LED信號指示器

1、  用顏色指示電壓的“彩虹”LED信號指示器

　　圖1所示電路由IC₁和IC₂組成LED監(jiān)測模擬電壓電平電路，IC₁為Microchip公司的PIC12F675微控制器，IC₂為Kingbright公司的AAF5060PBESEEVG“彩虹”指示器。IC₂在一個封裝內(nèi)裝有3塊超亮度LED芯片（紅、綠、藍）。調(diào)節(jié)LED驅(qū)動器的占空比，就可以顯示出可見光譜中所有可見顏色，其中包括白光。將PicBasic Pro編譯器的PIC程序加到IC₁的引用③上，將0~5V輸入電壓轉(zhuǎn)換成一個與包含一定數(shù)量紅、藍和綠光的某一顏色相對應(yīng)的8位數(shù)字信號。

圖1  LED監(jiān)測模擬電壓電平電路

　　在一個脈寬調(diào)制（PWM）信號的控制下，每只LED的發(fā)光時間都與其相應(yīng)的紅光、綠光或藍光量成正比。如圖2所示，一塊LED芯片在每幀14步時間間隔內(nèi)通電。雖然并非所有的LED都必須同時發(fā)光，但是人眼的慢響應(yīng)將三只LED的光輸出綜合起來，會產(chǎn)生一種正比于占空比的強度變化的錯覺。PIC程序中的 RGB編碼功能假定IC₁的模擬輸入具有2.5V的零信號偏移，使所有LED都不發(fā)光。冷色（藍、紫和綠）表示輸入電壓為0~2.5V；暖色（紅、橙、黃和白）表示輸入電壓為2.5~5V。可通過改變RGB編碼表中的基色比例來產(chǎn)生不同的調(diào)色板。

圖2  LED顯示色彩圖

2、  LED信號燈的二次光學(xué)設(shè)計

（1）       信號燈基本光學(xué)系統(tǒng)

　　傳統(tǒng)的交通信號燈采用白熾燈作為光源，其燈具的基本光學(xué)結(jié)構(gòu)可視為由光源、反射器及用于形成光分布的透鏡組成，如圖3所示。由于白熾燈的光輻射幾乎占據(jù)整個空間，因此需要用反射器將其他方向上的光收集起來投向要求的區(qū)域。通常采用的是拋物面反射器，形成近似于平行的光束，然后用有色透鏡的外罩對光束進行偏折、擴散，產(chǎn)生期望的光分布和顏色。

　　一般單只LED發(fā)出的光能量較小，一個交通信號燈往往需要幾十只至幾百只LED。隨著LED技術(shù)的發(fā)展，單只LED的流明數(shù)不斷提高，一個燈具內(nèi)使用的 LED數(shù)目明顯減少。例如，目前飛利浦公司生產(chǎn)的一款交通信號燈僅用了10只LED，目前廣泛使用的LED交通信號燈通常使用100~300只LED，基本均勻分布于整個發(fā)光面上，每只LED對應(yīng)一個或一組透鏡單元。{{分頁}}

圖3  傳統(tǒng)交通信號燈的基本光學(xué)結(jié)構(gòu)

　　由于某些LED發(fā)出的光相對集中于一個較小的立體角范圍內(nèi)，反射器就不再是必要的光學(xué)組件，而往往用透鏡作為準(zhǔn)直光學(xué)組件。例如，用凸透鏡或菲涅耳透鏡產(chǎn)生平行光束，然后用枕形透鏡、楔形棱鏡等使光束重新擴散、偏折，產(chǎn)生滿足標(biāo)準(zhǔn)要求的光分布，如圖4所示。

圖4  LED交通信號結(jié)構(gòu)示例

（2）       光通量

　　無論是歐洲的ECE、美國的ITE還是我國的國家標(biāo)準(zhǔn)，對于信號燈光分布的要求大多體現(xiàn)為H-V系統(tǒng)內(nèi)的光強分布，見表1。因此，可以根據(jù)下式計算出達到標(biāo)準(zhǔn)要求的最小光通量：

    （1）

　　式中：φ_i 為第i個立體角區(qū)域內(nèi)的光通量；I_i為第i個立體角區(qū)域內(nèi)要求的（平均）光強；H_i+1/2、H_i-1/2、V_i+1/2、V_i-1/2為第i個立體角區(qū)域的水平角和垂直角的邊界。{{分頁}}

　　按式（1）計算所得的光通量是一個理想值，實際上要滿足標(biāo)準(zhǔn)要求的光分布，還需考慮透鏡的透過率、溢出光損失等因素。因此，需要對φ進行修正，這樣得到的才是實際要求光通量的估量值。

　　LED的光強分布通常是旋轉(zhuǎn)對稱的，因此，可以根據(jù)生產(chǎn)廠家給出的光分布（如圖5所示），由下式計算單只LED所發(fā)出的光通量：

                         （2）

　　式中：Ij為第j個環(huán)帶區(qū)域內(nèi)的平均光強；θ_j-1/2、θ_j+1/2為第j個環(huán)帶區(qū)域的邊界。

　　同樣，在這里計算得到也是一個理想值，需考慮溫度影響、有效利用率等因素進行修正。利用兩個修正后的光通量可以估算出要用的LED的數(shù)目。

圖5  LED的光強分布

3、  透鏡單元

　　為了能實現(xiàn)對光通量更有效的利用，先用校直系統(tǒng)將LED發(fā)出的光校正為平行光。通常所用的凸面透鏡的曲率半徑為

　　1/r₁-1/r₂=1/f