解读高亮LED在绿色照明工程中的应用研究

发光二极管(LED) 是一种应用广泛的电子元件，但由于其发光效率和亮度均较低，发光颜色品种少等原因，LED 在20世纪90年代以前主要应用于仪器仪表的状态、数字和文字等的显示。20世纪90年代初期，LED芯片制造技术和封装技术取得重大发展，LED的发光亮度达到了cd 级，产生了所谓的高亮度LED，发光颜色也覆盖到了整个可见光光谱范围， 极大拓展了LED的应用范围和领域。世界上许多国家和地区已开始用超高亮度LED取代白炽灯、金属卤钨灯，广泛用作交通信号灯、警示灯、标志灯、汽车、轿车上的高位刹车灯、尾灯、转向灯及仪表盘的照明和显示等。国外有些公司还制作出LED灯泡、LED台灯及小电筒等照明灯具。到目前为止，白光LED的发光效率已达到15～ 20 lm/W ， 与白炽灯发光效率相当甚至更高， 用LED替代白炽灯已成为可能。

与白炽灯相比，LED 固体灯具有使用寿命长(达100 000 h 以上) ， 能耗低， 发光利用率高， 对环境无害， 维修费用低， 工作稳定等优点， 是一种理想的绿色照明光源。由于单只LED管的光通量相对较小， 要获得与白炽灯或荧光灯相当的光照度需要多只LED管， 因此LED固体照明成本相对较高。目前，固体灯照明还未得到完全发展，制约LED照明发展的主要因素是LED的亮度和研制成本。 随着LED制造技术的发展和成本的不断降低，LED照明将会越来越普及， 高亮度LED用于固体灯照明具有广阔的发展前景和市场。

高亮度LED的配色原理

1、颜色匹配原理

把两种以上的颜色调节到视觉上与某种颜色相同的方法叫做颜色匹配。颜色可以相互混合， 这种混合可以是颜色光的混合， 也可以是染料的混合， 两种混合方法所得到的结果是不同的。前者称为颜色相加混合， 后者为颜色相减混合。将几种颜色的光同时或先后快速地刺激人的视觉器官， 便产生不同于原来颜色的新颜色感觉， 这就是颜色相加混合的方法。实验证明， 用红、绿、蓝三原色产生其他颜色最方便， 这三种颜色是最优的三原色。

在颜色光的匹配实验中， 由三原色组成的颜色的光谱组成与被匹配的颜色光的光谱组成可能很不一致。例如， 由红、绿、蓝三个颜色光混合的白光与连续光谱的白光在视觉上一样， 但它们的光谱组成却不一样，这一颜色匹配称为“同色异谱”颜色配对。由三原色混合成的颜色只表达被匹配颜色的外貌， 而不能表达它的光谱组成情况。

2、颜色方程

若以(C) 代表需要匹配的颜色的单位， (R ) ，(G) ， (B ) 分别代表产生混合色的红、绿、蓝三原色的单位， R， G，B， C 分别代表红、绿、蓝和被匹配色的数量， 当达到颜色匹配时， 有

在色度学中， 常将为匹配相等能量(简称等能) 光谱色的三原色数量称为光谱三刺激值， 用表示. 则匹配波长为λ的等能光谱色(Cλ) 的颜色方程为

通常， 并不直接用三原色数量来表示颜色， 而用三原色各自在总量中的相对比例-色度坐标表示颜色。某一特定色颜色的色度坐标r，g， b分别为：和。由于r+ g + b= 1， 所以只用r， g即可表示一种颜色，故颜色方程可改写为

对于不同的波长的光谱色， 其三刺激值是波长的函数，用来表示， 光谱三刺激值又称为颜色匹配函数， 它的数值取决于人眼的视觉特性。

在上述可能具有负值方程的颜色匹配条件下， 所有的颜色， 包括白黑系列的各种灰色、各种色调和饱和度的颜色， 都能由红、绿、蓝三原色的相加混合产生(匹配)。

3、CIE 色度图

对于人眼视觉来说， 颜色与三刺激值一一对应， 亦即由三刺激值唯一确定。通常以图1 所示的CIE-XYZ色度图作为配色计算的依据。

该色度图特性： 从红端到540 nm 一带的绿色， 光谱轨迹几乎是直线， 此后光谱轨迹突然转弯， 颜色从绿色转为蓝2绿， 蓝2绿又从510 nm 到480 nm 伸展开来， 带有一定的曲率， 蓝色和紫色波段却又压缩在光谱轨迹尾部的较短范围。连接400 nm 和700 nm 的直线是光谱上所没有的由紫到红的颜色，光谱轨迹及连接光谱轨迹两端所形成的马蹄形内包括一切物理上能实现的颜色， 而坐标系统的三个原色点都落在这个区域之外， 也就是说， 三原色点的色度是假想的， 在物理上不可能实现。同样， 凡是落在光谱轨迹和红端到紫端直线范围以外的颜色也都是不能有真实光线产生的。

根据该色度图上还可推算出由两种颜色相混合所得出的各种中间色。色度图准确地表示了颜色视觉的基本规律以及颜色混合的一般规律， 这个色度图也叫做混色图。

图1　多色混合

配色计算

由格林斯曼定律可知， 任意两非互补色以任意比例混合将产生中间色。在色度图上表现为任意两个颜色(包括互补色) 相混合， 所产生的颜色是以两种颜色为端点的连线线段上的颜色。三个线性无关的颜色相混合， 所产生的颜色是以此三点为顶点所围成的三角形内的颜色， 如图3 所示。

采用三色LED混色也正是基于此原理。配色的主要任务是确定三原色数量比， 也就是确定三刺激值， 从而进一步确定红、绿、蓝三种颜色L ED 管的数量比。文中所提到的配色， 主要是指匹配白光， 也就是在红、绿、蓝三原色LED管都达到最亮时， 混合光为选定的白光， 此时称为达到白平衡。[!--empirenews.page--]

设在CIE-XYZ 色度系统中， 所要配出的白光为W (xw， yw ， zw ) ， CIE 所用三原色为X (x R ，y R ， z R ) ， Y (x g ， y g ， z g ) ， Z (xb， yb， zb) ， 所用LED 发光管发光的色度坐标分别为X ′(x ′R ， y ′R ， z ′R )、Y ′(x ′g ， y ′g ， z ′g ) ，Z ′(x ′b， y ′b， z ′b) ， 则根据格林斯曼定律有

用矩阵的形式表示为

式中：

于是

在CIE-XYZ 色度系统中有

将式(6) 代入可得

设[xw yw zw] ×A- 1 = [b1 b2 b3] ， 则b1， b2， b3 即为以X ′，Y ′，Z ′为三原色时W 的色度坐标。亦即为以X ′，Y ′，Z ′为三原色匹配W 时， 三原色的亮度或光通亮之比。

通过计算得到配色的色度坐标， 由色度系统的单位即可得知红绿蓝三种LED发光管的总的光强或光通比， 由每种发光管的特性参数即可确定各种LED发光管的大致数量比。

LED发光管的排列设计

三原色的配色比例决定了混色后所得的颜色， 亦即红绿蓝三原色LED的相对数量决定了混色的颜色。在实际应用中， LED一般都是直立安装， 其光线近似为以LED发光中心为顶点， 以LED的光轴为中轴的倒圆锥体形。 LED的分布位置对参与混色的光具有直接影响， 效果如图2 所示。图中红绿蓝三色圆心的位置为发出相应颜色LED的发光中心的位置。

图2　三色LED混色

由图2 可知， 混色区域分为单色区域， 两种单色混合区域和三色混合区域. 单色LED的位置不同， 各种颜色区域的面积大小不同。单色LED相互间的距离减小时， 两种或三种单色混合的区域就增大， 反之则减小。用三原色进行配色就是用两种或三种原色混色获得另一种单一的颜色， 要求在混色时尽量避免其他颜色的出现。因此要获得较为理想的配色效果， 必须尽量减小参与混色的LED之间的间距， 从而增大混色区域。

由格林斯曼定律可知， 混合色的色调决定于三原色的相对比例， 混合色亮度为混色前颜色亮度的总和。LED 各方向上的光强是不等的， 它产生的光照不均匀。图3 所示为相邻红绿蓝LED混色的示意图， 图中曲面代表LED 光强分布。

图3　CIE-XYZ 色度

从图中可以看出， 相邻红绿蓝LED混色时，根据其相互间的距离， 混色后光强的分布可以产生一个或多个波峰， 而使得局部亮度高， 所混合颜色与周围有明显差异。附近的LED的光也有一部分射到该区域， 但由于强度很小， 对波峰和波谷的影响很小。当相邻几个LED混色产生一个强度分布波峰时， 可以将这几个LED看作为一个发光单元， 混色区域可以看作是由若干个这样的发光单元所照亮， 混色结果也就是这若干个发光单元排列起来发光的结果。因此， 在排列LED管时， 要形成由配色计算所得三原色LED 相对数量比所确定的LED 发光单元， 并使得各发光单元分布均匀， 分布距离适当。

LED亮度控制

控制LED亮度的方法有两种：一种是改变流过LED的电流， 另一种是脉宽调制(pu lse w idthmodu lat ion， PWM ) 控制LED的点亮时间。一般而言， 除红色LED随电流的增大亮度会达到饱和外， 其他LED的亮度会随工作电流的增大而增大。通过控制流过LED的工作电流， 可以在较大范围内对LED亮度进行控制。但电流的控制不易于用软件实现， 故不适用于数字控制，而PWM方式能很方便地用软件实现， 故在数字电路中有着广泛的应用。

根据塔尔波特(TaL bot) 定律

式中： L-为眼睛对周期变化光感觉的视觉亮度; T为周期。当亮度函数L (t) 为一常数L 时， 视觉亮度变为

脉宽调制方式控制LED 的亮度实际上是控制LED 的点亮的时间， 周期性的改变其在一个周期内点亮时间的长短， 从而实现LED 亮度的变化。LED 在工作状态下， 其工作电流保持稳定， 在点亮状态时其亮度只与LED 的本身特性有关， 而与时间无关， 故其亮度函数为一常数。LED周期性点亮和熄灭时， 其亮度满足公式(10)。改变循环周期内LED 的点亮时间， 即可得到LED 不同的亮度级别， 称之为不同的灰度级。在工作状态下，连续地改变LED 在循环周期中的点亮时间， 则实现了LED 亮度灰度级的连续变化。将循环周期T等分为n 等份， 则LED 的灰度级相应地分为n级。[!--empirenews.page--]

要使得LED在灰度级变化过程中， 人眼觉察不到亮度的跳变， 即没有闪烁感， LED 的亮灭变化频率要大于临界频率， 其循环周期至少不大于0. 1～ 0. 02 s。实验证明， 当L ED 的灰度为256 级时， 红绿蓝三原色混色后无颜色的跳变， 人眼的感觉颜色是渐变的。256 级灰度对应着256 级亮度，也就对应着256 种颜色变化， 则红绿蓝三原色混色后可产生2563 种颜色， 即为所谓的24 位颜色。

目前在嵌入式控制系统中普遍采用C251 系列单片机， 外部晶振频率可达20MHz， 机器周期为1μs ， 能够很容易地满足临界频率的要求。 采用C-51 系列单片机对红绿蓝LED 进行256 级灰度控制时， 将LED 的亮灭变化周期均分为256级; 可以对红绿蓝三种颜色的LED 管进行单色控制和混色控制。要对红绿蓝三种原色进行分别控制实现24 位颜色的生成时， 可采用分段延时的控制方法实现对占空比的控制。在进行颜色混合时，三原色按一定的亮度比进行混合， 也就是按一定的灰度级进行混合， 不同的灰度级定影对应的占空比不同， 在循环周期中LED 点亮的时间不同，最低灰度级的点亮时间为t1， 中间灰度级与最低灰度级的点亮时间差为t2， 最高灰度级与中间灰度级点亮时间差为t3， 最高灰度级的熄灭时间为t4， 根据这个时间差异实现对三种颜色的LED 的控制。