LED壁灯的设计

【摘 要】本文介绍一种可自主调色与调焦的LED壁灯设计，详细介绍了系统各部分的设计方案。

【关键词】情调照明；自主变色；变焦；风冷散热

0.引言

与传统光源相比，LED 具有体积小、重量轻、结构坚固、而且工作电压低、使用寿命长、节能环保等优点。

本文主要研究设计以LED动态的情调照明的方式，依据不同年龄段的人在不同环境的微妙的生理及心理需要，营造出一种最恰到好处的光环境，将简单的情景照明提升为情调照明。情调照明的实现有两种方法：（1）是LED变色的设计。（2）是变焦设计。通过变色和变焦可以实现LED光束的多样性。

1.LED变色设计

LED的变色主要从电路入手，采用集成电路实现颜色之间的转换。首先电路要与市电相连，其次颜色的转换要可以控制，选用的芯片要合理，LED的发光要稳定，确保能根据使用者的意愿调制想要颜色的光束。

变色灯是由红（R）、绿（G）、蓝（B）三基色LED组成的。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，则能发出七种不同颜色的光来[1]。

LED变色灯的结构，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。

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控制器我们选择用CD40192芯片来担任。CD40192是同步十进制可逆计数器，具有双时钟输入，并具有清除和置数等功能，其引脚排列及逻辑符号，如图1所示。

当清除端CR为高电平“1”时，计数器直接清零；CR置低电平则执行其他功能。当CR为低电平，置数端也为低电平时，数据直接从D3、D2、D1、D0置数端置入计数器。执行加计数时，减计数端CD 接高电平，计数脉冲由CU输入；在计数脉冲上升沿进行8421码十进制加法计数。执行减计数时，加计数端CU接高电平，计数脉冲由减计数端CPD输入。

由于要达到以自己的喜好来调节LED的颜色。可以在特定的情况下按照个人特定的喜好调制自己喜欢的颜色。我们选用单词脉冲作为时钟信号，每一次的脉冲都由人为控制，如此方可达到自主调节的目的。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。

（2）变色控制部分 变色控制部分由二进制记数器CD40192承担。采用左边的单次脉冲产生器产生的脉冲控制计数器CD40192的输出。在输出记数脉冲中选择Q0、Q1、Q2三端与LED负极连接。当记数脉冲输出低电平时，相应的LED串被点亮。而在输出端Q4接重置端（Reset）。

（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。

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。

2.变焦设计

情调照明的另一个重点就是通过变焦来实现LED光束光锥的变化了。由于LED照明发光的为LED芯片，故我们只能从整个LED壁灯的结构出发实现LED的变焦。

我们利用蛙眼凸镜，通过推拉灯头实现不同发散角（约20°-50°）光斑和亮点，实现变焦。包括两方面设计，一方面，灯头透镜移动方式，采用套筒拉动或者螺旋推进方式来实现蛙眼透镜位置移动，达到变焦效果。主要需要考虑套筒尺寸及推进的机械结构方面问题。第二方面，对变焦透镜及出光的二次光学设计，以达到出光均匀、通光率强的效果，需要通过ZEMAX光学设计软件对灯头出光设计及模拟。同时通过HP860 LED光强分布测试仪检测配光曲线及变焦光斑光强分布[2]。

3.结论

现在市场上的LED壁灯大多仅有调色或调焦一个功能，并不能很好的达到情调照明的效果。本产品集合调色与调焦与一身，能根据用户的即时心情和特定环境调制特定的光效，完美地达到情调照明的效果[3]。

【参考文献】

[1]康光华，陈大钦，张林.电子技术基础（模拟部分）（第五版）.北京：高等教育出版社，2006.

[2]王恺.大功率LED封装与应用的自由曲面光学研究[D].武汉：华中科技大学，2011.

[3]吴艳丽.家用LED照明的情调设计研究.上海：科技视界，2012.