CN1091499C - 微电脑程控自动变色灯 - Google Patents

Abstract

本发明的微电脑程控自动变色灯，由三基色发光点、光学混光系统、微电脑控制模块和外部电源接口组成，通过由反光杯、内部散光罩和表面混光罩构成的光学混光系统，在变色灯表面实现均匀的混光效果。

Description

微电脑程控变色灯

(一)技术领域

本发明涉及一种变色灯，特别是采用新型半导体发光材料，用内置微电脑程序控制的自动变色灯。

本发明涉及下列技术领域：照明技术领域；新型半导体发光材料技术领域；微电脑程序控制技术领域。

(二)背景技术

半导体发光材料在指示照明领域的应用已有多年的历史，但由于材料方面的限制，传统的发光二极管电流小(单只小于10ma)、亮度低(单只小于500mcd)，因而无法用于日常照明或装饰及广告照明领域，近几年来，国际上在半导体发光材料基础研究方面取得了长足进展。众所周知，电能转换成光能时主要的损耗是热损耗，新型半导体发光材料发光时几乎不发热，从而使热损耗降低到极小的程度，同时极大地提高了发光效率。由此可见，与普通光源相比，采用新型半导体发光材料的光源具有显著的节能优点。新型半导体发光材料的另一个显著优点是具有超长的使用寿命，它的连续使用寿命大于100000小时，而普通白炽灯的平均使用寿命不到1000小时。在上述技术背景条件下，本发明专利申请人发现目前市场上几乎看不到变色灯，在以往的专利文献中所看到关于变色灯的专利几乎都是采用三基色钨丝灯泡。然而，采用钨丝灯泡不仅功耗高、寿命低，而且很难控制，无法实现光谱和亮度的连续变化。此外，个别采用传统三基色LED的专利，在对变色灯的控制方面，采用的也是传统的变色灯控制方法：一种是开关式控制方式(如图3所示)，这种方式是用机械或电子开关接通或切断三基色发光材料中的一或两基色的电源，靠三基色光的简单排列组合实现变色，这种控制方式只能产生有限的几种色彩变化，无法实现光谱的连续变化；另一种是模拟式电流控制方式(如附图5所示)，这种方式通过模拟地改变加载在任一基色半导体发光材料和限流电阻上的电压从而改变通过半导体发光材料上的电流来实现色彩和亮度的变化。这种方式能在一定范围内实现光谱和亮度的连续变化，但半导体发光材料都存在阈值特性(见图9)，即当电压小于阈值时，半导体发光材料不导通，电流几乎等于零，当电压大于阈值时半导体发光材料迅速导通，电流以很高的斜率上升。由于这种阈值特性，使可控电压范围很小(典型范围：2V-2.4V，图9示出了其阈值特性曲线，a为最佳工作点，b为阈值点)，导致控制电路几乎无法实现某一基色亮度从零至额定最大值的连续变化。此外，模拟式电流控制方式必须使用限流电阻，而限流电阻将产生热损耗，这将导致功耗的显著增加。因此这种专利由于亮度低、缺乏有效的控制手段和适当的光学混光设计等原因而无法形成产品。

(三)发明内容

本发明以上述技术背景及现状为基础，提出一种采用四元素半导体发光材料作为光源材料，用内置微电脑程序控制实现三基色变色原理的自动变色灯。

本发明还为该自动变色灯提供了特殊的光学设计和采用了脉宽调制(PWM)输出控制技术来实现最佳的表面混光变色效果和实现光谱和亮度的连续变化。

本发明的微电脑程控自动变色灯，由三基色发光点、光学混光系统、微电脑控制模块和外部电源接口组成，其中三基色发光点由一组或多组大电流超高亮度半导体发光材料，如四元素半导体发光材料构成，光学混光系统由反光杯、内部散光罩和表面混光罩构成，微电脑控制模块由微电脑控制器、脉宽调制输出驱动单元、RS485串行接口和电源变换单元构成。

采用本发明的脉宽调制(PWM)式控制方式(如图7所示)不仅弥补了上述两种控制方式的缺陷，而且它还可以利用半导体发光材料的发光惰性进一步节省能耗。它的工作原理如图7所示。众所周知，人类的眼睛存在视觉惰性，当发光体闪亮的频率大于25Hz时，人眼看起来发光体是在连续发亮，基于这一原理，本发明采用1000Hz的脉冲驱动半导体发光材料，脉宽占空比从零到100％连续可调，这样可以使任一基色的亮度从零到额定最大值的连续变化，真正实现额定范围内亮度和光谱的连续变化；脉宽调制(PWM)式控制方式可以将半导体发光材料的导通电压固定在最佳工作点上，而不必改变电压，因此可以不使用限流电阻，以最大限度地降低能量消耗，它比传统的控制方式具有显著的节电效果(一般节电50％以上)。此外，半导体发光材料也存在发光惰性，即当突然切断半导体发光材料的电源时，它的发光亮度不会立即降为零，而是有一段很短的滞后，在脉宽调制(PWM)式控制方式中，这种发光惰性可以被用来进一部降低能源消耗。

采用本发明设计的自动变色灯可获得如下优点和积极效果：

在可见光范围内光谱可连续任意自动变化；节能，比现有其他光源节能50至100倍；长寿命，可连续使用50000小时以上。

采用本发明的四元素半导体发光材料的LED单只电流达到150ma，亮度高达30000mcd，这样的亮度已经完全可以满足绿色环保照明和装饰及广告照明的需要。

采用本发明设计的各种不同类型的微电脑程控自动变色灯将给绿色环保照明和装饰及广告照明领域带来革命性的影响。在绿色环保照明方面，它可以根据不同环境下对人类眼睛最佳的波长和亮度选择照明方式；在装饰及广告照明领域，它会带来更为生动和更加丰富多彩的变化；它的超长使用寿命可以使产品免于更换和维护；它还有非常显著的节能效果。

(四)附图说明

图1是本发明的变色灯的结构示意图；

图2是微电脑控制模块的框图；其中：

图3是开关式控制方式电路原理；

图4是开关式控制方式控制信号波形；

图5是模拟电流式控制方式电路原理；

图6是模拟电流式控制方式控制信号波形；

图7是PWM控制方式电路原理；

图8是PWM控制方式控制信号波形；

图9是半导体发光体阈值特性曲线图。

图中R、G、B分别表示三基色：红(R)、绿(G)、蓝(B)，17、开关，18、限流电阻，19、半导体发光体。

(五)具体实施方式

本发明的一个实施实例如说明书附图1所示，它由三基色半导体发光材料发光点4、旋转抛物面反光杯3、内部凸透镜散光罩9、表面菲涅尔棱镜2、表面枕形棱镜1、微电脑控制模块6、外部电源插头8、RS485串行接口插口7、塑料外壳5组成。三基色半导体发光材料发光点4的发光视角为30-60度，通过内部凸透镜散光罩9将视角扩大至120-180度，透过凸透镜散光罩9的光线大部直接照射到表面菲涅尔棱镜2上，其它部分通过旋转抛物面反射杯3反射到表面菲涅尔棱镜2上，经过表面菲涅尔棱镜2和表面枕形棱镜1的多次折射，使光线在变色灯表面达到均匀的混光效果。其中内部凸透镜散光罩9和表面菲涅尔棱镜可以采用透明的玻璃、有机玻璃或工程塑料材料，表面枕形棱镜可以采用透明或半透明的玻璃、有机玻璃或工程塑料材料。

本发明的微电脑控制模块如附图2所示，它由微电脑控制器(MCU)11、脉宽调制输出驱动单元(PWM)12、RS485串行接口13和电源变换单元14构成。微电脑控制器11执行预先写入到其内部程序存储器的程序指令或通过RS485串行接口13接收外部群控或远程计算机控制指令，经过特定的程序运算，将脉宽调制控制信号输出到脉宽调制输出驱动单元112，脉宽调制输出驱动单元12按三基色输出三组脉宽调制信号驱动三基色半导体发光点，电源变换单元14将220V交流电变换成所需的直流电压向微电脑控制器11、脉宽调制输出驱动单元12和RS485串行接口13供电。

本发明根据绿色环保照明和装饰及广告照明对亮度的各种不同要求，在变色灯内采用一组或多组由新型半导体发光材料构成的三基色光点，通过由反光杯、内部散光罩和表面混光罩构成的光学混光系统，在变色灯表面实现均匀的混光效果。本发明的内置式微电脑可根据设定的程序控制变色灯自动地变化色彩和亮度，本发明采用的脉宽调制输出控制技术可以使通过三基色发光点任一基色的半导体发光材料上的平均电流从零到额定值连续变化从而实现光谱和亮度的连续变化并利用半导体发光材料的发光惰性有效地节省电能，这是传统的模拟式电流控制或开关式控制方式无法实现的。本发明在变色灯内还设置了R8485串行通讯接口从而可以实现由多个变色灯组成的变色灯组的群控或计算机远程控制。本发明的外部电路接口设计成可以直接与220v市电相接，接口的外部形式可以设计成标准的螺口或卡口灯头、各种标准或非标准插头、直接电缆引出等形式。

Claims (4)

1.一种微电脑程控自动变色灯，由三基色发光点、光学混光系统、微电脑控制模块和外部电源接口组成，其特征在于三基色发光点由一组或多组大电流超高亮度四元素半导体发光材料构成，光学混光系统由反光杯、内部散光罩和表面混光罩构成，微电脑控制模块由微电脑控制器、脉宽调制输出驱动单元、RS485串行接口和电源变换单元构成。

2.根据权利要求1所述的微电脑程控自动变色灯，其特征在于所述的反光杯为旋转抛物面反光杯，内部散光罩为凸透镜，表面混光罩包括表面菲涅尔棱镜和表面枕形棱镜。

3.根据权利要求1所述的微电脑程控自动变色灯，其特征在于所述的外部电源接口可以是以下结构之一：标准的螺口或卡口灯头、标准或非标准插头及直接电缆引出的形式。

4.根据权利要求1或2所述的微电脑程控自动变色灯，其特征在于所述的凸透镜和表面菲涅尔棱镜可以采用透明的玻璃、有机玻璃或工程塑料材料，表面枕形棱镜可以采用透明或半透明的玻璃、有机玻璃或工程塑料材料。

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