LED在景觀照明中的基本混光方式

1 引言

自全球第一款應用GaAsP材料制造的商用LED在1965年研制成功后，隨著新材料的開發(fā)和器件新工藝的出現，LED在顏色的拓展、亮度和發(fā)光效率的提高上已取得幾次重大的進展，目前LED主要應用在顯示屏、照明燈具、激光器、多媒體顯像、背光源、儀器儀表、交通信號、汽車照明、光纖通信和玩具等領域。LED作為固體光源具有節(jié)能、環(huán)保、安全、長壽命、顏色豐富、白光、微型、高亮度、易調光等優(yōu)勢，是一種符合綠色照明要求的光源，但要在道路照明和普通室內照明等功能性照明領域取代傳統(tǒng)光源，目前還受到發(fā)光光效不高，功率不大，光學系統(tǒng)設計困難和價格貴的限制。然而，在公園、綠地、廣場、建筑和城市高架等景觀照明場所，由于LED色彩豐富，理論上僅用LED光源就能完全覆蓋CIE色度曲線中的所有飽和顏色，并且各種顏色LED通過混光以及與磷的有機整合幾乎能夠毫無限制地產生任何顏色，同時可低壓直流供電，調光方便，因此在景觀照明領域具有其它光源無法比擬的優(yōu)勢，目前已獲得廣泛應用，也將是LED最具應用潛力的領域之一，本文主要探討LED在景觀照明中的混光方式。

2 LED適合于混光使用的主要特性

并非所有的光源都適合于混光和調光，而LED具有譜線窄、在工作電壓范圍內發(fā)光亮度與正向電流近似成正比、響應速度快和體積小的特點，使其非常適合于混光使用。

2.1 光譜特性

理論和實踐證明，發(fā)光的波長和頻率取決于選用半導體材料的能隙Eg，其公式如下[1]：

Eg=hv/q=hc/(λq) (1)

λ=hc(qEg)=1240/Eg (nm) (2)

式中：λ為發(fā)光波長，v為電子運動速度，h為普朗克常數，q為載流子所帶電荷，c為光速。

由于不同材料的能隙不同，所以由不同材料制成的發(fā)光二極管可發(fā)出不同波長的光。發(fā)光二極管所發(fā)出的光不是純單色光，但是，除了激光外，它的譜線寬度都比其它光源所發(fā)出的譜線窄。例如砷化鎵發(fā)光二極管的譜線寬度只有25nm。因此，可以近似認為是單色光，幾種不同顏色的LED通過合理混光后可以得到比較純正的其它色光。

2.2 電流/發(fā)光亮度特性

在正向導通之前，LED中幾乎無電流流過，當電壓超過開啟電壓時，電流就急劇上升。因此，LED屬于電流控制型半導體器件，其發(fā)光亮度L(cd/m2)于正向工作電流IF近似成正比[2]：

L=KIFm (3)

式中：K為比例系數。

在小電流范圍內(IF=1～10mA)，m=1.3～1.5，當IF>10mA時，m=1，式(3)可簡化為：

L=KIF (4)

即，LED發(fā)光亮度與電流成正比。使用時應根據所要求的顯示亮度以及具體的LED參數來選取合適的IF值，這樣既保證亮度適中，也不會損壞LED，若電流過大，就會燒毀LED的PN結。因此，可以在LED的工作電流范圍內通過調節(jié)流過LED的電流來調節(jié)LED的亮度。

2.3 響應時間特性

LED的響應時間是標志其反應速度的一個重要參數，尤其是在脈沖驅動或電壓調制時顯得非常重要。

LED的時間響應特性指LED隨電信號變化啟亮和熄滅的延遲特性，用響應時間來描述，響應時間包括上升時間和下降時間，上升時間是從接通電源使LED的發(fā)光亮度達到正常亮度10%開始到LED的發(fā)光亮度達到正常亮度90%所經歷的時間，下降時間是LED斷電后，發(fā)光亮度由正常值的90%下降到正常值的10%所經歷的時間。LED響應時間主要取決于載流子的壽命、器件的結電容和電路阻抗，與流過管子的電流大小無關。不同種類LED的響應時間是不同的，即使是同類LED其響應時間也有差別，一般在5納秒至500納秒之間。

因此，LED可利用交流供電或脈沖供電獲得調制光或脈沖光，調制頻率可高達幾十兆赫，并且LED的高頻亮滅及亮滅次數不會影響其使用壽命。

2.4 LED體積小

在景觀照明應用中，要產生全彩動態(tài)變化效果，就需要將紅、綠、藍光LED根據配色要求按一定比例構成發(fā)光單元，在同一個發(fā)光單元中，LED應緊密排列，這樣可使得各LED的光斑在觀賞者眼中成像重疊，相鄰發(fā)光單元中心距應相同，并且該中心距應滿足：

D≥2Ltan(θ/2) (5)

式中:D為相鄰發(fā)光單元的最小中心距，L為正常使用時觀看點與光源部位的垂直距離，θ為人眼最小分辨角。

LED體積小的特性也比較適合于混光使用。

3 LED三基色混光的基本原理

3.1 三基色基本內容

彩色視覺是人眼的—種明視覺。彩色光的基本參數有：明亮度、色調和飽和度。雖然不同波長的色光會引起不同的彩色感覺，但相同的彩色感覺卻可來自不同的光譜成分組合。例如，適當比例的紅光和綠光混合后，可產生與單色黃光相同的彩色視覺效果。事實上，自然界中所有彩色都可以由三種基本彩色混合而成，這就是三基色原理[3]。

三基色是這樣的三種顏色，它們相互獨立，其中任一色均不能由其它二色混合產生。它們又是完備的，即所有其它顏色都可以由三基色按不同的比例組合而得到。有兩種基色系統(tǒng)，一種是加色系統(tǒng)，其基色是紅、綠、藍;另一種是減色系統(tǒng)，其三基色是黃、青、紫(或品紅)。不同比例的三基色光相加得到彩色稱為相加混色，其規(guī)律為：紅+綠=黃;紅+藍=紫;藍+綠=青;紅+藍+綠=白。

根據人眼上述的彩色視覺特征，就可以選擇三種基色，將它們按不同的比例組合而引起各種不同的彩色視覺。這就是三基色原理的主要內容。三基色不是唯一的，原則上可采用各種不同的三色組，為標準化起見，國際照明委員會(CIE)作了統(tǒng)一規(guī)定，即選用紅光波長700納米，綠光波長546.1納米，藍光波長435.8納米的三色光作為三基色。實驗發(fā)現，人眼的視覺響應應取決于紅、綠、藍三分量的代數和，即它們的比例決定了彩色視覺，而其亮度在數量上等于三基色的總和。

3.2 LED三基色混光基本原理

LED三基色混光是指利用R-LED(紅色LED)、G-LED(綠色LED)和B-LED(藍色LED)進行混光，產生各種照明色彩。根據國際照明委員會(CIE)色度圖可知， 光的色彩與三基色R、G和B的比例量r(λ)，g(λ)，b(λ)有關，并且滿足條件r(λ)+g(λ)+b(λ)=1。因此，該方法不僅能夠通過改變LED電流的大小實現亮度調節(jié)，而且可以根據用戶的喜好改變三基色流明的比例獲得LED的色彩調節(jié)。

由于人眼存在視覺惰性,所以,當周期光信號頻率高于臨界閃爍頻率時,眼睛對此周期光信號的視覺感覺就像恒定光一樣,根據塔爾波特(Talbot)定律，視覺亮度為:

L均=1/T∫T

D L(t)dt (6)

式中:L(t) 是周期光信號的實際亮度，稱為亮度函數，T為光信號周期。式(6)表明,對于大于臨界閃爍頻率的周期光信號,眼睛感覺的視覺亮度是實際亮度的平均值。當亮度函數L(t)為常數L時,周期光信號的視覺亮度為:

L均=t/(TL)=DL (7)

式中:t為每個周期中光刺激的時間，設D=t/T。

式(7)表明,通過周期性的控制光脈沖寬度,即控制占空比D，就可以實現對LED亮度的控制。這種控制方式稱為PWM方式。PWM方式控制靈活, 易于數字化，是目前LED混光的主要方式。

4 LED三基色混光的基本方式

LED在景觀照明中的主要應用方式一是使用其本色或調節(jié)其工作電流從而得到單色亮度調節(jié);二是使用RGB三基色LED排列組成發(fā)光單元后進行開關組合控制，產生七彩變化;三是利用RGB三基色LED有序排列后通過合理的控制產生多色甚至全彩動態(tài)變化;四是由超高亮RGB三基色LED混光后產生超高亮白光LED。

4.1 單色和七彩燈光系統(tǒng)的混光方式

對于單色LED燈而言，一般并不需要亮度調節(jié)，只需合適地控制其亮滅即可，然而由于其節(jié)能環(huán)保，單色品種齊全，可柔性使用，目前已在各個非功能性照明領域大量應用。七彩LED由于控制簡單和效果良好在景觀照明中被廣泛使用，其基本混光方式是紅、綠、藍單獨啟亮可獲得三種顏色，通過燈具混光后紅與綠疊加得到黃色，紅與藍疊加得到紫色，藍與綠疊加得到青色，紅與藍與綠疊加得到白色，再通過適當的燈具混光、組合、驅動和控制，可以實現同步變化、七彩追逐等景觀效果。

4.2 多色和全彩景觀照明系統(tǒng)的混光方式

無論用LED制作多色或全彩燈光系統(tǒng)，欲顯示各種顏色，需要構成發(fā)光單元的每個LED的發(fā)光亮度都必須能調節(jié)，其調節(jié)的精細程度就是燈光系統(tǒng)的灰度等級?；叶鹊燃壴礁?，燈光系統(tǒng)顯示就越細膩，色彩也越豐富，相應的控制系統(tǒng)也越復雜。一般256級灰度的燈光系統(tǒng)，顏色過渡已十分柔和，在控制系統(tǒng)的控制下使三種顏色具有256級灰度并任意混合，即可產生256X256X256(即16777216)種顏色，形成不同光色的組合，可實現豐富多彩的動態(tài)變化效果及各種圖像。不管灰度等級為多少，其混光方式主要有以下四種。

(1)模擬混光方式, 即采用可變電阻負載調光，除了紅光LED隨著電流的升高亮度會飽和外,一般其它LED的亮度都會隨著其工作電流的增大而增大,因此可以通過改變可變電阻從而調節(jié)LED的工作電流的方法在較大范圍內控制LED的亮度，如通過向LED施加50%的工作電流可實現約50%的亮度。

(2)脈寬調制(PWM)方式,LED的響應時間一般只有幾納秒至幾百納秒,適合于頻繁開關以及高頻運作的場合,同時由于LED特定的電流/發(fā)光強度特性，因此可以通過周期性的脈沖寬度調制,亦即控制輸出電流占空比的方式來實現對LED亮度的調節(jié),例如要將亮度減半,只需在50%的占空周期內提供電流就可以實現了。為確保人的肉眼感受不到PWM脈沖，PWM信號的頻率必須高于100Hz，最大PWM頻率取決與電源啟動和響應時間。為提供最大的靈活性以及集成簡易性，LED驅動器應能夠接受高達50KHz的PWM頻率。一般我們選擇200～300Hz的開關頻率來進行PWM亮度調節(jié),這是因為人眼無法分辨超過40Hz的頻率的變化,而太高的頻率又會引起白光顏色發(fā)生移位和亮度調節(jié)非線性[4]。

(3)頻率調制方式，保持加在LED上的矩形脈沖電流(幅值不變)的寬度不變，通過改變單位時間加在LED上矩形脈沖個數的多少，使得LED上得到的平均電流在較大的范圍內發(fā)生變化，使LED亮度具有較大范圍的調節(jié)。

(4)角位調制方式，是采用一串含有二進制序列脈沖，并且序列脈沖的每一位寬度都按照其位值的比例來延展，通過改變單位時間加在LED上的矩形脈沖電流占有位值所延展的寬度，使LED上得到的平均電流在較大的范圍內發(fā)生變化，以調節(jié)LED的亮度。

比較以上四種混光亮度調節(jié)方式，可以認為使用PWM方式更合適于半導體照明，原因在于:(1)模擬混光方式不僅效率低下，也影響LED使用壽命。(2)在某個特定的正向電流下LED能顯示出最純的白光，隨著工作電流偏離這個值，白光LED發(fā)出的光可能偏藍或偏紫，因此通過改變LED工作電流的方式調節(jié)會使光的顏色發(fā)生偏移，而使用PWM控制方式則不易有這樣的問題。(3)現在通常使用的大功率白光LED都是工作在大電流下, 因此其在工作時會產生大量的熱量，而在景觀照明中為達到景觀效果所使用的燈具光源要求小型化、密集排列，因此對于小功率LED散熱問題也十分重要。隨著工作溫度的升高, LED器件的性能會降低,因此散熱對LED器件工作性能影響很大,在使用PWM控制方式時其脈沖平均電流和直流電流大小相等的情況時,LED器件會有更低的溫度，所以在相同PN結結溫的條件下可以有更高的發(fā)光亮度。同時LED的主波長也會隨著結溫的升高而漂移，所以PWM方式更適合于LED的熱學特性。(4)與頻率調制方式和角位調制

方式相比，PWM方式驅動和控制電路實現起來比較容易，特別適合于數字控制，在當前大型景觀照明系統(tǒng)普遍采用智能控制器的條件下，PWM方式是多色和全彩LED景觀系統(tǒng)的主要混光方式和發(fā)展方向。

4.3 白光LED的技術路線

目前在景觀照明中得到白光的方式主要是RGB混光，而在實現超高亮白光LED的方法主要集中在三種技術路線[5]：一是利用三基色原理將紅、綠、藍三種超高亮度LED混合成白光;二是通過藍光光子觸發(fā)磷光劑等熒光物質發(fā)射白光;三是用紫外光LED激發(fā)三基色熒光粉或其他熒光粉，產生多色光混合成白光。實踐證明這三種技術均已實現產業(yè)化，而其中后兩種技術發(fā)展較快，這是由于超高亮白光LED將主要用在道路照明等功能性照明領域，需要單粒大功率LED，而從目前來看后兩種方法更適合于產生大功率LED。

5 結語

(1)在景觀照明應用領域，由于LED自身的特點和優(yōu)勢，通過PWM的RGB混光方式得到七彩、多色和全彩景觀燈光系統(tǒng)是其主要方式和發(fā)展方向，特別是在七彩景觀燈光系統(tǒng)上已獲得較廣泛應用，考慮到控制的復雜性和景觀照明系統(tǒng)的實際需要，多彩及全彩燈光系統(tǒng)只在特定場合使用，而在LED顯示屏中，目前采用RGB混光方式的多彩和全彩顯示系統(tǒng)卻得到較多使用。在超高亮白光LED應用領域，采用RGB混光方式得到白光LED并沒有特別的優(yōu)勢。

(2)混光只是LED照明的一個組成部分，有效的混光和燈光動態(tài)控制需要一個復雜的控制系統(tǒng)，控制系統(tǒng)一般包括控制器部分和LED驅動部分，需要專用的硬件和軟件支持，目前還缺少統(tǒng)一的標準，由各LED廠商自行開發(fā)。LED光源單位體積很小，在很多場合明顯是優(yōu)點，但有時又是缺點，如在LED平面型光源上，通常出現點狀光斑以及混色不均勻現象。目前，混光、混色還存在的主要問題是：混光、混色的均勻水平與透光率的矛盾。這個問題也是阻礙LED發(fā)展的因素，對LED景觀燈具實用性有很重要的意義，因此還需要發(fā)展新型LED混光、混色技術。