自动保持光照对比度恒定的照明灯装置的制作方法

本发明涉及智能显示投影领域，尤其是涉及了一种自动保持光照对比度恒定的照明灯装置。

背景技术

屏幕显示和影像投影广泛运用于商业办公、工业生产和生活娱乐等领域，该行业具有广阔的发展前景。报告显示，仅2017年全球智能手机出货量就高达14.62亿台，大多数手机都具有屏幕亮度根据环境光自动调节的功能。在环境光线较强时，增强照明光照度可保持显示对比度，提高阅读舒适感；在环境光线较强时，应降低照明光照度，过强的照明光不但会危害人眼健康，还增加了产品功耗。随着社会的不断发展，人类对能源的需求越来越大，当今能源危机加重，使得各行各业不得不考虑节能，低功耗已经成为衡量各项技术的关键指标。因此发展成本合理、稳定可靠的自适应光照对比度调节技术具有重要的实际意义。

技术实现要素：

针对自适应照度调节的显示投影技术运用广泛的现状。本发明提出了一种自动保持光照对比度恒定的照明灯装置。

本发明所采用的具体技术方案如下：

一、一种自动保持光照对比度恒定的照明灯装置：

包括自适应照明电路和自适应照明结构，自适应照明电路包括光电接收管d1，电阻r1、r2、r3、r4和r5，三极管q1、q2和照明灯d2；电阻r1一端连接电源电压vcc，电阻r1另一端分别和光电接收管d1、电阻r2的一端相连，三极管q1基极与电阻r2的另一端相连，光电接收管d1的另一端接地，三极管q1的集电极与电阻r3、电阻r5的一端相连，三极管q1的射极经电阻r4相连接地，电阻r3的另一端连接电源电压vcc，三极管q2的基极与电阻r5的另一端相连，三极管q2的集电极经照明灯d2与电源电压vcc连接，三极管q2的射极接地。

本发明中，光电接收管d1、电阻r3和照明灯d2均与电源电压vcc相连，电阻r1和r4均接地。电源电压vcc相当于电源正极，地相当于电源负极。

本发明在现有照明灯中加入光电接收管和三极管构成自适应照明电路，环境光照度增强时照明灯光照度增强，环境光照度减弱时照明灯光照度减弱，从而保持光照对比度(照明灯光照度和环境光照度之比)不变，实现了自动保持光照对比度恒定的效果。

本发明设置了自适应照明结构，所述的自适应照明结构包括：光电接收管d1放置在照明灯d2的阴影(即照明灯光照射范围以外的区域)处。

所述的光电接收管d1反向偏置布置于电源电压vcc和地之间，光电接收管d1的负极端连接电阻r1，光电接收管d1的正极端接地。

所述的三极管q2的集电极与照明灯d2的负极端连接，照明灯d2的正极端连接电源电压vcc。

所述的照明灯d2为将电能转化为光能且伏安特性曲线具有类恒压特点的器件，包括但不限于发光二极管、led灯等。

所述的光电接收管d1为将光转化为电流的器件，包括但不限于光电二极管、光电三极管等。

所述的电源电压vcc为直流恒压电源。

所述的三极管q1与q2均为npn型三极管。

所述的光电接收管d1，电阻r1、r2、r3、r4和r5，三极管q1、q2和照明灯d2的器件采用以下公式进行设置，实现光照对比度自适应恒定：

由于照明灯伏安特性曲线在导通区域具有近似恒压特点，照明灯两端电压近似取器件恒压值vc2。环境光照度φe在0～φe,max之间变化，保持照射平面的光照对比度εa＝φe/φi恒为固定值εa0，φi表示照射平面的光照度，照明灯两端电压恒压值vc2满足：

vcc-vc2≥vce0(1)

其中，vcc为电源电压，vce0为单个三极管的集射极间饱和电压，具体实施中三极管q1和q2的型号相同，η表示照明灯对照射区域的发光效率，单位流明每瓦，r3和r5分别表示电阻r3和r5的阻值；

并且，电阻r3和r5的阻值r3和r5满足：

vcc-vbe-φe,maxεa0a/(ηvc2)(r3+r5)/β＝0(2)

其中，φa0表示照射平面的光照度φa的恒定值，β为单个三极管的电流直流增益，vbe为单个三极管的基射极间电压，a表示照射面积；

并且，r4＝0，电阻r1和r2的阻值r1和r2满足：

其中，r1和r2分别表示电阻r1和r2的阻值，φe,max表示环境光照度的最大值，s表示光电接收管d1灵敏度，单位安培每勒克斯。

总结以上对附图1中电路器件选取的原则，光电接收管d1和三极管q1、q2不限，照明灯d2的vc2受限于公式(1)。

本发明通过上述公式对各个器件进行设置才能够实现自动保持光照度恒定。

本发明的有益效果是：

本发明解决了照明灯实现光照对比度自动调节保持恒定的技术问题，提高了照明区域的光照对比度恒定，有助于实现照明的智能化。

本发明使得在照明灯均匀照射的区域内光照度对比度相对变化绝对值不超过2.6％，可适用不同环境光照度和照明区域面积的应用场合。

本发明电路成本低廉、简单可靠且能量利用率高，可有效应用于屏幕显示、影像投影等领域，具有实际应用价值。

附图说明

图1是实现自适应对比度调节的电路图；

图2是本发明装置具体电路各元件及其具体参数示意图；

图3是电路中照明灯电流与环境光照度的关系曲线仿真图；

图4是电路中照明灯两端电压与环境光照度的关系曲线仿真图；

图5是照明灯光照对比度与环境光照度的关系曲线仿真图；

图6是照明灯电功率相对于电路总功率的比值即照明效率与环境光照度的关系曲线仿真图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

本发明装置实现自适应光照度对比度调节的原理是：光电接收管放置在照明灯光的阴影处，因此照射在光电接收管上的光主要是环境光。光电接收管反向偏置，因此光电导效应产生的光电流近似与环境光照度成正比，经过两极二极管线性同相放大，最终使得照明灯在照射平面上的光照度与环境光照度成斜率为正、通过零点的线性关系，光照度对比度基本不变。

本发明具体实施如下：

设三极管q1和q2的基射极间的电压均为vbe，增益均为β。照明灯的伏安特性曲线函数为v＝f(i)。其中v是照明灯两端电压，i时流过照明灯的电流。照明灯伏安特性曲线在在导通区域具有近似恒压特点，典型实例为光电二极管。

本实施例采用以下公式计算获得的照明灯消耗电功率pi0：

其中，vcc表示电源电压，iopt表示流过光电接收管的电流，ic2表示流过照明灯的电流，ic1表示流向三极管q1集电极的电流，ib1表示流向三极管q1基极的电流，ib2表示流向三极管q1基极的电流，v1表示电阻r1和电阻r2连接点处的电压v1，v2表示三极管q1的集电极电压，v3表示三极管q2的集电极电压，r1表示电阻r1的阻值，r2、r3、r4、r5同理。

由公式(4)得照明灯消耗电功率pi0与光电接收管电流iopt的关系为：

其中，bc表示iopt为零(即环境光照度为零)时的ic2值，设计使得其为零，kc表示ic2相对iopt的斜率。由公式(5)得照明灯电流ic2是光电接收管电流iopt的线性函数，且斜率为正。

设光电接收管的灵敏度为s，单位安培每勒克斯。环境光照度为φe，环境光在整个装置上基本均匀照明，照明灯在照射平面上的光照度为φi，照射面积为a，光电接收管处的光照度为kiφi(由于该处为照明灯光的阴影处，ki值很小)，照明灯对照射区域的发光效率为η，单位流明每瓦。再采用以下公式计算照射平面上的光照对比度εa：

由公式(5)和(6)共同计算得光照对比度εa与环境光照度φe的关系为：

εa＝kbbc/φe+kbkcs,

其中

其中，kb是与η、a和f(ic2)有关的一简化表示量。

光电二极管等照明灯的伏安特性曲线在导通区域具有近似恒压特点，本发明将f(ic2)近似为不随环境光照度φe改变的固定值，并同时设置电路参数使得kbkcs＝1，则光照对比度εa为一与环境光照度φe无关的固定值kbkcs，其只取决电路参数。将bc＝0等效于：

本发明的上述计算中设定三极管在放大区，要实现光照对比度εa近似恒定，要满足：

其中，vce0是三极管的集射极间饱和电压。

本发明的一个具体实施例是：

电路具体参数如图2所示，其中r1＝100kω，r2＝30kω，r3＝0.9kω，r4＝0ω，r5＝10kω。三极管q1和q2型号均为2n5551。电接收管采用硅光电二极管sfh213，其对于标准光源a的灵敏度s＝100na/lx。照明灯采用3个典型的白光led串联，单个该白光led在电压为3v-3.6v导通区域电流可从1ma增加至150ma。设环境光照度变化范围为0～1000lx，iopt变化范围为0～100ua。该电路使得照射平面上光照对比度εa始终等于1。

图3显示了电路中照明灯电流ic2与环境光照度φe的关系曲线仿真图，仿真软件为multisim12.0，下同。图3中曲线横坐标即为φe，纵轴为ic2。可知ic2与φe近似成线性函数关系，且斜率为正，符合实际情况。

图4显示了电路中照明灯两端电压f(ic2)与环境光照度φe的关系曲线仿真图，可知照明灯两段电压在φe范围200lx～1000lx内近似保持恒定。φe在0lx～200lx范围内时，ic2在0～26ma间，电压不恒定对照明灯功率变化的非线性影响较小。

由图3和图4可知，当环境光最亮，，照明灯电流ic2最大为116.2ma，此时照明灯两端电压f(ic2)为10.76v。典型白光led的发光效率为100lm/w，则照明灯光通量为116.2ma*10.76v*100lm/w＝125.03lm。要使得此时的照明灯在照射平面的光照度为1000lx，则照射面积为0.125m²，该电路适用于台灯照明场合。

设该白光led发光效率为100lm/w，照射面积为0.125m²。认为ki近似为0，即在光电接收管上的照明光可忽略不计，图5显示了光照对比度εa与环境光照度φe的关系曲线仿真图，可知本发明可使得在照明灯均匀照射的区域内光照度对比度相对变化绝对值不超过0.52/1/2＝2.6％，近似保持恒定。

本发明电路相对于一般的开关式人工控制照明灯电路只增加了一个光电接收管、两个三极管和若干电阻，因此具有成本低廉、结构简单可靠的优点。

图6显示了照明灯电功率相对于电路总功率的比值即照明效率ηa与环境光照度φe的关系曲线仿真图。其横坐标为环境光照度φe，星点虚线表示ηa，对应坐标轴在图像右侧，可知ηa在环境光照度变化500lx～1000lx范围内不低于80％。星点实线表示电路总功率pa，对应坐标轴在图像左侧，可知在环境光照度变化0～500lx范围内，总功率pa较低。这使得尽管环境光照度变化0～500lx范围内ηa较低，三角框实线表示的除照明灯以外电路消耗功率ps(有ps＝pa(1-ηa))仍然较低。ps对应坐标轴在图像左侧。ps总体保持不超过0.17w，相对于在环境光较弱时刻始终保持1.42w的最大电路总功率，能有效节省能源。因此本发明还具有能量利用率高的优点，可有效应用于屏幕显示、影像投影等领域，具有实际应用价值。

上述具体实施方式用来解释说明本发明，而不是对本发明进行限制，在本发明的精神和权利要求的保护范围内，对本发明作出的任何修改和改变，都落入本发明的保护范围。