解讀高亮LED在綠色照明工程中的應(yīng)用研究

發(fā)光二極管(LED) 是一種應(yīng)用廣泛的電子元件，但由于其發(fā)光效率和亮度均較低，發(fā)光顏色品種少等原因，LED 在20世紀(jì)90年代以前主要應(yīng)用于儀器儀表的狀態(tài)、數(shù)字和文字等的顯示。20世紀(jì)90年代初期，LED芯片制造技術(shù)和封裝技術(shù)取得重大發(fā)展，LED的發(fā)光亮度達(dá)到了cd 級(jí)，產(chǎn)生了所謂的高亮度LED，發(fā)光顏色也覆蓋到了整個(gè)可見(jiàn)光光譜范圍， 極大拓展了LED的應(yīng)用范圍和領(lǐng)域。世界上許多國(guó)家和地區(qū)已開(kāi)始用超高亮度LED取代白熾燈、金屬鹵鎢燈，廣泛用作交通信號(hào)燈、警示燈、標(biāo)志燈、汽車、轎車上的高位剎車燈、尾燈、轉(zhuǎn)向燈及儀表盤的照明和顯示等。國(guó)外有些公司還制作出LED燈泡、LED臺(tái)燈及小電筒等照明燈具。到目前為止，白光LED的發(fā)光效率已達(dá)到15～ 20 lm/W ， 與白熾燈發(fā)光效率相當(dāng)甚至更高， 用LED替代白熾燈已成為可能。

與白熾燈相比，LED 固體燈具有使用壽命長(zhǎng)(達(dá)100 000 h 以上) ， 能耗低， 發(fā)光利用率高， 對(duì)環(huán)境無(wú)害， 維修費(fèi)用低， 工作穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)， 是一種理想的綠色照明光源。由于單只LED管的光通量相對(duì)較小， 要獲得與白熾燈或熒光燈相當(dāng)?shù)墓庹斩刃枰嘀籐ED管， 因此LED固體照明成本相對(duì)較高。目前，固體燈照明還未得到完全發(fā)展，制約LED照明發(fā)展的主要因素是LED的亮度和研制成本。 隨著LED制造技術(shù)的發(fā)展和成本的不斷降低，LED照明將會(huì)越來(lái)越普及， 高亮度LED用于固體燈照明具有廣闊的發(fā)展前景和市場(chǎng)。

高亮度LED的配色原理

1、顏色匹配原理

把兩種以上的顏色調(diào)節(jié)到視覺(jué)上與某種顏色相同的方法叫做顏色匹配。顏色可以相互混合， 這種混合可以是顏色光的混合， 也可以是染料的混合， 兩種混合方法所得到的結(jié)果是不同的。前者稱為顏色相加混合， 后者為顏色相減混合。將幾種顏色的光同時(shí)或先后快速地刺激人的視覺(jué)器官， 便產(chǎn)生不同于原來(lái)顏色的新顏色感覺(jué)， 這就是顏色相加混合的方法。實(shí)驗(yàn)證明， 用紅、綠、藍(lán)三原色產(chǎn)生其他顏色最方便， 這三種顏色是最優(yōu)的三原色。

在顏色光的匹配實(shí)驗(yàn)中， 由三原色組成的顏色的光譜組成與被匹配的顏色光的光譜組成可能很不一致。例如， 由紅、綠、藍(lán)三個(gè)顏色光混合的白光與連續(xù)光譜的白光在視覺(jué)上一樣， 但它們的光譜組成卻不一樣，這一顏色匹配稱為“同色異譜”顏色配對(duì)。由三原色混合成的顏色只表達(dá)被匹配顏色的外貌， 而不能表達(dá)它的光譜組成情況。

2、顏色方程

若以(C) 代表需要匹配的顏色的單位， (R ) ，(G) ， (B ) 分別代表產(chǎn)生混合色的紅、綠、藍(lán)三原色的單位， R， G，B， C 分別代表紅、綠、藍(lán)和被匹配色的數(shù)量， 當(dāng)達(dá)到顏色匹配時(shí)， 有

在色度學(xué)中， 常將為匹配相等能量(簡(jiǎn)稱等能) 光譜色的三原色數(shù)量稱為光譜三刺激值， 用表示. 則匹配波長(zhǎng)為λ的等能光譜色(Cλ) 的顏色方程為

通常， 并不直接用三原色數(shù)量來(lái)表示顏色， 而用三原色各自在總量中的相對(duì)比例-色度坐標(biāo)表示顏色。某一特定色顏色的色度坐標(biāo)r，g， b分別為：和。由于r+ g + b= 1， 所以只用r， g即可表示一種顏色，故顏色方程可改寫為

對(duì)于不同的波長(zhǎng)的光譜色， 其三刺激值是波長(zhǎng)的函數(shù)，用來(lái)表示， 光譜三刺激值又稱為顏色匹配函數(shù)， 它的數(shù)值取決于人眼的視覺(jué)特性。

在上述可能具有負(fù)值方程的顏色匹配條件下， 所有的顏色， 包括白黑系列的各種灰色、各種色調(diào)和飽和度的顏色， 都能由紅、綠、藍(lán)三原色的相加混合產(chǎn)生(匹配)。

3、CIE 色度圖

對(duì)于人眼視覺(jué)來(lái)說(shuō)， 顏色與三刺激值一一對(duì)應(yīng)， 亦即由三刺激值唯一確定。通常以圖1 所示的CIE-XYZ色度圖作為配色計(jì)算的依據(jù)。

該色度圖特性： 從紅端到540 nm 一帶的綠色， 光譜軌跡幾乎是直線， 此后光譜軌跡突然轉(zhuǎn)彎， 顏色從綠色轉(zhuǎn)為藍(lán)2綠， 藍(lán)2綠又從510 nm 到480 nm 伸展開(kāi)來(lái)， 帶有一定的曲率， 藍(lán)色和紫色波段卻又壓縮在光譜軌跡尾部的較短范圍。連接400 nm 和700 nm 的直線是光譜上所沒(méi)有的由紫到紅的顏色，光譜軌跡及連接光譜軌跡兩端所形成的馬蹄形內(nèi)包括一切物理上能實(shí)現(xiàn)的顏色， 而坐標(biāo)系統(tǒng)的三個(gè)原色點(diǎn)都落在這個(gè)區(qū)域之外， 也就是說(shuō)， 三原色點(diǎn)的色度是假想的， 在物理上不可能實(shí)現(xiàn)。同樣， 凡是落在光譜軌跡和紅端到紫端直線范圍以外的顏色也都是不能有真實(shí)光線產(chǎn)生的。

根據(jù)該色度圖上還可推算出由兩種顏色相混合所得出的各種中間色。色度圖準(zhǔn)確地表示了顏色視覺(jué)的基本規(guī)律以及顏色混合的一般規(guī)律， 這個(gè)色度圖也叫做混色圖。

圖1　多色混合

配色計(jì)算

由格林斯曼定律可知， 任意兩非互補(bǔ)色以任意比例混合將產(chǎn)生中間色。在色度圖上表現(xiàn)為任意兩個(gè)顏色(包括互補(bǔ)色) 相混合， 所產(chǎn)生的顏色是以兩種顏色為端點(diǎn)的連線線段上的顏色。三個(gè)線性無(wú)關(guān)的顏色相混合， 所產(chǎn)生的顏色是以此三點(diǎn)為頂點(diǎn)所圍成的三角形內(nèi)的顏色， 如圖3 所示。

采用三色LED混色也正是基于此原理。配色的主要任務(wù)是確定三原色數(shù)量比， 也就是確定三刺激值， 從而進(jìn)一步確定紅、綠、藍(lán)三種顏色L ED 管的數(shù)量比。文中所提到的配色， 主要是指匹配白光， 也就是在紅、綠、藍(lán)三原色LED管都達(dá)到最亮?xí)r， 混合光為選定的白光， 此時(shí)稱為達(dá)到白平衡。[!--empirenews.page--]

設(shè)在CIE-XYZ 色度系統(tǒng)中， 所要配出的白光為W (xw， yw ， zw ) ， CIE 所用三原色為X (x R ，y R ， z R ) ， Y (x g ， y g ， z g ) ， Z (xb， yb， zb) ， 所用LED 發(fā)光管發(fā)光的色度坐標(biāo)分別為X ′(x ′R ， y ′R ， z ′R )、Y ′(x ′g ， y ′g ， z ′g ) ，Z ′(x ′b， y ′b， z ′b) ， 則根據(jù)格林斯曼定律有

用矩陣的形式表示為

式中：

于是

在CIE-XYZ 色度系統(tǒng)中有

將式(6) 代入可得

設(shè)[xw yw zw] ×A- 1 = [b1 b2 b3] ， 則b1， b2， b3 即為以X ′，Y ′，Z ′為三原色時(shí)W 的色度坐標(biāo)。亦即為以X ′，Y ′，Z ′為三原色匹配W 時(shí)， 三原色的亮度或光通亮之比。

通過(guò)計(jì)算得到配色的色度坐標(biāo)， 由色度系統(tǒng)的單位即可得知紅綠藍(lán)三種LED發(fā)光管的總的光強(qiáng)或光通比， 由每種發(fā)光管的特性參數(shù)即可確定各種LED發(fā)光管的大致數(shù)量比。

LED發(fā)光管的排列設(shè)計(jì)

三原色的配色比例決定了混色后所得的顏色， 亦即紅綠藍(lán)三原色LED的相對(duì)數(shù)量決定了混色的顏色。在實(shí)際應(yīng)用中， LED一般都是直立安裝， 其光線近似為以LED發(fā)光中心為頂點(diǎn)， 以LED的光軸為中軸的倒圓錐體形。 LED的分布位置對(duì)參與混色的光具有直接影響， 效果如圖2 所示。圖中紅綠藍(lán)三色圓心的位置為發(fā)出相應(yīng)顏色LED的發(fā)光中心的位置。

圖2　三色LED混色

由圖2 可知， 混色區(qū)域分為單色區(qū)域， 兩種單色混合區(qū)域和三色混合區(qū)域. 單色LED的位置不同， 各種顏色區(qū)域的面積大小不同。單色LED相互間的距離減小時(shí)， 兩種或三種單色混合的區(qū)域就增大， 反之則減小。用三原色進(jìn)行配色就是用兩種或三種原色混色獲得另一種單一的顏色， 要求在混色時(shí)盡量避免其他顏色的出現(xiàn)。因此要獲得較為理想的配色效果， 必須盡量減小參與混色的LED之間的間距， 從而增大混色區(qū)域。

由格林斯曼定律可知， 混合色的色調(diào)決定于三原色的相對(duì)比例， 混合色亮度為混色前顏色亮度的總和。LED 各方向上的光強(qiáng)是不等的， 它產(chǎn)生的光照不均勻。圖3 所示為相鄰紅綠藍(lán)LED混色的示意圖， 圖中曲面代表LED 光強(qiáng)分布。

圖3　CIE-XYZ 色度

從圖中可以看出， 相鄰紅綠藍(lán)LED混色時(shí)，根據(jù)其相互間的距離， 混色后光強(qiáng)的分布可以產(chǎn)生一個(gè)或多個(gè)波峰， 而使得局部亮度高， 所混合顏色與周圍有明顯差異。附近的LED的光也有一部分射到該區(qū)域， 但由于強(qiáng)度很小， 對(duì)波峰和波谷的影響很小。當(dāng)相鄰幾個(gè)LED混色產(chǎn)生一個(gè)強(qiáng)度分布波峰時(shí)， 可以將這幾個(gè)LED看作為一個(gè)發(fā)光單元， 混色區(qū)域可以看作是由若干個(gè)這樣的發(fā)光單元所照亮， 混色結(jié)果也就是這若干個(gè)發(fā)光單元排列起來(lái)發(fā)光的結(jié)果。因此， 在排列LED管時(shí)， 要形成由配色計(jì)算所得三原色LED 相對(duì)數(shù)量比所確定的LED 發(fā)光單元， 并使得各發(fā)光單元分布均勻， 分布距離適當(dāng)。

LED亮度控制

控制LED亮度的方法有兩種：一種是改變流過(guò)LED的電流， 另一種是脈寬調(diào)制(pu lse w idthmodu lat ion， PWM ) 控制LED的點(diǎn)亮?xí)r間。一般而言， 除紅色LED隨電流的增大亮度會(huì)達(dá)到飽和外， 其他LED的亮度會(huì)隨工作電流的增大而增大。通過(guò)控制流過(guò)LED的工作電流， 可以在較大范圍內(nèi)對(duì)LED亮度進(jìn)行控制。但電流的控制不易于用軟件實(shí)現(xiàn)， 故不適用于數(shù)字控制，而PWM方式能很方便地用軟件實(shí)現(xiàn)， 故在數(shù)字電路中有著廣泛的應(yīng)用。

根據(jù)塔爾波特(TaL bot) 定律

式中： L-為眼睛對(duì)周期變化光感覺(jué)的視覺(jué)亮度; T為周期。當(dāng)亮度函數(shù)L (t) 為一常數(shù)L 時(shí)， 視覺(jué)亮度變?yōu)?/p>

脈寬調(diào)制方式控制LED 的亮度實(shí)際上是控制LED 的點(diǎn)亮的時(shí)間， 周期性的改變其在一個(gè)周期內(nèi)點(diǎn)亮?xí)r間的長(zhǎng)短， 從而實(shí)現(xiàn)LED 亮度的變化。LED 在工作狀態(tài)下， 其工作電流保持穩(wěn)定， 在點(diǎn)亮狀態(tài)時(shí)其亮度只與LED 的本身特性有關(guān)， 而與時(shí)間無(wú)關(guān)， 故其亮度函數(shù)為一常數(shù)。LED周期性點(diǎn)亮和熄滅時(shí)， 其亮度滿足公式(10)。改變循環(huán)周期內(nèi)LED 的點(diǎn)亮?xí)r間， 即可得到LED 不同的亮度級(jí)別， 稱之為不同的灰度級(jí)。在工作狀態(tài)下，連續(xù)地改變LED 在循環(huán)周期中的點(diǎn)亮?xí)r間， 則實(shí)現(xiàn)了LED 亮度灰度級(jí)的連續(xù)變化。將循環(huán)周期T等分為n 等份， 則LED 的灰度級(jí)相應(yīng)地分為n級(jí)。[!--empirenews.page--]

要使得LED在灰度級(jí)變化過(guò)程中， 人眼覺(jué)察不到亮度的跳變， 即沒(méi)有閃爍感， LED 的亮滅變化頻率要大于臨界頻率， 其循環(huán)周期至少不大于0. 1～ 0. 02 s。實(shí)驗(yàn)證明， 當(dāng)L ED 的灰度為256 級(jí)時(shí)， 紅綠藍(lán)三原色混色后無(wú)顏色的跳變， 人眼的感覺(jué)顏色是漸變的。256 級(jí)灰度對(duì)應(yīng)著256 級(jí)亮度，也就對(duì)應(yīng)著256 種顏色變化， 則紅綠藍(lán)三原色混色后可產(chǎn)生2563 種顏色， 即為所謂的24 位顏色。

目前在嵌入式控制系統(tǒng)中普遍采用C251 系列單片機(jī)， 外部晶振頻率可達(dá)20MHz， 機(jī)器周期為1μs ， 能夠很容易地滿足臨界頻率的要求。 采用C-51 系列單片機(jī)對(duì)紅綠藍(lán)LED 進(jìn)行256 級(jí)灰度控制時(shí)， 將LED 的亮滅變化周期均分為256級(jí); 可以對(duì)紅綠藍(lán)三種顏色的LED 管進(jìn)行單色控制和混色控制。要對(duì)紅綠藍(lán)三種原色進(jìn)行分別控制實(shí)現(xiàn)24 位顏色的生成時(shí)， 可采用分段延時(shí)的控制方法實(shí)現(xiàn)對(duì)占空比的控制。在進(jìn)行顏色混合時(shí)，三原色按一定的亮度比進(jìn)行混合， 也就是按一定的灰度級(jí)進(jìn)行混合， 不同的灰度級(jí)定影對(duì)應(yīng)的占空比不同， 在循環(huán)周期中LED 點(diǎn)亮的時(shí)間不同，最低灰度級(jí)的點(diǎn)亮?xí)r間為t1， 中間灰度級(jí)與最低灰度級(jí)的點(diǎn)亮?xí)r間差為t2， 最高灰度級(jí)與中間灰度級(jí)點(diǎn)亮?xí)r間差為t3， 最高灰度級(jí)的熄滅時(shí)間為t4， 根據(jù)這個(gè)時(shí)間差異實(shí)現(xiàn)對(duì)三種顏色的LED 的控制。