LED信号指示器

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。{{分页}}

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：φ_i为第i个立体角区域内的光通量；I_i为第i个立体角区域内要求的（平均）光强；H_i+1/2、H_i-1/2、V_i+1/2、V_i-1/2为第i个立体角区域的水平角和垂直角的边界。{{分页}}

　　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；θ_j-1/2、θ_j+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