民用飛機駕駛艙LED指示燈模擬調(diào)光研究

黃順云

(航空工業(yè)上海航空電器有限公司，上海 201101)

引言

位于飛機駕駛艙控制板組件上的指示燈也稱信號燈，有的是單獨的、有的包含于按壓開關內(nèi)部(Push Button Annunciator, PBA)，用于顯示飛機駕駛狀態(tài)、航行狀況、機體信息等，基于不同的狀態(tài)信息和反饋需求顯示不同的顏色與亮滅狀態(tài)、對應不同的應用場景。飛機在全天候氣象條件下航行，會遇到差異較大的各種光環(huán)境，如陽光直射或黑暗環(huán)境等，指示燈上的信息必須在所有情況下被飛行員迅速識別且不會產(chǎn)生不必要的干擾。為適應人眼的需求，指示燈需有調(diào)光功能，即其亮度參數(shù)需隨外部光環(huán)境的變化而改變。目前通用的方式是亮、暗兩種模式的切換，也有少部分機型提供低亮度段的連續(xù)調(diào)光功能。由于LED高光效、長壽命、小尺寸、安全可靠等特點，目前主流機型的指示燈均使用LED為光源，其調(diào)光實現(xiàn)方式主要為脈沖寬度調(diào)制(Pulse width modulation, PWM)調(diào)光、模擬調(diào)光等[1]。

本文針對駕駛艙LED指示燈的調(diào)光，調(diào)研了國內(nèi)外行業(yè)標準以及在研、運營機型中相關的光性能指標要求，從LED特性出發(fā)分析兩種調(diào)光方式的優(yōu)劣，測試了指示燈電流與亮度的關系，確認模擬調(diào)光方案的可行性。本文為后續(xù)機型的駕駛艙指示燈調(diào)光設計提供參考依據(jù)，以期提供多種選擇，在保障駕駛艙光電性能等品質(zhì)的條件下提高設計與制造的工作效率，并為指示燈產(chǎn)品的國產(chǎn)化研制提供理論基礎。

1 光性能指標要求

飛機駕駛艙指示燈的示例如圖1所示，與其光性能指標相關的國外標準包括SAE ARP4102/4[2]、MIL-PRF-22885[3]、MIL-STD-411[4]、SAE AS25050[5]、MIL-STD-3009[6]等。國內(nèi)的相關標準多是參考國外標準，主要涉及GJB 1006[7]、HB 6441[8]、GJB 1394[9]、GJB 2020A[10]等，其中的亮度與色度的量化指標與國外標準相似。綜合上述的標準，飛機指示燈亮度的調(diào)光要求集中在亮模式(BRT)510～1300 cd/m2、暗模式(DIM)51±10 cd/m2(告警注意類)或3.4±1.7 cd/m2(信息提示類)，極端情況需暗至0.34 cd/m2(夜視兼容類)。由于民用飛機無夜視兼容的要求，因此，依據(jù)行業(yè)標準，其駕駛艙指示燈的調(diào)光范圍需達到18倍與266倍。

圖1 飛機駕駛艙指示燈示例

對于指示燈的色度指標，綜合國內(nèi)外的行業(yè)標準，主要分為三類，如圖2所示。

圖2 行業(yè)標準的色度指標

根據(jù)部分在研與運營的民用機型的需求，其指示燈的亮度指標集中在亮模式514.5～1 715 cd/m2、暗模式15～82.3 cd/m2，因此指示燈的調(diào)光范圍約為20～50倍，色度要求如圖3所示。

圖3 各機型色度指標

2 模擬調(diào)光特性

2.1 指示燈調(diào)光方式

主流機型的駕駛艙指示燈調(diào)光方式分為占空比PWM調(diào)光及模擬調(diào)光兩種，前者由于色度穩(wěn)定、亮度調(diào)節(jié)線性度好，所以更多地被應用。

PWM調(diào)光的方式是在LED光源上加載周期性通斷的驅(qū)動，當通斷變化頻率較高(如大于100 Hz)，人眼無法識別通與斷的狀態(tài)，便感受不到閃爍。此時視覺感受是平均化后的亮度，由此可以通過調(diào)節(jié)占空比的量值而改變指示燈的亮度，兩者關系是線性的。PWM調(diào)光的優(yōu)勢是LED亮度控制精準、色度漂移較小，因此應用較為廣泛。但劣勢是需要利用可編程硬件或軟件實現(xiàn)占空比的量值控制，增加了設計的復雜度，對飛機整體的可靠性、成本等不利，還會增加研制過程中管控的工作量。同時為保障亮模式與暗模式間的調(diào)光精確度，PWM方波需包含較多的高頻信號，這與駕駛艙中的電磁兼容要求有沖突[11,12]。

模擬調(diào)光的原理較為簡單，由于LED發(fā)出的光量與其電流呈近似線性關系，因此通過調(diào)節(jié)LED的電流即可相應改變指示燈的亮度。根據(jù)文獻調(diào)研，當單色LED的電流上升，其色度會向藍色方向偏移，即波長會減小、色度x值隨之減小。當LED的節(jié)溫上升，其色度會向紅色方向偏移，波長增大、色度x值隨之增大[13]。由于電流與溫度有相關性，所以指示燈的色度漂移情況不確定。而對于白光LED，當受到電流與溫度影響，其內(nèi)部的藍光波長發(fā)生偏移，熒光粉的激發(fā)效率會發(fā)生變化，從而影響色度x值與y值。同時，由于指示燈的亮度調(diào)節(jié)范圍大，暗模式時需使用的LED電流較低(如小于1 mA)。此時，LED電流與亮度不再是精確的線性關系，曲線會發(fā)生變化，從而對亮度的控制造成困難?；谏鲜鲞@些原因，一般認為模擬調(diào)光對指示燈的光色影響較大，是次之的選擇。但其光性能的變化究竟有多少，是否超出了可使用的范圍，下一節(jié)將做詳細的測試分析。

2.2 指示燈模擬調(diào)光實驗

實驗測試樣本選取業(yè)內(nèi)全球主流的供應商出售的318系列指示燈產(chǎn)品，其簡述的照明電路原理示意如圖4所示。其中，上方的LED為指示燈的上層字符(如有)照明，下方的LED為指示燈的下層字符(如有)照明。LED串聯(lián)一個限流電阻，用以控制指示燈的亮度。不同的指示燈產(chǎn)品其內(nèi)部LED的數(shù)量與串并聯(lián)方式會有所不同，但其光性能相似。

圖4 LED指示燈照明電路原理示意

選擇若干常用的紅光、琥珀光、綠光、白光指示燈，根據(jù)上述調(diào)研的行業(yè)標準中暗模式最低需調(diào)節(jié)至3.4 cd/m2的要求，設置實驗條件如表1所示，在不同供電條件下測試指示燈字符的亮度，實驗裝置使用示意如圖5所示?？紤]到各指示燈上下層字符顏色不同，因此實驗以半層字符為對象考量電流與亮度的關系。

表1 實驗用設備及實驗條件

圖5 實驗裝置使用示意

如圖6所示為某一指示燈的測試結(jié)果，在大部分情況時其亮度的變化與電流的變化呈正比，只在較低的電流條件下逐漸出現(xiàn)變化且變化量較小，如圖7所示。雖然電流與亮度間的關系變化不明顯，但根據(jù)實際的使用經(jīng)驗，模擬調(diào)光的方式會對指示燈的暗模式亮度有顯著的影響。

圖6 指示燈光性能測試示意

圖7 指示燈電流亮度測試結(jié)果(低電流段)

將測試結(jié)果轉(zhuǎn)換為亮度歸一化與電流歸一化的比值，分析該比值與電流之間的關系。圖8為所有指示燈樣本的測試結(jié)果，橫坐標為半層指示燈的電流值I，縱坐標為半層指示燈字符亮度歸一化與電流歸一化的比值?？梢钥吹礁髦甘緹舻内厔葺^為接近，隨著電流降低，特別是小于2 mA時，亮度的降低速度逐漸快于電流。

圖8 指示燈亮度電流歸一化比值與電流的關系

根據(jù)行業(yè)標準與機型需求，指示燈的調(diào)光需求至少大于18倍，因此指示燈在暗模式時的工作電流需小于2 mA。選取此區(qū)間內(nèi)的測試數(shù)據(jù)，擬合為式1，如圖9所示。擬合結(jié)果R2為0.948、P值小于0.01，方程具有顯著性，即具有統(tǒng)計學意義，可以解釋實驗數(shù)據(jù)中94.8%的變異量。

Ln/In=0.1174ln(I) + 0.9289 (I≤2 mA)

(1)

其中，Ln為亮度歸一化值即亮度的下降比例、In為電流歸一化值即電流的下降比例，I為半層指示燈的電流、是亮模式時的最大電流IBRT乘以In。

圖9 2 mA及以下區(qū)間測試點的擬合

因此，式(1)可以轉(zhuǎn)換為式(2)，其中，Ln是已知的亮度下降比例的要求，亮模式電流IBRT可通過測試獲取，由此可計算出電流的下降比例In。再通過已知的亮模式電流值IBRT可得暗模式時的電流值IDIM為IBRT×In，將此計算所得的暗模式電流落實到指示燈的調(diào)光電路設計中，即可滿足指示燈暗模式時的亮度要求。

Ln/In=0.1174ln(IBRT×In) + 0.9289 (I≤2 mA)

(2)

為確認上述的擬合公式是否滿足使用要求，隨機抽取指示燈樣本，在不同的暗模式亮度條件下將電流測試值與理論計算值進行對比，結(jié)果見表2，其誤差趨勢如圖10所示?？梢钥吹秸{(diào)光比例小于1 000倍時，計算所得暗模式的電流值誤差在12%以內(nèi)。根據(jù)行業(yè)標準與機型需求，至多266倍的調(diào)光要求能夠由上述的擬合公式滿足。由于不同類型的指示燈內(nèi)部LED光源數(shù)量及串并聯(lián)方式不同，其亮度電流曲線會有所不同，但曲線的趨勢是類似的，基于上述的方法均即可尋到一個適用的擬合關系式。另外，由于白光LED與單色LED發(fā)光機理不同，白光指示燈使用數(shù)據(jù)全集所擬合的公式計算所得的結(jié)果誤差會大于其它顏色的指示燈，如圖10所示。如果指示燈亮度的容差范圍較小、對理論計算誤差的要求較高，可為白光指示燈單獨擬合關系式。

接下來是指示燈色度性能的考察，色度隨電流變化的測試結(jié)果如圖11所示，紅光、琥珀光、綠光指示燈的色度相對于其需求范圍漂移不明顯，根據(jù)式(3)計算得其偏移量均值分別為0.003、0.0017、0.024，變化量小于各自要求范圍的1/10。白光的變化相對大些，平均的偏移量為0.013，小于其要求范圍的1/5。

ΔE=(Δx2+Δy2)1/2

(3)

表2 擬合公式的計算誤差

圖10 擬合公式有效性驗證

其中，Δx與Δy為色度差異最大的兩個點的坐標差值，即ΔE是此兩點的距離。

圖11 指示燈電流色度測試結(jié)果

為進一步確認白光指示燈隨電流變化時的色度漂移是否會對人眼視覺產(chǎn)生影響，根據(jù)GB/T 10682[14]以量化的色容差參數(shù)做評判，計算方法如式(4)，標準中要求在5個單位內(nèi)為可接受范圍。

(g11Δx2+ 2g12ΔxΔy+g22Δy2)1/2

(4)

其中，Δx與Δy為色度差異最大的兩個點的坐標差值，根據(jù)本次測試的白光色溫區(qū)域，g11=38×104、g12=-20×104、g22=25×104。

計算得被測的白光指示燈的平均色容差為4.3，符合小于5的要求，所以白光指示燈由亮模式到暗模式的色度漂移也在人眼可接受的范圍內(nèi)。以上的測試僅適用于選定系列的指示燈，對于不同供應商、不同系列的指示燈產(chǎn)品，針對不同的機型需求，均應以上述的方式確認指示燈的色度偏移量是否能夠符合暗模式調(diào)光的要求。

2.3 應用案例

某民用機型中，使用的指示燈為318系列產(chǎn)品，部分指示燈安裝在無軟件控制的位置，使用模擬調(diào)光是較優(yōu)的方式。

以一琥珀色指示燈為例，僅下層有字符需照明，如圖12框線內(nèi)的部分為指示燈內(nèi)部照明原理示意。指示燈的亮度指標要求為亮模式514.5～1 543.5 cd/m2、暗模式27.4～82.3 cd/m2，即調(diào)光倍數(shù)為18.8，色度要求如表3所示。

首先測得該指示燈在亮模式時的電流為12.78 mA、亮度為986.7 cd/m2，計算得其內(nèi)部單個電阻的阻值約為950 Ω。根據(jù)式(2)可得暗模式的電流約為0.77 mA。而后設計調(diào)光電路如圖13所示，暗模式時指示燈的外部增加串聯(lián)一限流電阻。根據(jù)暗模式的電流值等已知信息，計算得到增加的限流電阻為15 kΩ。將此方案應用于產(chǎn)品，該指示燈在暗模式下的亮度測試結(jié)果為49.56 cd/m2，符合27.4～82.3 cd/m2的要求；色度測試結(jié)果為x=0.6264、y=0.3726，符合表3的要求。

表3 某機型指示燈琥珀色色度要求

圖12 某機型琥珀色指示燈及其模擬調(diào)光原理示意

3 總結(jié)

結(jié)合上述的需求調(diào)研、實驗測試、結(jié)果分析及應用案例，模擬調(diào)光的方式可應用于飛機駕駛艙LED指示燈的亮暗調(diào)節(jié)。所得的式(2)可計算暗模式時指示燈的電流以確保其亮度符合要求，色度在調(diào)光過程中出現(xiàn)的漂移量符合要求的范圍以及人眼視覺的需求。需指出的是，若指示燈內(nèi)部的電路原理或LED選型發(fā)生變更，則式(2)可能不再適用，需根據(jù)2.3中的方法測試得到一系列數(shù)據(jù)重新擬合關系式，同時需注意考察色度的漂移量是否超出要求的范圍。

模擬調(diào)光雖有其劣勢，但勝在設計簡潔且成本低，民用飛機駕駛艙指示燈的調(diào)光設計需結(jié)合產(chǎn)品總體的設計方案綜合考量，選用最合適的方法。