CN102026436A - 具有同步功率脉冲电路的led交通信号灯 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种改进的具有同步功率脉冲电路的LED交通信号灯。该LED交通信号灯适当地包括具有开口的壳体、接合至该壳体的印刷电路板、接合至该印刷电路板的供电系统。该电源系统包括：供电模块，其接收来自AC输入线路的AC输入电压，并将该AC输入电压转变成具有规则电流的DC电压，以向该LED负载供电；以及同步功率脉冲电路，其连接至所述供电模块，并产生表示功耗基本上等于卤素或白炽交通信号灯的功耗的同步功率脉冲。

Description

具有同步功率脉冲电路的LED交通信号灯

技术领域

本发明涉及交通信号灯。人们发现其与用于发光二极管(LED)交通信号灯的供电系统结合在一起具有特定应用，因此将具体参考其特定应用进行描述。然而，应当理解，本发明也可适于其他类似的应用。

背景技术

作为发明背景，利用交通信号灯通过各种命令来管制驾驶员和行人。这些命令通过各种具有各与一指令相关联的特定颜色和/或形状的照明元件来提供。传统上，这些元件通过借助于由电流产生的热量发光的白炽灯来照亮。当电流流过诸如钨的灯丝时，其使灯丝发热到灯丝变炽热并发出光的点。将这种照明灯具用彩色透镜和/或模板覆盖以提供在各种外部照明条件下均可观察到的有意义的指令。

灯丝是白炽灯电路中的电阻元件，并且灯丝牵引的电流量与其阻抗成比例。所述阻抗随着灯丝的温度的升高而增大。因此，传统的灯具有较大的电流牵引(current draw)，其与灯丝阻抗的增加成正比地下降。电流的这种变化是已知的，并且可利用预定的范围来监控灯的工作。这样，可基于灯丝牵引的电流量来确定灯发生故障的条件。例如，如果灯丝发生故障(如，断裂)，则其阻抗趋于无穷大值并且电流值减小到接近零。如果牵引的电流超出预定的范围，则可通过电流监控器或其他控制系统启动响应动作。

与白炽灯不同，LED灯由消耗更少功率的LED元件阵列组成。在这两个替代者之间，LED灯具有许多强于白炽灯的优点，包括更高的能量效率以及更长的寿命。

LED交通信号灯通常包括结合有安全电路的标准供电系统。与安全电路协作，LED交通信号灯包括LED电流检测器，其产生输出发射信号的光。适当时，该信号使供电系统内的保险丝烧断，其反过来又使输入保险丝烧断。从而，如果LED电流下降到小于预定的LED电流电平，则将不存在至LED信号灯的输入电流。

然而，现有的交通控制器被设计为消耗30瓦到100瓦功率的白炽灯。因而，当由负载消耗的功率低于预定阈值(例如，30瓦)时，灯内的安全电路迫使保险丝烧断。然而，LED灯通常消耗的功率比白炽灯少，通常小于10瓦。因而，在10瓦时，交通控制器可能不能工作。

一种已知的解决方案是将LED的功耗增大到30瓦以上。然而，这会在交通信号灯中产生热量问题并且会加快LED老化。另一已知的解决方案是通过添加一与LED并联的、消耗更高功耗的特殊电路来改变输入电流。然而，该方案需要LED信号灯外部的电路，浪费能量，并且会将错误的警报引入现场的交通控制器。当输入频率线路变化时，所消耗的更高功耗改变角度位置，从而控制器不能将其读取。

因此，需要一种能够消除现有技术的上述所讨论的缺点的装置和方法。

发明内容

一种典型的LED交通信号灯包括结合有安全电路的供电系统。该LED交通信号灯还包括有效地测量输出发射信号的光的LED电流检测器。新的同步功率脉冲电路感测输入线路频率、在检测该输入频率之后计算相应的相位角、以及激发计算得到的相位角t1与t2之间的功率脉冲。计算得到的相位角是可变的，并且这些相位角是输入线路频率的函数。功率脉冲幅度是输入线路频率、切换(switching)占空比、以及输入电源电压的幅度的函数。新的同步功率脉冲电路提供与计算得到的相位角同相的电流脉冲。由同步功率脉冲电路引入的电流宿(current sink)仅增加了少量(如，5瓦)由LED交通信号灯消耗的总的功率。然而，该小量的额外的功率消耗可被外部现场控制器看作是50瓦，从而向现场控制器指示该交通信号灯工作正常。

根据本发明的一方面，提供了用于向LED交通信号灯提供电能的供电系统。该供电系统包括：LED负载；供电模块，从AC输入线路接收AC输入电压，并将该AC输入电压转换成具有规则电流的DC电压，以向LED负载供电；以及同步功率脉冲电路，连接至供电模块，并产生表示功耗实质上等于卤素或白炽交通信号灯的功耗的同步功率脉冲。

根据本发明的另一方面，提供了一种LED交通信号灯。该LED交通信号灯包括具有开口的壳体、接合至壳体的印刷电路板、接合至所述印刷电路板的供电系统。该供电系统包括：供电模块，从AC输入线路接收AC输入电压，将该AC输入电压转换成具有规则电流的DC电压，以向LED负载供电；以及同步功率脉冲电路，其连接至所述供电模块，产生表示功耗实质上等于卤素或白炽交通信号灯的功耗的同步功率脉冲。

根据本发明的又一方面，提供一种用于LED交通信号灯的计算相位角电路。该电路包括：线路频率检测器电路模块，其检测具有输入线路电压的AC输入线路的频率，并产生同步波形信号；选通(gate)命令脉冲发生器电路，与输入线路电压同相位地保持选通宽度，并关于(with respect to)输入线路正弦波电压保持选通宽度；以及相位角电路，在线路电压正弦波形内的同一相位角保持该选通宽度的接通时间和断开时间，而与输入频率的变化无关。

根据本发明的再一方面，提供一种用于LED交通信号灯的LED电流检测器和安全电路。该LED电流检测器和安全电路包括：LED电流监控器电路，其检验LED负载的正常运行和光输出；以及安全电路，其监控LED光输出的正常运行，其中，该安全电路用于在LED电流小于预定的LED电流水平时停用LED电源和同步功率脉冲电路。

附图说明

本发明存在于设备的各部件的构造、布置以及组合，和方法的步骤，借此根据下文充分阐述的、权利要求中特别指出的、以及附图中所示出的可以实现预期的目的，在附图中：

图1示出了示例性LED交通信号灯；

图2是示出了根据本发明方面的LED交通信号灯的基本组件的框图；

图3是输入频率检测电路的示意图；

图4是输入频率电压转换电路的输入频率的示意图；

图5是同步脉冲宽度发生器电路的示意图；

图6是同步切换脉冲电路的示意图；

图7是功率脉冲电路的示意图；以及

图8是示出图1所示的根据本发明的方面的LED交通信号灯的运行的示例性模式的流程图。

具体实施方式

现在参考附图，这些附图仅用于示出示例性实施方式的目的，而不是为了限制所要求的主题，图1示出了示例性LED交通信号灯10，其主要包括壳体12、LED供电系统14、至少一对导线16、印刷电路板18、至少一个LED 20、以及外壳或外盖22。此外，LED交通信号灯10可以包括灯罩(未示出)和/或光学元件24。例如，箭头交通信号灯优选地使用箭头状的灯罩(未示出)。壳体12通常是防潮防尘的。优选地，光学元件24和外壳22由UV不敏感的聚碳酸酯制成。

图2中示出了LED供电系统14的框图。LED供电系统14主要包括以下组件：输入电涌(surge)保护电路30、保险丝烧断(FBO)电路40、输入EMI滤波器50、整流桥60、安全电路70、接通/断开电路80、以及开关式主电源90。LED供电系统14适当地连接至LED负载100和LED电流检测器电路110。此外，在进一步将LED交通信号灯10适用于现有的交通控制器时，添加了新的同步功率脉冲电路130。同步功率脉冲电路130构成供电系统14的一部分，其位于LED交通信号灯10的后壳12的内侧。同步功率脉冲电路130适当地包括至少以下组件：输入线路频率检测器电路140、输入频率电压转换电路150、同步脉冲宽度电路160、同步切换脉冲电路170、以及功率脉冲电路180。外部现场控制器(未示出)经由导线16(图2中的AC和COM)直接连接至交通信号灯10。以下将更详细地描述LED供电系统14中的每个组件。

输入EMI滤波器50通常接收线路功率并对其进行滤波，该线路功率最终被传送至LED负载100。以此方式，可使LED供电系统14免于内部过载和/或线路电压电涌。输入EMI滤波器50对功率级输入电流的切换频率进行适当地滤波，以符合EN55022传导和辐射等级B EMC。可选地，输入电涌保护电路30可提供对由线路电涌导致的大于预定水平(如，3.5A)的过载的防护。

电流被整流桥60从输入EMI滤波器50牵引，然后通过开关式主电源90提供给LED负载100。主切换电源90通过输入电涌保护电路30、FBO电路40、输入EMI滤波器50以及整流桥60从AC输入线路120获取AC电压，并将其转变成具有规则电流的DC电压，从而向LED负载100供电。如图2所示，开关式主电源90连接至整流桥60的一条输出引线、安全电路的一条输出线路以及接通/断开电路80的两条输出线路。从而，开关式主电源90提供规则的电流以向LED负载100供电。当输入电压在特定的范围(即减光范围电压或全光范围电压)之内时，开关式主电源90向LED负载100提供电流。减光范围在全光的20％到50％之间。以这种方式，可利用LED负载100发出无闪烁的连续的光。可利用回程转换器拓扑基于期望的LED配置来为LED负载100提供特定的电压。这种配置可根据所利用的LED的数量和/或类型来变化。

LED负载100通常包括串联以及并联装配在印刷电路板上的多个LED。如果一个LED发生突发性故障，则只有该已损坏的LED会关闭。电流将会均等地在剩余的LED之间分配。因此，剩余的LED以及因此灯10将保持发光。应当理解，额外电流不会损坏剩余的LED，这是因为LED会被很好地减载运行。

如上所述，LED供电系统14可包括安全电路70和LED电流检测器电路110，其监控LED负载100牵引的电流，并在LED电流典型地低于其标称值20％时通过将FBO电路40中的FBO保险丝烧断来永久地关闭开关(未示出)。流过LED负载100的电流可通过电流感测反馈组件(未示出)来调整，从而提供恒定的光通量。

因此，如果电流降到某一水平之下特定的时间长度，且处于特定的工作输入电压之内，即在灯应当发光时，则启动FBO电路40。FBO电路40使用高功率MOSFET来使LED交通信号灯10的有效导线与中性导线之间短路，从而将保险丝熔断。FBO电路40是有源电路，其作用是在感测到LED电流的不足时，有意烧断输入保险丝，从而使被设计为监控白炽信号灯的远程系统检测到有故障的灯。整个周期(从检测和启用到保险丝熔断)所用时间不足一秒钟。

如果在输入线路被启用的预定时间之后没有电流流过LED负载100，和/或灯灭检测器电路110检测小于预定阈值的光输出，则安全电路70将保险丝烧断以停用电源90和同步功率脉冲电路130。同步功率脉冲电路130产生与线路电压波形同步的功耗。该功耗具有计算的脉冲宽度时间，其与AC线路电压波形同步。脉冲宽度时间计算值是可变的，即其是AC线路电压波形的输入频率的函数。同步功率脉冲具有关于线路电压的固定的相位角，而与输入AC线路频率无关。该功率脉冲宽度与输入正弦波电压同步并以其为中心。功率脉冲相对于输入电压正弦波的位置总是在同一角度，而与输入频率的变化无关。该角度可表示为如下：相位1(Φ₁)＝ω*t₁＝2π*f*t₁或相位2(Φ₂)＝ω*t₂＝2π*f*t₂。

该同步功率脉冲可以以高频和以一定的占空比进行切换。这允许外部交通控制器认为LED电流信号I_L以高功耗信号在运行，而实际上，该同步功率脉冲在所有的条件下都消耗非常小的功率量。一旦“处于熄灭状态的灯(light out)”接通，LED交通信号灯10就(通过AC和COM连接)启用同步功率脉冲电路130。在“灯处于熄灭状态(light out)”的条件(如果LED负载100发生故障，然后LED交通信号灯10发生故障)下，LED交通信号灯10的安全电路70将停用LED供电系统14和同步功率脉冲电路130。“灯处于熄灭状态”的条件是通过LED电流检测器电路110检测的。以此方式，将会保持安全，并且外部交通信号灯控制器将会快速地检测到信号灯故障。

现在，我们转到图3～图7，其是五个组件(140、150、160、170以及180)的详细示意图，这五个组件通常包括新的同步功率脉冲电路130。

图3是输入线路频率检测器电路140的示意图。该电路适当地检测AC输入线路120的频率并产生方波信号F_in。然后，该方波信号F_in通过输入线路频率检测器电路140与AC输入线路电压波形同步。

图4是输入频率电压转换电路150的示意图。该电路将由输入线路频率检测器电路140产生的同步方波信号F_in转换成电压V_o。该电压V_o可由以下等式表示：

V_o＝K1*VDD*F_in    (1)

其中：

K1＝常数

VDD＝电源电压

F_in＝输入频率

然后，通过信号调理将电压V_o转换成V_ref。更具体地，V_ref可由以下等式表示：

V_ref＝K2*(K3*VDD-Vo)(2)

其中：

K2＝常数

K3＝常数

图5是同步脉冲宽度发生器电路160的示意图。该电路产生选通命令脉冲。该选通命令具有为参考电压V_ref的函数的脉冲宽度，如上所定义的，参考电压V_ref反过来又是频率F_in的函数。因此，选通命令脉冲宽度(t1，t2)是频率F_in的函数：

t1＝-R21*C11*1n(K4*V_ref/V_o)(3)

t2＝-R21*C11*1n(K5*V_ref/V_o)(4)

其中：

K4＝R25/(R24+R25)

K5＝R18/(R17+R18)

以此方式，选通命令脉冲和功率脉冲将被同步并处于同一相位角，而与线路频率的变化无关。同步脉冲宽度发生器电路160只启用所测相位角t1与t2(如上所定义的)之间的功率脉冲。该同步功率脉冲消耗P定义如下：

P＝(Vac²/Z1)*PW/F_in    (5)

其中：

PW＝脉冲宽度＝t2-t1

Z1＝同步功率脉冲阻抗

图6是同步切换脉冲电路模块170的示意图，其通过固定选通命令的占空比D来减小功率脉冲的功耗。占空比D从0％至100％变化。如果D＝100％，则功耗Ps等于Ps_max。如果我们将D固定在较小的值，如10％，则功耗将是Ps_max的10％。切换同步功率脉冲消耗Ps可以定义为：

Ps＝(Vac²/Z1)*D*PW/F_in    (6)

开关选通命令脉冲也与输入线路电压波形同步。图6的输出是开关选通命令脉冲管脚3，其通向至图7中的栅极Q1。

图7是功率脉冲电路180的示意图，其通过输入滤波器(182、L2、Z1以及Q1)接收来自AC输入线路120的电流脉冲。电流脉冲的幅度是输入电压电平和阻抗L2～Z1的函数。由选通命令脉冲控制的开关Q1控制电流的定时。如之前所述，同步脉冲宽度发生器电路160产生选通命令脉冲。输入滤波器的功能是对AC输入电压进行调整。外部现场控制器将由功率脉冲电路180产生的功率脉冲看作表示基本等于标准灯(卤素灯或白炽灯)功耗的高功耗，因而将接受LED交通信号灯10处于正常的工作状态。

图8是示出了当将如上所述的同步功率脉冲电路130包含到交通信号灯10中时交通信号灯运行的示例性方法200的流程图。一开始，判定FBO电路40是否已经启用(201)。如果为否，则开关式主电源90为“开”(202)。LED电流检测器电路110测量通过LED的DC恒定电流(I_LED)(203)，同步功率脉冲电路130为“开”(204)。接着，将I_LED与LED参考电流I_LEDref进行比较，其中LED参考电流I_LEDref是LED获得最小可接受光输出所需要的电流。如果I_LED大于I_LEDref，则返回至步骤203。然而，如果I_LED小于I_LEDref，则启用FBO电路40(206)。

另一方面，如果FBO电路40已经被启用，则烧断输入保险丝(207)。一旦LED交通信号灯10的输入保险丝被烧断，总的电流I_L将停止(shut down)，外部现场控制器立即检测到LED交通信号灯10处于“关闭”状态。在该点，开关式主电源90被禁用(208)，同步功率脉冲电路130被停用(209)，以及由LED交通信号灯10接收的总电流(I_L)现在也被停用并且等于0。I_L是两电流的和，其中一电流来自LED供电系统14，而另一电流来自同步功率脉冲电路130。

上述描述仅仅提供了对本发明的特定实施方式的公开，并不意指将本发明限定于此的目的。因此，本发明不局限于上述实施方式。相反，应当理解的是，本领域的技术人员可想象到的可替换实施方式均落在本发明的范围之内。

Claims (18)

1.一种用于向LED交通信号灯提供电能的供电系统，所述系统包括：

LED负载；

供电模块，从AC输入线路接收AC输入电压，将所述AC输入电压转换成具有规则电流的DC电压，以向所述LED负载供电；以及

同步功率脉冲电路，连接至所述供电模块，产生表示功耗实质上等于卤素或白炽交通信号灯的功耗的同步功率脉冲。

2.根据权利要求1所述的系统，其中，所述同步功率脉冲电路包括：

输入线路频率检测器电路，检测所述AC输入线路的频率并产生同步方波信号；

线路频率同步电路，将所述同步方波信号转换成电压信号；

同步脉冲宽度发生器电路，产生开关选通命令脉冲；

同步切换脉冲电路，通过减小所述选通命令脉冲的占空比来减小所述功率脉冲的功耗；以及

功率脉冲电路模块，接收电流脉冲。

3.根据权利要求2所述的系统，其中，所述供电模块进一步包括：

输入电涌保护电路、保险丝烧断电路、输入EMI滤波器、整流桥、安全电路、接通/断开电路、LED电流检测器电路以及开关式主电源。

4.根据权利要求3所述的系统，其中，所述LED负载包括装配在印刷电路板上的至少一个LED。

5.根据权利要求3所述的系统，其中，所述保险丝烧断电路包括适于在所述交通信号灯的有效导线与中性导线之间产生短路的开关。

6.根据权利要求3所述的系统，其中，如果在启用开关的预定时间之后没有电流流过所述LED负载，和/或所述灯灭检测器电路检测小于预定阈值的光输出，则所述安全电路将保险丝烧断使开关不起作用。

7.一种LED交通信号灯，包括：

具有开口的壳体；

接合至所述壳体的印刷电路板；

接合至所述印刷电路板的供电系统，所述供电系统包括：

供电模块，从AC输入线路接收AC输入电压，将所述AC输入电压转换成具有规则电流的DC电压，以向LED负载供电；以及

同步功率脉冲电路，连接至所述供电模块，产生表示功耗实质上等于卤素或白炽交通信号灯的功耗的同步功率脉冲。

8.根据权利要求8所述的LED交通信号灯，其中，所述同步功率脉冲电路包括：

输入线路频率检测器电路，检测所述AC输入线路的频率并产生同步波形信号；

线路频率同步电路，将所述同步波形信号转换成电压信号；

同步脉冲宽度发生器电路，产生开关选通命令脉冲；

同步切换脉冲电路，通过减小所述选通命令脉冲的占空比来减小所述功率脉冲的功耗；以及

功率脉冲电路模块，接收电流脉冲。

9.根据权利要求9所述的LED交通信号灯，其中，所述供电模块进一步包括：输入电涌保护电路、保险丝烧断电路、输入EMI滤波器、整流桥、安全电路、接通/断开电路、LED电流检测器电路以及开关式主电源。

10.根据权利要求10所述的LED交通信号灯，其中，所述LED负载包括装配在印刷电路板上的至少一个LED。

11.根据权利要求10所述的LED交通信号灯，其中，所述保险丝烧断电路包括适于在所述交通信号灯的有效导线与中性导线之间产生短路的开关。

12.根据权利要求10所述的LED交通信号灯，其中，如果在启用开关的预定时间之后没有电流流过所述LED负载，和/或所述灯灭检测电路检测小于预定阈值的光输出，则所述安全电路将保险丝烧断使开关不起作用。

13.一种用于LED交通信号灯的计算相位角电路，所述电路包括：线路频率检测器电路模块，检测具有输入线路电压的AC输入线路的频率，并产生同步波形信号；

选通命令脉冲发生器电路，与所述输入线路电压同相位地保持选通宽度，并关于所述输入线路正弦波电压保持所述选通宽度；以及

相位角电路，在所述线路电压正弦波形内的同一相位角保持所述选通宽度的接通时间和断开时间，而与所述输入频率的变化无关。

14.一种用于LED交通信号灯的LED电流检测器和安全电路，所述LED电流检测器和安全电路包括：

LED电流监控器电路，检验LED负载的正常运行和光输出；以及

安全电路，监控LED光输出的正常运行，其中，所述安全电路用于在所述LED电流小于预定LED电流水平时停用LED供电系统和同步功率脉冲电路。

15.根据权利要求16所述的LED电流检测器和安全电路，其中，所述安全电路在启用时会使输入电流为零。

16.根据权利要求16所述的LED电流检测器和安全电路，其中，所述安全电路在启用时会烧断所述LED交通信号灯的输入保险丝或打开主输入功率开关。

17.根据权利要求18所述的LED电流检测器和安全电路，其中，通过将受控开关短路至地来使所述LED交通信号灯的输入保险丝烧断。

18.根据权利要求19所述的LED电流检测器和安全电路，其中，所述安全电路在启用时允许现场交通信号灯控制器检测LED交通信号灯故障，并在所述LED电流处于预定水平之下时使所述主输入功率开关打开。

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