高亮度LED在绿色照明工程中的应用研究 [2]

　　3　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。

　　4　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。

　　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。

编辑：Cedar