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LED信号指示器

LED之家  于2009-01-18 00:06:26  http://www.ledjia.com/ledhangye/viewarticle.php?id=702
本文关键词:  LED芯片  RGB  技术  焦点  电路  封装  光学系统  LED技术  控制  实现  电压  白光

LED信号指示器

2007年9月11日

1、 用颜色指示电压的“彩虹”LED信号指示器

图1所示电路由IC1和IC2组成LED监测模拟电压电平电路,IC1为Microchip公司的PIC12F675微控制器,IC2为Kingbright公司的AAF5060PBESEEVG“彩虹”指示器。IC2在一个封装内装有3块超亮度LED芯片(红、绿、蓝)。调节LED驱动器的占空比,就可以显示出可见光谱中所有可见颜色,其中包括白光。将PicBasic Pro编译器的PIC程序加到IC1的引用③上,将0~5V输入电压转换成一个与包含一定数量红、蓝和绿光的某一颜色相对应的8位数字信号。

图1 LED监测模拟电压电平电路

在一个脉宽调制(PWM)信号的控制下,每只LED的发光时间都与其相应的红光、绿光或蓝光量成正比。如图2所示,一块LED芯片在每帧14步时间间隔内通电。虽然并非所有的LED都必须同时发光,但是人眼的慢响应将三只LED的光输出综合起来,会产生一种正比于占空比的强度变化的错觉。PIC程序中的RGB编码功能假定IC1的模拟输入具有2.5V的零信号偏移,使所有LED都不发光。冷色(蓝、紫和绿)表示输入电压为0~2.5V;暖色(红、橙、黄和白)表示输入电压为2.5~5V。可通过改变RGB编码表中的基色比例来产生不同的调色板。

图2 LED显示色彩图

2、 LED信号灯的二次光学设计

(1) 信号灯基本光学系统

传统的交通信号灯采用白炽灯作为光源,其灯具的基本光学结构可视为由光源、反射器及用于形成光分布的透镜组成,如图3所示。由于白炽灯的光辐射几乎占据整个空间,因此需要用反射器将其他方向上的光收集起来投向要求的区域。通常采用的是抛物面反射器,形成近似于平行的光束,然后用有色透镜的外罩对光束进行偏折、扩散,产生期望的光分布和颜色。

一般单只LED发出的光能量较小,一个交通信号灯往往需要几十只至几百只LED。随着LED技术的发展,单只LED的流明数不断提高,一个灯具内使用的LED数目明显减少。例如,目前飞利浦公司生产的一款交通信号灯仅用了10只LED,目前广泛使用的LED交通信号灯通常使用100~300只LED,基本均匀分布于整个发光面上,每只LED对应一个或一组透镜单元。

图3 传统交通信号灯的基本光学结构

由于某些LED发出的光相对集中于一个较小的立体角范围内,反射器就不再是必要的光学组件,而往往用透镜作为准直光学组件。例如,用凸透镜或菲涅耳透镜产生平行光束,然后用枕形透镜、楔形棱镜等使光束重新扩散、偏折,产生满足标准要求的光分布,如图4所示。


图4 LED交通信号结构示例

(2) 光通量

无论是欧洲的ECE、美国的ITE还是我国的国家标准,对于信号灯光分布的要求大多体现为H-V系统内的光强分布,见表1。因此,可以根据下式计算出达到标准要求的最小光通量:

(1)

式中:φi 为第i个立体角区域内的光通量;Ii为第i个立体角区域内要求的(平均)光强;Hi+1/2、Hi-1/2、Vi+1/2、Vi-1/2为第i个立体角区域的水平角和垂直角的边界。

按式(1)计算所得的光通量是一个理想值,实际上要满足标准要求的光分布,还需考虑透镜的透过率、溢出光损失等因素。因此,需要对φ进行修正,这样得到的才是实际要求光通量的估量值。

LED的光强分布通常是旋转对称的,因此,可以根据生产厂家给出的光分布(如图5所示),由下式计算单只LED所发出的光通量:

(2)

式中:Ij为第j个环带区域内的平均光强;θj-1/2、θj+1/2为第j个环带区域的边界。

同样,在这里计算得到也是一个理想值,需考虑温度影响、有效利用率等因素进行修正。利用两个修正后的光通量可以估算出要用的LED的数目。

图5 LED的光强分布

3、 透镜单元

为了能实现对光通量更有效的利用,先用校直系统将LED发出的光校正为平行光。通常所用的凸面透镜的曲率半径为

1/r1-1/r2=1/f×(nL-1) (3)

式中:f为透镜焦距;r1、r2分别为透镜两表面的曲率半径,当该表面为平面时,曲率半径为无穷大;nL为透镜材料的折射率。

对于同样尺寸、同样焦距的凸透镜和菲涅耳透镜而言,其厚度可以相差很大,如图6所示。并且随着透镜尺寸的增加,其厚度的差距也在增大。透镜越厚,意味着光在经过透镜的过程中损失得越多,并且计算中用薄透镜近似而引入的误差也越大。

图6 菲涅耳透镜与凸透镜厚度比较

菲涅耳透镜如图7所示,其实它是一种“大孔径”的消球差透镜,其光学作用和普通凸透镜相同,但比凸透镜薄,重量轻。设计时选用的菲涅耳透镜环数越多,越有助于减小球差和透镜厚度,使光斑更均匀。

图7 菲涅耳透镜的形成

在设计中采用透镜对平行光束进行扩散处理来满足标准的要求。将灯具外罩分割成矩形小单元,用来打碎光波的波面,有利于产生均匀的外观效果。在每个小单元中,采用柱面透镜使光束水平扩散,在确定单元宽度及要求的扩散角度之后,柱面透镜的曲率半径为

r=(b×n2-2ncosδ+1)/(2sinδ) (4)

式中:r为柱面透镜的曲率半径;b为单元的宽度;n为透镜材料的折射率;δ为期望的半扩散角度,如图8所示。

图8 柱面透镜示意图

在确定扩散角度时,应考虑平行光束可能会有一不定期的发散角度α,因此,若要求灯具总扩散角度为50°,则应该取2δ=50°-α,否则可能会导致扩散角度过大。

根据标准,在垂直方向上也有一梯度的光强分布要求,且基本是在水平面之下。可考虑用楔形透镜将光向下偏折,并借助于模拟软件,使光通量在垂直方向上合理分布。单元透镜的结构如图9所示。也可采用椭球面或轮胎面等具有水平和垂直两个方向的弧度的结构,从而可以在两个方向上用不同的曲率半径达到不同的扩散效果。由于交通信号灯的标准一般要求分布于水平之下,因此,在垂直方向上只需用上半段圆弧,产生向下扩散的效果,如图10所示。

图9 单元透镜示例

图10 有双向曲率透镜的示意图

采用两层透镜虽然能对光通量分布有良好的控制,但是两层透镜的透过率损失较大。另外,要获得较理想的平行光,焦点的对准很重要。因LED自身带有的透镜使实际发光不在晶片所在位置,所以,要得到理想的设计效果,发光点位置的确定很重要。

对于发光角度较大的LED,若用菲涅耳透镜作为准直系统的话,应在边缘部位采用内部全反射(TIR)结构。因为,对于菲涅耳透镜,越靠近边缘,光线入射至透镜的角度越大,反射损失成分也越大。若采用TIR结构(如图11所示),可使入射角度接近0°,大大减少了透镜边缘光的反射损失,有利于使透镜呈现均匀照亮的外观。

图11 带有TIR结构的透镜示意图

4、 两种信号灯光度性能分析

现有信号灯光学结构是由内梯菲涅耳透镜、外梯菲涅耳透镜与白炽灯组成。灯泡发出的总光束的一部分经透镜组折射后,成为近似平行光投向远方,成为有效光束,光通量为φ1,按下式计算:

φ1=φ×η1 ×τ1×τ2 (5)

式中:φ1为信号灯的有效光通量(lm);φ为灯泡发出的总光通量(lm),铁道行业标准规定铁路信号灯的光通量不低于285lm,实际产品要高于这个数值,这里按300lm来计算:η1为透镜组的光利用系数,灯泡发出的总光通量中只有被透镜组所包含立体角内的光才被利用,铁路信号灯透镜组对灯泡含的立体角为4.4sr,与灯泡发光总立体角(4π减去灯头遮光部分的立体角)之比为0.36,此值即为透镜组的光束利用率;τ1为颜色透镜的光透射比,铁道行业标准规定红色透镜的光透射比为8%,实际可以达到11%;τ2为无色透镜的光透射比,铁道行业标准规定无色透镜的光透射比不得低于90%。

将上述各数值代入式(5),计算出红色铁路信号灯的有效光通量为10.7lm。

LED信号灯由多只LED与聚光透镜阵列组成,LED的数量为数十只到一百多只,单元透镜的直径为13~15mm。LED信号灯的有效光通量φLED1可按下式计算:

φLED1LED×(1-αt)×(1-β)×τ3×τ4 (6)

式中:φLED1为LED信号灯的有效光通量(lm);φLED为LED发出的总光通量(lm),单只LED的光通量由发光强度分布曲线利用球带系数法计算,再乘以LED数量得到总光通量,也可以从LED的功率乘以光效得到,100只红光LED的总光通量为240lm;αt为温度影响系数,LED的光效率随温度升高而降低,不同颜色的αt值不相同,在环境温度为50℃的条件下红光LED的αt值为:0.30;β为光束溢出损失系数,2002年《照明工程学报》提出了“光束溢出损换”的概念,LED发出的光束有一部分射不到各自的聚光透镜上,不能形成有效光束,β值取0.25;τ3为无色阵列透镜的光透射比,取0.85;τ4为无色保护玻璃的光透射比,取0.9。

将上述各数值代入式(6),计算出红光LED铁路信号灯的有效光通量为96.4lm。白炽灯泡的光谱是连续光谱,通过有色透镜发出的色光的光谱也是连续光谱。LED的光谱线较窄,颜色较纯,特别是红、绿、蓝光,颜色鲜艳,有利于辨认信号。但是选择黄光或白光LED时需要注意,黄色不能偏红,白色不能偏蓝,否则会与红色或蓝色相混淆,超出铁道行业标准要求的颜色范围。


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