专利名称：多光色组成led光源的相关色温及显色指数自校准电路的制作方法
技术领域：
本发明涉及LED驱动及控制领域，具体公开了一种多光色组成LED光源的相关色 温及显色指数自校准电路。
背景技术：
LED，也就是发光二极管，是一种固态的半导体发光器件。自大功率白光LED出现 后，由于它具有发光效率高、节能效果好、无污染、寿命长等特点，被誉为替代白炽灯和荧光 灯的第四代照明光源，受到广泛的关注。 LED的核心是封装在里面的LED芯片，LED芯片一般只能发出特定波长的单色光。 所以，白光LED要产生白光有三种方式可以实现l.蓝光LED芯片加黄光荧光粉(一般是 YAG荧光粉)，由蓝光LED芯片激发涂覆在其上方的黄光荧光粉，荧光粉被激发后产生的黄 光与剩余的蓝光互补而产生白光；2.利用三基色原理将RGB三种超高亮度LED芯片封装在 一起，使红蓝绿光混合产生白光；3.蓝光LED芯片加绿光荧光粉和红光荧光粉，由蓝光LED 芯片激发涂覆在其上方的绿光荧光粉和红光荧光粉，荧光粉被激发后产生的绿光和红光与 剩余的蓝光互补而产生白光；4.紫外光或紫光(300-400nm)LED芯片加RGB荧光粉，其原理 与日光灯的发光原理类似，由紫外光或紫光LED芯片激发涂覆在其上方的RGB荧光粉，荧光 粉被激发后产生的蓝光、绿光和红光混合而形生白光。目前，前两种方式的白光LED最为常 见，"蓝光LED芯片+YAG荧光粉"的白光LED多应用在照明领域，具有光效高的优点；"RGB" 的白光LED多应用在背光源、显示屏上，具有色域广，显色性较好的优点。
LED光源要在未来逐渐成为照明领域的主角，除了提高自身的发光效率外，还需要 改善其光源品质。反映光源品质的重要参数有色度坐标、相关色温CT以及显色指数CRI (包 括一般显色指数和特殊显色指数)。色度坐标、相关色温和显色指数是由LED光谱能量分布 所决定的。 传统的白炽灯，其光谱能量包括可见光的所有连续光谱；而白光LED产生的白光 是由多种单色光混合而成，光谱能量分布呈现窄带状。白光LED与传统白炽灯的这种差异 导致了白光LED的显色指数不高，并且存在低相关色温时发光效率偏低的问题，从而局限 了光源质量，限制了白光LED在某些需要高显色品质场合的应用。 为调节LED光源的相关色温，提高其显色指数， 一个有效的方法是补充并调节 光谱中缺少的颜色辐射。这在实际操作中有两个技术路线可以实现第一，改进荧光粉， 通常在YAG荧光粉中添加红光、绿光等其他颜色的荧光组分(如专利CN 1677695A、CN 101414604A和CN 101195742A)或采用YAG荧光粉层与红光、绿光荧光粉层相结合的多层 荧光粉方式(如专利CN 1953216A);第二，在封装上同时集成了白光LED和彩色LED (如 专利CN 101255956A)，或者在同一LED内封装了白光LED芯片和彩色LED芯片(如专利 CN1937222A)。对于前种方法，存在发光效率难以提升的问题，红光、绿光荧光粉对蓝光的吸 收，引起总体光效的下降。另外，产品成型后，相关色温及显色指数就不能改变。对于后一 种方法，在确保高的发光效率同时，提高光源的显色性，并且在使用过程中，只需调整某种颜色LED的电流，改变其光通量(或光强)，就可以改变相关色温和显色指数，但是这种方法 需要配置驱动控制电路和相应算法。例如 专利(CN 1968556A)公开了一种用于生成白光的系统和方法，该系统包括荧光粉 转换白色LED和非荧光粉转换彩色LED，还有颜色传感器。其中颜色传感器是三色传感器， 只生成特定于颜色的反馈信号，并产生相应的控制信号以从光源产生期望的颜色，从而调 节光源的亮度和色度特性。这种系统相对复杂，特殊的三色传感器只响应与特定颜色，若采 用的彩色LED种类或波长改变，传感器要做出相应的调整。 针对多光色LED组成的光源，使其应用在高显色要求的照明领域，需要一种简单 通用的相关色温和显色指数自校准手段和电路系统。
发明内容
针对现有技术的缺点，本发明的目的是提供一种多光色组成LED光源的相关色温 及显色指数自校准电路，其首次运用各光色光通量(或光强)比例来自校准光源的相关色 温和显色指数；首次把老化曲线引入到自校准系统，提高光源色度参数的时间稳定性。
为实现上述目的，本发明的技术方案为一种多光色组成LED光源的相关色温及 显色指数自校准电路，其包括LED恒流驱动电路、光传感器电路、数据存储电路、输入电路 和主控制计算电路； 数据存储电路，存有组成LED光源的各光色LED光通量或光强_电流曲线和相关 色温及显色指数_光通量或光强比曲线，并将该两组数据发送给主控制计算电路；光传感 器电路，用于感应光源窗口的光信号，并将光信号发送至主控制计算电路；输入电路，用于 设置相关色温及显色指数，并将其发送至主控制计算电路；主控制计算电路，其利用上述 两条曲线建立起内部数据库，通过该数据库把光传感器电路的光信号转化为LED实际发出 的光通量或光强，并根据设定的相关色温和显色指数发出相应控制信号给LED恒流驱动电 路，使各光色LED调整其光通量或光强比例。 —般的光传感器只能响应于照射在其接收窗口的光能量，而无法得知LED实际发 出的光通量(发出的总光能量)。为准确获得LED发出的光通量或光强，本发明把各光色 LED光通量或光强-电流曲线存进数据存储电路，数据存储电路再把该曲线数据输出给主 控制计算电路。 光传感器电路连接于主控制计算电路，并把其响应信号传输给主控制计算电路。 主控制计算电路通过主控程序，在灯具点亮时自动建立起光传感器响应信号与LED光通量 或光强的内部转换数据库，通过查询方式得知光源内LED发出的光通量或光强。
随着LED的老化，会造成LED光通量或光强_电流曲线的改变，改变程度受LED工 作时间和工作温度影响。为解决上述问题，该电路还包括了自校准电路和温度传感器电路， 温度传感器电路连接于自校准电路，自校准电路连接于数据存储电路及主控制计算电路。 数据存储电路把光衰曲线数据传输给自校准电路，与此同时，温度传感器电路探测LED工 作温度，并把温度信号传输给自校准电路。自校准电路利用这两组数据，对内部转换数据库 进行修正。利用此方法，主控制计算电路就能通过光传感器电路的反馈信号准确计算出LED 实际发出的光通量或光强，尤其在使用一段长时间后，也能保持计算的准确性。另外，温度 传感器电路结合外围的功率可调散热装置，能用于控制LED的工作温度，大大扩展该电路的用途。 数据存储电路把相关色温/显色指数-光通量或光强比曲线数据传输给主控制
计算电路，主控制计算电路根据设定的相关色温和显色指数查询出需要的光通量或光强比
例，并转化成相应的控制信号传输给LED恒流驱动电路。自校准电路也对上述转化过程进
行修正，确保实际值与设定值吻合。上述过程能在开灯时由程序控制自动完成。 若颜色多于两种，则相关色温/显色指数_光通量或光强比关系图则变成三维，但
上述查询和修正方法不变。 另外，输入电路提供给使用者设定需要的相关色温和显色指数，并把设定值传输 给主控制计算电路。 与现有技术相比，本发明具有如下效益以光源中LED的光通量(或光强)作为反 馈量及控制量，通过最优光通量(或光强)配比技术来自校准光源的相关色温及显色性，其 中，最优光通量(或光强)比例由模拟或实验得出，保证自校准的客观性；把老化曲线引入 电路中，消除LED长时间使用后参数改变造成的自校准误差；整个自校准过程，由主控计算 程序在亮灯时自动完成，使用方便；该电路及方法能灵活应用到各种多光色组成的LED光 源中，如"白色+红色"、"白色+琥珀色+绿色"等，改善相关色温稳定性，提高显色品质。
图1是多光色组成LED光源相关色温及显色指数自校准电路的系统图和数据流 向； 图2不同红光峰值波长下，显色指数与红白光光通量或光强比的二维关系图；
图3不同红光峰值波长下，相关色温与红白光光通量或光强比的二维关系图；
图4是实施例1中"白光+红光"LED光源的相关色温自校准电路原理图；
图5是实施例3中"白光+红光+绿光"LED光源的相关色温可调，高显色性自校 准电路原理图； 图6是室内照明环境相关色温调节示意图。
具体实施例方式
如图1所示，本发明提供了一种多光色组成LED光源的相关色温及显色指数自校 准电路，其包括LED恒流驱动电路(6)、光传感器电路(3)、数据存储电路(1)、输入电路(7) 和主控制计算电路(2); 数据存储电路(1)，存有组成LED光源的各光色LED光通量或光强_电流曲线② 和相关色温及显色指数_光通量或光强比曲线③，并将该两组数据发送给主控制计算电路 (2); 光传感器电路(3)，用于感应光源窗口的光信号，并将光信号发送至主控制计算电 路(2); 输入电路(7)，用于设置相关色温及显色指数，并将其发送至主控制计算电路 (2); 主控制计算电路(2)，其利用上述两条曲线建立起内部数据库，通过该数据库把光 传感器电路(3)的光信号转化为LED实际发出的光通量或光强，并根据设定的相关色温和显色指数发出相应控制信号给LED恒流驱动电路(6)，使各光色LED调整其光通量或光强比 例。 还包括对信号进行修正的自校准电路(4)，该自校准电路(4)用于修正主控制计 算电路(2)发给LED恒流驱动电路(6)的控制信号及光传感器电路(3)发给主控制计算电 路(2)的光信号。还包括连接于自校准电路(4)的温度传感器电路(5)，其用于探测LED的 工作温度并把温度信号数据传输给自校准电路(4)，该数据存储电路(1)将其预存的光衰 曲线①数据发送至自校准电路(4)，自校准电路(4)通过这两组数据对主控制计算电路(2) 的内部数据库进行修正。 主控制计算电路(2)通过建立具有三维的相关色温及显色指数-光通量或光强比 曲线③的内部数据库，来调整两种以上颜色LED组成的光源的相关色温和显色指数。图2 和图3是两种颜色的情况，若颜色多于两种，则相关色温/显色指数_光通量或光强比关系 图则变成三维，但上述查询和修正方法不变。 组成LED光源的各光色LED光通量或光强_电流曲线②、光衰曲线①和相关色温 /显色指数_光通量或光强比曲线③通过模拟或实验得出。
以下结合实施例及附图对本发明进行详细的描述。
实施例1 如图4所示， 一种"白光LED+红光LED"光源的相关色温自校准电路和方法，由于 光源含有白光和红光两种LED，所以该电路包括两组恒流驱动电路1和2，分别驱动白光LED 和红光LED，可以准确控制其光通量(或光强)。电路的其他部分组成与上述发明内容相同。
首先，如上述发明内容所述，主控制计算电路建立起光传感器反馈信号与白光光 通量(或光强)的转换数据库，通过光传感器电路的响应信号就可以计算出白光LED发出 的光通量(或光强)。数据存储电路把相关色温-红白光光通量(或光强)比曲线数据传 输给主控制计算电路，主控制计算电路根据所需的相关色温计算出红光光通量(或光强) 的相应比例。此时，主控制计算电路输出相应的控制信号给LED恒流驱动电路2，使红光的 光通量(或光强)达到所需的比例。此过程同时需要自校准电路进行自校准。
本实施例子适用于相关色温可调的LED照明光源。光传感器、白光LED和红光LED 一起集成在光源中，光源亮度可以通过调节白光LED的电流来改变。同时，利用本专利方 法，红光亮度会跟随白光的光通量(或光强)成比例地变化，从而在不同亮度下也能保持用 户设定的相关色温值。对于小功率光源(如10瓦以下的台灯)，通过合理的散热设计，LED 的工作温度容易控制在一定范围以内。对于此种情况，可以节省温度传感器的使用，把工作 温度预先设定和测量并存入自校准电路中，这样就降低系统的复杂度和成本。
实施例2 —种"白光LED+红光LED"光源的高显色性保持电路，其系统构成和调节原理与实 施例1相似。所不同的是，数据存储电路把显色指数-红白光光通量(或光强)比曲线数 据传输给主控制计算电路，主控制计算电路根据最高显色指数点查出所需红光光通量(或 光强)的最优比例。 该保持电路适用于市场上的各种白光LED，对于不同封装和不同型号的白光LED， 只需选择合适的红光LED，即可做成一个高显色指数的白光LED灯具，方便应用在对光源显 色有高要求的场合。
实施例3 如图5所示， 一种"白光LED+红光LED+绿光LED"光源的相关色温可调，高显色性 自校准电路。上述两个实施例子只能单独自校准相关色温或者显色指数。若需要同时自校 准相关色温和显色指数两个指标，则需要在LED光源中多添加一种颜色。因此，本实施例子 使用了三组恒流驱动电路1、2和3，分别驱动白光LED、红光LED和绿光LED，能在人为改变 相关色温的时候，依然保持高显色性。 与上述两个实施例子不同的是，数据存储电路把显色指数_光通量(或光强)比
数据组以及相关色温-光通量(或光强)比数据组同时传输给主控制计算电路，主控制计
算电路根据设定的相关色温和显色指数，在两个数据组中建立交集区域，得出红光光通量
(或光强)以及绿光光通量(或光强)比例。 该电路能作为LED背光源的控制电路，提高显示效果。 实施例4 如图6所示，是相关色温自校准电路应用在室内照明环境。在室内中安装多光色 LED光源(1)、光传感器电路(2)和输入电路(3)，使用者通过输入电路(3)设定环境相关色 温，利用上述发明内容所述的电路系统和方法，即能对环境相关色温进行有效的自校准。
权利要求
一种多光色组成LED光源的相关色温及显色指数自校准电路，其特征在于包括LED恒流驱动电路(6)、光传感器电路(3)、数据存储电路(1)、输入电路(7)和主控制计算电路(2)；数据存储电路(1)，存有组成LED光源的各光色LED光通量或光强-电流曲线②和相关色温及显色指数-光通量或光强比曲线③，并将该两组数据发送给主控制计算电路(2)；光传感器电路(3)，用于感应光源窗口的光信号，并将光信号发送至主控制计算电路(2)；输入电路(7)，用于设置相关色温及显色指数，并将其发送至主控制计算电路(2)；主控制计算电路(2)，其利用上述两条曲线建立起内部数据库，通过该数据库把光传感器电路(3)的光信号转化为LED实际发出的光通量或光强，并根据设定的相关色温和显色指数发出相应控制信号给LED恒流驱动电路(6)，使各光色LED调整其光通量或光强比例。
2. 根据权利要求1所述的多光色组成LED光源的相关色温及显色指数自校准电路，其 特征在于还包括对信号进行修正的自校准电路(4)，该自校准电路(4)用于修正主控制计 算电路(2)发给LED恒流驱动电路(6)的控制信号及光传感器电路(3)发给主控制计算电 路(2)的光信号。
3. 根据权利要求2所述的多光色组成LED光源的相关色温及显色指数自校准电路，其 特征在于还包括连接于自校准电路(4)的温度传感器电路(5)，其用于探测LED的工作温 度并把温度信号数据传输给自校准电路(4)，该数据存储电路(1)将其预存的光衰曲线① 数据发送至自校准电路(4)，自校准电路(4)通过这两组数据对主控制计算电路(2)的内部 数据库进行修正。
4. 根据权利要求1所述的多光色组成LED光源的相关色温及显色指数自校准电路，其 特征在于主控制计算电路(2)通过建立具有三维的相关色温及显色指数-光通量或光强 比曲线③的内部数据库，来调整两种以上颜色LED组成的光源的相关色温和显色指数。
5. 根据权利要求1所述的多光色组成LED光源的相关色温及显色指数自校准电路，其 特征在于组成LED光源的各光色LED光通量或光强-电流曲线②、光衰曲线①和相关色温 /显色指数_光通量或光强比曲线③通过模拟或实验得出。
全文摘要
本发明公开一种多光色组成LED光源的相关色温及显色指数自校准电路，其包括数据存储电路，存有组成LED光源的各光色LED光通量或光强-电流曲线和相关色温及显色指数-光通量或光强比曲线，并将该两组数据发送给主控制计算电路；光传感器电路，用于感应光源窗口的光信号，并将光信号发送至主控制计算电路；输入电路，用于设置相关色温及显色指数，并将其发送至主控制计算电路；主控制计算电路，其利用上述两条曲线建立起内部数据库，通过该数据库把光传感器电路的光信号转化为LED实际发出的光通量或光强，并根据设定的相关色温和显色指数发出相应控制信号给LED恒流驱动电路，使各光色LED调整其光通量或光强比例。
文档编号H05B37/02GK101697654SQ20091019347
公开日2010年4月21日 申请日期2009年10月30日 优先权日2009年10月30日
发明者凌敏捷, 吴昊, 王钢 申请人:中山大学;