(zhì)量直接關系到最終產(chǎn)品的外觀和調(diào)光性能，如燈絲外形是否纖細、美觀，混光是否均勻，事關整個項目的成敗。所以，結(jié)構(gòu)設計的基本要求就是滿足兩個要點：一是混光均勻，二是外觀與普通非調(diào)光LED燈絲完全一致。圖3是設計示例：基于雙回路雙色溫(2 700 K/6 500 K)的可調(diào)光LED燈絲，配合控制器能實現(xiàn)色溫在2 700～6 500 K可調(diào)。

為了實現(xiàn)設計目標，結(jié)構(gòu)設計采取了以下措施：第一，采用了“暖白LED[藍光芯片+熒光膠1(熒光粉+硅膠)]+ 冷白[藍光芯片+熒光膠2(熒光粉+硅膠)]+擴散膠(擴散粉+硅膠)”的模式，而普通LED燈絲是簡單的“藍光芯片+熒光膠”形式。第二，雙色溫交替直線排列。實物圖如圖4所示。

1—暖白2 700 K(可根據(jù)需要選擇任意色溫或單色芯片)；2—冷白6 500 K(同上)；2.1—芯片；2.2—熒光膠；3—擴散膠；4—基板；4.1—電極。圖3 結(jié)構(gòu)示意圖Fig.3 Structure diagram

圖4 實物圖Fig.4 Real product

2)控制裝置設計?？刂蒲b置電路主要包括以下幾個部分：第一，恒流驅(qū)動電路，由AC/DC開關電源制成，主要用于LED燈絲恒流驅(qū)動[11]。在此不作重點介紹。第二，數(shù)據(jù)處理電路，主要完成控制信號的識別、加工處理、輸出。由單片機及周邊電路組成(圖5左)。第三，執(zhí)行電路，主要功能是連接恒流驅(qū)動與LED燈絲負載，并受控于數(shù)據(jù)處理電路輸出的信號。執(zhí)行電路是一個由一組MOSFET(金屬-氧化物半導體場效應晶體管)構(gòu)成的極性翻轉(zhuǎn)電路(圖5右)，在單片機I/O口P0、P1、P2、P3不同的電平信號組合下，可實現(xiàn)極性的任意翻轉(zhuǎn)。

圖5 控制裝置原理圖Fig.5 Schematic diagram of control device

2.3 軟件設計

依據(jù)總體方案設計思路，結(jié)合硬件設計部分，制定軟件設計方案。本文軟件設計階段共分為三個部分來介紹：第一部分，設計依據(jù)，說明設計過程依據(jù)的基本原理。第二部分，混光實現(xiàn)，分析參與混光的不同極性方向上的發(fā)光單元和混光結(jié)果之間的關系，制定混光執(zhí)行方案。第三部分，控制信號生成，分析單片機硬件I/O口與執(zhí)行電路、混光輸出之間的狀態(tài)關系，制定調(diào)光信號編碼。第四部分，軟件編寫，根據(jù)任務編制程序流程圖，編寫程序。

總體方案中提到了三個基本原理：脈沖電流的面積等效原理、顏色混合定律之格拉斯曼混光原理、人眼的視覺暫留現(xiàn)象。

1)混光實現(xiàn)[12]。由圖5可知當改變驅(qū)動電流IF方向(即A→B到A←B)時，兩組燈交替點亮。如圖6的坐標系，Y軸代表電流，正負半軸代表電流的兩個方向，A→B和A←B，X軸代表時間，X軸上下區(qū)間帶顏色的部分分別代表第一組LED燈和第二組LED燈。圖7為光輸出波形，X、Y軸分別代表亮燈時間和光通量。

圖6 電流波形Fig.6 Current waveform

圖7 光輸出波形Fig.7 Light output waveform

燈絲采用異步雙向脈寬調(diào)制驅(qū)動控制，即在同一串聯(lián)電路中，同一時間區(qū)間內(nèi)，加載兩個方向相反的脈動驅(qū)動電流，如圖6所示，將IF1、IF2兩個電流分別置于時間軸T的上下兩個區(qū)間，其脈沖時間分別為：

①IF1：表示2 700 K白光LED驅(qū)動電流；

②IF2：表示6 500 K白光LED驅(qū)動電流；

③t1：表示IF1瞬時開啟時間，0≤t1≤T1；

④t2：表示IF2瞬時開啟時間，0≤t2≤T1；

⑤T1：表示IF1、IF2累計開啟時間，T1=t1+t2；

⑥T2：表示IF1、IF2累計關閉時間，T2=1/f-T1(f為光輸出頻率，一般地f≥20 Hz)。

IF1、IF2均由連續(xù)脈沖組成，脈沖寬度t1、t2和脈沖周期(T1+T2)均根據(jù)混光原理計算輸出而獲得。且由于人眼的視覺暫留時間約為0.05～0.2 s，為了光輸出視覺感受更穩(wěn)定、更舒適，脈沖周期一般設定為小于50 ms。

根據(jù)面積等效理論，也就是沖量相等而形狀不同的窄脈沖加在具有慣性的環(huán)節(jié)上時，其效果基本相同。

所以，對于圖7中的分時控制方式，IF1和IF2作用于同一電路的不同方向上，其各自的累積量與獨立電路的情況是完全一樣的。也就是說，圖6與圖7中，IF1與IF1′的效果是一樣的，IF2與IF2′的效果也是一樣的。

依據(jù)格拉斯曼混光原理，計算2 700 K和6 500 K的混光比例，并分別賦值給t1和t2，調(diào)節(jié)t1/t2的比值可以調(diào)節(jié)燈的色溫，能實現(xiàn)燈色溫在范圍2 700～6 500 K(取決于參與混色的光源色溫值)內(nèi)可任意調(diào)節(jié)。

調(diào)節(jié)T1/(T1+T2)的比值可以調(diào)節(jié)燈輸出的光通量大小，能實現(xiàn)燈光通量百分比在范圍0～100%之間線性調(diào)節(jié)。

2)控制信號生成。根據(jù)本項目硬件設計可知單片機(MCU)IO口電平狀態(tài)、LED執(zhí)行電路狀態(tài)和LED亮燈狀態(tài)，三者之間的關系如表1所示。由此可以確定不同LED的亮燈時間，分別設定為，Lx的亮燈時間是t，Lx′的亮燈時間是t′,同時滅燈時間為ta。為了精確控制，將時間單位定為ms級。

表1 MCU I/O口-LED亮燈狀態(tài)對照表Table 1 MCU I/O port-LED light status comparison table

3)軟件編寫。通過混光原理和亮燈控制方法，已經(jīng)把任務由現(xiàn)實需求問題轉(zhuǎn)化成數(shù)據(jù)處理問題。接下來是程序編寫，軟件由一個主程序和若干子程序構(gòu)成，現(xiàn)就主程序和兩個關鍵子程序(混光計算子程序，雙向脈寬調(diào)制子程序)作介紹。

(a)主程序。如圖8所示，主程序的控制方法：①開始；②初始化；③判斷是否接收到調(diào)光指令，若是則執(zhí)行混色混光計算子程序，若否則執(zhí)行步驟④；④執(zhí)行雙向脈寬調(diào)制子程序；⑤判斷色溫亮度，若符合要求則直接輸出，若不符合要求則進行補償校準。

圖8 主程序Fig.8 Main program

(b)混光計算子程序。如圖9所示，混色混光計算子程序的控制方法：①輸入設置值：用戶目標色溫值、用戶目標亮度值；②由格拉斯曼定律計算2 700 K/6 500 K即t/t′，得到混色比例；由面積等效原理計算(t+t′)/T得到光通量比例；③完成。

圖9 混光計算子程序Fig.9 Calculation subroutine for mixing light

(c)雙向脈寬調(diào)制子程序。如圖10所示，雙向脈寬調(diào)制子程序的控制方法：①開始；②P3～P0賦值0110；③延時t；④P3～P0賦值1001；⑤延時t′；⑥P3～P0賦值1111；⑦延時ta；⑧完畢。

圖10 雙向脈寬調(diào)制子程序Fig.10 Bidirectional PWM subroutine

2.4 設計驗證

經(jīng)組裝-調(diào)試后，使用YF1000光色電綜合分析系統(tǒng)對各項性能參數(shù)進行測試，并做記錄。經(jīng)分析，功能正常，各項性能指標與原設計目標一致。特別是混色混光功能，色溫調(diào)節(jié)、光通量調(diào)節(jié)柔和均勻，外形與普通LED燈絲一致，符合設計預期，具備實用性。具體試驗結(jié)果如圖11所示，圖(a)、(b)分別為色溫調(diào)節(jié)試驗結(jié)果和光通量線性調(diào)節(jié)試驗結(jié)果。

圖11 驗證結(jié)果折線圖Fig.11 The polyline diagram of the verification results

就前面提到的LED燈絲燈設計中的“結(jié)構(gòu)外觀”和“調(diào)光效果”兩個方面，將本文的LED燈絲燈調(diào)光方案，與前面介紹的普通LED燈絲燈和可調(diào)光LED燈絲燈綜合對比，結(jié)果見表2。我們可以看出，本文的調(diào)光方案解決了原有LED燈絲燈技術(shù)存在的調(diào)光效果與結(jié)構(gòu)外觀不能兼容的問題。

表2 設計效果對比Table 2 Comparison of the design effect

3 總結(jié)

我們研究了一種LED燈絲燈調(diào)光設計方案，分析了現(xiàn)有LED燈絲燈技術(shù)，提出了設計目標、技術(shù)依據(jù)、總體方案和軟硬件設計思路，并進行了實踐和驗證。通過試驗，本文的方案能夠解決原有LED燈絲燈技術(shù)存在的調(diào)光效果與結(jié)構(gòu)外觀不能兼容的問題，精確的色溫調(diào)節(jié)功能和光通量線性調(diào)節(jié)功能，并且燈絲保留了雙電極的結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)簡潔，接線簡單，從外形看與普通不可調(diào)光的LED燈絲一樣。但是本文的方案存在成本較高、設計相對復雜兩點不足。這兩個問題實際上可以用同一個思路解決，即控制裝置的集成化、規(guī)格化，將各個功能單元盡量集成在一個芯片中，包括單片機的功能，精簡外圍元件數(shù)量；并把軟件一次性掩膜進芯片中，提高效率，提高可靠性，簡化設計，降低成本。