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趣味电子小制作－－LED变色灯电路
2008/05/28 05:54

LED变色灯是一种新型灯泡。它的外形与一般乳白色白炽灯泡相同，但点亮后会自动按一定的时间间隔变色。循环地发出青、黄、绿、紫、蓝、红、白色光。它适用于家庭生日派对、节日聚会、过节过年，给节日添加欢乐气氛：也可用于娱乐场所及作广告灯等。该变色灯泡的特点是，节能(耗电约1W)、寿命长、使用方便、价格便宜。
    为什么会自动变色呢?是用什么电路来实现变色昵?把LED变色灯泡拆开来瞧瞧，通过从印制板上的元器件及走线整理出电路图．对该电路作了了解及分析。发现该电路设计得比较巧妙，有独到之处。现将该电路作一剖析，供电路设计、开发人员及爱好者作参考。
变色的光学原理
    变色灯是由红(R)、绿(G)、蓝(B)三基色LED组成的。双色LED是我们十分熟悉的。一般由红光LED及绿光LED组成。它可以单独发出红光或绿光。若红光及绿光同时亮点时，红绿两种光混合成橙黄色。变色灯的变色原理如图1所示。三种基色LED分别点亮两个LED时，它可以发出黄、紫、青色(如红、蓝两LED点亮时发出紫色光)；若红、绿、蓝三种LED同时点亮时，它会产生白光。如果有电路能使红、绿、蓝光LED分别两两点亮、单独点亮及三基色LED同时点亮，则能按图1的情况发出七种不同颜色的光来。
    LED变色灯的结构框图如图2所示。它由电容降压式稳压电源、LED控制器及G、R、B三基色LED阵列组成。由于这三部分都要装入灯头内，所以其电源采用电容器降压．全波整流及稳压二极管稳压的简单电路。

变色灯的结构框图

    电源输出15V电压供LED阵列，输出14.6V供LED控制器。控制器的输出端(1、2、3)中有一个是低电平时(如1为低电平)，则绿色LED亮，若三个输出端都是低电平时，则发出白光(绿、红、蓝光LED都亮)。
    LED控制器是变色灯的关键，它是由CD4060来承担的，先介绍一下CD4060。
CD4060简介
    CD4060是4000系列CMOS器件中的一种，是14位二进制计数器。它内部有两反相器，外接两个电阻及一个电容就可组成振荡器，作为时钟发生器。输入时钟脉冲时(下降沿)，输出端输出记数脉冲。它有一个复位端(Reset)，当复位端为高电平时．所有输出端都是低电平，如表1所示。

CD4060为16管脚DIP封装，各管脚排列如图3所示。其中Clock in是时钟脉冲输入，Clock out1及Clockout2是时钟脉冲输出(相位差180°，Reset是复位输入端(高电平有效)．Q4～Q14是二进制记数脉冲输出端，Vdd为电源正端(3～18V)．Vss为电源负端。
   LED变色灯的电路如图4所示。它由电源部分、变色控制部分及三基色LED阵列组成，现分别介绍其工作原理：
    1．电源部分 由降压电容C1、全波整流D1～D4及稳压二极管D5组成的电容降压式电路是很典型的AC/DC转换电路。经15V的稳压二极管稳压后(严格地说是被限幅后)作为驱动LED阵列的电源．经D6、C2滤波后(约14．5V)的电压供CD4060及复位的电压(高电平)。与电容C1并联的电阻R1是断开电源后，C1上的电荷经R1放电，防止灯头上带电。
    这种电源的特点是，当负载的电压远小于220V时，负载上电流IL≈69C(C为降压电容，单位为uF，IL的单位为mA)。例如，C=0.47 u F时，流过负载的电流约32.4mA，并且这个电流是比较稳定的：另外，这种电源尺寸小(占空间小)。其缺点是对市电是不隔离的，要求封闭在灯头内，并有良好的绝缘。
    2．变色控制部分 变色控制部分由二进制记数器CD4060承担。时钟脉冲信号不采用一般的振荡器电路(CD4060内部有两个反相器，外接两个电阻、一个电容即可组成振荡器)，而在电源电路中串接R5，在R5上的50Hz交流电压经R3、C3组成的微分电路形成尖脉冲作为时钟脉冲信号。在输出记数脉冲中选择Q8、Q9、Q10三端与LED负极连接。当记数脉冲输出低电平时，相应的LED串被点亮。Q8、Q9、Q10的输出时序如图5所示。50Hz的周期为0.02s，Q8的周期为5.12s，Q9的周期为10.24s，Q10的周期为20.48s。

    Q8接红色LED串的负极、Q9接蓝色LED的负极、Q10接绿色LED串的负极．则在Q8为高电平、Q9、Q10为低电平时，蓝光、绿光LED串亮，混色后发出青光(因Q9、Q10为低电平，Reset端为低电平)。经过2.56s后变成R、G亮，发出黄光。
    在图5的时序图中，可以看到Q8到第4个周期时，Q8、Q9、Q10输出都是高电平，则三串LED都灭。为避免在变色过程中出现这种情况，在电路中增加了D7～D9三个二极管，并由R4连接到复位端(Reset)。
    在刚出现Q8、Q9、Q10三端都是高电平时，此时12脚(Reset)上出现高电平。器件被复位，使Q4-Q14各输出端都为低电平(见附表)。一旦Q8、Q9、Q10出现低电平，红、绿、蓝光LED都亮，灯光成白光，即在出现红光后，当红光结束，马上变成白光，Reset端马上变成低电平，跳过了2.56s的灭灯情况，这是电路上设计的巧妙之处。
    3．三基色LED阵列三基色LED(B、R、G)每串有4个LED串联而成。由于红、绿色LED的管压降与蓝色LED的管压降不同及各种发光二极管的发光强度不同，在LED串接回路中设置了不同的限流电阻．一方面强制了LED的电流．另外也使发光亮度匹配更好。LED采用视角大、亮度高的草帽型。
在图4的电路中，降压电容器C1采用了耐压250V的，虽然250V耐压的电容的实际耐压值是大于300V的，若市电的最高值是242V，其峰值电压是341V。采用耐压400V的更安全。
外形与印制板   
    LED变色灯泡的外形如图6所示。

    乳白色玻璃外罩的直径为Φ60 mm。印制板分两块，一块是电源部分及控制器部分，另一块是LED阵列。电源部分及控制器部分的印制板图如图7所示(印制板外圆尺寸Φ38mm)。图中仅示出有关元器件位置及印制板的走线(并未按比例画)。LED阵列的印制板如图8所示(并未按比例画)。仅表示各色LED的排列及印制板的走线。两印制板之间有4条连接线连接，在两印制板间有绝缘垫隔离。

这里要指出的是，外部灯泡必须采用乳白色的。这样才能较好的混色，不可采用透明的材料。
这种变色灯泡的功率约1W，比较省电，但亮度差一点，比较新颖、效果不错。

变色灯的电路图

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