民用飞机驾驶舱LED指示灯模拟调光研究

黄顺云

(航空工业上海航空电器有限公司，上海 201101)

引言

位于飞机驾驶舱控制板组件上的指示灯也称信号灯，有的是单独的、有的包含于按压开关内部(Push Button Annunciator, PBA)，用于显示飞机驾驶状态、航行状况、机体信息等，基于不同的状态信息和反馈需求显示不同的颜色与亮灭状态、对应不同的应用场景。飞机在全天候气象条件下航行，会遇到差异较大的各种光环境，如阳光直射或黑暗环境等，指示灯上的信息必须在所有情况下被飞行员迅速识别且不会产生不必要的干扰。为适应人眼的需求，指示灯需有调光功能，即其亮度参数需随外部光环境的变化而改变。目前通用的方式是亮、暗两种模式的切换，也有少部分机型提供低亮度段的连续调光功能。由于LED高光效、长寿命、小尺寸、安全可靠等特点，目前主流机型的指示灯均使用LED为光源，其调光实现方式主要为脉冲宽度调制(Pulse width modulation, PWM)调光、模拟调光等[1]。

本文针对驾驶舱LED指示灯的调光，调研了国内外行业标准以及在研、运营机型中相关的光性能指标要求，从LED特性出发分析两种调光方式的优劣，测试了指示灯电流与亮度的关系，确认模拟调光方案的可行性。本文为后续机型的驾驶舱指示灯调光设计提供参考依据，以期提供多种选择，在保障驾驶舱光电性能等品质的条件下提高设计与制造的工作效率，并为指示灯产品的国产化研制提供理论基础。

1 光性能指标要求

飞机驾驶舱指示灯的示例如图1所示，与其光性能指标相关的国外标准包括SAE ARP4102/4[2]、MIL-PRF-22885[3]、MIL-STD-411[4]、SAE AS25050[5]、MIL-STD-3009[6]等。国内的相关标准多是参考国外标准，主要涉及GJB 1006[7]、HB 6441[8]、GJB 1394[9]、GJB 2020A[10]等，其中的亮度与色度的量化指标与国外标准相似。综合上述的标准，飞机指示灯亮度的调光要求集中在亮模式(BRT)510～1300 cd/m2、暗模式(DIM)51±10 cd/m2(告警注意类)或3.4±1.7 cd/m2(信息提示类)，极端情况需暗至0.34 cd/m2(夜视兼容类)。由于民用飞机无夜视兼容的要求，因此，依据行业标准，其驾驶舱指示灯的调光范围需达到18倍与266倍。

图1 飞机驾驶舱指示灯示例

对于指示灯的色度指标，综合国内外的行业标准，主要分为三类，如图2所示。

图2 行业标准的色度指标

根据部分在研与运营的民用机型的需求，其指示灯的亮度指标集中在亮模式514.5～1 715 cd/m2、暗模式15～82.3 cd/m2，因此指示灯的调光范围约为20～50倍，色度要求如图3所示。

图3 各机型色度指标

2 模拟调光特性

2.1 指示灯调光方式

主流机型的驾驶舱指示灯调光方式分为占空比PWM调光及模拟调光两种，前者由于色度稳定、亮度调节线性度好，所以更多地被应用。

PWM调光的方式是在LED光源上加载周期性通断的驱动，当通断变化频率较高(如大于100 Hz)，人眼无法识别通与断的状态，便感受不到闪烁。此时视觉感受是平均化后的亮度，由此可以通过调节占空比的量值而改变指示灯的亮度，两者关系是线性的。PWM调光的优势是LED亮度控制精准、色度漂移较小，因此应用较为广泛。但劣势是需要利用可编程硬件或软件实现占空比的量值控制，增加了设计的复杂度，对飞机整体的可靠性、成本等不利，还会增加研制过程中管控的工作量。同时为保障亮模式与暗模式间的调光精确度，PWM方波需包含较多的高频信号，这与驾驶舱中的电磁兼容要求有冲突[11,12]。

模拟调光的原理较为简单，由于LED发出的光量与其电流呈近似线性关系，因此通过调节LED的电流即可相应改变指示灯的亮度。根据文献调研，当单色LED的电流上升，其色度会向蓝色方向偏移，即波长会减小、色度x值随之减小。当LED的节温上升，其色度会向红色方向偏移，波长增大、色度x值随之增大[13]。由于电流与温度有相关性，所以指示灯的色度漂移情况不确定。而对于白光LED，当受到电流与温度影响，其内部的蓝光波长发生偏移，荧光粉的激发效率会发生变化，从而影响色度x值与y值。同时，由于指示灯的亮度调节范围大，暗模式时需使用的LED电流较低(如小于1 mA)。此时，LED电流与亮度不再是精确的线性关系，曲线会发生变化，从而对亮度的控制造成困难。基于上述这些原因，一般认为模拟调光对指示灯的光色影响较大，是次之的选择。但其光性能的变化究竟有多少，是否超出了可使用的范围，下一节将做详细的测试分析。

2.2 指示灯模拟调光实验

实验测试样本选取业内全球主流的供应商出售的318系列指示灯产品，其简述的照明电路原理示意如图4所示。其中，上方的LED为指示灯的上层字符(如有)照明，下方的LED为指示灯的下层字符(如有)照明。LED串联一个限流电阻，用以控制指示灯的亮度。不同的指示灯产品其内部LED的数量与串并联方式会有所不同，但其光性能相似。

图4 LED指示灯照明电路原理示意

选择若干常用的红光、琥珀光、绿光、白光指示灯，根据上述调研的行业标准中暗模式最低需调节至3.4 cd/m2的要求，设置实验条件如表1所示，在不同供电条件下测试指示灯字符的亮度，实验装置使用示意如图5所示。考虑到各指示灯上下层字符颜色不同，因此实验以半层字符为对象考量电流与亮度的关系。

表1 实验用设备及实验条件

图5 实验装置使用示意

如图6所示为某一指示灯的测试结果，在大部分情况时其亮度的变化与电流的变化呈正比，只在较低的电流条件下逐渐出现变化且变化量较小，如图7所示。虽然电流与亮度间的关系变化不明显，但根据实际的使用经验，模拟调光的方式会对指示灯的暗模式亮度有显著的影响。

图6 指示灯光性能测试示意

图7 指示灯电流亮度测试结果(低电流段)

将测试结果转换为亮度归一化与电流归一化的比值，分析该比值与电流之间的关系。图8为所有指示灯样本的测试结果，横坐标为半层指示灯的电流值I，纵坐标为半层指示灯字符亮度归一化与电流归一化的比值。可以看到各指示灯的趋势较为接近，随着电流降低，特别是小于2 mA时，亮度的降低速度逐渐快于电流。

图8 指示灯亮度电流归一化比值与电流的关系

根据行业标准与机型需求，指示灯的调光需求至少大于18倍，因此指示灯在暗模式时的工作电流需小于2 mA。选取此区间内的测试数据，拟合为式1，如图9所示。拟合结果R2为0.948、P值小于0.01，方程具有显著性，即具有统计学意义，可以解释实验数据中94.8%的变异量。

Ln/In=0.1174ln(I) + 0.9289 (I≤2 mA)

(1)

其中，Ln为亮度归一化值即亮度的下降比例、In为电流归一化值即电流的下降比例，I为半层指示灯的电流、是亮模式时的最大电流IBRT乘以In。

图9 2 mA及以下区间测试点的拟合

因此，式(1)可以转换为式(2)，其中，Ln是已知的亮度下降比例的要求，亮模式电流IBRT可通过测试获取，由此可计算出电流的下降比例In。再通过已知的亮模式电流值IBRT可得暗模式时的电流值IDIM为IBRT×In，将此计算所得的暗模式电流落实到指示灯的调光电路设计中，即可满足指示灯暗模式时的亮度要求。

Ln/In=0.1174ln(IBRT×In) + 0.9289 (I≤2 mA)

(2)

为确认上述的拟合公式是否满足使用要求，随机抽取指示灯样本，在不同的暗模式亮度条件下将电流测试值与理论计算值进行对比，结果见表2，其误差趋势如图10所示。可以看到调光比例小于1 000倍时，计算所得暗模式的电流值误差在12%以内。根据行业标准与机型需求，至多266倍的调光要求能够由上述的拟合公式满足。由于不同类型的指示灯内部LED光源数量及串并联方式不同，其亮度电流曲线会有所不同，但曲线的趋势是类似的，基于上述的方法均即可寻到一个适用的拟合关系式。另外，由于白光LED与单色LED发光机理不同，白光指示灯使用数据全集所拟合的公式计算所得的结果误差会大于其它颜色的指示灯，如图10所示。如果指示灯亮度的容差范围较小、对理论计算误差的要求较高，可为白光指示灯单独拟合关系式。

接下来是指示灯色度性能的考察，色度随电流变化的测试结果如图11所示，红光、琥珀光、绿光指示灯的色度相对于其需求范围漂移不明显，根据式(3)计算得其偏移量均值分别为0.003、0.0017、0.024，变化量小于各自要求范围的1/10。白光的变化相对大些，平均的偏移量为0.013，小于其要求范围的1/5。

ΔE=(Δx2+Δy2)1/2

(3)

表2 拟合公式的计算误差

图10 拟合公式有效性验证

其中，Δx与Δy为色度差异最大的两个点的坐标差值，即ΔE是此两点的距离。

图11 指示灯电流色度测试结果

为进一步确认白光指示灯随电流变化时的色度漂移是否会对人眼视觉产生影响，根据GB/T 10682[14]以量化的色容差参数做评判，计算方法如式(4)，标准中要求在5个单位内为可接受范围。

(g11Δx2+ 2g12ΔxΔy+g22Δy2)1/2

(4)

其中，Δx与Δy为色度差异最大的两个点的坐标差值，根据本次测试的白光色温区域，g11=38×104、g12=-20×104、g22=25×104。

计算得被测的白光指示灯的平均色容差为4.3，符合小于5的要求，所以白光指示灯由亮模式到暗模式的色度漂移也在人眼可接受的范围内。以上的测试仅适用于选定系列的指示灯，对于不同供应商、不同系列的指示灯产品，针对不同的机型需求，均应以上述的方式确认指示灯的色度偏移量是否能够符合暗模式调光的要求。

2.3 应用案例

某民用机型中，使用的指示灯为318系列产品，部分指示灯安装在无软件控制的位置，使用模拟调光是较优的方式。

以一琥珀色指示灯为例，仅下层有字符需照明，如图12框线内的部分为指示灯内部照明原理示意。指示灯的亮度指标要求为亮模式514.5～1 543.5 cd/m2、暗模式27.4～82.3 cd/m2，即调光倍数为18.8，色度要求如表3所示。

首先测得该指示灯在亮模式时的电流为12.78 mA、亮度为986.7 cd/m2，计算得其内部单个电阻的阻值约为950 Ω。根据式(2)可得暗模式的电流约为0.77 mA。而后设计调光电路如图13所示，暗模式时指示灯的外部增加串联一限流电阻。根据暗模式的电流值等已知信息，计算得到增加的限流电阻为15 kΩ。将此方案应用于产品，该指示灯在暗模式下的亮度测试结果为49.56 cd/m2，符合27.4～82.3 cd/m2的要求；色度测试结果为x=0.6264、y=0.3726，符合表3的要求。

表3 某机型指示灯琥珀色色度要求

图12 某机型琥珀色指示灯及其模拟调光原理示意

3 总结

结合上述的需求调研、实验测试、结果分析及应用案例，模拟调光的方式可应用于飞机驾驶舱LED指示灯的亮暗调节。所得的式(2)可计算暗模式时指示灯的电流以确保其亮度符合要求，色度在调光过程中出现的漂移量符合要求的范围以及人眼视觉的需求。需指出的是，若指示灯内部的电路原理或LED选型发生变更，则式(2)可能不再适用，需根据2.3中的方法测试得到一系列数据重新拟合关系式，同时需注意考察色度的漂移量是否超出要求的范围。

模拟调光虽有其劣势，但胜在设计简洁且成本低，民用飞机驾驶舱指示灯的调光设计需结合产品总体的设计方案综合考量，选用最合适的方法。