LED的調(diào)光藝術(shù)

LED被首次展示是1962年通用電氣的Nick Holnyak。在接下來的20年里，人們對(duì)LED照明的物理學(xué)理解，足以使LED取代白熾燈泡及指示燈和數(shù)字顯示器的真空管。在20世紀(jì)90年代初在惠普、東芝和日亞的研究人員推出了高亮度紅色、綠色和藍(lán)色LED。

作者：Paul Greenland，技師、共同創(chuàng)辦人兼副總裁，mSilica

 在幾乎所有黑白信號(hào)應(yīng)用中，因?yàn)榭煽啃院桶l(fā)光效率、光輸出與輸入功率之比的優(yōu)越，LED已經(jīng)開始取代白熾燈。路上的快速旅行將證實(shí)這一點(diǎn)，大部分交通燈，特別是新安裝的都使用了LED。事實(shí)上，在90年代末，LED的發(fā)光效率已超過了白熾燈和接近了熒光燈。LED的效果顯示在圖1。二極管包括一個(gè)攜帶電子的n層和一個(gè)攜帶孔穴的P層。當(dāng)正向電壓加到該結(jié)構(gòu)（負(fù)極為N層，正極為P層），電子從n層注入與空穴發(fā)射光子輻射重組。光子的波長(zhǎng)和顏色取決于電子和空穴能量水平的差異。


為什么調(diào)光？

LED的調(diào)光要求首次出現(xiàn)在小型手機(jī)液晶顯示屏背光。一旦手機(jī)從簡(jiǎn)單的語(yǔ)音應(yīng)用演變?yōu)閿y帶多媒體內(nèi)容，尤其是視頻的設(shè)備，顯示器及其背光的功率消耗就變得很顯著了。來自RGB混合或熒光粉下變換藍(lán)色LED的白色背光盡管可用，但對(duì)延長(zhǎng)觀看時(shí)間功耗太高。同時(shí)，大幅面液晶顯示器已在取代個(gè)人電腦的CRT顯示器。

適用于辦公設(shè)備以及消除有害物質(zhì)（如用于冷陰極熒光背光的汞）的能源效率標(biāo)準(zhǔn)，將固態(tài)照明特別是LED推到了技術(shù)的較前沿。手機(jī)和電腦顯示器的LED調(diào)光背光變成了更加先進(jìn)的方法，可以節(jié)約能源，提高液晶電視顯示對(duì)比度。事實(shí)上，液晶電視顯示器的內(nèi)容自適應(yīng)亮度控制中的視頻處理器根據(jù)實(shí)時(shí)視頻內(nèi)容動(dòng)態(tài)調(diào)整顯示區(qū)的亮度已經(jīng)司空見慣。這是迄今為止較苛刻的調(diào)光應(yīng)用，這些應(yīng)用需要精確定時(shí)和LED電流控制，而沒有干擾視頻信號(hào)，或造成可見失真，如顯示閃爍，這是由視頻和調(diào)光控制信號(hào)諧波之間的互調(diào)引起的。

視覺顯示應(yīng)用需要較先進(jìn)的調(diào)光解決方案，并不斷根據(jù)節(jié)約能源的目的進(jìn)行調(diào)整。從能量效率考慮一般照明應(yīng)用需要調(diào)光。例如較新一代“智能大廈”的照明是分區(qū)的，以便在白天該大廈窗戶周圍的人工照明是較少的。在這種設(shè)施中燈具是連網(wǎng)的，以便部署在某些點(diǎn)的傳感器可以保持環(huán)境光水平不變，或在沒有人在該區(qū)域時(shí)關(guān)掉燈。調(diào)光也可作為部分的RGB混合創(chuàng)建照明系統(tǒng)。例如超級(jí)市場(chǎng)可使用發(fā)射光譜的有熒光粉的熒光燈，使肉類或蔬菜的外觀更具吸引力。RGB LED的可以混為一個(gè)特別的光譜輸出，實(shí)現(xiàn)額外的能源節(jié)約和更高的可靠性。

LED可以用直接電流（幅值模式）或用脈動(dòng)電流（PWM）或混合技術(shù)來驅(qū)動(dòng)。首先檢查以dc簡(jiǎn)單操作的LED。但該器件的低動(dòng)態(tài)電阻給它一個(gè)高靈敏度的正向電流，以改變正向電壓。此外，可以發(fā)現(xiàn)，正向電流的直接改變可以改變不同亮度LED的發(fā)射波長(zhǎng)。對(duì)比度調(diào)光可通過脈寬調(diào)制實(shí)現(xiàn)，可以控制脈沖持續(xù)時(shí)間，而不是改善顏色穩(wěn)定性的電流幅值收益。這種穩(wěn)定性是犧牲發(fā)光效率獲得的。在較高的正向電流下，LED發(fā)光輸出已趨于飽和。圖2顯示了驅(qū)動(dòng)和調(diào)光LED的兩種技術(shù)。第1行顯示了直接電流驅(qū)動(dòng)LED的非線性亮度輸出。第2行顯示了用脈寬調(diào)制的紅色電流驅(qū)動(dòng)的同一個(gè)LED。結(jié)果表明，對(duì)于一個(gè)特定的平均正向電流，PWM驅(qū)動(dòng)的損耗以發(fā)光輸出Detaø_loss表示。造成這一差別的原因是，LED工作在較低發(fā)光效率I_H一個(gè)點(diǎn)。在混合情況下，這是直接電流和PWM技術(shù)的組合�；旌戏椒ㄎㄒ坏娜秉c(diǎn)是調(diào)光范圍可能會(huì)減小。

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本文摘自《功率系統(tǒng)設(shè)計(jì)》（Power Systems Design China）2010 5/6月刊，“LED的調(diào)光藝術(shù)”p43。

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