LED在景觀照明中的基本混光方式

1 引言

自全球第一款應(yīng)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(kāi)發(fā)和器件新工藝的出現(xiàn)，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(jìn)展，目前LED主要應(yīng)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(hào)、汽車照明、光纖通信和玩具等領(lǐng)域。LED作為固體光源具有節(jié)能、環(huán)保、安全、長(zhǎng)壽命、顏色豐富、白光、微型、高亮度、易調(diào)光等優(yōu)勢(shì)，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(nèi)照明等功能性照明領(lǐng)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(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)困難和價(jià)格貴的限制。然而，在公園、綠地、廣場(chǎng)、建筑和城市高架等景觀照明場(chǎng)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(guò)混光以及與磷的有機(jī)整合幾乎能夠毫無(wú)限制地產(chǎn)生任何顏色，同時(shí)可低壓直流供電，調(diào)光方便，因此在景觀照明領(lǐng)域具有其它光源無(wú)法比擬的優(yōu)勢(shì)，目前已獲得廣泛應(yīng)用，也將是LED最具應(yīng)用潛力的領(lǐng)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(diào)光，而LED具有譜線窄、在工作電壓范圍內(nèi)發(fā)光亮度與正向電流近似成正比、響應(yīng)速度快和體積小的特點(diǎn)，使其非常適合于混光使用。

2.1 光譜特性

理論和實(shí)踐證明，發(fā)光的波長(zhǎng)和頻率取決于選用半導(dǎo)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(zhǎng)，v為電子運(yùn)動(dòng)速度，h為普朗克常數(shù)，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(zhǎng)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(rèn)為是單色光，幾種不同顏色的LED通過(guò)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?qū)ㄖ埃琇ED中幾乎無(wú)電流流過(guò)，當(dāng)電壓超過(guò)開(kāi)啟電壓時(shí)，電流就急劇上升。因此，LED屬于電流控制型半導(dǎo)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(shù)。

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

L=KIF (4)

即，LED發(fā)光亮度與電流成正比。使用時(shí)應(yīng)根據(jù)所要求的顯示亮度以及具體的LED參數(shù)來(lái)選取合適的IF值，這樣既保證亮度適中，也不會(huì)損壞LED，若電流過(guò)大，就會(huì)燒毀LED的PN結(jié)。因此，可以在LED的工作電流范圍內(nèi)通過(guò)調(diào)節(jié)流過(guò)LED的電流來(lái)調(diào)節(jié)LED的亮度。

2.3 響應(yīng)時(shí)間特性

LED的響應(yīng)時(shí)間是標(biāo)志其反應(yīng)速度的一個(gè)重要參數(shù)，尤其是在脈沖驅(qū)動(dòng)或電壓調(diào)制時(shí)顯得非常重要。

LED的時(shí)間響應(yīng)特性指LED隨電信號(hào)變化啟亮和熄滅的延遲特性，用響應(yīng)時(shí)間來(lái)描述，響應(yīng)時(shí)間包括上升時(shí)間和下降時(shí)間，上升時(shí)間是從接通電源使LED的發(fā)光亮度達(dá)到正常亮度10%開(kāi)始到LED的發(fā)光亮度達(dá)到正常亮度90%所經(jīng)歷的時(shí)間，下降時(shí)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(jīng)歷的時(shí)間。LED響應(yīng)時(shí)間主要取決于載流子的壽命、器件的結(jié)電容和電路阻抗，與流過(guò)管子的電流大小無(wú)關(guān)。不同種類LED的響應(yīng)時(shí)間是不同的，即使是同類LED其響應(yīng)時(shí)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(diào)制光或脈沖光，調(diào)制頻率可高達(dá)幾十兆赫，并且LED的高頻亮滅及亮滅次數(shù)不會(huì)影響其使用壽命。

2.4 LED體積小

在景觀照明應(yīng)用中，要產(chǎn)生全彩動(dòng)態(tài)變化效果，就需要將紅、綠、藍(lán)光LED根據(jù)配色要求按一定比例構(gòu)成發(fā)光單元，在同一個(gè)發(fā)光單元中，LED應(yīng)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(yīng)相同，并且該中心距應(yīng)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(shí)觀看點(diǎn)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(nèi)容

彩色視覺(jué)是人眼的—種明視覺(jué)。彩色光的基本參數(shù)有：明亮度、色調(diào)和飽和度。雖然不同波長(zhǎng)的色光會(huì)引起不同的彩色感覺(jué)，但相同的彩色感覺(jué)卻可來(lái)自不同的光譜成分組合。例如，適當(dāng)比例的紅光和綠光混合后，可產(chǎn)生與單色黃光相同的彩色視覺(jué)效果。事實(shí)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(dú)立，其中任一色均不能由其它二色混合產(chǎn)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(lán);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(lán)=紫;藍(lán)+綠=青;紅+藍(lán)+綠=白。

根據(jù)人眼上述的彩色視覺(jué)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(jué)。這就是三基色原理的主要內(nèi)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(biāo)準(zhǔn)化起見(jiàn)，國(guó)際照明委員會(huì)(CIE)作了統(tǒng)一規(guī)定，即選用紅光波長(zhǎng)700納米，綠光波長(zhǎng)546.1納米，藍(lán)光波長(zhǎng)435.8納米的三色光作為三基色。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，人眼的視覺(jué)響應(yīng)應(yīng)取決于紅、綠、藍(lán)三分量的代數(shù)和，即它們的比例決定了彩色視覺(jué)，而其亮度在數(shù)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(lán)色LED)進(jìn)行混光，產(chǎn)生各種照明色彩。根據(jù)國(guó)際照明委員會(huì)(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(guān)，并且滿足條件r(λ)+g(λ)+b(λ)=1。因此，該方法不僅能夠通過(guò)改變LED電流的大小實(shí)現(xiàn)亮度調(diào)節(jié)，而且可以根據(jù)用戶的喜好改變?nèi)髅鞯谋壤@得LED的色彩調(diào)節(jié)。

由于人眼存在視覺(jué)惰性,所以,當(dāng)周期光信號(hào)頻率高于臨界閃爍頻率時(shí),眼睛對(duì)此周期光信號(hào)的視覺(jué)感覺(jué)就像恒定光一樣,根據(jù)塔爾波特(Talbot)定律，視覺(jué)亮度為:

L均=1/T∫T

D L(t)dt (6)

式中:L(t) 是周期光信號(hào)的實(shí)際亮度，稱為亮度函數(shù)，T為光信號(hào)周期。式(6)表明,對(duì)于大于臨界閃爍頻率的周期光信號(hào),眼睛感覺(jué)的視覺(jué)亮度是實(shí)際亮度的平均值。當(dāng)亮度函數(shù)L(t)為常數(shù)L時(shí),周期光信號(hào)的視覺(jué)亮度為:

L均=t/(TL)=DL (7)

式中:t為每個(gè)周期中光刺激的時(shí)間，設(shè)D=t/T。

式(7)表明,通過(guò)周期性的控制光脈沖寬度,即控制占空比D，就可以實(shí)現(xiàn)對(duì)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(shù)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(yīng)用方式一是使用其本色或調(diào)節(jié)其工作電流從而得到單色亮度調(diào)節(jié);二是使用RGB三基色LED排列組成發(fā)光單元后進(jìn)行開(kāi)關(guān)組合控制，產(chǎn)生七彩變化;三是利用RGB三基色LED有序排列后通過(guò)合理的控制產(chǎn)生多色甚至全彩動(dòng)態(tài)變化;四是由超高亮RGB三基色LED混光后產(chǎn)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(duì)于單色LED燈而言，一般并不需要亮度調(diào)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(gè)非功能性照明領(lǐng)域大量應(yīng)用。七彩LED由于控制簡(jiǎn)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(lán)單獨(dú)啟亮可獲得三種顏色，通過(guò)燈具混光后紅與綠疊加得到黃色，紅與藍(lán)疊加得到紫色，藍(lán)與綠疊加得到青色，紅與藍(lán)與綠疊加得到白色，再通過(guò)適當(dāng)?shù)臒艟呋旃?、組合、驅(qū)動(dòng)和控制，可以實(shí)現(xiàn)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(wú)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(gòu)成發(fā)光單元的每個(gè)LED的發(fā)光亮度都必須能調(diào)節(jié)，其調(diào)節(jié)的精細(xì)程度就是燈光系統(tǒng)的灰度等級(jí)?；叶鹊燃?jí)越高，燈光系統(tǒng)顯示就越細(xì)膩，色彩也越豐富，相應(yīng)的控制系統(tǒng)也越復(fù)雜。一般256級(jí)灰度的燈光系統(tǒng)，顏色過(guò)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(jí)灰度并任意混合，即可產(chǎn)生256X256X256(即16777216)種顏色，形成不同光色的組合，可實(shí)現(xiàn)豐富多彩的動(dòng)態(tài)變化效果及各種圖像。不管灰度等級(jí)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(fù)載調(diào)光，除了紅光LED隨著電流的升高亮度會(huì)飽和外,一般其它LED的亮度都會(huì)隨著其工作電流的增大而增大,因此可以通過(guò)改變可變電阻從而調(diào)節(jié)LED的工作電流的方法在較大范圍內(nèi)控制LED的亮度，如通過(guò)向LED施加50%的工作電流可實(shí)現(xiàn)約50%的亮度。

(2)脈寬調(diào)制(PWM)方式,LED的響應(yīng)時(shí)間一般只有幾納秒至幾百納秒,適合于頻繁開(kāi)關(guān)以及高頻運(yùn)作的場(chǎng)合,同時(shí)由于LED特定的電流/發(fā)光強(qiáng)度特性，因此可以通過(guò)周期性的脈沖寬度調(diào)制,亦即控制輸出電流占空比的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)LED亮度的調(diào)節(jié),例如要將亮度減半,只需在50%的占空周期內(nèi)提供電流就可以實(shí)現(xiàn)了。為確保人的肉眼感受不到PWM脈沖，PWM信號(hào)的頻率必須高于100Hz，最大PWM頻率取決與電源啟動(dòng)和響應(yīng)時(shí)間。為提供最大的靈活性以及集成簡(jiǎn)易性，LED驅(qū)動(dòng)器應(yīng)能夠接受高達(dá)50KHz的PWM頻率。一般我們選擇200～300Hz的開(kāi)關(guān)頻率來(lái)進(jìn)行PWM亮度調(diào)節(jié),這是因?yàn)槿搜蹮o(wú)法分辨超過(guò)40Hz的頻率的變化,而太高的頻率又會(huì)引起白光顏色發(fā)生移位和亮度調(diào)節(jié)非線性[4]。

(3)頻率調(diào)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(guò)改變單位時(shí)間加在LED上矩形脈沖個(gè)數(shù)的多少，使得LED上得到的平均電流在較大的范圍內(nèi)發(fā)生變化，使LED亮度具有較大范圍的調(diào)節(jié)。

(4)角位調(diào)制方式，是采用一串含有二進(jìn)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(lái)延展，通過(guò)改變單位時(shí)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(nèi)發(fā)生變化，以調(diào)節(jié)LED的亮度。

比較以上四種混光亮度調(diào)節(jié)方式，可以認(rèn)為使用PWM方式更合適于半導(dǎo)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(gè)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(gè)值，白光LED發(fā)出的光可能偏藍(lán)或偏紫，因此通過(guò)改變LED工作電流的方式調(diào)節(jié)會(huì)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(wèn)題。(3)現(xiàn)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(shí)會(huì)產(chǎn)生大量的熱量，而在景觀照明中為達(dá)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(duì)于小功率LED散熱問(wèn)題也十分重要。隨著工作溫度的升高, LED器件的性能會(huì)降低,因此散熱對(duì)LED器件工作性能影響很大,在使用PWM控制方式時(shí)其脈沖平均電流和直流電流大小相等的情況時(shí),LED器件會(huì)有更低的溫度，所以在相同PN結(jié)結(jié)溫的條件下可以有更高的發(fā)光亮度。同時(shí)LED的主波長(zhǎng)也會(huì)隨著結(jié)溫的升高而漂移，所以PWM方式更適合于LED的熱學(xué)特性。(4)與頻率調(diào)制方式和角位調(diào)制

方式相比，PWM方式驅(qū)動(dòng)和控制電路實(shí)現(xiàn)起來(lái)比較容易，特別適合于數(shù)字控制，在當(dāng)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(shù)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(shí)現(xiàn)超高亮白光LED的方法主要集中在三種技術(shù)路線[5]：一是利用三基色原理將紅、綠、藍(lán)三種超高亮度LED混合成白光;二是通過(guò)藍(lán)光光子觸發(fā)磷光劑等熒光物質(zhì)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(chǎn)生多色光混合成白光。實(shí)踐證明這三種技術(shù)均已實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化，而其中后兩種技術(shù)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(lǐng)域，需要單粒大功率LED，而從目前來(lái)看后兩種方法更適合于產(chǎn)生大功率LED。

5 結(jié)語(yǔ)

(1)在景觀照明應(yīng)用領(lǐng)域，由于LED自身的特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì)，通過(guò)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(yīng)用，考慮到控制的復(fù)雜性和景觀照明系統(tǒng)的實(shí)際需要，多彩及全彩燈光系統(tǒng)只在特定場(chǎng)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(yīng)用領(lǐng)域，采用RGB混光方式得到白光LED并沒(méi)有特別的優(yōu)勢(shì)。

(2)混光只是LED照明的一個(gè)組成部分，有效的混光和燈光動(dòng)態(tài)控制需要一個(gè)復(fù)雜的控制系統(tǒng)，控制系統(tǒng)一般包括控制器部分和LED驅(qū)動(dòng)部分，需要專用的硬件和軟件支持，目前還缺少統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，由各LED廠商自行開(kāi)發(fā)。LED光源單位體積很小，在很多場(chǎng)合明顯是優(yōu)點(diǎn)，但有時(shí)又是缺點(diǎn)，如在LED平面型光源上，通常出現(xiàn)點(diǎn)狀光斑以及混色不均勻現(xiàn)象。目前，混光、混色還存在的主要問(wèn)題是：混光、混色的均勻水平與透光率的矛盾。這個(gè)問(wèn)題也是阻礙LED發(fā)展的因素，對(duì)LED景觀燈具實(shí)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(shù)。