白光LED智能调光数学模型

周锦荣

(闽南师范大学物理与信息工程学院,福建漳州 363000)

白光LED智能调光数学模型

周锦荣*

(闽南师范大学物理与信息工程学院,福建漳州 363000)

LED灯的光通量不仅受电流的影响,还受到结温变化的影响。针对传统LED调光存在只改变电流大小而忽略结温变化对光通量影响所存在的不足,结合LED结温和管脚温度存在特定的关系,利用实验装置采集HL001WY型GaN基白光LED在不同管脚温度和正向电流下的光通量实验数据并进行二次项趋势回归,利用定标和归一化方法建立光通量、电流以及管脚温度三者变化关系的数学模型。计算结果表明,利用该方法建立的模型得到的计算数值与实验实际测量值的相对误差小于4.5%。

智能调光;模型分析;电光转换;热分析

1 引 言

随着大功率LED在照明领域应用的迅速普及,各种智能调光系统广泛用于家居、隧道照明,农作物培育等领域[1-3]。目前,多数的智能调光系统都采用模拟线性调光或PWM反馈调整改变电流来改变光通量,达到调光的目的[1-5]。然而, LED灯的光通量虽然主要取决于所加的正向电流,但还会受到结温的影响,结温影响着它的光色电性能[6-9]。在恒定电流驱动下,LED灯获得的光通量会随着结温的升高而变小,导致发光效率降低[10]。因此,在所需要的光通量一定的情况下,应综合考虑结温对LED灯发光的影响来决定供电电流的大小,达到合理、精确的调光目的。

目前,单个LED灯的结温测量方法有正向电压法、热阻法、蓝白比法、光谱法等[10-12],但这些测量方法比较复杂,不利于实际应用。由于结温和LED灯管脚温度存在特定的关系,且LED灯管脚温度的测量相对方便[11],本文从精细智能调光控制需要出发,通过采样LED灯管脚的实际温度情况并分析所测得的光通量与电流、管脚温度实验数据,建立了三者之间的相关数学模型,把实际问题转化为数学语言来描述。计算结果表明,利用该模型得到的计算数值与实验实际测量值的相对误差小于4.5%。

2 实 验

2.1 实验平台

实验采用杭州远方光电信息有限公司提供的产品搭建相应的测试系统平台,测试装置如图1所示。测试时,LED样品放置于型号为AIS_2_ 0.5m_R98的LED专用积分球里(测量前先用标准灯进行定标)。WY605精密数显直流稳流稳压电源设置为稳流输出,其输出误差为±0.5 mA。TC-100用于对CL-200温控装置的温度进行采集和恒温调整,其温度控制范围为20～105℃,控制精度为±0.5℃。WY605精密电源为CL-200实现温度调节提供相关的电源,并通过CL-200温控装置为积分球内的LED灯提供恒定的电流。所需要的温度和电流通过上位机软件控制平台利用RS232串口通讯来设定。HAAS-2000高精度快速光谱仪用于采集积分球内的LED发光光谱信号,并通过USB通讯送上位机进行处理,准确测量出LED灯的光谱数据。

图1 LED实验测试装置示意图Fig.1 Schematic of the experimental test

实验样品为10只中国台湾半导体公司的HL001WY型号的1 W氮化镓(GaN)白光LED。各LED实际的光通量在25℃环境温度、350 mA电流下测试,并确定一只光谱和其他样品较接近的LED作为实验测试研究对象。图2所示是选定用作实验测试研究对象的LED在25℃、350 mA条件下测得的相对光谱图。

图2 GaN基白光LED样本的相对光谱Fig.2 Relative spectrum of GaN-based white LED sample

2.2 实验方法

LED灯的发光效率、光通量等参数会随着结温和所加的驱动电流的大小而发生变化。为了获得温度变化、电流变化以光通量对应的变化关系,实验中对所选的HL001WY型LED灯进行如下测试:

(1)利用恒温控制器设定控制温度,在20～70℃每隔5℃测量一次LED灯的管脚温度TP;

(2)在各种温度状态下调节WY数控电源,采集不同正向电流IF(10～360 mA)下的LED光通量,通过EXCELL软件对测量数据进行图表拟合,结果如图3所示。

图3 不同管脚温度下的电流和光通量的对应变换关系曲线Fig.3 Relationship of flux and currentat different temperatures

3 数学模型分析

根据图3中各温度环境下的电流和光通量的对应变换关系曲线,利用EXCELL图表处理中拟合曲线的趋势回归功能,采用二次项方式添加,得到各温度下相应的趋势线的二次项表达式:

其中i取值范围为1≤i≤11。

根据各曲线相关系数项的具体数值,建立如 下的矩阵方程式:

设式中的通用二次项表达式为Y=Ax2+Bx+C,则各拟合曲线得到的趋势回归表达式二次项的系数ai=-0.000 2,即可得A=ai=-0.000 2。B 和C值可采用以下定标求解方法获得:

(1)确定定标曲线

找出最能体现各曲线的变化情况作为定标曲线。采用均值求解法求出上式中bi和ci的均值:

对比各温度曲线二次项式系数,找到 值最接近的bi为b6。以系数b6所在的曲线为基础,进行第一次定标,则可设定b0=b6=0.273 0,c0= c6=0.892 5,并确定出该曲线对应的温度值T0= 45℃为定标温度。

(2)建立归一化方程,求数学模型

实验中所测量的数据样本具有一定的分散性和随机性,样本方差能够反映一组测量数据的变异程度或分散程度。利用温度每变化5℃的bi和ci的数值,根据式(5)和式(6)可以得出温度每变化1℃对bi和ci的影响:

式中,M为实验测试的间隔温度,M=5;N为实验温度的采样样本数,N=11。

考虑不同温度状态的影响,建立归一化方程:

当用T0=45℃进行定标时,得到通用数学模型表达式:

(3)通用数学模型的适用性检验

式(8)是利用趋势曲线回归方程、并在T0= 45℃时定标得到。为检验方程是否具有实用价值,采用模型计算值与各实验值的相对误差来进行检验。根据式(8)计算了各温度条件下,电流每变化20 mA所引起的光通量,并将其与实验测量值进行对比。相对误差δ如下式所示:

式中,Δ为绝对误差,L为真值(实验测量值)。

为了分析所建立模型的适用性,通过计算得到如图4所示的相对误差。

分析图4可知,通过对趋势回归曲线进行定标和归一化后得到的通用数学模型的计算值和实际测量值之间的相对误差δ＜4.5%,多数误差值在2%以下,说明数学建模后得到的计算值与实际实验测试值的偏差不大,具有较好的适用性。

图4 模型计算值与实验测量值的相对误差Fig.4 Relative error model calculations and experimental measurements

4 结 论

考虑到LED灯的光通量随施加的正向电流而改变,同时也受自身结温变化的影响,在实验基础上建立了光通量、正向电流和管脚温度的数学关系模型。该模型改进了简单的电流调光模式,通过采样LED灯管脚温度作为变量参数进行相应的补偿调整来近似抵消结温对光通量的影响。该模型具有较好的适用性,计算值和实际测量值之间的相对误差δ＜4.5%。由于不同类型的LED在不同的温度和电流环境下的光谱曲线不同,因此在实际应用中,当所使用的LED类型发生变化时,应及时进行测试实验,对数学模型进行相应的更新,达到高效、精确的智能调光目的。

[1]Wang L,Wang X D,Huang G Y,et al.Research and design of the tunnel lighting dimming system based on LED light source[J].Proc.Autom.Instrum.(自动化仪表),2012,33(12)∶54-57(in Chinese).

[2]Fan H P,Li JL,Liu ZD.Plant intelligent LED dimmer system design based on WSN[J].J.Agric.Mechan.Res.(农机化研究),2013(12)∶178-181(in Chinese).

[3]Zhao QM,Zhou X L,Zhou M Q,et al.Research on the effect of LED lighting system for supplementary lighting on the arabidopsis seed germination[J].China Illumin.Eng.J.(照明工程学报),2012,23(3)∶64-68(in Chinese).

[4]Loo K H,Lai Y M,Tan SC,et al.On the color stability of phosphor-converted white LEDs at DC,PWM,and bilevel drive[J].IEEE Trans.Power Electron.,2012,27(20)∶974-984.

[5]Zhang JJ,Zhang T,Zheng Q,etal.Radiantefficiency and thermal analysis of high-power LEDs at linear and PWM dimmingmodes[J].J.Optoelectron.·Laser(光电子·激光),2013,24(1)∶50-55(in Chinese).

[6]Cui D S,Guo W L,Cui B F,et al.Effects of injection current on optical characteristics of GaN-based power LED[J]. J.Optoelectron.·Laser(光电子·激光),2011,22(9)∶1309-1312(in Chinese).

[7]ZhongW J,Wei A X,Zhao Y.Dependence of GaN-based white LED colorimetric parameters on junction temperature [J].Chin.J.Lumin.(发光学报),2013,34(9)∶1203-1207(in Chinese).

[8]Wang JC,Fang CH,Wu Y F,et al.The effect of junction temperature on the optoelectrical properties of InGaN/GaN multiple quantum well light-emitting diodes[J].J.Lumin.,2012,132(2)∶429-433.

[9]Xu Y Q,Li B Q,Zhao W,et al.Influence of thermal effect on white LED photoelectric properties[J].Mater.Res. Appl.(材料研究与应用),2014,8(4)∶245-250(in Chinese).

[10]Hu CQ,Zhang FH,Zhang J.The spectral and junction temperature properties of new white light LED[J].Chin.J. Lumin.(发光学报),2012,33(9)∶939-943(in Chinese).

[11]Chen T,Chen Z Z,Lin L,et al.Methods for determining junction temperature of GaN-based white LEDs[J].Chin.J. Lumin.(发光学报),2006,27(3)∶407-412(in Chinese).

[12]Liu LM,Zheng X D.Measurements of LEDs spectral characteristics and junction temperature[J].Chin.J.Lumin.(发光学报),2009,30(5)∶1069-1073(in Chinese).

周锦荣(1974-),男,福建漳州人,讲师,2006年于同济大学获得硕士学位,主要从事光电控制与信息处理方面的研究。

E-mail:jinrongzhou@163.com

Intelligent Dimmer Mathematical Model of White Light LED

ZHOU Jin-rong*

(College ofPhysics and Information Engineering,Minnan Normal University,Zhangzhou 363000,China)
*Corresponding Author,E-mail:jinrongzhou@163.com

LED light flux is affected not only by current,but also by the junction temperature change.The traditional LED dimming method typically only changes the current and ignores the junction temperature changes.In order to fix this downside,a mathematicalmodel was established based on the relationship among the luminous flux,current and pin temperature that can show the junction temperature of LED.The luminous fluxes of HL001WY type GaN-based white LEDs were tested at different currents and pin temperatures,and the experimental data were quadratic term trend regression.By using calibration and normalizationmethod,themathematicalmodelwas established.The calculations show that the relative error between the calculated value and the actual measured value is less than 4.5%.

smart dimming;model analysis;electro-optical conversion;thermal analysis

TN364+.2

:A

10.3788/fgxb20153608.0953

1000-7032(2015)08-0953-04

2015-04-27;

:2015-06-25

国家青年科学基金(61405086);福建省教育厅科研项目(JK2014027)资助