室内白光 LED 照明的精确控制开辟了创造性用途

作者：SAMY AHMED，应用工程师经理兼 DR。DIRCK SOWADA， Vishay Semiconductor GmbH 传感器产品营销、测试和表征高级经理

虽然在安装常规光源时必须指定并实施亮度和色彩效果，但室内使用的白光 LED 的到来为用户提供了多种多变和创造性的可能性。使用分档和合适的光度计，可以选择和精确控制复杂的光照场景。甚至可以考虑 LED 光源的老化过程。

尽管与传统光源相比，白光 LED 具有多种选择和优势，但它们需要额外的努力和费用来确保所需的照明条件在长期内保持可变和可预测以及稳定。主动控制系统可以提供帮助。除了长期变化，例如 LED 在其生命周期内的亮度损失和白光 LED 中转换器质量的老化过程以及由此导致的色温在黑体曲线附近的漂移之外，还需要控制系统对高速事件作出反应和补偿。其中包括光学参数随温度的变化、LED 集群中单个 LED 的故障以及工作点的变化（亮度 E V, 色温 CCT) 由最终用户决定。这种控制系统现在只需一个光学传感器即可实现。  

光传感器

为了实现白光控制方案，有多种传感器选项。TEMD5510FX01 或 TEMT6200X01 等简单的环境光传感器可用于通过测量与人眼响应度相对应的模拟光电流来控制亮度。另一种选择是 RGB 传感器，例如基于 CIE1931/DIN5033 标准的 VEML6040。VEML6040 是一个 CMOS 芯片，包含一个放大器、模拟和数字电路，以及四个带有用于红、绿、蓝和白光谱分量的带通滤波器的光电二极管。RGBW 信息可以通过 I 2由微处理器检索C总线。通过这种方式，可以针对暖白/冷白 LED 混合场景的亮度和色温实现简单的控制回路。甚至可以控制纯色 RGB 光源或由 RGB 和白色 LED 制成的异构组件。由于在获得专利的 Filtron 技术中为传感器实施了彩色滤光片，滤光片特性与 CIE1931 的标准化响应曲线非常接近，因此可以实现在温度范围内稳定的精确控制系统（图 1 ）。Vishay Semiconductors 在 VEML6040 以及 VEML6075 数字 UVA/B 传感器和 VCNL4040 接近和环境光传感器中使用了这项技术，以实现必要的光谱响应度。

图 1：VEML6040 RGB 传感器中 RGB 通道的相对光谱响应度，基于 CIE1931 的人眼响应度。

当谈到控制回路中的温度时，需要考虑两种不同的温度机制。一是环境温度变化（通常从 20°C 到 85°C）对白光 LED 光谱特性的影响。另一个是 LED 在运行期间的内在发热，它也会以取决于亮度（电流）和 LED 技术的方式影响色温。  

光参数的主动控制

今天的控制系统经常使用预先测量的亮度和色温特性曲线族。这些曲线是在最佳热条件下确定的，最喜欢的解决方案是通过 EEPROM 将它们提供给控制系统。虽然这种解决方案在改变亮度或色温时非常快速，但由于缺乏主动监控的光学量，它们非常不灵活。通过同时测量 LED 散热器附近的温度来扩展控制系统，可以理想地消除数字化曲线族的热漂移。然而，考虑到灯的老化几乎是不可能的。  

图 2 展示了 VEML6040 RGB 传感器在混合照明的主动反馈控制系统中的使用，该系统使用基于微控制器的暖白和冷白 LED 集群和具有模拟控制输入 (0–10 V) 的恒流电源或数字控制输入（Dali、DMX）。亮度 E V 和色温 CCT 是使用映射矩阵从测得的 RGB 传感器值计算得出的，该映射矩阵为照明系统确定一次，并且必须存储在 EEPROM 中。VEML6040 应用说明中描述了这种映射矩阵的创建 。曲线族的可选存储（CCT，E V 作为 LED 电流的函数）有助于在用户切换亮度和色温时快速设置初始工作点。由此，控制回路根据目标值移动到最终操作点。将传感器的集成时间设置为一组 RGB 值的默认值 80 毫秒，启动时间可能小于 400 毫秒至 600 毫秒。  

图 2：使用微控制器和 RGB 传感器的亮度 EV 和色温 CCT 的主动控制系统。

为了验证控制电路和 RGB 传感器的性能，使用暖白 (CCT = 3050 K) 和冷白 (CCT) 的两个 LED 集群（12 W，Ra > 90，最大 350 mA）设置照明系统= 6700 K)。除 RGB 传感器外，还使用专业光度计和光谱光度计测量和检查光学参数。

第一步，针对 100% 暖白、100% 冷白和 50% 暖白/50% 冷白的光照场景确定传感器的 RGB 值。此外，使用光谱光度计测量三刺激 XYZ 值，它们用于定义传递矩阵 R、G、B -> X、Y、Z。借助该矩阵，在控制系统中计算了亮度和色温的实际光学量。然后计算暖白光和冷白光 LED 集群的新电流并将其传递到电源。这关闭了控制回路。

在确定矩阵之后，可以计算和控制使用暖白和冷白的任意数量的混合场景。作为控制动作质量的衡量标准，分析了色温和亮度的目标值与实际值之间的误差。为了可视化测量的色温，图 3中再现了来自 CIE1931 的用于 LED 配置的混合区域的 x/y 颜色空间的相关摘录。除了三个校准值之外，还输入了一些混合场景。这些场景的色温是使用 RGB 传感器确定的。在每种情况下输入的误差描述了 RGB 传感器和专业测量参考之间的差异。

图3：根据CIE1931，x/y颜色空间中色温CCT的控制区域。

整个控制系统的精度受到RGB传感器和控制算法的精度的决定性影响。虽然使用简单的算法计算LED电流可以在整个参数空间（LED电流：0–350 mA）上实现优于0.5%偏差的CCT和EV的可重复精度，但可以使用RGB传感器设置所用白色LED簇的可达到混合颜色空间上的CTT<2.5%的测量误差。对于带有VEML6040 RGB传感器的完整控制系统，CCT的控制精度优于4%，亮度EV的控制精确度优于5%。这些细微差异可用于室内灯光控制。

测量结果表明，室内使用的两个最重要的光学参数的主动控制系统可以通过一个 RGB 传感器简单地实现，以创造长期稳定的条件，并对快速变化做出精确反应。

概括

基于 VEML6040 RGB 传感器的主动控制系统可以显着提高用户便利性和基于白光 LED 的现代室内照明场景的光质量。目标是为客户提供一个独立的系统，不需要最终用户了解任何有关控制系统或光学参数的信息。在根据用户友好的亮度设置和色温（暖色、中性、冷色）形式的照明效果选择照明场景后，主动控制系统本身可以最大程度地考虑和补偿, 对于干扰变量，例如光源的老化和温度的影响。从目前的角度来看，这增加了室内舒适和便利的价值。

审核编辑 黄昊宇