作者：SAMY AHMED，應用工程師經理兼 DR。DIRCK SOWADA， Vishay Semiconductor GmbH 傳感器產品營銷、測試和表征高級經理

雖然在安裝常規光源時必須指定并實施亮度和色彩效果，但室內使用的白光 LED 的到來為用戶提供了多種多變和創造性的可能性。使用分檔和合適的光度計，可以選擇和精確控制復雜的光照場景。甚至可以考慮 LED 光源的老化過程。

盡管與傳統光源相比，白光 LED 具有多種選擇和優勢，但它們需要額外的努力和費用來確保所需的照明條件在長期內保持可變和可預測以及穩定。主動控制系統可以提供幫助。除了長期變化，例如 LED 在其生命周期內的亮度損失和白光 LED 中轉換器質量的老化過程以及由此導致的色溫在黑體曲線附近的漂移之外，還需要控制系統對高速事件作出反應和補償。其中包括光學參數隨溫度的變化、LED 集群中單個 LED 的故障以及工作點的變化（亮度 E V, 色溫 CCT) 由最終用戶決定。這種控制系統現在只需一個光學傳感器即可實現。 ?

光傳感器

為了實現白光控制方案，有多種傳感器選項。TEMD5510FX01 或 TEMT6200X01 等簡單的環境光傳感器可用于通過測量與人眼響應度相對應的模擬光電流來控制亮度。另一種選擇是 RGB 傳感器，例如基于 CIE1931/DIN5033 標準的 VEML6040。VEML6040 是一個 CMOS 芯片，包含一個放大器、模擬和數字電路，以及四個帶有用于紅、綠、藍和白光譜分量的帶通濾波器的光電二極管。RGBW 信息可以通過 I 2由微處理器檢索C總線。通過這種方式，可以針對暖白/冷白 LED 混合場景的亮度和色溫實現簡單的控制回路。甚至可以控制純色 RGB 光源或由 RGB 和白色 LED 制成的異構組件。由于在獲得專利的 Filtron 技術中為傳感器實施了彩色濾光片，濾光片特性與 CIE1931 的標準化響應曲線非常接近，因此可以實現在溫度范圍內穩定的精確控制系統（圖 1 ）。Vishay Semiconductors 在 VEML6040 以及 VEML6075 數字 UVA/B 傳感器和 VCNL4040 接近和環境光傳感器中使用了這項技術，以實現必要的光譜響應度。

圖 1：VEML6040 RGB 傳感器中 RGB 通道的相對光譜響應度，基于 CIE1931 的人眼響應度。

當談到控制回路中的溫度時，需要考慮兩種不同的溫度機制。一是環境溫度變化（通常從 20°C 到 85°C）對白光 LED 光譜特性的影響。另一個是 LED 在運行期間的內在發熱，它也會以取決于亮度（電流）和 LED 技術的方式影響色溫。 ?

光參數的主動控制

今天的控制系統經常使用預先測量的亮度和色溫特性曲線族。這些曲線是在最佳熱條件下確定的，最喜歡的解決方案是通過 EEPROM 將它們提供給控制系統。雖然這種解決方案在改變亮度或色溫時非常快速，但由于缺乏主動監控的光學量，它們非常不靈活。通過同時測量 LED 散熱器附近的溫度來擴展控制系統，可以理想地消除數字化曲線族的熱漂移。然而，考慮到燈的老化幾乎是不可能的。 ?

圖 2 展示了 VEML6040 RGB 傳感器在混合照明的主動反饋控制系統中的使用，該系統使用基于微控制器的暖白和冷白 LED 集群和具有模擬控制輸入 (0–10 V) 的恒流電源或數字控制輸入（Dali、DMX）。亮度 E V 和色溫 CCT 是使用映射矩陣從測得的 RGB 傳感器值計算得出的，該映射矩陣為照明系統確定一次，并且必須存儲在 EEPROM 中。VEML6040 應用說明中描述了這種映射矩陣的創建?。曲線族的可選存儲（CCT，E V 作為 LED 電流的函數）有助于在用戶切換亮度和色溫時快速設置初始工作點。由此，控制回路根據目標值移動到最終操作點。將傳感器的集成時間設置為一組 RGB 值的默認值 80 毫秒，啟動時間可能小于 400 毫秒至 600 毫秒。 ?

圖 2：使用微控制器和 RGB 傳感器的亮度 EV 和色溫 CCT 的主動控制系統。

為了驗證控制電路和 RGB 傳感器的性能，使用暖白 (CCT = 3050 K) 和冷白 (CCT) 的兩個 LED 集群（12 W，Ra > 90，最大 350 mA）設置照明系統= 6700 K)。除 RGB 傳感器外，還使用專業光度計和光譜光度計測量和檢查光學參數。

第一步，針對 100% 暖白、100% 冷白和 50% 暖白/50% 冷白的光照場景確定傳感器的 RGB 值。此外，使用光譜光度計測量三刺激 XYZ 值，它們用于定義傳遞矩陣 R、G、B -> X、Y、Z。借助該矩陣，在控制系統中計算了亮度和色溫的實際光學量。然后計算暖白光和冷白光 LED 集群的新電流并將其傳遞到電源。這關閉了控制回路。

在確定矩陣之后，可以計算和控制使用暖白和冷白的任意數量的混合場景。作為控制動作質量的衡量標準，分析了色溫和亮度的目標值與實際值之間的誤差。為了可視化測量的色溫，圖 3中再現了來自 CIE1931 的用于 LED 配置的混合區域的 x/y 顏色空間的相關摘錄。除了三個校準值之外，還輸入了一些混合場景。這些場景的色溫是使用 RGB 傳感器確定的。在每種情況下輸入的誤差描述了 RGB 傳感器和專業測量參考之間的差異。

圖3：根據CIE1931，x/y顏色空間中色溫CCT的控制區域。

整個控制系統的精度受到RGB傳感器和控制算法的精度的決定性影響。雖然使用簡單的算法計算LED電流可以在整個參數空間（LED電流：0–350 mA）上實現優于0.5%偏差的CCT和EV的可重復精度，但可以使用RGB傳感器設置所用白色LED簇的可達到混合顏色空間上的CTT<2.5%的測量誤差。對于帶有VEML6040 RGB傳感器的完整控制系統，CCT的控制精度優于4%，亮度EV的控制精確度優于5%。這些細微差異可用于室內燈光控制。

測量結果表明，室內使用的兩個最重要的光學參數的主動控制系統可以通過一個 RGB 傳感器簡單地實現，以創造長期穩定的條件，并對快速變化做出精確反應。

概括

基于 VEML6040 RGB 傳感器的主動控制系統可以顯著提高用戶便利性和基于白光 LED 的現代室內照明場景的光質量。目標是為客戶提供一個獨立的系統，不需要最終用戶了解任何有關控制系統或光學參數的信息。在根據用戶友好的亮度設置和色溫（暖色、中性、冷色）形式的照明效果選擇照明場景后，主動控制系統本身可以最大程度地考慮和補償, 對于干擾變量，例如光源的老化和溫度的影響。從目前的角度來看，這增加了室內舒適和便利的價值。

審核編輯 黃昊宇