LED在景观照明中的基本混光方式

1 引言

自全球第一款应用GaAsP材料制造的商用LED在1965年研制成功后，随着新材料的开发和器件新工艺的出现，LED在颜色的拓展、亮度和发光效率的提高上已取得几次重大的进展，目前LED主要应用在显示屏、照明灯具、激光器、多媒体显像、背光源、仪器仪表、交通信号、汽车照明、光纤通信和玩具等领域。LED作为固体光源具有节能、环保、安全、长寿命、颜色丰富、白光、微型、高亮度、易调光等优势，是一种符合绿色照明要求的光源，但要在道路照明和普通室内照明等功能性照明领域取代传统光源，目前还受到发光光效不高，功率不大，光学系统设计困难和价格贵的限制。然而，在公园、绿地、广场、建筑和城市高架等景观照明场所，由于LED色彩丰富，理论上仅用LED光源就能完全覆盖CIE色度曲线中的所有饱和颜色，并且各种颜色LED通过混光以及与磷的有机整合几乎能够毫无限制地产生任何颜色，同时可低压直流供电，调光方便，因此在景观照明领域具有其它光源无法比拟的优势，目前已获得广泛应用，也将是LED最具应用潜力的领域之一，本文主要探讨LED在景观照明中的混光方式。

2 LED适合于混光使用的主要特性

并非所有的光源都适合于混光和调光，而LED具有谱线窄、在工作电压范围内发光亮度与正向电流近似成正比、响应速度快和体积小的特点，使其非常适合于混光使用。

2.1 光谱特性

理论和实践证明，发光的波长和频率取决于选用半导体材料的能隙Eg，其公式如下[1]：

Eg=hv/q=hc/(λq) (1)

λ=hc(qEg)=1240/Eg (nm) (2)

式中：λ为发光波长，v为电子运动速度，h为普朗克常数，q为载流子所带电荷，c为光速。

由于不同材料的能隙不同，所以由不同材料制成的发光二极管可发出不同波长的光。发光二极管所发出的光不是纯单色光，但是，除了激光外，它的谱线宽度都比其它光源所发出的谱线窄。例如砷化镓发光二极管的谱线宽度只有25nm。因此，可以近似认为是单色光，几种不同颜色的LED通过合理混光后可以得到比较纯正的其它色光。

2.2 电流/发光亮度特性

在正向导通之前，LED中几乎无电流流过，当电压超过开启电压时，电流就急剧上升。因此，LED属于电流控制型半导体器件，其发光亮度L(cd/m2)于正向工作电流IF近似成正比[2]：

L=KIFm (3)

式中：K为比例系数。

在小电流范围内(IF=1～10mA)，m=1.3～1.5，当IF>10mA时，m=1，式(3)可简化为：

L=KIF (4)

即，LED发光亮度与电流成正比。使用时应根据所要求的显示亮度以及具体的LED参数来选取合适的IF值，这样既保证亮度适中，也不会损坏LED，若电流过大，就会烧毁LED的PN结。因此，可以在LED的工作电流范围内通过调节流过LED的电流来调节LED的亮度。

2.3 响应时间特性

LED的响应时间是标志其反应速度的一个重要参数，尤其是在脉冲驱动或电压调制时显得非常重要。

LED的时间响应特性指LED随电信号变化启亮和熄灭的延迟特性，用响应时间来描述，响应时间包括上升时间和下降时间，上升时间是从接通电源使LED的发光亮度达到正常亮度10%开始到LED的发光亮度达到正常亮度90%所经历的时间，下降时间是LED断电后，发光亮度由正常值的90%下降到正常值的10%所经历的时间。LED响应时间主要取决于载流子的寿命、器件的结电容和电路阻抗，与流过管子的电流大小无关。不同种类LED的响应时间是不同的，即使是同类LED其响应时间也有差别，一般在5纳秒至500纳秒之间。

因此，LED可利用交流供电或脉冲供电获得调制光或脉冲光，调制频率可高达几十兆赫，并且LED的高频亮灭及亮灭次数不会影响其使用寿命。

2.4 LED体积小

在景观照明应用中，要产生全彩动态变化效果，就需要将红、绿、蓝光LED根据配色要求按一定比例构成发光单元，在同一个发光单元中，LED应紧密排列，这样可使得各LED的光斑在观赏者眼中成像重叠，相邻发光单元中心距应相同，并且该中心距应满足：

D≥2Ltan(θ/2) (5)

式中:D为相邻发光单元的最小中心距，L为正常使用时观看点与光源部位的垂直距离，θ为人眼最小分辨角。

LED体积小的特性也比较适合于混光使用。

3 LED三基色混光的基本原理

3.1 三基色基本内容

彩色视觉是人眼的—种明视觉。彩色光的基本参数有：明亮度、色调和饱和度。虽然不同波长的色光会引起不同的彩色感觉，但相同的彩色感觉却可来自不同的光谱成分组合。例如，适当比例的红光和绿光混合后，可产生与单色黄光相同的彩色视觉效果。事实上，自然界中所有彩色都可以由三种基本彩色混合而成，这就是三基色原理[3]。

三基色是这样的三种颜色，它们相互独立，其中任一色均不能由其它二色混合产生。它们又是完备的，即所有其它颜色都可以由三基色按不同的比例组合而得到。有两种基色系统，一种是加色系统，其基色是红、绿、蓝;另一种是减色系统，其三基色是黄、青、紫(或品红)。不同比例的三基色光相加得到彩色称为相加混色，其规律为：红+绿=黄;红+蓝=紫;蓝+绿=青;红+蓝+绿=白。

根据人眼上述的彩色视觉特征，就可以选择三种基色，将它们按不同的比例组合而引起各种不同的彩色视觉。这就是三基色原理的主要内容。三基色不是唯一的，原则上可采用各种不同的三色组，为标准化起见，国际照明委员会(CIE)作了统一规定，即选用红光波长700纳米，绿光波长546.1纳米，蓝光波长435.8纳米的三色光作为三基色。实验发现，人眼的视觉响应应取决于红、绿、蓝三分量的代数和，即它们的比例决定了彩色视觉，而其亮度在数量上等于三基色的总和。

3.2 LED三基色混光基本原理

LED三基色混光是指利用R-LED(红色LED)、G-LED(绿色LED)和B-LED(蓝色LED)进行混光，产生各种照明色彩。根据国际照明委员会(CIE)色度图可知， 光的色彩与三基色R、G和B的比例量r(λ)，g(λ)，b(λ)有关，并且满足条件r(λ)+g(λ)+b(λ)=1。因此，该方法不仅能够通过改变LED电流的大小实现亮度调节，而且可以根据用户的喜好改变三基色流明的比例获得LED的色彩调节。

由于人眼存在视觉惰性,所以,当周期光信号频率高于临界闪烁频率时,眼睛对此周期光信号的视觉感觉就像恒定光一样,根据塔尔波特(Talbot)定律，视觉亮度为:

L均=1/T∫T

D L(t)dt (6)

式中:L(t) 是周期光信号的实际亮度，称为亮度函数，T为光信号周期。式(6)表明,对于大于临界闪烁频率的周期光信号,眼睛感觉的视觉亮度是实际亮度的平均值。当亮度函数L(t)为常数L时,周期光信号的视觉亮度为:

L均=t/(TL)=DL (7)

式中:t为每个周期中光刺激的时间，设D=t/T。

式(7)表明,通过周期性的控制光脉冲宽度,即控制占空比D，就可以实现对LED亮度的控制。这种控制方式称为PWM方式。PWM方式控制灵活, 易于数字化，是目前LED混光的主要方式。

4 LED三基色混光的基本方式

LED在景观照明中的主要应用方式一是使用其本色或调节其工作电流从而得到单色亮度调节;二是使用RGB三基色LED排列组成发光单元后进行开关组合控制，产生七彩变化;三是利用RGB三基色LED有序排列后通过合理的控制产生多色甚至全彩动态变化;四是由超高亮RGB三基色LED混光后产生超高亮白光LED。

4.1 单色和七彩灯光系统的混光方式

对于单色LED灯而言，一般并不需要亮度调节，只需合适地控制其亮灭即可，然而由于其节能环保，单色品种齐全，可柔性使用，目前已在各个非功能性照明领域大量应用。七彩LED由于控制简单和效果良好在景观照明中被广泛使用，其基本混光方式是红、绿、蓝单独启亮可获得三种颜色，通过灯具混光后红与绿叠加得到黄色，红与蓝叠加得到紫色，蓝与绿叠加得到青色，红与蓝与绿叠加得到白色，再通过适当的灯具混光、组合、驱动和控制，可以实现同步变化、七彩追逐等景观效果。

4.2 多色和全彩景观照明系统的混光方式

无论用LED制作多色或全彩灯光系统，欲显示各种颜色，需要构成发光单元的每个LED的发光亮度都必须能调节，其调节的精细程度就是灯光系统的灰度等级。灰度等级越高，灯光系统显示就越细腻，色彩也越丰富，相应的控制系统也越复杂。一般256级灰度的灯光系统，颜色过渡已十分柔和，在控制系统的控制下使三种颜色具有256级灰度并任意混合，即可产生256X256X256(即16777216)种颜色，形成不同光色的组合，可实现丰富多彩的动态变化效果及各种图像。不管灰度等级为多少，其混光方式主要有以下四种。

(1)模拟混光方式, 即采用可变电阻负载调光，除了红光LED随着电流的升高亮度会饱和外,一般其它LED的亮度都会随着其工作电流的增大而增大,因此可以通过改变可变电阻从而调节LED的工作电流的方法在较大范围内控制LED的亮度，如通过向LED施加50%的工作电流可实现约50%的亮度。

(2)脉宽调制(PWM)方式,LED的响应时间一般只有几纳秒至几百纳秒,适合于频繁开关以及高频运作的场合,同时由于LED特定的电流/发光强度特性，因此可以通过周期性的脉冲宽度调制,亦即控制输出电流占空比的方式来实现对LED亮度的调节,例如要将亮度减半,只需在50%的占空周期内提供电流就可以实现了。为确保人的肉眼感受不到PWM脉冲，PWM信号的频率必须高于100Hz，最大PWM频率取决与电源启动和响应时间。为提供最大的灵活性以及集成简易性，LED驱动器应能够接受高达50KHz的PWM频率。一般我们选择200～300Hz的开关频率来进行PWM亮度调节,这是因为人眼无法分辨超过40Hz的频率的变化,而太高的频率又会引起白光颜色发生移位和亮度调节非线性[4]。

(3)频率调制方式，保持加在LED上的矩形脉冲电流(幅值不变)的宽度不变，通过改变单位时间加在LED上矩形脉冲个数的多少，使得LED上得到的平均电流在较大的范围内发生变化，使LED亮度具有较大范围的调节。

(4)角位调制方式，是采用一串含有二进制序列脉冲，并且序列脉冲的每一位宽度都按照其位值的比例来延展，通过改变单位时间加在LED上的矩形脉冲电流占有位值所延展的宽度，使LED上得到的平均电流在较大的范围内发生变化，以调节LED的亮度。

比较以上四种混光亮度调节方式，可以认为使用PWM方式更合适于半导体照明，原因在于:(1)模拟混光方式不仅效率低下，也影响LED使用寿命。(2)在某个特定的正向电流下LED能显示出最纯的白光，随着工作电流偏离这个值，白光LED发出的光可能偏蓝或偏紫，因此通过改变LED工作电流的方式调节会使光的颜色发生偏移，而使用PWM控制方式则不易有这样的问题。(3)现在通常使用的大功率白光LED都是工作在大电流下, 因此其在工作时会产生大量的热量，而在景观照明中为达到景观效果所使用的灯具光源要求小型化、密集排列，因此对于小功率LED散热问题也十分重要。随着工作温度的升高, LED器件的性能会降低,因此散热对LED器件工作性能影响很大,在使用PWM控制方式时其脉冲平均电流和直流电流大小相等的情况时,LED器件会有更低的温度，所以在相同PN结结温的条件下可以有更高的发光亮度。同时LED的主波长也会随着结温的升高而漂移，所以PWM方式更适合于LED的热学特性。(4)与频率调制方式和角位调制

方式相比，PWM方式驱动和控制电路实现起来比较容易，特别适合于数字控制，在当前大型景观照明系统普遍采用智能控制器的条件下，PWM方式是多色和全彩LED景观系统的主要混光方式和发展方向。

4.3 白光LED的技术路线

目前在景观照明中得到白光的方式主要是RGB混光，而在实现超高亮白光LED的方法主要集中在三种技术路线[5]：一是利用三基色原理将红、绿、蓝三种超高亮度LED混合成白光;二是通过蓝光光子触发磷光剂等荧光物质发射白光;三是用紫外光LED激发三基色荧光粉或其他荧光粉，产生多色光混合成白光。实践证明这三种技术均已实现产业化，而其中后两种技术发展较快，这是由于超高亮白光LED将主要用在道路照明等功能性照明领域，需要单粒大功率LED，而从目前来看后两种方法更适合于产生大功率LED。

5 结语

(1)在景观照明应用领域，由于LED自身的特点和优势，通过PWM的RGB混光方式得到七彩、多色和全彩景观灯光系统是其主要方式和发展方向，特别是在七彩景观灯光系统上已获得较广泛应用，考虑到控制的复杂性和景观照明系统的实际需要，多彩及全彩灯光系统只在特定场合使用，而在LED显示屏中，目前采用RGB混光方式的多彩和全彩显示系统却得到较多使用。在超高亮白光LED应用领域，采用RGB混光方式得到白光LED并没有特别的优势。

(2)混光只是LED照明的一个组成部分，有效的混光和灯光动态控制需要一个复杂的控制系统，控制系统一般包括控制器部分和LED驱动部分，需要专用的硬件和软件支持，目前还缺少统一的标准，由各LED厂商自行开发。LED光源单位体积很小，在很多场合明显是优点，但有时又是缺点，如在LED平面型光源上，通常出现点状光斑以及混色不均匀现象。目前，混光、混色还存在的主要问题是：混光、混色的均匀水平与透光率的矛盾。这个问题也是阻碍LED发展的因素，对LED景观灯具实用性有很重要的意义，因此还需要发展新型LED混光、混色技术。