Realizzare una lampada regolabile con quattro Led

L’illuminazione a temperature colore personalizzabili può essere ottenuta mixando le uscite di quattro singoli Led bianchi con differenti parametri. Questo approccio può essere utilizzato per realizzare una lampada regolabile con una specifica temperatura colore o utilizzare un modello dinamico che simula una lampada a incandescenza la cui temperatura colore cambia mentre viene regolata. Il metodo consente di produrre luci con temperatura colore regolabili utilizzando Led con parametri noti come pure parte di un set-up automatizzato per ottenere sorgenti di luce costanti attraverso la misurazione e la calibraione di Led sconosciuti.

La temperatura colore

La temperatura colore di una sorgente di luce è la temperatura di un corpo nero irradiante luce che sia prossima al colore della sorgente luminosa. Per stabilire la distanza tra due colori, è necessaria una modalità parametrica per definire i colori, come lo spazio colorimetrico CIE 1931 xy mostrato in Fig. 1. Questo spazio colorimetrico offre un semplice meccanismo che aiuta a miscelare i colori. La Fig. 1 mostra anche la Curva di Planck definita dai possibili colori di un corpo nero al variare della sua temperatura. I colori che questa applicazione cerca di raggiungere si trovano sulla Curva di Planck. Il caso di utilizzo in esame di questa applicazione è che la sorgente di luce dovrebbe essere configurata a partire da una temperature colore. La Legge di Planck descrive lo spettro di distribuzione della potenza di un corpo nero ad una specifica temperatura.

Il rendimento luminoso

Dato che questa applicazione consente la configurazione della temperatura colore, per omogeneità dovrebbe essere auspicabile avere lo stesso range di flusso luminoso per ognuna delle temperature colore scelte. Ciò richiede un passo ulteriore di normalizzazione alla fine del processo di miscelazione del colore per apportare il massimo flusso luminoso allo stesso valore per ogni possible temperature colore. La simulazione di una lampada a incondescenza richiede un fattore di scala addizionale per ogni temperatura colore che debba essere calcolata. Il meccanismo di regolazione scelto modella un corpo nero la cui potenza di uscita è controllata da uno slider. Ciò consente il collegamento della temperatura colore con l’uscita del flusso luminoso in una maniera naturale, utilizzando la “Legge di Stefan-Boltzmann”, la quale stabilisce che la potenza irradiata da un corpo nero è proporzionale alla quarta potenza della sua temperatura. Per questa applicazione, la potenza varia linearmente tra due valori arbitrari e la temperatura corrispondente è delimitata in modo tale che le temperature colore possono essere renderizzate tramite la combinazione di Led. Le coordinate nello spazio colorimetrico Cie 1931 che corrisponde a ogni temperatura può essere calcolato. Il valore tristimolo è proporzionale al flusso luminoso per una data potenza emesssa dal Led. Poiché l’algoritmo di miscelazione dei colori produce intensità relative dei Led individuali, questa proporzionalità consente il calcolo di un fattore di scala per ognuna delle temperature colore che si applica a tutti i Led.

La miscelazione dei colori

A partire da un colore prescelto definito dalle sue coordinate nello spazio colorimetrico CIE 1931, le coordinate del Led possono essere calcolate controllando prima se il punto si trova all’interno di uno qualsiasi dei triangoli definiti nello spazio colorimetrico CIE 1931 dalle coordinate dei tre Led disponibili. Per tutti i triangoli che contengono il punto, le singole contribuzioni dei Led possono essere calcolate. È quindi una questione di scelta della configurazione che ottiene la massima uscita per un dato Led. I valori di regolazione luminosa dei Led possono essere ottenuti dal valore di flusso sotto le seguenti condizioni:

  • flusso in uscita prossimo all’essere proporzionale alla corrente di rottura del Led;
  • tutti i valori dei massimi flussi luminosi sono dati alla stessa corrente di rottura del Led misurata;
  • l’applicazione richiede solo un flusso relativo, con il colore definito dalle proporzioni dei flussi, non dai loro valori assoluti.

L’ultimo step è scalare questi valori di regolazione in modo tale che si trovino tra zero e il massimo valore utilizzabile per il Led Pwm. I valori ottenuti dopo questo step possono essere usati per ottenere un flusso luminoso costante di qualsiasi temperatura colore. L’ulteriore scalatura può consentire la regolazione su una singola temperatura colore, o questi valori possono essere utilizzati con fattori di scala calcolati per simulare una lampada a incandescenza.

L’hardware

Questa applicazione può utilizzare una main board di comunicazione di Microchip modificata con i quattro Led di Cree le cui temperature colore sono state misurate nello spazio colorimetrico Cie 1931. La scheda può applicare un massimo di corrente a ogni Led nell’ordine di 200 mA. Le coordinate di colore sono state assunte come costanti con correnti variabili e i valori di flusso luminoso proporzionali alla corrente. All’interno di queste assunzioni, la corrente necessaria per miscelare gli output dai Led in una particolare temperatura colore diviene facilmente calcolabile. Utilizzando i quattro Led , solo un piccolo sottoinsieme di colori dallo spazio colorimetrico Cie 1931 risulta disponibile. Questo sottoinsieme è l’area delimitata dalle coordinate dei singoli Led. Si evidenzia questa area come parte della Curva di Planck che può essere riprodotta utilizzando questo step. L’applicazione può riprodurre la luce con una temperatura colore tra 2100K e 5700K con un flusso luminoso costante. Nel simulare la luce di una lampada a incendescenza, ogni temperatura colore è associata a un relativo flusso luminoso. La temperatura colore è dettata dall’alimentazione di un corpo nero virtuale configurato utilizzando lo slider sulla scheda. La simulazione della lampada a incandescenza viene avviata quando l’utilizzatore seleziona una posizione dello slider. Ciò viene tradotto in una temperatura colore che può essere usata sia per rilevare un fattore di scala per tutti i Led che un fattore di scala individuale per ognuno di loro. La lampada ha tre modalità di funzionamento che l’utilizzatore può selezionare:

  1. simulazione di una lampada a incandescenza: questa attenua e cambia la temperatura colore a seconda del modello proposto;
  2. flusso luminoso costante: questa modalità consente all’utilizzatore di scegliere una temperatura colore tramite lo slider mantenendo il flusso luminoso sempre al massimo;
  3. attenuazione con temperatura colore costante: questa modalità esegue una attenuazione mentre viene utilizzata la temperatura colore scelta nella modalità precedente.

Simulare una lampada a incandescenza

Controllare Led individuali per simulare una lampada a incandescenza richiede un considerevole sforzo di computazione, che può essere eseguito offline e salvato in un microcontrollore PIC di Microchip durante la compilazione. È disponibile una applicazione per Pc che calcola queste tabelle in base alla configurazione utente dei parametri Led. L’uscita dell’applicazione è composta da numeri di costanti raggruppati in sei tabelle. Queste dovranno essere copiate dall’applicazione nel file sorgente per il firmware. L’applicazione può essere usata con altri parametri dei Led dato che questi sono completamente regolabili, come lo è la gamma di temperatura colore.

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