超高亮度LED在照明应用中的控制技术

    在装饰照明应用中，可用超高亮度红、绿、蓝光led作为光源，采用嵌入式微控制器，按占空比方式对若干只LED的发光亮度实现独立的数字化控制，使其产生全彩动态变化效果。

    1、LED的排列结构

    在这里引入了发光单元的概念，即将超高亮度红、绿、蓝光LED根据配色要求按一定比例构成发光单元，每个发光单元至少排列有一只红光LED、一只绿光LED和一只蓝光LED，再将若干个同种结构的发光单元按一定形状或图案排列起来，形成线状或面状光源。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。相邻发光单元的中心距应相同，并且该中心距应满足下式：

    D≥2×L×tan(θ/2)             （1）

    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在装饰照明应用中的控制电路可独立控制每个发光单元中的三种发光二极管的亮度级别，也可控制每个发光单元中的红、绿、蓝三种颜色所占的比例，使每个发光单元调配出多种不同的颜色。若在同一时间内控制不同的发光单元显示出不同的颜色，就可使装饰灯的整个发光部位呈现出色彩斑斓的效果。若将发光单元排成一定的图案或文字形状，则可控制灯饰产生动态的图案、文字变化效果。

    2、控制电路的结构

    整个电路分为嵌入式控制器电路和显示控制电路两部分，显示控制电路分为三个模块：红色模块、绿色模块和蓝色模块。每个模块的结构相同，各模块与嵌入式微控制器的连接方式也相同。每一个模块由若干个LED驱动芯片级联组成，前一级LED驱动器通过数据线与下一级LED驱动器连接。嵌入式微控制器通过信号线与模块中各LED驱动器相连接。每一个LED驱动芯片有若干个输出端，每一个输出端可根据配色需要接一只或多只LED，同一个模块中各输出端所接的LED颜色相同。红、绿、蓝三个模块内部各LED驱动器的连接结构以及各模块与嵌入式微控制器的连接结构完全相同。

    3、控制原理

    通过内置于微控制器中的控制程序，由微控制器向LED驱动芯片发送控制信号和数据，LED驱动芯片根据控制信号和数据的要求产生相应的动作，从而对每一只LED实现单独的控制。若微控制器连续地向各LED驱动器不断发送控制信号和数据，使各LED受到连续的协调控制，可使整体灯饰产生各种颜色、多种变化的动态显示效果。整个显示控制电路按照控制需要，分为红、绿、蓝三个控制模块，每一个模块的结构和控制原理基本相同。

    微控制器通过一条数据输出线向LED驱动器的串行数据输入引脚发送串行数据，另一条数据输出线向LED驱动器的时钟信号输入引脚发送时钟控制信号，在时钟控制信号的作用下，串行数据在LED驱动芯片内部移位寄存。当接收完数据后，微控制器向LED驱动器的数据锁存输入引脚发出锁存信号，使LED驱动器锁存已存储的数据。接着微控制器向LED驱动器的输出允许控制引脚发出输出使能信号，使LED驱动器根据所存储的数据驱动LED发光。由于LED驱动器存储的数据决定了LED驱动引脚高低电平排列组合状态持续时间的长短，也就是LED每次点亮或熄灭时间的长短，因此只要通过程序令微控制器不断改变输出至LED驱动器的串行数据，并在时钟控制信号、数据锁存信号、输出使能信号的共同配合作用下，就能灵活控制LED的发光状态。例如控制LED以人眼分辩不出的闪烁频率快速亮灭，并且控制LED在每个亮灭周期内发光时间所占的比例，就能起到控制LED发光亮度的效果。通过对每只LED发光亮度的控制，可使每只LED产生256级亮度等级。对三个模块中的各红、绿、蓝光LED同时进行控制，且红、绿、蓝三种基色LED按不同亮度等级任意组合，即产生256×256×256（16777216）种颜色效果。若将红、绿、蓝三基色LED按一定比例和一定的结构排列起来，按这种控制方式，可显示出各种颜色、多种图案、文字以及其组合形成的任意动态显示效果。