LED的调光艺术

LED被首次展示是1962年通用电气的Nick Holnyak。在接下来的20年里，人们对LED照明的物理学理解，足以使LED取代白炽灯泡及指示灯和数字显示器的真空管。在20世纪90年代初在惠普、东芝和日亚的研究人员推出了高亮度红色、绿色和蓝色LED。

作者：Paul Greenland，技师、共同创办人兼副总裁，mSilica

 在几乎所有黑白信号应用中，因为可靠性和发光效率、光输出与输入功率之比的优越，LED已经开始取代白炽灯。路上的快速旅行将证实这一点，大部分交通灯，特别是新安装的都使用了LED。事实上，在90年代末，LED的发光效率已超过了白炽灯和接近了荧光灯。LED的效果显示在图1。二极管包括一个携带电子的n层和一个携带孔穴的P层。当正向电压加到该结构（负极为N层，正极为P层），电子从n层注入与空穴发射光子辐射重组。光子的波长和颜色取决于电子和空穴能量水平的差异。


为什么调光？

LED的调光要求首次出现在小型手机液晶显示屏背光。一旦手机从简单的语音应用演变为携带多媒体内容，尤其是视频的设备，显示器及其背光的功率消耗就变得很显著了。来自RGB混合或荧光粉下变换蓝色LED的白色背光尽管可用，但对延长观看时间功耗太高。同时，大幅面液晶显示器已在取代个人电脑的CRT显示器。

适用于办公设备以及消除有害物质（如用于冷阴极荧光背光的汞）的能源效率标准，将固态照明特别是LED推到了技术的较前沿。手机和电脑显示器的LED调光背光变成了更加先进的方法，可以节约能源，提高液晶电视显示对比度。事实上，液晶电视显示器的内容自适应亮度控制中的视频处理器根据实时视频内容动态调整显示区的亮度已经司空见惯。这是迄今为止较苛刻的调光应用，这些应用需要精确定时和LED电流控制，而没有干扰视频信号，或造成可见失真，如显示闪烁，这是由视频和调光控制信号谐波之间的互调引起的。

视觉显示应用需要较先进的调光解决方案，并不断根据节约能源的目的进行调整。从能量效率考虑一般照明应用需要调光。例如较新一代“智能大厦”的照明是分区的，以便在白天该大厦窗户周围的人工照明是较少的。在这种设施中灯具是连网的，以便部署在某些点的传感器可以保持环境光水平不变，或在没有人在该区域时关掉灯。调光也可作为部分的RGB混合创建照明系统。例如超级市场可使用发射光谱的有荧光粉的荧光灯，使肉类或蔬菜的外观更具吸引力。RGB LED的可以混为一个特别的光谱输出，实现额外的能源节约和更高的可靠性。

LED可以用直接电流（幅值模式）或用脉动电流（PWM）或混合技术来驱动。首先检查以dc简单操作的LED。但该器件的低动态电阻给它一个高灵敏度的正向电流，以改变正向电压。此外，可以发现，正向电流的直接改变可以改变不同亮度LED的发射波长。对比度调光可通过脉宽调制实现，可以控制脉冲持续时间，而不是改善颜色稳定性的电流幅值收益。这种稳定性是牺牲发光效率获得的。在较高的正向电流下，LED发光输出已趋于饱和。图2显示了驱动和调光LED的两种技术。第1行显示了直接电流驱动LED的非线性亮度输出。第2行显示了用脉宽调制的红色电流驱动的同一个LED。结果表明，对于一个特定的平均正向电流，PWM驱动的损耗以发光输出Detaø_loss表示。造成这一差别的原因是，LED工作在较低发光效率I_H一个点。在混合情况下，这是直接电流和PWM技术的组合。混合方法唯一的缺点是调光范围可能会减小。

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本文摘自《功率系统设计》（Power Systems Design China）2010 5/6月刊，“LED的调光艺术”p43。

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