背景技术
随着半导体LED(发光二极管)制作技术的进步,LED发光装置的广泛应用成为现实。最典型的,由红、绿、蓝三种原色LED组装成的LED灯得到了广泛应用。现有的LED灯主要有两种:一种是固定颜色的LED灯,其在制作过程中已经通过一定的组合选用了固定颜色,此类LED灯不能产生任何变色效果,而只能发出事先固定好的某种颜色的光线,发光颜色单一,在使用者需要LED灯不停地变换颜色或者改变成另一种颜色的场合,由于功能单调而不能满足需求;由此,市面上出现了另一种可变换颜色的LED灯,其在使用过程中能够不停地自动变换颜色,颜色变幻的数量与顺序都是固定的,图1即揭示了这种可变换颜色的LED灯的常见内部电路结构。其主要工作原理如下:将220V交流电压变为合适的低压直流电供电路使用,并将通过三极管Q29整形为50Hz方波,然后送入到计数器U 3的引脚10。利用计数器U3分频比相邻的三个引脚12、14、15驱动LED1、LED2、LED3,使LED灯发出的光随时间变换不同颜色。以下详细介绍图1主要元器件的作用。
电容C29用于降压、桥式整流电路BRG1用于整流、电容C49用于滤波、稳压二极管Z19用于稳压,这些元件能给电路提供稳定的低压直流电源。
电阻R79、R89将交流电源AC分压、限流,使三极管Q29工作于开关状态并得到50Hz方波。电阻R59为上拉电阻。
电阻R9、R11、R12用于给LED1、LED2、LED3限流。LED1、LED2、LED3分别为红、绿、蓝色发光二极管(可以理解,顺序是可以根据实际情况任意安排的)。
图1中的电阻R39、R25(电阻R25的阻值远大于电阻R39的阻值)和电容C19为计数器U3提供一个复位信号:在刚通电时,保证U3的引脚11为高电平,这样,U3的所有输出均为低电平。随着流过电阻R39的电流给电容C19充电,计数器U3的引脚11的电压迅速降低直至变为低电平,此后,计数器U3即可正常工作。二极管D1、D3、D4的作用是:当U3的三个驱动输出引脚12、14、15均为高电平时,电容C19通过电阻R25放电,引脚11的电压迅速升高使得计数器U3复位,此复位动作将使计数器U3的所有驱动输出脚又变为低电平,引脚11的电压又迅速降低,计数器U3又能正常工作。二极管D1、D3、D4的设置可有效避免所有LED都不亮的情况出现。
图1所示的可变换颜色的LED灯的变色过程如下:计数器U3将50Hz的输入信号变为多个较低频率的输出信号,假设图1中驱动输出引脚15、14、12的电平每隔约10秒变化一次,结果依次为:000、001、010、011、100、101、110,因此,我们看到的灯的颜色则分别为:白、红、绿、黄、蓝、紫、青。LED1、LED2、LED3如果接到U3不同的驱动输出引脚,则可得到不同的变色频率及变色顺序。
然而,图1所揭示的可变换颜色的LED灯在被开启之后,将一直保持变色状态而无法停止,直至失电,即使在失电之后重新开启,此LED灯将仍然将保持变色状态,其发光的方式仍然是固定不变的,如果使用者在某些情况下偏好某一种颜色而需要其停止变色,并将LED灯固定在此颜色上,那么,图1揭示的LED灯显然不能做到。例如,使用者在阅读时,希望LED灯保持较为明亮的白光,避免损害视力;或者,使用者在睡眠之前,希望将LED灯固定在粉红色等暖色调上,以利于睡眠,等等。诸如此类的使用需求,图1揭示的LED灯均不能实现。
综上所述,提供一种能够实现变色,同时也能够锁定显示某一种颜色的可控LED发光装置实属必要。
具体实施方式
参见图2所示的框图,图2整体揭示了本发明可控LED发光装置的工作原理。可控LED发光装置包括电源电路20、控制单元21、失电检测电路23、复位电路24以及LED驱动电路25。作为LED发光装置发光体的LED阵列22则与电源电路20以及LED驱动电路25分别相连,电源电路20接受外部电源并提供给电路使用。
电源电路20的电压输出线路201、202分别连接控制单元21和LED阵列22的电源输入端(图2中未标示,图3中将作详细描述),用于给控制单元21和LED阵列22提供工作电压。失电检测电路23设置在电源电路20与控制单元21之间,用于检测电源电路20是否失电。在电压输出线路201与控制单元21的复位端(图2中未标示,图3中将作详细描述)之间设置一个复位电路24,此复位电路24可在特定情况下将控制单元21复位。
结合参见图3所示,图3揭示了一种较为简单的具体电路结构,需要强调的是,由于LED阵列中的LED数目较少(仅有三个),单片机U1的驱动输出脚10、11、12的输出功率足以驱动LED,因此不需要额外的LED驱动电路25,至于使用驱动电路25的情况,将在图4中详细介绍。
图3中的电源电路20采用直流电源DC(包括正极DC+和负极DC-)对电路进行供电,当然直流电源DC本身即可能是由干电池等直接提供,也可能是通过交流电源转换得来;电源电路20还包括一个作为储能元件的电解电容C4(后文中还将详细介绍电解电容C4的连接方式和作用)。
LED阵列22包括LED1、LED5、LED9(三个LED代表红、绿、蓝三种原色),当然为了提高发光亮度,LED阵列22中所包含的各种颜色的LED个数还可以根据实际情况增加,这一点将在后文中得到体现和描述。
控制单元21可以采用类似于8051架构的单片机U1(如MDT2005、78P153等),单片机U1的1脚为电位检测引脚(下文中称电位检测引脚1)。
三极管Q1、二极管D2以及电阻R2、R4、R10共同组成失电检测电路23,其中三极管Q1的集电极分别连接到单片机U1的电位检测引脚1和R4的一端,电阻R4的另一端连接到二极管D2的负极;三极管Q1的基极通过电阻R10连接到直流电源DC的正极DC+;三极管Q1的基极与发射极之间通过电阻R2相连接,三极管Q1的发射极同时连接到直流电源DC的负极DC-。二极管D2的正极连接电阻R10的近电源端(即电阻R10连接至DC+的一端),并同时连接直流电源DC的正极DC+,二极管D2的负极连接到电解电容C4的正极,电解电容C4的负极连接直流电源DC的负极DC-,并同时连接到三极管Q1的发射极。电解电容C4可以通过直流电源DC进行充电,并储存一定的电能。
图3所示的单片机U1共有18个引脚,除了电位检测引脚1之外,其它用到的引脚包括:复位引脚4、接地引脚5、电源引脚14、时钟引脚16以及三个驱动输出引脚10、11、12。其中,复位引脚4通过上拉电阻R5连接至二极管D2的负极;接地引脚5接地;电源引脚14连接到二极管D2的负极;电阻R3与电容C1组成RC振荡电路,其通过时钟引脚16为单片机U1提供RC振荡时钟;驱动输出引脚10、11、12分别控制发光二极管LED9、LED5、LED1的导通或截止。
图3揭示电路图的工作原理如下:当DC+、DC-间有足够高的直流电压时,三极管Q1导通并给单片机U1的电位检测引脚1提供低电平信号,表示电路正常输入直流电源DC,被单片机U1控制的LED阵列22正常工作(循环变色或锁定某一颜色,初始状态为循环变色,锁定颜色的过程在后文中介绍)。
直流电源DC断开后,由于二极管D2的隔离作用(电解电容C4的储能电压被隔离,因此DC+的电压迅速变为零),三极管Q1立即截止,并给单片机U1提供高电平信号,表示电路中的直流电源DC已经切断。由于电解电容C4的储能作用,单片机U1能在短时间内继续工作,当其检测到直流电源DC已经切断时,将立即关闭LED阵列22中所有的LED,这样电路进入到省电模式,电容C4储存的电能可以供单片机U1维持足够时间,在这段时间内,单片机U1可以将电路的工作模式(循环变色或锁定某一颜色)作改变,然后等待直流电源DC供电恢复后,再使得LED阵列22在改变后的模式下工作。改变工作模式的过程在后文中作详细的介绍。
图3揭示了本发明所述可控LED发光装置的一种简单电路,为了得到更好的实施效果,图4给出一种较佳方案的具体电路,其主要电路结构和功能与图3相同,仅从优化电路以及增加电路适用范围的角度考虑,增加了一些辅助元器件。
图4使用交流电源AC供电,增加了LED阵列22中的每种颜色的LED数目,由于数目的增加,驱动LED阵列所需的电压较高,单片机U1不能直接承受此电压,因此需要一个LED驱动电路25(参见图2),图4中的LED驱动电路25包括三个分别通过电阻R8、R7、R6连接在单片机U1的三个控制引脚10、11、12上的三极管Q3、Q4、Q5,单片机U1只给开关三极管Q3、Q4、Q5提供开关信号(通过电阻R6、R7、R8限流),利用三极管Q3、Q4、Q5的开与关驱动相应LED的导通或截止,R13、R14、R15的作用是限流和均衡亮度。
以下对图4进行进一步的补充解释:
AC1、AC2接220V交流电源,电阻R1与电容C2起降压限流作用。桥式整流电路BRG1整流得到直流;电容C6为小容量电容,其主要起滤波作用。交流电源AC在经过整流后,即可得到图3中所揭示的直流电源DC。
整流后的直流电流流经二极管D2后,经电容C3、电解电容C4以及稳压二极管Z1的滤波、稳压后,得到稳定的13V直流电压,此13V直流电压直接供到LED阵列22的公共正极(每一种颜色的LED由4个LED串联,需12V左右电压才能驱动其正常工作)。电阻R19和稳压二极管Z3再将13V电源降到5V左右供单片机U1用。电容C7给单片机U1的电源滤波,提高抗干扰能力。电阻R3和电容C1为单片机提供RC振荡时钟。电阻R5、R12、R16、电容C5以及三极管Q2组成复位电路24,当电压够高时,三极管Q2导通,并给单片机U1提供高电平,当电压偏低时,三极管Q2截止,并给单片机U1提供低电平,C5起防干扰作用,复位电路24给单片机提供了更加可靠的复位。
三极管Q1、二极管D2以及电阻R2、R10、R4组成失电检测电路23,当断开交流电的输入时,由于电容C6的电容值很小,加上二极管D2的隔离作用,电容C6的两端电压迅速降低,三极管Q1截止,给单片机U1高电平信号(电压足够高时Q2导通,此信号为低电平)。由于电解电容C4的容量较大,因此,其能够在失电后一定时间内继续给单片机U1供电。单片机U1检测到三极管Q2提供的已失电信息后,立即关闭LED阵列22中所有LED,进入到省电模式,并将工作模式(循环变色或锁定某一颜色)改变,然后等待直流电源DC供电恢复后,再使得LED阵列22在改变后的模式下工作。
显然,图4的工作原理与图3基本一致,只是电路更加优化,且考虑到了交流电的使用,以及照明亮度的增加等情况。
以下结合图5给出的工作流程图,重点介绍本发明所述的可控LED发光装置的工作原理。
在使用者打开LED发光装置后,LED发光装置开始工作。其首先进行初始化操作,然后进入正常工作状态。
在第一次上电工作时,电路进行默认的轮换显示颜色,即,首先执行步骤51,显示下一种颜色(例如红色);然后执行步骤52,设置延时(例如设置延时时间为3秒);在延时时间内,执行步骤53,用失电检测电路23检测是否失电,如果没有失电,则执行步骤54,判断延时是否达到三秒钟,如果延时未达到3秒,则再次执行步骤53,如果延时已经达到3秒,则返回执行步骤51,显示下一种颜色(例如黄色)。
如果在步骤53中失电检测电路23检测到失电,则执行步骤55,电路进入到省电模式(关闭LED阵列22中所有LED,只有单片机U1仍在工作)。
然后,执行步骤56,失电检测电路23检测供电是否恢复,如果供电没有恢复,则一直循环执行步骤56,直至单片机U1停止工作,如果电解电容C4的容量足够大,其储存的电能一般可以维持单片机U1工作5秒钟以上,当然,维持单片机U1工作的时间取决于电解电容C4的容量,一旦电解电容C4储存的电能不能维持单片机U1工作,单片机U1将被复位电路24复位并停止工作,下次再恢复供电时,仍视为第一次上电工作,执行步骤51;如果在单片机U1停止工作之前,步骤56得到供电已经恢复的检测结果,那么执行步骤57,锁定显示当前颜色(即,失电前步骤51中所举例的红色)。
然后,执行步骤58,用失电检测电路23检测是否失电,当然,此时是由外部电源供电(直流电DC或者交流电AC),供电时间完全取决于使用者,如果使用者锁定当前颜色后,一直保持当前颜色而不断开电源,那么步骤58会一直重复执行。如果使用者需要进行颜色的轮换或者锁定其它颜色,那么,需要再次的断开电源,此时,可控LED发光装置执行步骤59,进入省电模式,并在步骤510中等待供电的恢复,如果再次恢复供电(无论是在单片机U1工作时,还是停止工作后),则重新执行步骤51,开始颜色的轮换,当然,使用者仍可以根据上述过程重新锁定某种颜色。
通过上述描述可知,本发明所述的可控LED发光装置通过使用电解电容C4储存一定的电能,在使用二极管D2进行隔离的前提下,使用失电检测电路23检测电源的状态(失电或得电),然后由控制单元21控制LED阵列22的显示,既能够使LED发光装置进行轮转变色显示,同时也能够随时根据使用者的要求锁定显示某一种颜色。
根据图5中给出的工作流程图,本发明所述的可控LED发光装置的发光控制方法可以归纳成以下步骤:
步骤一,首次得电时,三原色LED按规定的组合顺序发光,呈现多彩色轮换显示;
步骤二,在多彩色轮换显示的过程中检测电源是否失电,如果电源未失电,则继续执行步骤一;如果电源失电,则终止三原色LED的发光,并等待再次得电;
步骤三,再次得电后,使三原色LED锁定显示电源失电前的颜色,并在此锁定显示期间检测电源是否再次失电,如果电源未失电,则始终进行锁定显示;如果再次失电,则终止锁定显示并等待再次得电;
步骤四,再次得电后,重复执行上述步骤一。
当然,在执行完步骤二之后,执行步骤三之前,还可以执行一个判断延时的步骤:如果延时超过预定值(此预定值取决于电解电容C4的电容值),则将发光装置电路复位;如果延时未超过预定值,则执行步骤三。电路复位后,如果电路再次上电导通,则仍执行步骤一。
上述的可控LED发光装置的发光控制方法能够通过判断电源的状态(失电或得电),实现轮转变色显示,同时也能够随时根据使用者的要求(电源是由使用者控制)而锁定显示某一种颜色。
当然,图5中的流程图也只是一种实施方式,事实上,如果改变控制单元21的工作方式,可以使得LED在初次得电时,即固定显示某一种颜色(例如白色),然后再根据使用者对电源的控制,进行上述流程的操作。
显然,图3与图4中的电路结构仅仅是本发明所述的可控LED发光装置的两种具体实施方式,本发明所述的可控LED发光装置并不局限于上述的实施方式。例如,由于失电检测可分为电源电压检测和电源电流检测两类,因此失电检测电路23也可以分为这两种类型。图3揭示的失电检测电路23是一种简单的电压检测电路,图6则给出了另一种采用电压检测方式的失电检测电路23a的结构(虚线框内部分,包括电阻R20、R21、R22、R23和电解电容C9、电压比较器U7-A)。图6中除失电检测电路23a之外的其它电路结构与功能均与图3基本保持一致,以下仅对图6中的失电检测电路23a作重点描述,其它部分不做赘述。
电压比较器U7-A也可以为运算放大器,或用三极管取代。电阻R20、R21为电压取样电阻,它们的阻值必须满足以下条件:在直流电源DC长时间稳定时,U7-A的负端电压略高于U7-A的正端电压。这样,在直流电源DC的电压上升期或稳定期,U7-A输出高电平。失电后,由于U7-A负端没有储能电容,其电压随着直流电源DC电压的下降同步下降;但U7-A正端因接有储能电解电容C9,其电压下降速度很慢,在此期间会出现U7-A的负端电压略低于U7-A的正端电压,此时U7-A输出低电平,单片机U1的电位检测引脚1便能很快检测到失电,同样也达到了图3中所示的失电检测电路23的功能。
图7中揭示了一种采用电流检测方式的失电检测电路23b(虚线框内部分,包括电阻15、16和三极管Q5)。图7中除失电检测电路23b之外的其它电路结构与功能均与图3基本保持一致,以下仅对图7中的失电检测电路23b作重点描述,其它部分不做赘述。
电阻R15为电流取样电阻,电阻R16为偏置限流电阻。三极管Q5为开关三极管(也可以用电压比较器或运算放大器取代)。有电的情况下,电流流过电阻R15时,电阻R15的两端会有一定电压差,从而使三极管Q5导通,输出低电平。失电后,R15上不会有电流流过,因此其两端无电压差,三极管Q5截止输出高电平。U1的电位检测引脚1检测到高电平,即表明已经失电,因此,图7中揭示的失电检测电路23b同样也达到了图3中所示的失电检测电路23的功能。
图8揭示了本发明的另一种较佳电路结构,其与图3、图4所示电路结构大体相同,主要区别仅在于:采用触发器U2与计数器U3代替单片机U1作为控制单元22,并将整形三极管Q21的发射极连接到触发器U2的输出端。这种结构的控制单元的工作原理如下:
U2为上升沿触发的触发器。触发器U2的引脚4所接电阻R13和电容C5用于触发器U2的复位,确保刚通电时触发器U2的输出引脚1为低电平。此低电平输送到三极管Q21的发射极,使得Q21能正常工作,三极管Q21产生的50Hz方波输送给计数器U3,计数器U3的输出将定时变化从而产生循环变色效果。
同样地,三极管Q1、二极管D2以及电阻R2、R4、R10组成失电检测电路23,当断开交流电输入时,由于电容C6的容值很小,加上二极管D2的隔离作用,电容C6两端电压迅速降低,三极管Q1截止,并输出给触发器U2高电平信号(电压足够高时三极管Q1导通,此信号为低电平),计数器U3在上升沿触发,输出引脚1输出反向电平。若该输出引脚为高电平,则会关断三极管Q21,三极管Q21始终不会导通,计数器U3的引脚10的时钟输入为高电平,所以计数器U3将不再计数,输出脚一直保持不变,因此,LED阵列22的发光颜色就被锁定了(当电容C4两端电压降低到一定值时,LED会熄灭,但由于触发器U2、计数器U3的耗电量很少,还可维持一定时间)。当供电恢复后,Q1产生的下降沿不会影响触发器U2的输出,因此电路工作模式仍保持,直到再一次失电使触发器U2的输出改变,电路的工作模式才会发生变化。图8所示电路的工作方式与图5的流程图仍然保持一致,在此不做赘述。
当然,如果将图8所示的电路结构与图1所示的现有技术的电路结构进行比较,可以看出其主要改进在于增加了触发器U2(使用触发器U2和计数器U3共同组成控制单元)、失电检测电路23(由电阻R2、R4、R10以及三极管Q1、二极管D2组成)、以及储能用的电解电容C4等等。这些不同之处也正体现了本发明的实质性改进和特点。
显然,图8中的失电检测电路23同样也可以采用图6中揭示的失电检测电路23a或图7中揭示的失电检测电路23b。
上述实施例中的电解电容C4作为储能元件使用,因此其它形式的储能元件也可以适用,而不仅局限于电解电容。此外,在很多情况下,复位电路24也可以集成在控制单元23(例如单片机U1)中,这样,控制单元23自身即可以实现复位功能,而不需要外部的辅助电路,这是本领域内常见做法,也是本领域内的技术人员很容易想到的简单变化。各种诸如此类的等效变换均应包含在权利要求所述的范围中。