評估可調光照明系統的感測器可靠性

作者 : Yoelit Hiebert,EDN特約作者

照明系統從以往只簡單地提供發光功能,發展至今已具備更複雜的功能了,因此,更重要的是確保負責控制系統反饋的感測器在系統使用期限內可靠運行。對於更多感測器產品的進一步研究,將有助於提高人們對感測器長期可靠性的信心...

可調光照明系統的工作原理是利用感測器偵測發出的光,將相關資訊發送到系統控制器,然後對相關色溫(CCT)進行適當調整。

可調白光照明技術(有時稱為混合白光或可變白光)利用多種LED光源的組合,在不同時間產生各種不同的CCT,並可經由手動或預先編程進行設置。採用這種技術的系統一般部署於改變環境光色溫即有助於營造氛圍的環境中(如餐廳、畫廊等),或是必須促進特定活動的場所(例如醫院診間的檢查)。調整CCT也適用於辦公室和其他缺少日光照射的室內空間,用於促進晝夜節律反應。

1931年,國際照明委員會(CIE)根據對人類視覺感知的實驗研究,發佈了第一個色彩空間規範。人眼包含三類「錐體」(cone)細胞,每一類都受到不同波長範圍的光刺激,這三種波長大致對應紅色、綠色和藍色,因此,CIE 1931色彩空間就是圍繞這「三色刺激值」建構的。CIE 1931 RGB色彩空間成為後來XYZ色彩空間的基礎。XYZ色彩空間的結構是Y軸對應亮度,Z軸近似於RGB藍色,X軸則合併了紅色、綠色和藍色。

為了便於圖形描述,用數學公式將三色刺激值轉換為平面座標。1是以x-y座標表示的CIE 1931色彩空間。


圖1:以x-y座標描述CIE 1931色彩空間。(圖片來源:Wikipedia

CIE 1960色彩空間(u-v座標)和後來取代它的CIE 1976色彩空間(u’-v’座標)均根據人類視覺感知對色彩空間的均勻度進行了改進。x-y座標色彩空間和u’-v’座標色彩空間在今天都很常用。

白色光源的CCT被指定為黑體軌跡上最接近給定色彩空間座標集的點。如1所示,曲線的軌跡描繪了從較高色溫的冷白光到較低色溫的暖白光,軌跡上的等溫線表示給定色溫的對應座標範圍。

2是可調白光照明產品的典型設計,其中使用兩組含磷光體塗層的LED,分別具有不同的CCT,一組CCT約為2700K,另一組約為5000~6500K。儲存在照明系統控制器中的演算法可以調整每組輸出,從而實現具有不同CCT範圍和強度的白光照明。

圖 2:可調白光照明產品的典型設計,使用兩組具有不同CCT、含磷光體塗層的LED。

感測器將色度資訊發送給系統控制器,使CCT可以按預先的設定或根據光源本身產生的色度偏移(這是隨時間推移不可避免的現象)進行調整。

LED光源色度偏移的原因仍在繼續研究中,而對於感測器響應穩定度的研究才剛剛開始。最近由RTI International與KeyLogic Systems聯手為美國能源部(DoE)進行的一份報告中,評估了一種六通道感測器的原始性能和可靠性,該感測器能夠用於為可調白光產品提供資訊以利於其色度調整。

在DoE調查報告中測試的這個感測器由六個CMOS光電二極體組成,其中五個二極體以高斯(Gaussian)干涉濾光片覆蓋,以便對不同的輸入波長進行特定響應。整合於感測器中的五個濾光片包括一個暗光濾光片(所有光都被吸收)、三色X函數、三色Y函數、三色Z函數和近紅外光。第六個光電二極體則未被覆蓋。出於研究的目的,只使用X、Y和Z通道的響應來計算色度。

由於目前還沒有標準可用於評估感測器的長期性能,研究中使用的測試協議是內部自行開發的,類似電子設備所使用的測試協議。這些單元在三種不同的環境下(室溫環境、75°C高溫環境、75°C/75%相對濕度[RH]的環境)連續運行了5,000個小時。總共測試了20個感測器,其中只有一個感測器出現異常:在75°C/75% RH環境下運行5,000小時後顯示參數故障。根據測試結果可得出結論:這種感測器設計「高度可靠」。

照明系統從以往只簡單地提供發光功能,發展至今已具備更複雜的功能(例如動態功能)了,因此,更重要的是確保負責控制系統反饋的感測器在系統使用期限內可靠運行。對於更多感測器產品的進一步研究,將有助於提高人們對感測器長期可靠性的信心。

(參考原文:Evaluating sensors for tunable lighting systems,by Yoelit Hiebert)

本文同步刊登於EDN Taiwan 2021年8月號雜誌

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  1. steven Zheng表示:

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