CN102171739A - 具有内部电路备用系统的交通led灯 - Google Patents

Abstract

根据本发明示例性实施方式的一个方面，提供了一种LED灯。在一个实施方式中，LED灯被制作为安装在包括其他灯的交通信号壳体中，其中，LED灯可以为红色、黄色、绿色或另一颜色，并且可以表示完整球状显示、箭头显示或另一显示。LED灯适用于由外部电源供电并包括从外部电源接收输入电压的输入电力电路。输入电力电路包括适于确定交通LED灯的电力状态的电力检测电路。LED灯进一步包括LED负载和电池供电驱动电路。如果LED灯的电力状态处于电力故障状态，则电池供电驱动电路驱动LED负载。

Description

具有内部电路备用系统的交通LED灯

本申请要求于2008年8月15日提交的美国临时申请第61/089,072号的权益，其全部内容结合于此作为参考。

技术领域

本发明总体上涉及交通控制系统，更具体地，涉及在发生电力损失期间的受控道路十字路口处操作交通信号灯的改进。

背景技术

交通控制系统的操作要求将AC电力供应给设备。当停止供应AC电力时，交通控制系统停止操作并且交通信号灯不再发光，从而变暗。结果是正在接近设置有交通信号的交叉路口的汽车驾驶员看不到任何信号灯。汽车驾驶员接近了该行业通常被称为的“黑暗十字路口”。在联邦登记中列出的联邦公路局的统一交通控制设施手册(MUTCD)规定，可以接受将设置了交通信号的十字路口操作为“黑暗十字路口”，并且在这种操作期间，期望汽车驾驶员将“黑暗十字路口”认为是与具有停车标志的十字路口一样；在前进通过该十字路口之前停止他们的车辆。实际上，由于其一般被忽略，所以一些机构要求分派警察到十字路口以确保4向(4-way，四路)停止。应该理解，这是非常费力/昂贵的。还有一些机构要求DPW(公共工程部)人员在没有电力时取出临时的停止标志至十字路口。这也是非常费力/昂贵的。不仅工作人员必须在十字路口处放置临时停车标志，而且工作人员必须在电力恢复之后尽快移走临时停车标志。

交通信号的目的之一是使十字路口更加明显，从而更安全。对于交通控制，长期存在着对于进行改进以使“黑暗十字路口”对汽车驾驶员更加明显的需求。即使在适当操作并点亮时，交通信号灯也可能难以看见。当交通信号灯变暗时，十字路口变得非常难以让汽车驾驶员看到。结果是发生交通事故，导致财产损失和身体伤害，甚至会丢失生命。作为恶劣天气的结果，非常有可能发生导致交通信号灯操作故障的电力损失，这使得可见度降低。因此，当急需其可靠操作时，通常会发生交通信号操作的故障。由于电力损失而在夜间引起的交通信号灯操作故障对汽车驾驶员、乘客和过路人的安全来说造成非常大的威胁。

虽然提出一旦检测到问题就发出警报的控制器故障，但这通常比较迟缓并且还是非常危险的。例如，如果两辆以上的车辆正在从不同方向接近十字路口而交通灯突然熄灭，则接近的车辆不知道谁具有通行权，会发生碰撞。

已经提出了各种系统用于向计算机提供备用电力(诸如，可以是由串联耦合的电池组和反相器所提供的电力)，使得交通信号可以在备用电力下同样正常操作。这种系统通常包括用于将电池组充电至预定浮动电压的电池充电器，通过电池的电压总和来确定浮动电压。然而，如果电池中的一个或多个、或者其电池单元有缺陷(因此，实际上短路)，则跨电池组的总电压将根本达不到浮动电压以关闭电池充电器，导致破坏性过充电余下的好电池。

此外，当公用电力恢复时，需要控制器明显地从备用电力切换到公用电力，即，反相器的输出必须与公用电力同相。

再者，当确定线电压过低时，系统通常关闭。然而，公用线路通常具有相对较高的阻抗，并且调节公用电力的线路调节器通常是高度电感的。高电感导致重新启动控制器时电流的大量涌入，并且流经通过高阻抗公用线路的较大突入电流导致短期压降，这会欺骗系统使其关闭。

最后，反相器通常包括功率晶体管。为了监控耦合至反相器的负载的状况，已经提出了在功率晶体管导通时对通过其的电流进行监控的设备。然而，这并不总是提供负载状况的精确指示。

作为电力故障期间实现备用电力或警报的可替换物，交通控制系统使用了控制单元，其通过闪光切换继电器对驱动信号灯的负载开关提供电压。在会发生电力故障的情况下，监控器运行继电器以将交通信号负载转换为闪光灯模块。当发生这种转换时，控制器单元和负载开关被断开，使得交通信号灯开启和关闭。

闪光灯模块能够使交通信号灯交替规则地关闭和开启。这通过闪光灯模块以交通信号灯闪烁开启和关闭的方式来实现。如此，汽车驾驶员可以看到十字路口处的闪烁红色交通信号灯指示，以安全方式指示他们在通过十字路口之前停车。

交通控制系统通常被认为是由交通控制单元组成，该单元用于向一个或多个负载开关(其用于使交通信号灯开启)提供24伏的DC输入信号。冲突监控器设备用于监控被提供的、向交通信号灯供电的适当交流被覆线电压的存在。当存在不合适的AC电压时，冲突监控器使机电继电器运行，该继电器接下来使闪光切换继电器从负载开关中移走交通信号灯电力并将交通信号灯电力连接至闪光灯单元，这使交通信号灯闪烁开启和关闭。

已经在设置交通信号的十字路口处的交通控制系统中使用了提供有电力存储能力的备用电力，以保持交通控制系统如同利用外部AC电源的操作一样的操作。由于空间限制和它们的高成本，这种备用电源的使用仅限于很少的设置了交通信号的十字路口。

发明内容

根据本发明的一个方面，公开了通过外部电源供电的LED灯。该系统包括从外部电源接收输入电压的输入电源电路。该输入电源电路包括电源检测电路。该电源检测电路适合于确定LED灯的电源状态。该系统还包括LED负载和电池供电驱动电路。如果LED灯的电源状态处于电源故障状态，则电池供电驱动电路驱动LED负载。

根据本发明的另一方面，公开了用于LED灯的自备用系统。LED灯包括LED负载。自备用系统包括线路检测器电路，其适用于生成来自电源的电压的测量值。自备用系统还包括具有电压的电池和适用于将电池的电压转换为驱动电压的电压转换器电路。此外，自备用系统包括：适合于以驱动电压周期性驱动LED负载的闪光灯电路；以及适合于基于电压的测量值来确定是否使能闪光灯电路的闪光灯使能电路。

根据本发明的另一方面，提供了用于在LED灯中提供安全备用信号的方法。LED灯从外部电源接收电力。该方法包括基于对来自外部电源的输入电压的测量来检测LED灯的电源状态。该方法还包括确定电源状态是否处于电源故障状态，并且如果电源状态处于电源故障状态，则生成来自备用电源的安全备用信号。安全备用信号是周期性的。该方法还包括，如果电源状态处于电源故障状态，则向LED灯提供安全备用信号。

附图说明

目前所公开的主题可以采用按照各种部件和部件布置以及各种步骤和步骤布置的形式。附图仅是示出优选实施方式的目的，而不应将其解释为限制性的。此外，应该理解，附图未按比例绘制。

图1是本发明的示例性交通LED灯的框图；

图2是电涌保护电路的示例性实施方式的电路示意图；

图3是线路检测电路的示例性实施方式的电路示意图；

图4是参考电路的示例性实施方式的电路示意图；

图5是闪光灯使能电路的示例性实施方式的电路示意图；

图6是电池的示例性实施方式的电路示意图；

图7是电压转换电路的示例性实施方式的电路示意图；

图8是闪光灯电路的示例性实施方式的电路示意图；

图9是反馈电路的示例性实施方式的电路示意图；以及

图10是交通LED灯的透视图。

具体实施方式

根据示例性实施方式，交通LED(或铁路，rail)灯包括在失去电力期间以闪光模式操作信号的自备用系统。可以在交通的每个方向上(诸如，4路)安装交通LED灯，以在电力故障期间在十字路口处使得所有通行停止。根据另一示例性实施方式，普通的照明灯(诸如，住宅LED灯)包括在电力失去期间以稳定状态模式运行灯的自备用系统。自备用系统包括自备用电路和电池。自备用电路可包括线路检测器电路、安全电路、冲突监控器电路适配器、闪光灯使能电路、电压转换器电路、闪光灯电路、电池充电电路以及光输出调整电路。在一些实施方式中，自备用系统在电源线的关闭状态下是禁用的，因为智能电路确定关闭状态与电力故障状态之间的差别。

根据以下的讨论应该理解，本发明的优点在于其低价格、所需驱动电压较低、安全、较小空间要求、没有AC/DC转换器要求、无电池维护以及独立于外部电源。预计标准电池可以提供6-8小时的闪光模式，直到AC电源恢复。例如，AAA电池或车用蓄电池。以这种方式，可以采用具有电力提高电路的6V甚至3V电池。

参照图1，示出了示例性交通LED灯100的高级示图。交通LED灯100包括功率因数校正电源102、LED负载104和自备用系统106。功率因数校正电源102包括电涌保护电路108、金属氧化物变阻器(MOV)110、熔丝熔断(FBO)熔丝112、电磁干扰(EMI)滤波器114、整流桥116、冲突监控器118、开启/关闭电路120以及开关式电源122。功率因数校正电源102是在传统交通LED灯中存在的。LED负载104包括一个或多个LED。自备用系统106包括线路检测器电路124、电池126、闪光灯使能电路128、电压转换器电路130、闪光灯电路132以及反馈电路136。闪光灯使能电路128包括参考电路134。

在正常操作下，交通LED灯100接收来自外部电源的输入电压。应该理解，即使在交通LED灯100处于关闭状态时，也仍然存在正输入电压(例如，6V至7V AC)。然后，输入电压被反馈到作为功率因数校正电源102的一部分的电涌保护电路108。电涌保护电路108用于将交通LED灯100与外部电源隔离，并且可选地将输入电压转换为DC电压。此后，输入电压被分配给自备用系统106以及功率因数校正电源102中的其他电路。自备用系统106经由线路检测器电路124接收输入电压。

线路检测器电路124和闪光灯使能电路128仅在存在电力故障(即，不是交通LED灯100处于关闭或开启的情况)时，才使能闪光灯电路132。线路检测器电路124测量输入电压并将测量的电压传送给闪光灯使能电路128。闪光灯使能电路128将来自线路检测器电路124的测量电压与来自参考电路134的参考电压进行比较。如已经提到的，参考电路134是闪光灯使能电路128的一部分。如果来自线路检测电路124的测量电压超过来自参考电路134的参考电压，则存在电力，并且闪光灯电路132应被禁用。类似地，如果来自线路检测电路124的测量电压小于来自参考电路134的参考电压，则不存在电力并且应该使能闪光灯电路132。

假设没有电力(即，应该使能闪光灯电路132)，如以下所描述的，电压转换器电路130和闪光灯电路132生成来自备用电源的安全备用信号。此后，该安全备用信号被提供给LED负载104。

电压转换器电路130将来自电池126的电池电压转换为足以驱动LED负载104(即，驱动电压)的电平。优选地，电压转换器电路130是降压、升压或降压-升压转换器，其允许电压转换器电路130调整由LED负载104牵引的电流。假定当代电池技术的限制，限制牵引电流可以延长电池126的寿命并且允许用于LED负载104的有用备用时间。然后，由电压转换器电路130生成的驱动电压被传送至闪光灯电路132。

闪光灯电路132包括定时器电路以有助于闪光。当闪光灯使能电路128和线路检测器电路124确定存在电力故障时，使能定时器电路。当定时器电路被使能时，其以预定的频率进行脉冲，从而脉冲能够使电压转换器电路130驱动LED负载140。脉冲部分地借助于反馈电路136来使电压转换器电路130能够驱动LED负载140。应该理解，使电压转换器电路130能够驱动LED负载140，有助于LED负载104的闪光。在可替换实施方式中，可以更改闪光灯电路132从而以稳定状态驱动LED负载104(即，LED负载104将被持续驱动，而不是周期性的)。因此，闪光灯电路132可以更一般地被称为驱动电路。

参照图2，示出了图1的电涌保护电路108的示例性实施方式。电涌保护电路包括连接器202、变压器204以及多个二极管206、208、210、212。电涌保护电路108接收来自外部电源的输入电压。在正常操作下，输入电压通常为用于开启状态的80V-135V AC和用于关闭状态的6V-7V AC中的一个。然而，当存在电力故障时，输入电压接近0V。连接器202连接至变压器204，其中，通过预定的比率因数(例如，4.8)转换输入电压。

此后，经由桥式整流器217对经转换的电压进行整流，该整流器由多个二极管206、208、210、212组成。应该理解，如果输入电压为DC电压，则可以不把桥式整流器包含在电涌保护电路108中。然而，不管实施方式如何，从电涌保护电路108输出DC电压。随后，该电压被传送至图1的线路检测器电路124和图1的功率因数校正电源102的其他电路。

参照图3，示出了图1的线路检测器电路124的示例性实施方式。线路检测器电路包括齐纳二极管302，第一多个电阻器304、306，第二多个电阻器308、310、312、314以及电容器316。线路检测器电路124接收来自电涌保护电路的输入电压。在一个实施方式中，输入电压被转换为24V至108V左右的DC电压。齐纳二极管302用于与第一多个电阻器304、306联合来保护闪光灯使能电路，从而该部件限制了牵引电流并防止跨电容器316的电压超过预定电压。在优选实施方式中，防止跨电容器316的电压超过13V。此外，应该理解，齐纳二极管302通常在交通LED灯处于开启状态时调整输入电压，而在交通LED灯处于关闭状态时不调整输入电压。电容器316平滑跨齐纳二极管302的电压。

然后，跨电容器316(和齐纳二极管302)的电压被传送至由第二多个电阻器308、310、312、314组成的简单分压器。所划分的电压创建了测量电压。当交通LED灯处于开启状态或关闭状态时，测量电压超过预定阈值(例如，在一个实施方式中为1.24V)。应该理解，系统处于开启状态时的测量电压(例如，13V)将超过系统处于关闭状态时的测量电压(例如，2V)。类似地，当交通LED灯没有电力(例如，电力故障)时，测量电压将低于预定阈值。随后，测量电压被输出至闪光灯使能电路。

参照图4，示出了参考电路134的示例性实施方式。参考电路134包括电阻器402和齐纳并联稳压器404。如上所述，通过参考电路134设置预定阈值。参考电路134是闪光灯使能电路的子电路并且获得来自电池的参考电压。在一个实施方式中，参考电路134创建1.24V的参考电压。齐纳并联稳压器404与电阻器402联合确保在改变负载期间参考电压保持稳定。因此，电阻器402用作电流限制电阻器。

参照图5，示出了图1的闪光灯使能电路128的示例性实施方式。闪光灯使能电路128由电池供电并包括比较器502以及多个电阻器504、506、508、510。比较器502允许闪光灯使能电路128确定何时复位闪光灯电路。比较器502得到来自参考电路的参考电压并将其与来自线路检测器电路的测量电压进行比较。例如，比较器502被配置为具有滞后的非反相比较器。多个电阻器504、506、508、510限定比较器502的操作及其滞后量。

当来自线路检测器电路的测量电压小于参考电压时，比较器502输出逻辑“1”(在一个实施方式中为6V DC)。当来自线路检测器电路的测量电压大于参考电压时，比较器502输出逻辑“0”(在一个实施方式中为0VDC)。因此，应该理解，如果交通LED灯处于开启状态或关闭状态时(即，存在电力)，返回逻辑“0”，否则返回逻辑“1”(即，存在电力故障)。比较器502的输出对应于复位电压，其被传送至闪光灯电路。

参照图6，示出了图1的电池126的示例性实施方式。如图6所示，电池被模型化为电压电源602和电容器604。电容器604简单地用于模拟电池126中的固有电容。电池126对电压转换器电路供电。

参照图7，示出了图1的电压转换器电路130的示例性实施方式。电压转换器电路130包括恒定电流提升电路702、第一电阻器704、第二电阻器706、电感器708、二极管710以及电容器712。应该理解，电压转换器电路130调整由LED负载牵引的电流，和/或将电池电压(在一些实施方式中为6V DC)转换为足以驱动LED负载的电平。如图7所示，电压转换器电路130是升压转换器，用于接通和断开以产生跨LED负载的调整电压。可替换地，取决于LED负载，电压转换器电路130可以为降压或降压-升压转换器。

恒定电流提升电路702在开启状态和关闭状态之间协调切换。电感器708在切换处于开启状态的同时存储能量，并且在切换处于关闭状态的同时将能量传送至LED负载。应该理解，这允许来自电池的、比其他可能方式更高的电压。当切换处于关闭状态时，二极管710隔离电感器708。第一电阻器704是使能恒定电流提升电路702的限流电阻。在可替换实施方式中，第二电阻器706可以代替第一电阻器704连接在恒定电流提升电路702(引脚3)与图8的连接器822(引脚2)之间，以在交通LED灯具有电力时(即，LED灯处于开启状态或关闭状态)时关闭恒定电流提升电路702。应该理解，这有利地延长了电池的寿命。恒定电流提升电路702还接收来自反馈电路的反馈电压，以调整跨LED负载的电压。如果反馈电压接地，则恒定电流提升电路702被禁用，并且不发生切换。电容器712用于去除切换噪声并平滑调整电压。此后，调整电压被输出至闪光电路。

参照图8，示出了图1的闪光电路132的示例性实施方式。闪光电路132由电池驱动并包括定时器802，电容器804，多个电容器806、808，第一电阻器810，第二电阻器812，第三电阻器814，第四电阻器816，第五电阻器818，MOSFET 820以及连接器822。闪光电路接收来自闪光灯使能电路的复位电压，其控制定时器802上的复位输入。在优选实施方式中，定时器802的复位输入是反相输入，因此，来自复位电压的逻辑“0”复位定时器802(即，定时器802禁用)，而来自复位电压的逻辑“1”使能定时器802。如前所讨论的，当存在电力时，复位电压仅为逻辑“0”。否则，复位电压为逻辑“1”，从而使能定时器802。电容器804用于保持对定时器802的输入电压。

如果使能定时器802，则定时器802产生周期脉冲。第一电阻器810以及第二电阻器812与多个电容器806、808联合用于确定脉冲的周期(即，定时器的脉冲有多频繁)。来自定时器802的脉冲控制MOSFET 820的栅极。在脉冲期间，定时器802导通MOSFET 820，从而完成电路并使来自电压转换器电路的调整电压驱动LED负载。第四电阻器816将MOSFET820的栅极接地，以确保其从不浮动(即，其总是接地或拉高)。LED负载连接至连接器822，从而通过电压转换器电路驱动LED负载。

参照图9，示出了图1的反馈电路136的示例性实施方式。反馈电路136包括电阻器902和MOSFET 904。图8的连接器822的引脚2处的电压(即，跨图8的第三电阻器814和第五电阻器818的电压总和)对应于将被施加给电压转换器电路的反馈电压。图8的定时器802控制MOSFET904的栅极。在定时器的脉冲期间，MOSFET 904通过将反馈电压连接至电压转换器电路来完成对于电压转换器的反馈路径。反馈电压使能控制电压转换器电路并允许电压转换器电路的恒定电流提升电路保持调整电压。应该理解，可以改变图8的第三电阻器814以控制跨LED的电压。此外，在可替换实施方式中，可以添加图8的第五电阻器818和电阻器902以禁用图8的MOSFET 820和MOSFET 904的使用。在这种实施方式中，闪光灯电路将被禁用，而LED负载将被永久驱动(即，事故备用灯应用)。因此，闪光灯电路可以更一般地被称为驱动电路。

参照图10，示出了图1的交通LED灯100的一个示例性实施方式的透视图。如上所述，交通LED灯100包括功率因数校正电源(未示出)、自备用系统(未示出)以及LED负载1002。交通LED灯100还包括壳体1004以及多个连接器1006、1008。应该理解，在壳体1004内放置功率因数校正电源和自备用系统。多个电力连接器1006、1008将交通LED灯100连接至外部电源。在正常操作期间，交通LED灯100由外部电源驱动。然而，在电力故障的情况下，通过自备用系统驱动交通LED灯100。例如，当电力故障时，自备用系统将被使能，从而闪烁LED负载1002(优选为红色)并警告路人n路停车。

已经参照优选实施方式描述了示例性实施方式。明显地，在阅读并理解前面的详细描述的情况下可以进行修改和变化。示例性实施方式包括所有这些修改和改变，它们都在所附权利要求或其等效物的范围内。

Claims (20)

1.一种由外部电源供电的LED灯，所述系统包括：

输入电力电路，接收来自所述外部电源的输入电压，其中，所述输入电力电路包括适于确定所述LED灯的电力状态的电力检测电路；

LED负载；以及

电池供电的驱动电路，其中，如果所述LED灯的所述电力状态处于电力故障状态，则所述电池供电的驱动电路驱动所述LED负载。

2.根据权利要求1所述的LED灯，其中，所述电池供电的驱动电路包括用于周期性驱动所述LED负载的闪光灯电路。

3.根据权利要求1所述的LED灯，其中，所述LED灯还包括壳体，其中，在所述壳体内设置所述输入电力电路、所述LED负载以及所述电池供电的驱动电路。

4.根据权利要求3所述的LED灯，其中，与所述电池供电的驱动电路相关的电池位于所述壳体内部。

5.根据权利要求3所述的LED灯，其中，与所述电池供电的驱动电路相关的电池位于所述壳体外部。

6.根据权利要求1所述的LED灯，还包括电池充电电路。

7.根据权利要求1所述的LED灯，其中，所述电力检测电路通过生成所述输入电压的测量值来确定所述电力状态。

8.根据权利要求7所述的LED灯，其中，所述电力检测电路通过进一步将所述输入电压的测量值与参考阈值进行比较来确定所述电力状态。

9.根据权利要求7所述的LED灯，其中，当所述LED灯的所述电力状态处于开启状态或关闭状态时，所述输入电压的测量值超过第一预定阈值。

10.根据权利要求9所述的LED灯，其中，当所述LED灯的电力状态处于开启状态时，所述输入电压的测量值超过第二预定阈值，但是当所述LED灯处于关闭状态时，所述输入电压的测量值不超过所述第二预定阈值。

11.根据权利要求9所述的LED灯，其中，当交通LED灯的电力状态处于所述电力故障状态时，所述输入电压的测量值小于所述第一预定阈值。

12.根据权利要求1所述的LED灯，其中，当所述LED灯处于开启状态时，由所述外部电源驱动所述LED负载，其中，当所述LED灯处于关闭状态时，所述LED负载不被驱动。

13.根据权利要求1所述的LED灯，其中，所述LED灯的所述电力状态为以下状态之一：开启状态、关闭状态或所述电力故障状态。

14.一种用于LED灯的自备用系统，其中，所述LED灯包括LED负载，所述自备用系统包括：

线路检测器电路，适于生成来自电源的电压的测量值；

电池，具有电压；

电压转换器电路，适于将所述电池的电压转换为驱动电压；

闪光灯电路，适于以所述驱动电压周期性地驱动所述LED负载；以及

闪光灯使能电路，适于基于所述电压的测量值确定是否使能所述闪光灯电路。

15.根据权利要求14所述的LED灯，其中，当所述LED灯处于开启状态或关闭状态时，所述电压的测量值超过第一预定阈值。

16.根据权利要求15所述的LED灯，其中，当所述LED灯处于开启状态时，所述电压的测量值超过第二预定阈值，但是当所述LED灯处于关闭状态时，所述电压的测量值不超过所述第二预定阈值。

17.根据权利要求15所述的LED灯，其中，当所述LED灯处于电力故障状态时，所述电压的测量值小于所述第一预定阈值。

18.根据权利要求14所述的自备用系统，其中，所述闪光灯使能电路将所述电压的测量值与参考阈值进行比较。

19.一种用于在LED灯中提供安全备用信号的方法，其中，所述LED灯接收来自外部电源的电力，所述方法包括：

基于来自所述外部电源的输入电压的测量值来检测所述LED灯的电力状态；

确定所述电力状态是否处于电力故障状态；

如果所述电力状态处于所述电力故障状态，则生成来自备用电源的所述安全备用信号，其中，所述安全备用信号是周期性的；以及

如果所述电力状态处于所述电力故障状态，则将所述安全备用信号提供给所述LED灯。

20.根据权利要求19所述的方法，其中，所述检测过程用于区分开启状态、关闭状态以及所述电力故障状态，所述检测过程包括：

调整所述输入电压，其中，经过调整的电压为第一预定阈值和所述输入电压中的最小值；以及

将所述经过调整的电压与第二预定阈值进行比较，以确定所述电力状态。

Images