论文部分内容阅读
【摘 要】随着时代的进步，人们生活的节奏越来越快，地铁成为大多数人出行的必备交通工具。地铁交通工具行驶在地下，照明成为它的一个重要的功能，伴随科技的进步，地铁车内照明由原来的高压荧光灯发展到今天的低压LED灯，由原来的不可调光发展到现今的可调光。由于地铁行驶空间的特殊性，要求车的安全性较其他行驶工具更高，对车的布线及EMC的要求也更高。对此，文章提出一种短暂电力线斩波无频闪调光照明方法改善照明环境，改善EMC，对出行在外的人们提供健康的光环境。
【关键词】LED调光；健康光环境；PWM；信号远程传输；直流电力短暂斩波；频闪危害
【中图分类号】TM923 【文献标识码】A 【文章编号】1674-0688（2018）07-0111-03
0 前言
近年来，我国的照明行业发展迅速，其中LED照明发展很快，LED是一种固态电光源，是一种半导体照明器件，其电学特性具有很强的离散性。它具有体积小、机械强度大、功耗低、寿命长，便于调节控制及无污染等特征，是具有极大发展前景的新型光源产品。并且，照明环境越来越被用户所重视，照明的舒适性、环保性、节能性成为提高照明行业竞争力的重要一环。其中，LED调光技术在LED照明中十分重要。
LED调光方法的实现分为2种：模拟调光和数字调光。模拟调光即限流模式调光，通过晶体管作为可变电阻实现限流控制。限流模式调光是在直流恒压源的模块输出中，将LED灯和晶体管串联，晶体管工作在放大区作为可变限流电阻，通过改变可变电阻的阻值有效控制LED电流，从而控制LED灯的亮度；其优点是电流可连续，无频闪。
数字调光又称PWM调光，通过PWM波开启和关闭LED来改变正向电流的导通时间，以达到亮度调节的效果。该方法基于人眼对亮度闪烁不够敏感的特性，使负载LED时亮时暗。如果亮暗的频率超过100 Hz，人眼看到的就是平均亮度，而不是LED在闪烁。PWM通过调节亮和暗的时间比例实现调节亮度，在一个PWM周期内，因为人眼对大于100 Hz内的光闪烁，感知的亮度是一个累积过程，即亮的时间在整个周期中所占的比例越大，人眼感觉越亮。但缺点是对于一些高频采样的设备，如高频采样摄像头，采样时有可能恰好采到LED暗时的图像。并且，频闪调光对人是有危害性的。频闪危害有如下几个方面：①照明光源频闪会引发视觉疲劳、偏头痛。②长期在高频闪的灯光下生活，睫状肌会不停地放大缩小，处于紧张运动的状态，增加眼睛疲劳度，减退视力，导致人眼出现酸涩、疼痛、发痒等症状。③在光强不断变化的有频闪的光源下生活，视觉系统需要不断地调节眼球瞳孔的大小来保证视网膜光照度的稳定性和成像的清晰度。总之，在有频闪的光源下生活，轻者产生眼疲劳，酸痛，重则造成视觉系统的损伤。由于频闪照明的危害性，无频闪的调光是势在必行的。地铁车内的无频闪照明也将成为趋势。
地铁车内照明的布置情况：地铁单节车厢有20 m长，LED灯布置有18 m长，共有256个灯板，由集中控制电源集中控制。单灯板离集中控制电源远的有17 m，如要控制LED灯板的亮度，需将调光信号远程传输到LED灯板。现今的信号远程传输有两大类，一类是无线传输，另一类是有线传输。无线传输布线简单但成本高，信号没有有线传输的稳定。有线传输布线复杂，成本低。由于地铁的特殊性，既要考虑信号的稳定性，又要考虑布线简单，因此地铁车内照明调光一直是电力线斩波调光，即在动力输出线上斩波调光。这样既不用专用的信号传输线，也没有无线传输信号。这种调光方式虽然调光稳定性高，布线简单，但是缺点是有频闪，并对电磁环境有影响。因此，在信号的传输上要有新的设计方案，既可以将调光信号传输到灯板实现无线调光，又不增加专有的传输线路。本文提出一种电力线短暂斩波方式，既不用无线传输信号，又不用增加额外的线路传输信号，即可达到传输调光信号到灯板实现无频闪调光，解决现今地铁车内照明无频闪调光的问题。
现今，地铁车内的集中控制照明还没有一种布线简单且成本低的无频闪的方案。
1 现今地铁照明方案
110 VDC转48 VDC模块是指将直流100 VDC转换为48 VDC直流电源模块。PWM发生模块是指发生PWM的电路模块。MOS管是指将PWM信号控制直流电力输出的元件。恒流芯片是指稳定流过LED灯珠的电流而达到所用到的LED灯珠出光量的一致性。LED灯珠是指将电能产生光的元件。灯板是指恒流芯片、LED灯珠2个模块的组合。集中控制电源是指110 VDC转48 VDC模块、PWM发生模块、MOS管、调光挡位模块4个模块组合。现有技术的结构示意图如图1所示。
该方案设计原理如下：将车载提供的110 VDC通过DC-DC电压转换模块将高压110 VDC转为48 VDC安全电压，PWM发生模块根据调光挡位模块、调光参数产生不同宽度的辐值为10 VDC PWM信号给驱动MOS管对输出给灯板的48 VDC斩波，灯板恒流芯片在电压不稳定的状态下保证LED灯电流恒定，从而保证LED灯亮度不发生变化。
PWM发生模块输出10 VDC辐值的PWM VGS信号，MOS管采用共源极接法的电路，输出特性如下面公式所示。
当VGS为10 VDC时：
iD=IDS■-12
由于MOS管是电压控制元件，所以主要由栅源电压VGS决定其工作状态。MOS管作为开关元件，是工作在截止或导通2种状态。由于MOS管的导通特性及电力线存在电感，所以在大电流的开关状态下会产生电磁辐射，影响车内电子设备及手机用户。
该LED集中控制电源对LED输出的电力波形如图2所示。
从图2中我们可以看出，现有的地铁照明是有闪频的，这必然会对人体健康造成影响。因此，必须对其进行升级改进。
由于原方案是电力斩波，MOS管一直对电力输出暂波，所以会产生电磁波，对EMC有较大的影响，并产生了频闪照明。针对以上的缺点，本文提供一种1 s短暂对电力斬波的无频闪调光方案，设计的思路如下： （1）PWM斩波中是可以包含信息在波形中的，比如脉宽的宽度即可以表示所需调光值的大小，只要在灯板增加一个PWM信号分析电路采取电力线信号，即可将电力线PWM信号信息提取并保存。每当电力线的PWM信号更新时，保存最新调整的PWM信号参数。
（2）1 s对现今的单片机运算时间很短，1 s的时间人基本是不会注意的到光的变化过程。现今的单片机运算速度快，主频基本上是几十兆赫兹的，即1 s可以执行上万条的指令，所以在1 s内完全可以将PWM波形中的信息分析出来，并输出为模拟电压信号。
（3）由于低频对电路设计的要求低，电磁辐频低，所以电力斩波频率尽量选择低频。由于人的视觉反应在最低100 Hz频闪中人眼也感觉不出闪烁，所以电力斩波频率选择为100 Hz。在信号分析上，100 Hz频率1 s内包含100个脉宽信号，这足够PWM分析模块分析出调光参数。
（4）灯板上设计模拟调光模块提取PWM信号分析模块分析出的模拟电压信号。调整LED灯珠电流，使LED中的电流保持稳定，从而达到LED灯无频闪发光输出。
2 新设计的方案
综合上述，LED集中控制电源选择提供1 s时间的频率为100 Hz的电力斩波，灯板上PWM信号分析模块分析PWM中的调光参数，即可实现无频闪调光，而不用一直采用斩波方式调光。新的设计方案如图3所示。
（1）在原有的基础上对PWM发生器2模块的程序进行新的设计。
（2）在灯板增加PWM信号分析模块6，对PWM信号分析提取出调光模块、调光参数输出模拟电压。
（3）在灯板上改进原LED恒流调光模块4，该模块可提取PWM信号分析模块6输出的模拟电压值对LED电流值调整，从而实现LED灯无频闪调光。
（4）PWM发生器2模块的程序如图4所示。
集中LED驱动电源开机时产生开机复位信号，PWM发生模块单片机1 s常高电平，让MOS驱动管导通，先给PWM信号分析模块大电容充电使PWM信号分析模块能在后续的1 s PWM的电力斩波中有电检测集中电源调光挡位模块调光参数，单片机根据该参数调整PWM脉宽宽度输出频率为100 Hz PWM波形驱动MOS管集中电源PWM输出。1 s后输出MOS管常通信号，使MOS常通，集中电源正常输出。当调光挡位调光信号参数变化，单片机重新检测集中电源调光信号参数，单片机根据该参数调整PWM脉宽宽度输出频率为100 Hz PWM波形驱动MOS管集中电源PWM输出。1 s后输出MOS管常通信号，使MOS常通，集中电源正常输出。
功能不复杂的可采用低成本的8位单片机即可实现。波形如图5所示。
从图5中可以看出，LED灯只有1 s时间是频闪的，其后一直无频闪输出，对人健康无影响。
（5）PWM信号分析模块6程序框图如图6所示。
PWM信号分析模块检测电力线电压信号，当检测出有PWM波形时对PWM波形进行分析，根据斩波的脉宽宽度提取其中的调光参数信号，输出模拟电压信号，控制LED灯亮度。其中，脉宽宽度的测量可通过单片机的定时器计时功能测量，当PWM信号分析模块检测到电力线电压信号有下降时，延时开始1 s的PWM脉宽宽度的测量。
测量的方法如下：当电力线电压为低电平时开始计数，高电平结束计数。根据集中电源输出PWM的频率为100 Hz可计算出低电平脉宽的宽度，将计数宽度值保存到D/A转换器寄存器中，输出模拟电压。每触发一次的计数时，该次脉宽数值最大值为最终记录值。
由于PWM信号分析模块功能不复杂，所以单片机选择上可采用低成本的8位单片机即可实现以上功能。PWM信号分析模块6输入输出波形如图7所示。
（6）LED恒流调光模块根据PWM信号分析模块输出的电压值调整LED驱动电流，从而达到LED灯无频闪调光。LED光源采用相互串联方式，共由14只高亮度小功率LED灯珠组成；每只LED灯珠的压降约3.1 V，工作电流约30 mA。由白光LED的正向伏安特性可知，当LED端电压超过其正向导通电压后，较小的电压波动都会导致工作电流的剧烈变化，从而影响LED的正常使用。因此，LED恒流调光模块须采用电压控制形高精度恒流控制电路。
电压控制形高精度恒流控制电路设计如下：在LED回路中接入高精度的电流采样电阻及电流控制三极管。运算放大器以PWM信号分析模块输出的电压为基准跟踪LED电流采样电阻采样电压方式，驱动电流控制三极管，使LED回路中的电阻上电压值与PWM信号分析模块输出的电压值相等，使电流能闭环控制而达到高精度的线性流恒控制，保证了车内多灯亮度的一致性。
3 结语
本文主要根据照明频闪对人健康造成的影响，结合现有的地铁车内照明技术，总结了地铁车内照明技术缺陷，在原车内照明设计的基础上提出一种新的无频闪照明解决方法，即通过直流电力线短暂斩波实现无频闪调光而无需在原线路上增加多余的控制线，为今后地铁车内照明提供新的方案设计。并且，直流电力线短暂斩波方式还可以应用在不用增加专用的信号传输线进行信号传输。
参 考 文 献
[1]余希湖，蒋涌潮.光源闪烁对视觉影响的研究[J].照明工程学报，1996（2）.
[2]段九州.信号传输与通迅电路[M].北京：中国质检出版社，2008.
[3]闻兴业，孙利苹，刘永志，等.LED照明及集中供电方式在轨道车辆上的应用[J].铁道机车车辆，2014（1）.
[責任编辑：陈泽琦]
【关键词】LED调光；健康光环境；PWM；信号远程传输；直流电力短暂斩波；频闪危害
【中图分类号】TM923 【文献标识码】A 【文章编号】1674-0688（2018）07-0111-03
0 前言
近年来，我国的照明行业发展迅速，其中LED照明发展很快，LED是一种固态电光源，是一种半导体照明器件，其电学特性具有很强的离散性。它具有体积小、机械强度大、功耗低、寿命长，便于调节控制及无污染等特征，是具有极大发展前景的新型光源产品。并且，照明环境越来越被用户所重视，照明的舒适性、环保性、节能性成为提高照明行业竞争力的重要一环。其中，LED调光技术在LED照明中十分重要。
LED调光方法的实现分为2种：模拟调光和数字调光。模拟调光即限流模式调光，通过晶体管作为可变电阻实现限流控制。限流模式调光是在直流恒压源的模块输出中，将LED灯和晶体管串联，晶体管工作在放大区作为可变限流电阻，通过改变可变电阻的阻值有效控制LED电流，从而控制LED灯的亮度；其优点是电流可连续，无频闪。
数字调光又称PWM调光，通过PWM波开启和关闭LED来改变正向电流的导通时间，以达到亮度调节的效果。该方法基于人眼对亮度闪烁不够敏感的特性，使负载LED时亮时暗。如果亮暗的频率超过100 Hz，人眼看到的就是平均亮度，而不是LED在闪烁。PWM通过调节亮和暗的时间比例实现调节亮度，在一个PWM周期内，因为人眼对大于100 Hz内的光闪烁，感知的亮度是一个累积过程，即亮的时间在整个周期中所占的比例越大，人眼感觉越亮。但缺点是对于一些高频采样的设备，如高频采样摄像头，采样时有可能恰好采到LED暗时的图像。并且，频闪调光对人是有危害性的。频闪危害有如下几个方面：①照明光源频闪会引发视觉疲劳、偏头痛。②长期在高频闪的灯光下生活，睫状肌会不停地放大缩小，处于紧张运动的状态，增加眼睛疲劳度，减退视力，导致人眼出现酸涩、疼痛、发痒等症状。③在光强不断变化的有频闪的光源下生活，视觉系统需要不断地调节眼球瞳孔的大小来保证视网膜光照度的稳定性和成像的清晰度。总之，在有频闪的光源下生活，轻者产生眼疲劳，酸痛，重则造成视觉系统的损伤。由于频闪照明的危害性，无频闪的调光是势在必行的。地铁车内的无频闪照明也将成为趋势。
地铁车内照明的布置情况：地铁单节车厢有20 m长，LED灯布置有18 m长，共有256个灯板，由集中控制电源集中控制。单灯板离集中控制电源远的有17 m，如要控制LED灯板的亮度，需将调光信号远程传输到LED灯板。现今的信号远程传输有两大类，一类是无线传输，另一类是有线传输。无线传输布线简单但成本高，信号没有有线传输的稳定。有线传输布线复杂，成本低。由于地铁的特殊性，既要考虑信号的稳定性，又要考虑布线简单，因此地铁车内照明调光一直是电力线斩波调光，即在动力输出线上斩波调光。这样既不用专用的信号传输线，也没有无线传输信号。这种调光方式虽然调光稳定性高，布线简单，但是缺点是有频闪，并对电磁环境有影响。因此，在信号的传输上要有新的设计方案，既可以将调光信号传输到灯板实现无线调光，又不增加专有的传输线路。本文提出一种电力线短暂斩波方式，既不用无线传输信号，又不用增加额外的线路传输信号，即可达到传输调光信号到灯板实现无频闪调光，解决现今地铁车内照明无频闪调光的问题。
现今，地铁车内的集中控制照明还没有一种布线简单且成本低的无频闪的方案。
1 现今地铁照明方案
110 VDC转48 VDC模块是指将直流100 VDC转换为48 VDC直流电源模块。PWM发生模块是指发生PWM的电路模块。MOS管是指将PWM信号控制直流电力输出的元件。恒流芯片是指稳定流过LED灯珠的电流而达到所用到的LED灯珠出光量的一致性。LED灯珠是指将电能产生光的元件。灯板是指恒流芯片、LED灯珠2个模块的组合。集中控制电源是指110 VDC转48 VDC模块、PWM发生模块、MOS管、调光挡位模块4个模块组合。现有技术的结构示意图如图1所示。
该方案设计原理如下：将车载提供的110 VDC通过DC-DC电压转换模块将高压110 VDC转为48 VDC安全电压，PWM发生模块根据调光挡位模块、调光参数产生不同宽度的辐值为10 VDC PWM信号给驱动MOS管对输出给灯板的48 VDC斩波，灯板恒流芯片在电压不稳定的状态下保证LED灯电流恒定，从而保证LED灯亮度不发生变化。
PWM发生模块输出10 VDC辐值的PWM VGS信号，MOS管采用共源极接法的电路，输出特性如下面公式所示。
当VGS为10 VDC时：
iD=IDS■-12
由于MOS管是电压控制元件，所以主要由栅源电压VGS决定其工作状态。MOS管作为开关元件，是工作在截止或导通2种状态。由于MOS管的导通特性及电力线存在电感，所以在大电流的开关状态下会产生电磁辐射，影响车内电子设备及手机用户。
该LED集中控制电源对LED输出的电力波形如图2所示。
从图2中我们可以看出，现有的地铁照明是有闪频的，这必然会对人体健康造成影响。因此，必须对其进行升级改进。
由于原方案是电力斩波，MOS管一直对电力输出暂波，所以会产生电磁波，对EMC有较大的影响，并产生了频闪照明。针对以上的缺点，本文提供一种1 s短暂对电力斬波的无频闪调光方案，设计的思路如下： （1）PWM斩波中是可以包含信息在波形中的，比如脉宽的宽度即可以表示所需调光值的大小，只要在灯板增加一个PWM信号分析电路采取电力线信号，即可将电力线PWM信号信息提取并保存。每当电力线的PWM信号更新时，保存最新调整的PWM信号参数。
（2）1 s对现今的单片机运算时间很短，1 s的时间人基本是不会注意的到光的变化过程。现今的单片机运算速度快，主频基本上是几十兆赫兹的，即1 s可以执行上万条的指令，所以在1 s内完全可以将PWM波形中的信息分析出来，并输出为模拟电压信号。
（3）由于低频对电路设计的要求低，电磁辐频低，所以电力斩波频率尽量选择低频。由于人的视觉反应在最低100 Hz频闪中人眼也感觉不出闪烁，所以电力斩波频率选择为100 Hz。在信号分析上，100 Hz频率1 s内包含100个脉宽信号，这足够PWM分析模块分析出调光参数。
（4）灯板上设计模拟调光模块提取PWM信号分析模块分析出的模拟电压信号。调整LED灯珠电流，使LED中的电流保持稳定，从而达到LED灯无频闪发光输出。
2 新设计的方案
综合上述，LED集中控制电源选择提供1 s时间的频率为100 Hz的电力斩波，灯板上PWM信号分析模块分析PWM中的调光参数，即可实现无频闪调光，而不用一直采用斩波方式调光。新的设计方案如图3所示。
（1）在原有的基础上对PWM发生器2模块的程序进行新的设计。
（2）在灯板增加PWM信号分析模块6，对PWM信号分析提取出调光模块、调光参数输出模拟电压。
（3）在灯板上改进原LED恒流调光模块4，该模块可提取PWM信号分析模块6输出的模拟电压值对LED电流值调整，从而实现LED灯无频闪调光。
（4）PWM发生器2模块的程序如图4所示。
集中LED驱动电源开机时产生开机复位信号，PWM发生模块单片机1 s常高电平，让MOS驱动管导通，先给PWM信号分析模块大电容充电使PWM信号分析模块能在后续的1 s PWM的电力斩波中有电检测集中电源调光挡位模块调光参数，单片机根据该参数调整PWM脉宽宽度输出频率为100 Hz PWM波形驱动MOS管集中电源PWM输出。1 s后输出MOS管常通信号，使MOS常通，集中电源正常输出。当调光挡位调光信号参数变化，单片机重新检测集中电源调光信号参数，单片机根据该参数调整PWM脉宽宽度输出频率为100 Hz PWM波形驱动MOS管集中电源PWM输出。1 s后输出MOS管常通信号，使MOS常通，集中电源正常输出。
功能不复杂的可采用低成本的8位单片机即可实现。波形如图5所示。
从图5中可以看出，LED灯只有1 s时间是频闪的，其后一直无频闪输出，对人健康无影响。
（5）PWM信号分析模块6程序框图如图6所示。
PWM信号分析模块检测电力线电压信号，当检测出有PWM波形时对PWM波形进行分析，根据斩波的脉宽宽度提取其中的调光参数信号，输出模拟电压信号，控制LED灯亮度。其中，脉宽宽度的测量可通过单片机的定时器计时功能测量，当PWM信号分析模块检测到电力线电压信号有下降时，延时开始1 s的PWM脉宽宽度的测量。
测量的方法如下：当电力线电压为低电平时开始计数，高电平结束计数。根据集中电源输出PWM的频率为100 Hz可计算出低电平脉宽的宽度，将计数宽度值保存到D/A转换器寄存器中，输出模拟电压。每触发一次的计数时，该次脉宽数值最大值为最终记录值。
由于PWM信号分析模块功能不复杂，所以单片机选择上可采用低成本的8位单片机即可实现以上功能。PWM信号分析模块6输入输出波形如图7所示。
（6）LED恒流调光模块根据PWM信号分析模块输出的电压值调整LED驱动电流，从而达到LED灯无频闪调光。LED光源采用相互串联方式，共由14只高亮度小功率LED灯珠组成；每只LED灯珠的压降约3.1 V，工作电流约30 mA。由白光LED的正向伏安特性可知，当LED端电压超过其正向导通电压后，较小的电压波动都会导致工作电流的剧烈变化，从而影响LED的正常使用。因此，LED恒流调光模块须采用电压控制形高精度恒流控制电路。
电压控制形高精度恒流控制电路设计如下：在LED回路中接入高精度的电流采样电阻及电流控制三极管。运算放大器以PWM信号分析模块输出的电压为基准跟踪LED电流采样电阻采样电压方式，驱动电流控制三极管，使LED回路中的电阻上电压值与PWM信号分析模块输出的电压值相等，使电流能闭环控制而达到高精度的线性流恒控制，保证了车内多灯亮度的一致性。
3 结语
本文主要根据照明频闪对人健康造成的影响，结合现有的地铁车内照明技术，总结了地铁车内照明技术缺陷，在原车内照明设计的基础上提出一种新的无频闪照明解决方法，即通过直流电力线短暂斩波实现无频闪调光而无需在原线路上增加多余的控制线，为今后地铁车内照明提供新的方案设计。并且，直流电力线短暂斩波方式还可以应用在不用增加专用的信号传输线进行信号传输。
参 考 文 献
[1]余希湖，蒋涌潮.光源闪烁对视觉影响的研究[J].照明工程学报，1996（2）.
[2]段九州.信号传输与通迅电路[M].北京：中国质检出版社，2008.
[3]闻兴业，孙利苹，刘永志，等.LED照明及集中供电方式在轨道车辆上的应用[J].铁道机车车辆，2014（1）.
[責任编辑：陈泽琦]