כיצד לבנות מנורה מתעמעמת בעזרת ארבע נורות LED

מיחאי קוצ’וק מחברת Microchip Technology מראה איך להשתמש בנורות LED בודדות כדי לחקות את האפקט של מנורה מתעמעמת.

ניתן להשיג תאורה מותאמת לטמפרטורת הצבע על ידי ערבוב האור של ארבע נורות LED בודדות לבנות עם פרמטרים שונים. ניתן להשתמש בזה כדי לבנות מנורה מתעמעמת עם טמפרטורת צבע מסוימת או להשתמש במודל דינאמי שיוצר אפקט של מנורה מתעמעמת שטמפרטורת הצבע שלה משתנה כאשר מעמעמים אותה.

באמצעות שיטה זו ניתן לייצר אור עם טמפרטורת צבע מותאמת באמצעות נורות LED עם פרמטרים ידועים, וכן גם ניתן להשתמש בזה כחלק ממערך אוטומטי ולקבל מקורות אור עקביים על ידי מדידה וכיול של נורות LED בלתי ידועות.

טמפרטורת הצבע

טמפרטורת הצבע של מקור אור היא הטמפרטורה של גוף שחור שמקרין אור בצבע קרוב לצבע של מקור האור. על מנת להגדיר את המרחק בין שני צבעים, יש צורך

בשיטה פרמטרית כמו למשל סולם הצבעים CIE 1931 xy המופיע באיור מס’ 1.

סולם צבעים זה מספק שיטה פשוטה שמסייעת בערבוב צבעים. איור 1 מראה גם את המוקד הפלנקיאני המוגדר על ידי הצבעים האפשריים של גוף שחור כאשר הטמפרטורה שלו משתנה. הצבעים שיישום זה מנסה להשיג מתבססים על המוקד הפלנקיאני.

השימוש ביישום זה מתבסס על כך שהגדרת מקור האור צריכה להתבצע על סמך טמפרטורת צבע. חוק פלאנק מתאר את פיזור העצמה הספקטרלית של גוף שחור בטמפרטורה ספציפית.

איור 1: דיאגרמת הכרומטיות )סולם הצבעים( CIE 1931 xy

פליטת האור

מאחר והיישום מאפשר להגדיר את טמפרטורת הצבע, לשם עקביות רצוי שטווח שטף האור יהיה זהה עבור כל טמפרטורת צבע שבוחרים. דבר זה מצריך הוספת שלב נירמול נוסף בסוף תהליך ערבוב הצבעים, כדי שערך שטף האור המקסימלי יהיה זהה עבור כל טמפרטורות הצבע האפשריות.

סימולציה של מנורה מתעמעמת מצריכה גורם כוונון גודל נוסף עבור כל טמפרטורת צבע אותה יש לחשב מנגנון העמעום שנבחר מדגים גוף שחור שפלט האנרגיה שלו מבוקר על ידי מחוון.

דבר זה מאפשר לחבר בטבעיות את טמפרטורת הצבע עם זרם האור היוצא, באמצעות חוק סטפן – בולצמן, שקובע כי האנרגיה שמקרין גוף שחור פרופורציונלית לחזקה הרביעית של הטמפרטורה שלו.

עבור יישום זה, האנרגיה משתנה בצורה לינארית בין שני ערכים שונים אקראיים, והטמפרטורה התואמת להם קשורה כך שניתן להשיג את טמפרטורת הצבע על ידי שילוב של נורות LED.

וניתן לחשב את הקואורדינטות המתאימות לכל טמפרטורה בסולם הצבעים CIE 1931.

ערך הגירוי המשולש פרופורציונלי לשטף האור עבור אנרגיה נתונה שנפלטת מנורת ה- LED. מאחר ואלגוריתם עירוב הצבע מפיק עוצמות יחסיות של נורות ה- LED

הבודדות, הפרופורציונליות הזו מאפשרת לחשב את פרמטרי ההגדלה וההקטנה עבור

כל טמפרטורת צבע שתיושם על כל נורות ה-LED.

טבלה 1: הקואורדינטות של נורת ה- LED בסולם הצבעים CIE 1931
וערכי שטף האור שלהן, שנמדדו ב- 350mA

ערבוב צבעים

מתחילים עם הצבע אליו רוצים להגיע, כפי שהוא מוגדר על ידי הקואורדינטות שלו בסולם הצבעים CIE 1931. ניתן לחשב את הקואורדינטות של נורות ה-LED קודם כל על ידי בדיקה אם הנקודה נמצאת בתוך אחד מהמשולשים המוגדרים בסולם הצבעים CIE 1931 על ידי הקואורדינטות של שלוש מתוך נורות ה-LED הזמינות. ניתן לחשב את התרומה של כל נורת LED בודדת לכל המשולשים המכילים את הנקודה. ואז נותר רק לבחור את הקונפיגורציה שנותנת את הפלט המקסימלי עבור נורת ה-LED שנבחרה.

ניתן לקבל את הערכים של עמעום נורת ה- LED מערכי השטף, בתנאים הבאים:

השטף היוצא פרופורציונלי בערך לזרם הצבע של נורת ה-LED;

כל הערכים המקסימליים של שטף האור מובאים באותו זרם צבע ממדידות LED; וכן

היישום מצריך רק שטף יחסי, עם צבע שמוגדר על ידי ממדי השטפים ולא הערכים המוחלטים שלהם.

השלב האחרון הוא לכייל את ערכי העמעום הללו כך שהם יימצאו בין אפס וערך PWM המקסימלי בו ניתן להשתמש בנורת LED זו. ניתן להשתמש בערכים שמתקבלים אחרי שלב זה כדי להפיק שטף אור קבוע בכל טמפרטורת צבע שבוחרים.

ניתן להמשיך ולכוונן כדי להגיע לעמעום על טמפרטורת צבע בודדת, או להשתמש בערכים אלה עם גורמי הכוונון כדי ליצור אפקט של מנורה מתעמעמת.

איור 2: סולם נגיש באמצעות ארבע נורות ה- LED הלבנות והקטע
של עקומת טמפרטורת הצבע שניתן להשיג

 חומרה

יישום זה יכול להשתמש בלוח שבבים לתקשורת תאורה עם ארבע נורות LED Cree המופיעות בטבלה 1, שערך טמפרטורת הצבע שלהן בסולם הצבעים CIE 1931 נמדד.

הלוח יכול לספק זרם מקסימלי דרך כל נורת LED בסדר גודל של 200mA מניחים שהקואורדינטות של הצבעים הן קבועות עם זרמים משתנים, וערכי שטף האור הם פרופורציונליים לזרם.

בהתבסס על הנחות אלה, קל לחשב את הזרמים הנחוצים לערבוב הפלט של נורות ה-LED לתוך טמפרטורת צבע מסוימת. באמצעות ארבע נורות ה- LED שבטבלה 1, יש רק תת-קבוצה קטנה של צבעים זמינים מסולם הצבעים CIE 1931 תת- קבוצה זו היא האזור הסגור המוקגבל על ידי הקואורדינטות של נורות ה- LED הבודדות. איור 2 מציג אזור זה כחלק מהמוקד הפלנקיאני אותו ניתן לשחזר באמצעות שלב זה.

היישום יכול לייצר אור עם טמפרטורת צבע בין 2100K ו- 5700K , עם שטף אור קבוע. כאשר רוצים לייצר עמעום, כל טמפרטורת צבע קשורה לשטף אור אחר. טמפרטורת הצבע מוכתבת על ידי האנרגיה של גוף שחור וירטואלי שמוגדר באמצעות המחוון שעל הלוח.

יצירת אפקט העמעום במנורה מתחיל כשהמשתמש בוחר במיקום המחוון.

נקודה זו מתורגמת לטמפרטורת צבע שיכולה לשמש לבחירת גם גורם ההגברה או הפחתה עבור כל נורות ה- LED וגם כגורם כוונון עבור כל נורה בנפרד.

למנורה יש שלושה מצבי פעולה ביניהם המשתמש יכול לעבור:

  1. יצירת אפקט של מנורה מתעמעמת: מצב זה מעמם ומשנה את טמפרטורת הצבע על פי המודל שהוצע.
  2. שטף אור קבוע: מצב זה מאפשר למשתמש לבחור טמפרטורת צבע באמצעות המחוון תוך שמירה על שטף האור המקסימלי.
  3. עמעום בטמפרטורת צבע קבועה: מצב זה מעמעם תוך בחירה בטמפרטורת הצבע שנבחרה במצב הקודם.

איור 3: יישום למחשב אישי המבצע את רוב החישובים להגדרת המנורה

לסיכום

בקרה של נורות LED בודדות כדי ליצור אפקט של מנורה מתעמעמת מצריך מידה נכבדת של חישוב, אותו ניתן לבצע בצורה בלתי מקוונת ולשמור במיקרו – בקר על מיקרו-שבב PIC בזמן החישוב. קיים יישום למחשב אישי המחשב את הטבלאות הללו על פי הגדרות המשתמש של פרמטרי נורות ה-LED.

באיור 3 מוצגת תמונת מסך. הפלט של היישום יוצא בצורת מספר קבועים המסודרים בשש טבלאות. יש להעתיק נתונים אלה מהיישום לקובץ המקור של החומרה. ניתן להשתמש ביישום עם פרמטרים אחרים של נורות LED מכיוון שהן ניתנות להתאמה, כמו גם טווח טמפרטורת הצבעים.

מיחאי קוצ’וק הוא מהנדס יישומים בכיר בחברת Microchip Technology.

מיחאי קוצ'וק, Microchip Technology

תגובות סגורות