CN1778148A - 采用led的增量式色彩混合照明系统 - Google Patents

Abstract

多个彩色LED被共同地连接到一个工作电源。多个开关晶体管和限流电阻器串联，藉此被连接到彩色LED，以便控制响应于开关晶体管的导通而流过此的电流。一个微控制器具有一个输入信号和多个被配置成响应于此信号的输出，该微控制器被连接到多个开关晶体管，以便控制导通并从而控制彩色LED的照明输出，从而获得增量色彩混合。

Description

采用LED的增量式色彩混合照明系统

发明领域

本发明总的来说是关于照明系统，具体地说是关于应用于玩具、游戏等产品的照明系统。

背景技术

发光二极管(LED)的发展已经大大地提高了低成本、高效率照明光源的可行性。这样的低成本照明光源已成为可能，否则照明光源在成本和功耗中实质的增长是是非常大的。与提供给其他通常的照明装置例如白炽灯等的功率相比，需要提供给采用LED的照明的功率显著减少。

LED除了成本较低和功率要求较低的优点外，它们还在开和关状态之间转换具有快速响应的实质上的优点。与在照明和非照明之间具有相对较长的转换时间的白炽灯等不同，LED在转换方面实质上比可以被人眼感知更快速。因此，对观察者来说，LED看起来像是立刻地开或关。

LED中另一个优点是它们与数字电子控制电路兼容。LED作为照明装置的一个更有意思的应用是在本领域中通常被称为“色彩混合”的应用。该技术是从具有不同颜色的发光二极管而来，该发光二极管组中用于提供各个发光二极管合成和混合而成的颜色也许，利用LED的色彩混合的普通形式出现在应用了一个或更多个LED的系统中，其中该系统中的每一个LED具有三基色红、蓝和绿。在这个应用中，LED的另一个优点很明显，因为LED特有的小尺寸使得它们可以紧密地布置，从而增强了色彩混合现象。一个简单的色彩混合系统可以利用三个紧密地间隔布置的LED，每一个LED具有一种基色(红、蓝和绿)。当每一个彩色LED输出的比例变化时，照明的合成的混合色彩可以被仔细地控制。在更强大的阵列中，可以将多个LED中的每一个的输出归组或者按需要设置，并以类似的模式控制它。

并不令人惊奇的是，LED的进一步开发和改进已经激发了本领域的专业人员将这种色彩混合LED照明系统应用到各种装置中去。例如，在授权给Mueller等人的、发明名称均为“MULTICOLORED LEDLIGHTING AND APPARATUS”的美国专利6,016,038及其基础专利6,150,774中，LED阵列被一个处理器控制以改变所产生的光的亮度和/或颜色。这些专利给出了利用脉宽调制信号的例子。合成照明可以由计算机程序来控制，以便实际上在任意环境中提供复杂的、预定图案的光。

授权给Lebens等人的美国专利6,095,661阐明了一种LED闪光灯的方法和装置(METHOD AND APPARATUS FOR AN LEDFLASHLIGHT)，其中一个细长的闪光灯本体支撑一个电源和控制器与一个开启/关闭开关。闪光灯的照明头支撑多个被连接到控制器的LED。在一个实施例中，多个组中不同颜色的LED被选择性地启动，以利用色彩混合提供光输出色彩。

授权给Chan的美国专利5,947,789阐明了一种具有颜色可变的照明剑刃的玩具剑(TOY SWORD HAVING A VARIABLE COLORILLUMINATED BLADE)，其特征在于手持部分和半透明剑刃部分。手持部分内覆盖一照亮剑刃部分的内部的光源，其。一个开关给光源通电，并且在光源和半透明剑刃部分之间设置多色滤光器，以便提供剑刃部分的照明的颜色选择。

授权给Nadel等人的美国专利6,190,229阐述了一种光学光纤增强雕塑组合(FIBER OPTIC ENHANCED FIGURINE AS SEMBLY)，其通常类似于具有由一定数量的光学光纤设置成的马，其中，这些光学光纤组成马的主体和尾巴。在马体内的电源向多个LED供电，LED照亮光学光纤束。

授权给Lau等人的美国专利6,431,937阐述了一种玩具系统(TOYSYSTEM)，其具有一个棒状信号发送器和一个玩偶，该玩偶包括一个从该发送器接收表示信号的表示信号接收器。该玩偶响应于信号发送器接收的信号，发出例如歌声等的声音。

授权给Barnard等人的美国专利3,654,710阐述了一种选择性地照明的玩具(SELECTIVELY ILLUMINATABLE TOY)，其具有一个支承着多个开关、一个电池电源和多个可照明的灯的外壳。

授权给Forbes的美国专利5,854,542阐述了一种用于游戏装置的闪光或变暗的荧光灯(FLASHING AND DIMMING FLUORESCENTLAMPS FOR A GAMING DEVICE)，其在正常操作中连续工作，并接着闪光以表示晋级操作。代替地，照明灯可以在正常操作中变暗并接着在晋级操作中以全亮度工作。

授权Ho的美国专利4,305,223阐述了一种魔术眼球(MAGICEYEBALL)，其具有多个LED、一个用于向所述LED提供电源的电源装置和多个安装在玩具体下面适当的部分中的开关。通过触摸激活开关，LED可以发出可变的光。

授权给Wilbur的美国专利4,363,081阐述了照明贺卡，其具有由薄板材形成的作为限定一个或更多孔的显示平板的第一部分。LED被放置在显示平板后面，以便通过孔提供照明。印刷电路板控制LED以及由其产生的光。

在其他专利例如授权给Kite等人的美国专利4,373,722、授权给Outtrim等人的美国专利4,338,742、授权给Zaruba的美国专利4,282,680、授权给Lew等人的美国专利4,600,974、授权给Spraggins的美国专利4,820,229、授权给Rosenthal的美国专利4,874,343、授权给Maleyko的美国专利4,915,666、授权给Carcia，III.的美国专利4,971,592以及授权给McCowan的美国专利4,991,066中提供了许多其他的利用某些形式的选择照明的装置。

还有更多的本发明通常涉及的照明装置的示例，是在下面的美国专利中发现的：5,054,778、5,118,319、5,139,455、5,269,719、5,316,293、5,375,044、5,575,554、5,743,796以及6,371,638。

尽管照明装置的重要发展以及尤其是利用LED的照明系统的重要发展，但是在本领域中对更低成本的、更有效的以及高效率的、特别适合于应用在较低成本的玩具和游戏产品中的LED色彩混合系统仍存在持续的需求。

发明内容

因此，本发明的一般目的是提供一种改良的较低成本和高效率的、适于采用LED的色彩混合照明系统。本发明的一个更具体的目的是提供一种改良的、采用LED的、特别适合于有效连接到数字电子装置的色彩混合照明系统。

根据本发明，提供一种增量式色彩混合照明系统，其包括：多个彩色LED，每一个彩色LED具有一个连接到工作电源的第一电极和一个第二电极；多个晶体管开关；多个将所述晶体管开关连接到所述第二电极的电阻器；以及一个微控制器，其具有多个连接到所述多个开关晶体管的输出端，微控制通过选择性地激活一个或更多开关晶体管来控制提供由彩色LED产生的增量式色彩混合光。

附图说明

本发明的特征被认为是新颖的，在附加权利要求书中被详细地陈述。参考下面的结合了附图的说明，本发明以及进一步的目的及优点可以更好地被理解，在多个附图中，相似的附图标记表示相似的元件，并且其中：

图1是根据本发明来构建的一个增量色彩混合照明系统的示意图，该系统具有三个晶体管开关和三个彩色LED；

图2是根据本发明来构建的一个增量色彩混合照明系统的示意图，该系统具有三个彩色LED和六个对称地分布在彩色LED中的晶体管开关；

图3是根据本发明来构建的一个增量色彩混合照明系统的示意图，该系统包括具有三个彩色LED和六个以非对称方式分布在LED之间的晶体管开关。

具体实施方式

图1阐述了根据本发明构建的一个增量色彩混合照明系统，并通常通过数字10来引用。系统10包括一个具有一个输入端12和三个输出端13、14和15的微控制器11。系统10进一步包括多个开关晶体管30、31和32，每一个晶体管各自的发射极连接到地并且每一个晶体管各自的基极连接到微控制器11的输出端13、14和15。三个彩色LED20、21和22当被供电时每一个分别能够产生红、绿和蓝光。LED 20、21和22各自的阳极通常连接到工作电压源16。LED 20通过限流电阻器25被连接到晶体管30的集电极。类似地，LED 21和22的阴极分别通过限流电阻器26和27被连接到晶体管31和32的集电极。

参照作为系统10的图1所示的基本系统是基本的对称系统，在该系统中每一个彩色LED被单个限流电阻器和开关晶体管控制。因此，LED 20、21和22产生的光是由晶体管30、31和32的开关状态确定的。例如，如果晶体管30被开启或导通的，电阻器25被有效地接地并且LED 20被供电。对于给定的正电压16，LED 20的光输出是由LED20的特性和电阻器25的电阻确定的。类似地，晶体管31的导通将电阻器26连接到地，并使电流流过LED 21。最后，晶体管32的导通将电阻器27连接到地，并使LED 22导通。组合的光输出既是彩色的又是照明的，这是由LED 20、21和22的光输出确定的。由于每个LED产生一个不同颜色的光，LED 20、21和22的混合光输出由应用到开关晶体管30、31和32的基极的微控制器11的输出信号控制。因此，如果输出13是高的，那么晶体管30导通并且LED 20被激活。类似地，如果输出14是高，那么晶体管31是导通的，并且LED 21产生光输出。最后，如果输出15是高，那么晶体管32是导通的，并且LED 22产生光输出。

因此，由于将三个输出端应用到三个控制三个发光二极管的开关晶体管，提供了由LED 20、21和22输出的总共七种颜色组合的混合光。每一个二极管20、21和22的相对导通电平最初由电阻器25、26和27提供的与二极管20、21和22的工作特性有关的相对电阻确定。

系统10因而能够响应微控制器11的输入端12的输入信号，以提供输出端13、14和15的输出信号的组合，从而选择地或者组合地激发一个或更多彩色LED 20、21和22以提供组合的光输出的增量色彩混合。如上所述，图1中所示的系统，通常通过附图标记10来引用，是基本的对称电路，其中三个彩色LED由三个限流电阻器结合三个开关晶体管控制。然而，本发明的增量色彩混合照明系统不限于这种对称的布置，这对本领域技术人员来说将是显而易见的。图2和3下面的阐述示出了具有实际上较大数量的色彩混合增量的系统的示例。总的来说，图2所示的系统提供了较大数量的色彩混合增量，而同时基本上保留了对称的环境。相反，图3中所示的系统利用非对称系统提供了另外的色彩混合增量。

图2阐述了一般通过附图标记40来引用根据本发明构建的增量色彩混合照明系统的示意图。照明系统40包括一个具有输入端42和多个输出端43、44、45、46、47和48的微控制器41。系统40进一步包括三个彩色LED 50、51和52，每一个LED各自的阳极通常被连接到工作电源49。系统40进一步包括多个开关晶体管70、71、72、73、74和75，每个晶体管的发射极分别接地并且每一个晶体管各自基极分别连接到输出端43至48。限流电阻器55连接在晶体管70的集电极和LED 50的阴极之间。限流电阻器56被连接在LED 50的阴极和晶体管71的集电极之间。限流电阻器57被连接在LED 51的阴极和晶体管72的集电极之间。限流电阻器58被连接在LED 51的阴极和晶体管73的集电极之间。最后，限流电阻器59被连接在LED 52的阴极和晶体管74的集电极之间，而限流电阻器60被连接在LED 52的阴极和晶体管75的集电极之间。

在操作中，输出端43至48被微控制器41配置成响应输入端42的一个输入信号。微控制器41可以根据传统的制造技术来制造，在传统的制造技术中，根据输入端42的输入信号，在不同组合中将输出端43至48处的各个输出信号设定为高或低电压状况。通过将晶体管70转换到导通状态并允许电流流过电阻器55以在第一导通电平建立导通电平并因此产生LED 50的输出照明。通过将晶体管71转换到导通状态并允许电流流过电阻器56来对LED 50的导通电平作进一步修改。LED 50的第三导通电平可以通过同时将晶体管70和71转换成使电流流过并联组合的电阻器55和56的导通状态来设置。晶体管70和71的导通是由微控制器41在输出端43和44处的输出状态控制的。以类似的方式，导通电平和因此产生的LED 51的照明输出是由晶体管72和73控制的，晶体管72和73依次受微控制器41的输出端45和46控制。因此，通过将晶体管72转换成导通状态并有效地将电阻器57连接到地，来设定第一光输出；而针对LED 51，通过将晶体管73转换到导通状态并有效地将电阻器58连接到地来设定的另一个光输出。再次，针对LED 51，通过同时将晶体管72和73转换到使组合电流流过电阻器57和58的导通状态来设定另一个光输出条件，这进一步改变了LED 51的光输出。最后，通过将晶体管74转换到导通状态在第一条件建立导通电平并因此产生的LED 52的光输出，或者代替地通过将晶体管75转换成导通状态以在第二条件或在第三条件通过同时将晶体管74和75转换到它们的导通状态来建立导通电平并因此产生的LED 52的光输出。

将对本领域技术人员来说是显而易见的是利用六个输出端控制成对连接到三个LED的限流电阻器的六个开关晶体管六个限流电阻器的转换条件来提供增量色彩混合的总能力，其中增量色彩混合产生总共六十个不同的色彩组合。因此，响应于微控制器41的输入端42的输入信号，可以为输出端43至48设定适当的输出状态，以使LED 50、51和52提供产生六十个可得的色彩混合组合中任一个的相对导通。与图1的电路相比，现在色彩混合最终增加得更多。然而基本操作保持相同。

图3阐述了通常通过附图标记80来引用得本发明的增量色彩混合照明系统的一个非对称实施例。照明系统80包括一个微控制器81，该微控制器具有一个输入端82和多个输出端83至88。系统80进一步包括三个彩色LED 90、91和92，三个彩色LED 90、91和92各自的阳极通常被连接到工作电源93。晶体管110的基极被连接到输出端83，它的发射极连接到地，并且它的集电极通过限流电阻器100连接到LED90的阴极。一对晶体管111和112各自的发射极接地，并且它们各自的基极连接到微控制器81的输出端84和85。晶体管111和112各自的集电极通过一对限流电阻器101和102连接到彩色LED 91的阴极。三个开关晶体管113、114和115各自的发射极接地，并且它们各自的基极连接到输出端86、87和88。晶体管113、114和115的集电极分别通过限流电阻器103、104和105连接到彩色LED 92的阴极。在操作中，照明系统80在功能上与上述的对称系统类似，因为导通电平和由此产生的彩色LED 90、91和92的光输出由开关晶体管和限流电阻器控制。照明系统80的区别是连接到彩色LED的非对称晶体管和限流电阻器。因此，LED 90的导通电平和由此产生的照明输出完全被电阻器100和晶体管110的转换控制。相反，彩色LED 91的导电和由此产生的照明输出由晶体管111和112的一个或两个的导通设定。通过开启晶体管11设定第一导通电平，而通过开启晶体管112设定第二导通电平并且通过同时开始晶体管111和112来设定第三导通电平。因此，在照明系统80中，彩色LED 91响应于晶体管111和112的工作条件具有三个不同的照明输出电平。通过比较，注意到彩色LED 90的照明输出具有单一照明电平，这个照明电平是由晶体管110的工作条件确定的。以类似的方式，彩色LED 92的导通以及因此产生的照明输出是由晶体管113、114和115的工作条件确定的。由于晶体管113导通，对于彩色LED92通过电阻器103建立第一照明电平。通过开启晶体管114合104的导通来建立第二导通电平。通过开启晶体管115合电阻器105的导通来建立第三导通电平。同时通过开启并联的放置电阻器103和104的晶体管113和114建立第四导通电平。同时开启并联的放置电阻器103和105的晶体管113和115建立第五工作条件，并且最后通过同时开启并联的放置电阻器104和105的晶体管114和115建立第六工作条件。

因此，在系统80的操作中，来自彩色LED 90的彩色光输出增量的控制享有一个增量，而彩色LED 91的彩色光输出享有三个照明增量，而彩色LED 92享有总共六个可能的彩色光输出的增量。因此，很明显，LED 90的输出被粗略地控制而具有单个输出增量，而彩色LED91的输出被更细致地控制而具有三个照明增量，并且彩色LED 92被非常细致地控制从而具有六个可能的增量的输出电平。因此，系统80中可获得的控制在对与其他照明电平相关的某些色彩照明电平进行更多的最终控制中提供实质上的灵活性。

从在前的说明中本领域技术人员将很容易得出：本发明的系统不限于针对照明系统中每个色彩LED的任一特殊数量的增量的控制。同样地，本发明增量色彩混合照明系统不限于采用三个彩色LED，这对本领域技术人员来说也将是很明显的。应认识到，采用三个彩色LED是一个简单并且灵活的系统，其中三个LED可以是例如产生红、蓝和绿光的LED。然而，在不脱离本发明精神和范围的情况下，可以采用更少或更多数量的LED。

虽然已经示出了本发明的一些具体实施例，并对它们进行了说明，但是对本领域技术人员来说是很明显：可以在不脱离本发明的更宽的方面的情况下对本发明进行改变和修改。因此，附加的权利要求书的目的是覆盖所有这样的改变和修改，将它们看作落入本发明的真正的精神和范围之内。

Claims (7)

1、一种增量式色彩混合照明系统，包括：

多个彩色LED，每一个彩色LED具有连接到工作电源的第一电极以及第二电极；

多个晶体管开关；

多个将所述晶体管开关连接到所述第二电极的电阻器；以及

微控制器，所述微控制器具有多个连接到所述多个开关晶体管的输出端，所述微控制提供光的增量式色彩混合，所述光是通过选择性地启动一个或更多所述的开关晶体管而由所述彩色LED产生的。

2、如权利要求1所述的增量式色彩混合照明系统，其中所述多个彩色LED包括三个彩色LED，每一个彩色LED当被激活时产生一种不同颜色的光。

3、如权利要求2所述的增量式色彩混合照明系统，其中至少一个所述的彩色LED连接到多个所述的电阻器。

4、如权利要求2所述的增量式色彩混合照明系统，其中所示微控制器包括三个输出端，每一个输出端连接到一个所述的开关晶体管。

5、如权利要求2所述的增量式色彩混合照明系统，其中所述多个电阻器和开关晶体管被成对地连接到每一个所述的彩色LED。

6、一种增量式色彩混合照明系统，包括：

多个彩色LED；

多个开关元件；

多个电阻器；以及

连接到所述开关元件的微控制器，

每一个所述的电阻器和开关元件被串联地连接到所述彩色LED，所述微控制器选择性地开启所述开关元件以便增量式地混合所述彩色LED的照明。

7、如权利要求6所述的增量式色彩混合照明系统，其中所述开关元件是晶体管。

Images