LED變色燈電路

LED變色燈電路
LED變色燈是一種新型燈泡。它的外形與一般乳白色白熾燈泡相同，但點亮後會自動按一定的時間間隔變色。循環地發出青、黃、綠、紫、藍、紅、白色光。它適用於家庭生日派對、節日聚會、過節過年，給節日添加歡樂氣氛：也可用於娛樂場所及作廣告燈等。該變色燈泡的特點是，節能(耗電約1W)、壽命長、使用方便、價格便宜。
為什麼會自動變色呢?是用什麼電路來實現變色昵?把LED變色燈泡拆開來瞧瞧，通過從印製板上的元器件及走線整理出電路圖．對該電路作了了解及分析。發現該電路設計得比較巧妙，有獨到之處。現將該電路作一剖析，供電路設計、開發人員及愛好者作參考。
變色的光學原理
變色燈是由紅(R)、綠(G)、藍(B)三基色LED組成的。雙色LED是我們十分熟悉的。一般由紅光LED及綠光LED組成。它可以單獨發出紅光或綠光。若紅光及綠光同時亮點時，紅綠兩種光混合成橙黃色。變色燈的變色原理如圖1所示。三種基色LED分別點亮兩個LED時，它可以發出黃、紫、青色(如紅、藍兩LED點亮時發出紫色光)；若紅、綠、藍三種LED同時點亮時，它會產生白光。如果有電路能使紅、綠、藍光LED分別兩兩點亮、單獨點亮及三基色LED同時點亮，則能按圖1的情況發出七種不同顏色的光來。
LED變色燈的結構框圖如圖2所示。它由電容降壓式穩壓電源、LED控制器及G、R、B三基色LED陣列組成。由於這三部分都要裝入燈頭內，所以其電源採用電容器降壓．全波整流及穩壓二極體穩壓的簡單電路。

變色燈的結構框圖

電源輸出15V電壓供LED陣列，輸出14.6V供LED控制器。控制器的輸出端(1、2、3)中有一個是低電平時(如1為低電平)，則綠色LED亮，若三個輸出端都是低電平時，則發出白光(綠、紅、藍光LED都亮)。
LED控制器是變色燈的關鍵，它是由CD4060來承擔的，先介紹一下CD4060。
CD4060簡介
CD4060是4000系列CMOS器件中的一種，是14位二進位計數器。它內部有兩反相器，外接兩個電阻及一個電容就可組成振蕩器，作為時鐘發生器。輸入時鐘脈衝時(下降沿)，輸出端輸出記數脈衝。它有一個複位端(Reset)，當複位端為高電平時．所有輸出端都是低電平，如表1所示。

CD4060為16管腳DIP封裝，各管腳排列如圖3所示。其中Clock in是時鐘脈衝輸入，Clock out1及Clockout2是時鐘脈衝輸出(相位差180°，Reset是複位輸入端(高電平有效)．Q4～Q14是二進位記數脈衝輸出端，Vdd為電源正端(3～18V)．Vss為電源負端。
LED變色燈的電路如圖4所示。它由電源部分、變色控制部分及三基色LED陣列組成，現分別介紹其工作原理：
1．電源部分 由降壓電容C1、全波整流D1～D4及穩壓二極體D5組成的電容降壓式電路是很典型的AC/DC轉換電路。經15V的穩壓二極體穩壓后(嚴格地說是被限幅后)作為驅動LED陣列的電源．經D6、C2濾波后(約14．5V)的電壓供CD4060及複位的電壓(高電平)。與電容C1並聯的電阻R1是斷開電源后，C1上的電荷經R1放電，防止燈頭上帶電。
這種電源的特點是，當負載的電壓遠小於220V時，負載上電流IL≈69C(C為降壓電容，單位為uF，IL的單位為mA)。例如，C=0.47 u F時，流過負載的電流約32.4mA，並且這個電流是比較穩定的：另外，這種電源尺寸小(占空間小)。其缺點是對市電是不隔離的，要求封閉在燈頭內，並有良好的絕緣。
2．變色控制部分 變色控制部分由二進位記數器CD4060承擔。時鐘脈衝信號不採用一般的振蕩器電路(CD4060內部有兩個反相器，外接兩個電阻、一個電容即可組成振蕩器)，而在電源電路中串接R5，在R5上的50Hz交流電壓經R3、C3組成的微分電路形成尖脈衝作為時鐘脈衝信號。在輸出記數脈衝中選擇Q8、Q9、Q10三端與LED負極連接。當記數脈衝輸出低電平時，相應的LED串被點亮。Q8、Q9、Q10的輸出時序如圖5所示。50Hz的周期為0.02s，Q8的周期為5.12s，Q9的周期為10.24s，Q10的周期為20.48s。

Q8接紅色LED串的負極、Q9接藍色LED的負極、Q10接綠色LED串的負極．則在Q8為高電平、Q9、Q10為低電平時，藍光、綠光LED串亮，混色后發出青光(因Q9、Q10為低電平，Reset端為低電平)。經過2.56s后變成R、G亮，發出黃光。
在圖5的時序圖中，可以看到Q8到第4個周期時，Q8、Q9、Q10輸出都是高電平，則三串LED都滅。為避免在變色過程中出現這種情況，在電路中增加了D7～D9三個二極體，並由R4連接到複位端(Reset)。
在剛出現Q8、Q9、Q10三端都是高電平時，此時12腳(Reset)上出現高電平。器件被複位，使Q4-Q14各輸出端都為低電平(見附表)。一旦Q8、Q9、Q10出現低電平，紅、綠、藍光LED都亮，燈光成白光，即在出現紅光后，當紅光結束，馬上變成白光，Reset端馬上變成低電平，跳過了2.56s的滅燈情況，這是電路上設計的巧妙之處。
3．三基色LED陣列三基色LED(B、R、G)每串有4個LED串聯而成。由於紅、綠色LED的管壓降與藍色LED的管壓降不同及各種發光二極體的發光強度不同，在LED串接迴路中設置了不同的限流電阻．一方面強制了LED的電流．另外也使發光亮度匹配更好。LED採用視角大、亮度高的草帽型。
在圖4的電路中，降壓電容器C1採用了耐壓250V的，雖然250V耐壓的電容的實際耐壓值是大於300V的，若市電的最高值是242V，其峰值電壓是341V。採用耐壓400V的更安全。
外形與印製板
LED變色燈泡的外形如圖6所示。


乳白色玻璃外罩的直徑為Φ60 mm。印製板分兩塊，一塊是電源部分及控制器部分，另一塊是LED陣列。電源部分及控制器部分的印製板圖如圖7所示(印製板外圓尺寸Φ38mm)。圖中僅示出有關元器件位置及印製板的走線(並未按比例畫)。LED陣列的印製板如圖8所示(並未按比例畫)。僅表示各色LED的排列及印製板的走線。兩印製板之間有4條連接線連接，在兩印製板間有絕緣墊隔離。