恒照度自动调光台灯的设计_郑盛梅.pdf
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1、光源与照明 总第 176 期 2023 年 1 月 光源与光电系统69恒照度自动调光台灯的设计*郑盛梅衢州职业技术学院 信息工程学院,浙江 衢州 324000摘要:文章设计了一款照度均匀、能够自适应调光实现恒照度的台灯。通过合理排布 LED 面光源上的 LED灯珠,并且优化面光源之间的距离,可以实现目标面内的均匀照明(最大照度和最小照度的差值与最大照度的比值 5%)。测试结果表明,当环境光缓慢变化时,目标区域中心点的照度变化幅值为 3.75%;当环境光快速变化时,目标区域中心点的照度变化幅值为 8.17%;当环境光逐渐增强直至台灯熄灭时,目标区域中心点的照度变化幅值为 8.49%。说明台灯可以
2、在外界环境光快速或者缓慢变化时,自动调节 LED 灯珠的输出光强,保持目标面上的照度恒定不变。关键词:恒照度;自动调光;台灯;照明设计分类号:TM923.440引言近年来,我国中小学生的近视率持续走高,一方面,是因为手机、电脑等电子产品得到广泛使用。另一方面,是因为市场上的台灯品种繁多,质量参差不齐,有些光照太强,容易产生眩光;有些光照太弱,容易损坏视力;有些光照均匀度太差,使使用者眼睛不断地在强光和弱光之间来回调节,产生疲劳感。因此,设计一款照度均匀、不受环境光的干扰、自动将目标面照度调到最佳照度的台灯非常有意义1。1台灯照度均匀度的改进台灯照明区域内的照度均匀度是衡量台灯性能的一个重要指标
3、,将台灯下方 0.5 m 处 A4 纸范围内设为照明目标区域,要实现均匀照明,需要合理规划多个面光源的空间布局。如果面光源的数量过多,会使驱动电源的设计和自动调光的策略变得复杂,因此决定用2 个面光源,即 2 个 LED 灯板来组成 1 个 LED 台灯2。首先需要确定面光源的尺寸。理论上,面光源越大,其下方的受照面尺寸越大,但是这会导致台灯结构的庞大与笨重,而且在台灯功率一定的情况下,灯板的面积越大,灯珠的间距越大,会造成灯板本身的出光不均匀。因此,综合考虑面光源的出光均匀度与灯具整体尺寸,确定单个面光源的尺寸为 25 cm2.5 cm3。面光源在空间的排布方式对被照面均匀度的影响非常大,需
4、要利用专业的照明模拟软件 TracePro 仿真求得最佳排布位置。模拟参数如下:灯板尺寸为 25 cm2.5 cm,发出的光场为朗博形,被照面的尺寸为 210 mm297 mm(A4 纸的尺寸),被照面与灯板的垂直距离为0.5 m。2 个灯板放在 A4 纸长度方向的两端,关于中心点对称,灯板中心点到被照面中心点的距离为 d,当 d从 9 cm 以 3 cm 的间隔变化到 24 cm 时,记录被测面上的照度。照度的最大值为 Lmax,最小值为 Lmin,则均匀度 P 为(1)在决定灯板排布方式时,不仅要考虑均匀度 P,还要考虑平均照度 Lave,均匀度 P、平均照度 Lave与 d的关系如图 1
5、 所示。由图 1 可知,随着 d 的增大,均匀度 P 减小,即均匀度有改进,但是平均照度 Lave减小。为了平衡均匀度与平均照度,选择均匀度 P=5%,此时 d=18 cm,2 个灯板之间的距离为 36 cm,这样可以得到最优的光照度。单个面光源的尺寸为 25 cm2.5 cm,上面一共排布 30 颗 LED 灯珠,在 A4 纸长度方向,LED 灯珠的间距为 25.4 mm,在宽度方向,LED 灯珠的间距为 8 mm。考虑到台灯的输入电压范围为 10 15 V,单颗 LED灯珠的驱动电压约为 3 V,因此选择 LED 灯珠的电路连接方式为 3 串 10 并,这样可以最大限度地减小损耗。2台灯恒
6、照度的实现2.1 自动调光的原理LED 调光常用方法有 DC 调光、PWM(脉冲宽度文章编号:2096-9317(2023)01-0069-03*基金项目:衢州市 2021 年度指导性科技攻关项目(2021054)作者简介:郑盛梅,女,硕士,讲师,研究方向为 LED 照明灯具及光电子器件。光源与光电系统 2023 年 第 1 期 总第 176 期 光源与照明70调制)调光。DC 调光会引起 LED 温度的变化,导致输出光通量不稳定,因此选择 PWM 调光方案。将调光指令通过外部设备输入单片机,单片机通过调节 PWM波的占空比来调节 LED 台灯的亮度。当台灯的手动调光按钮没有动作时,台灯下方的
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