LED变色灯电路剖析.docx

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LED变色灯电路剖析

LED变色灯电路剖析

发布日期：

2010-4-8文章来源：

莱特照明作者：

莱特照明

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。

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变色灯的结构框图

   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。

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   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。

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 CD4060为16管脚DIP封装，各管脚排列如图3所示。

其中Clockin是时钟脉冲输入，Clockout1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。

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变色灯的电路图

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   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=0.47uF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。

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   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。

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   乳白色玻璃外罩的直径为Φ60mm。

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。

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   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。

LED保护电路基础知识

发布日期：

2010-4-8文章来源：

莱特照明作者：

莱特照明

在实际工作中是以20mA的电流为上限，但往往会由于在使用中的各种原因而造成电流增大，如果不採取保护措施，这种增大的电流超过一定的时间和幅度后LED就会损坏。

下面介绍造成LED损坏的原因主要有：

　　①供电电压的突然升高。

　　②线路中某个元件或印製线条或其他导线的短路而形成LED供电通路的局部短路，使这个地方的电压增高。

　　③某个LED因为自身的品质原因损坏因而形成短路，它原有的电压降就转嫁到其他LED上。

　　④灯具内的温度过高，使LED的特性变坏。

　　⑤灯具内部进了水，水是导电的。

　　⑥在装配的时候没有做好防静电的工作，使LED的内部已经被静电所伤害。

儘管施加的是正常电压和电流值，也是极易造成LED的损坏。

　　那麽，我该怎麽样进行LED电路的保护呢？

以下是一些心得分享：

　　1.保护电路中採用保险丝（管）

　　由于保险丝是一次性的，且反应速度慢，效果差、使用麻烦，所以保险丝不适宜用于LED灯成品中，因为LED灯现在主要是在城市的光彩工程和亮化工程。

它要求LED保护电路要很苛刻：

在超出正常使用电流时能立即启动保护，让LED的供电通路就被断开，使LED和电源都能得到保护，在整个灯正常后又能够自动恢复供电，不影响LED工作。

电路不能太複杂体积不能太大，成本还要低。

所以採用保险丝的方式实现起来很困难。

　　2.使用瞬态电压抑制二极体（简称TVS）

　　瞬态电压抑制二极体是一种二极体形式的高效能保护器件。

当它的两极受到反向瞬态高能量冲击时，能以10的负12次方秒极短时间的速度，使自己两极间的高阻立即降低为低阻，吸收高达数千瓦的浪涌功率，把两极间的电压箝位元在一个预定的电压值，有效的保护了电子线路中的精密元器件。

瞬态电压抑制二极体具有回应时间快、瞬态功率大、漏电流低、击穿电压偏差一致性好、箝位元电压较易控制、无损坏极限、体积小等优点。

　　但是在实际使用中发现要寻找满足要求电压值的TVS器件很不容易。

LED光珠的损坏主要是因为电流过大使晶片内部过热造成的。

TVS只能探测过电压不能探测过电流。

要选择合适的电压保护点很难掌握，这种器件就无法生产也就很难在实际中使用。

　　3.选择自恢复保险丝

　　自恢复保险丝又称为高分子聚合物正温度热敏电阻PTC，是由聚合物与导电粒子等构成。

在经过特殊加工后，导电粒子在聚合物中构成链状导电通路。

当正常工作电流通过（或元件处于正常环境温度）时，PTC自恢复保险丝呈低阻状态；当电路中有异常过电流通过（或环境温度升高）时，大电流（或环境温度升高）所产生的热量使聚合物迅速膨胀，也就切断了导电粒子所构成的导电通路，PTC自恢复保险丝呈高阻状态；当电路中过电流（超温状态）消失后，聚合物冷却，体积恢复正常，其中导电粒子又重新构成导电通路，PTC自恢复保险丝又呈初始的低阻状态。

在正常工作状态自恢复保险管的发热很小，在异常工作状态它的发热很高阻值就很大，也就限制了通过它的电流，从而起到了保护作用。

在具体的电路中，可以选择：

　　①分路保护。

一般LED灯是分成很多串接支路。

我们可以在每个支路的前面加一支PTC元件分别进行保护。

这种方式的好处是精确性高，保护的可靠性好。

　　②总体保护。

在所有光珠的前面加接一支PTC元件，对整灯进行保护。

这种方式的好处是简单，不占体积。

对于民用产品来说，这种保护在实际使用中的结果还是令人满意的。