CN103415117A - 基于斩控交流调压的舞台调光器及其调控方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于斩控交流调压的舞台调光器及其调控方法，包括数据接收电路、单片机、PWM脉冲电路、IGBT驱动保护电路、IGBT斩控调压电路和滤波电路，所述数据接收电路接收来自舞台调光台的信号后，将信号传输给单片机，所述PWM脉冲电路电连接在单片机的输出端，所述单片机的输出端电连接在IGBT驱动保护电路的输入端，所述IGBT驱动保护电路的输出端电连接IGBT斩控调压电路的输入端，所述IGBT斩控调压电路电连接滤波电路的输入端，所述滤波电路的输出端电连接舞台灯具。实现抑制电路中的谐波和无线电干扰的优点，提高舞台灯光的调光性能。

Description

基于斩控交流调压的舞台调光器及其调控方法

技术领域

本发明涉及舞台照明控制领域，具体地，涉及一种基于斩控交流调压的舞台调光器及其调控方法。

背景技术

目前通用的舞台调光技术多以可控硅作为调光元件，可控硅调光原理如下：控制台发出控制信号，由调光器转换为相位角可变的脉冲信号，控制驱动可控硅，可控硅由交流主回路电压过零关断。在下一周期重复相同的动作。相位角可变脉冲位置不同，交流主回路电压波形被斩控后的面积不同，从而实现了输出到舞台灯具上的电压不同，达到调光的目的，在交流主回路中电压和电流为正弦波，斩控后输出到灯泡上的电压和电流仅为正弦波的一部分。由于这种交流调光器在使用过程中，会产生大量的谐波和无线电干扰，使电网正弦波畸变，功率因素降低，电能质量下降。在舞台灯光使用时，干扰其他音频设备的正常使用。随着调光设备的增加，干扰越严重。

发明内容

本发明的目的在于，针对上述问题，提出一种基于斩控交流调压的舞台调光器，以实现抑制电路中的谐波和无线电干扰的优点，   。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：

一种基于斩控交流调压的舞台调光器，包括数据接收电路、单片机、PWM脉冲电路、IGBT驱动保护电路、IGBT斩控调压电路和滤波电路，所述数据接收电路接收来自舞台调光台的信号后，将信号传输给单片机，所述PWM脉冲电路电连接在单片机的输出端，所述单片机的输出端电连接在IGBT驱动保护电路的输入端，所述IGBT驱动保护电路的输出端电连接IGBT斩控调压电路的输入端，所述IGBT斩控调压电路电连接滤波电路的输入端，所述滤波电路的输出端电连接舞台灯具。

进一步的，所述单片机采用ATMEGA16单片机。

进一步的，所述IGBT驱动保护电路包括EXB841驱动芯片、二极管D2、稳压二极管D3、稳压二极管D4和稳压二极管D5，所述EXB841驱动芯片的过流保护端和IGBT的集电极串联，所述EXB841驱动芯片的驱动输出端和IGBT的门极间串联电阻R3和二极管D2，所述二极管D2的阳极和电阻R3串联，电阻R4的一端电连接在二极管D2的阴极，电阻R4的另一端电连接在EXB841驱动芯片的驱动输出端，所述EXB841驱动芯片的电源端和IGBT的发射极间串联电阻R1，所述IGBT的门极和发射极间串联稳压二极管D3和稳压二极管D4，所述稳压二极管D3的阴极电连接在IGBT的门极上，稳压二极管D3的阳极和稳压二极管D4的阳极电连接，所述稳压二极管D4的阴极电连接在IGBT的发射极上，电阻R6和电容C2并联，且电容R6电连接在IGBT的门极和发射极之间。

进一步的，IGBT斩控调压电路包括绝缘栅双极型晶体管V1、绝缘栅双极型晶体管V2和绝缘栅双极型晶体管V3，所述绝缘栅双极型晶体管V1、绝缘栅双极型晶体管V2和绝缘栅双极型晶体管V3的集电极和发射极间均连接二极管D3、二极管D6和二极管D7，所述二极管D3、二极管D6和二极管D7的阳极分别电连接在绝缘栅双极型晶体管V1、绝缘栅双极型晶体管V2和绝缘栅双极型晶体管V3的发射极上，所述绝缘栅双极型晶体管V1的集电极与二极管D2的阴极串联，所述二极管D2的阳极串联在绝缘栅双极型晶体管V2的集电极上，所述绝缘栅双极型晶体管V2的发射极和绝缘栅双极型晶体管V3的发射极串联，所述绝缘栅双极型晶体管V1的发射极和二极管D5的阳极串联，所述二极管D5的阴极串联在绝缘栅双极型晶体管V2的集电极上。

同时还提出一种基于斩控交流调压的舞台调光器的调控方法，包括以下步骤：

从调光台发送来的DMX512信号送入单片机中，单片机根据DMX512信号和预先设定的地址，若DMX512信号中的地址与设定的地址相等，则取出DMX512信号中的亮度信号数据，得出需要调节的灯光亮度数据，送入到PWM脉冲电路；PWM脉冲电路根据单片机发送的亮度信号来调整输出PWM信号的占空比，并将调整后的PWM信号输出至IGBT驱动保护电路；

所述IGBT驱动保护电路根据上述PWM信号，产生与PWM信号频率、相位及占空比相同且幅值不同的带负偏压的驱动信号，该带负偏压的驱动信号控制IGBT斩控调压电路中IGBT的开通与关断从而产生输出电压；

所述IGBT斩控调压电路的输出电压经滤波电路滤波后，得出与PWM信号的占空比成正比的输出电压，该与PWM信号的占空比成正比的输出电压输出到灯具中，即实现对灯光的调控。

本发明的技术方案具有以下有益效果：

本发明的技术方案，使用IGBT作为舞台灯光调压的主控元件，IGBT为全控型元件，小的栅极电压变化即可控制元件对高电压大电流的导通或关断。IGBT调光是以脉冲来控制元件的通断，脉冲高电位时元件导通，低电位时元件关断，高低电位的持续时间不一样，即所谓占空比的不同，决定了输出交流电压大小不同。通过单片机对IGBT的控制，达到了抑制电路中的谐波和无线电干扰的目的，提高舞台灯光的调光性能。

附图说明

图1为本发明实施例所述的基于斩控交流调压的舞台调光器的原理框图；

图2为本发明实施例所述的数据接收电路的电子电路图；

图3为本发明实施例所述的PWM脉冲电路和单片机连接的电子电路图；

图4为本发明实施例所述的IGBT驱动保护电路的电子电路图；

图5为本发明实施例所述的IGBT斩控调压电路的电子电路图；

图6为本发明实施例所述的滤波电路的电子电路图；

图7为实施例所述的IGBT斩控调压电路主电路的仿真示意图；

图8a至图8e为实施例所述的IGBT斩控调压电路仿真结果波形图；

图9为占空比80%时IGBT斩控调压电路主电路仿真结果波形图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的优选实施例进行说明，应当理解，此处所描述的优选实施例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。

如图1所示，一种基于斩控交流调压的舞台调光器，包括数据接收电路、单片机、PWM脉冲电路、IGBT驱动保护电路、IGBT斩控调压电路和滤波电路，数据接收电路接收来自舞台调光台的信号后，将信号传输给单片机， PWM脉冲电路电连接在单片机的输出端，单片机的输出端电连接在IGBT驱动保护电路的输入端， IGBT驱动保护电路的输出端电连接IGBT斩控调压电路的输入端， IGBT斩控调压电路电连接滤波电路的输入端，滤波电路的输出端电连接舞台灯具。

其中，单片机采用ATMEGA16单片机。IGBT驱动保护电路如图4所示，包括EXB841驱动芯片、二极管D2、稳压二极管D3、稳压二极管D4和稳压二极管D5， EXB841驱动芯片的过流保护端和IGBT的集电极串联， EXB841驱动芯片的驱动输出端和IGBT的门极间串联电阻R3和二极管D2，二极管D2的阳极和电阻R3串联，电阻R4的一端电连接在二极管D2的阴极，电阻R4的另一端电连接在EXB841驱动芯片的驱动输出端， EXB841驱动芯片的电源端和IGBT的发射极间串联电阻R1， IGBT的门极和发射极间串联稳压二极管D3和稳压二极管D4，稳压二极管D3的阴极电连接在IGBT的门极上，稳压二极管D3的阳极和稳压二极管D4的阳极电连接，稳压二极管D4的阴极电连接在IGBT的发射极上，电阻R6和电容C2并联，且电容R6电连接在IGBT的门极和发射极之间。

IGBT斩控调压电路如图5所示，包括绝缘栅双极型晶体管V1、绝缘栅双极型晶体管V2和绝缘栅双极型晶体管V3，绝缘栅双极型晶体管V1、绝缘栅双极型晶体管V2和绝缘栅双极型晶体管V3的集电极和发射极间均连接二极管D3、二极管D6和二极管D7，二极管D3、二极管D6和二极管D7的阳极分别电连接在绝缘栅双极型晶体管V1、绝缘栅双极型晶体管V2和绝缘栅双极型晶体管V3的发射极上，绝缘栅双极型晶体管V1的集电极与二极管D2的阴极串联，二极管D2的阳极串联在绝缘栅双极型晶体管V2的集电极上，绝缘栅双极型晶体管V2的发射极和绝缘栅双极型晶体管V3的发射极串联，绝缘栅双极型晶体管V1的发射极和二极管D5的阳极串联，二极管D5的阴极串联在绝缘栅双极型晶体管V2的集电极上。IGBT即为绝缘栅双极型晶体管。

IGBT正弦波调光不再产生高次谐波，不再干扰其他视频、音频设备，不会产生过载现象，IGBT元件的控制电路生产时已设置好了额定电流，当控制回路的电流超过额定电流时，IGBT会自动关小一些导通角。因此短路对IGBT调光元件影响不大，因为出现短路时，控制回路会完全关闭导通角，来保证IGBT的安全，如果是临时性短路（时间小于4秒），短路去除后，灯具会自动亮起来。如果是永久性短路（时间大于4秒），控制回路会关断回路。短路去除后，重新开启IGBT，灯具会重新亮起来。IGBT不会受到任何损坏。两路可控硅调光回路是不能并联运行的。而IGBT调光回路可以并联运行，不会造成IGBT的损坏。

滤波电路采用低通滤波器如图6所示。

数据接收电路如图2所示，以SN75176芯片为核心，VCC为5V电源输入端；I/O+、I/O-为输入输出总线接口，I/O+为非反相端，I/O-为反相端；RO为接收器输出端；/RE为接收器使能端（低电平有效）；DE为驱动器使能端（高电平有效）；DI为驱动器输入端。SN75176用作接收器， /RE和DE端口接地（使能接收器，关闭驱动器），接收器输出端（RO）接单片机PD0口，用于串口接收数据。同时输出端还接单片机PD2（INT0）口，利用外部中断0判断DMX512数据包头，提前通知单片机准备串口接收调光数据。

PWM脉冲电路的脉冲芯片采用IXDP610芯片，IXDP610芯片和ATMEGA16单片机的接口电路如图3所示，IXDP610的8位数据总线连接单片机PB口；4位控制接口SEL、WR、CS、RST连接单片机的PA0~PA3口；按键电路接单片机的PA4~PA7口，当按键被按下时，ATMEGA16单片判断哪个按键被按下。IXDP610的时钟使用外接的晶振，决定其输出PWM信号的频率和死区时间范围。单片机接受调光台发送的DMX512数据包，并根据按键值选择相应的通道数据送至IXDP610数据总线，单片机的PA0~PA3口提供控制信号，最终将调光数字信号转换为PWM信号。

一种基于斩控交流调压的舞台调光器的调控方法，包括以下步骤：

从调光台发送来的DMX512信号送入单片机中，单片机根据DMX512信号和预先设定的地址，若DMX512信号中的地址与设定的地址相等，则取出DMX512信号中的亮度信号数据，得出需要调节的灯光亮度数据，送入到PWM脉冲电路；PWM脉冲电路根据单片机发送的亮度信号来调整输出PWM信号的占空比，并将调整后的PWM信号输出至IGBT驱动保护电路；

IGBT驱动保护电路根据上述PWM信号，产生与PWM信号频率、相位及占空比相同且幅值不同的带负偏压的驱动信号，该带负偏压的驱动信号控制IGBT斩控调压电路中IGBT的开通与关断从而产生输出电压；

IGBT斩控调压电路的输出电压经滤波电路滤波后，得出与PWM信号的占空比成正比的输出电压，该与PWM信号的占空比成正比的输出电压输出到灯具中，即实现对灯光的调控。

 由于传统51单片机的控制精度、存储容量、处理速度等有限，本发明采用AVR单片机作为主控芯片，和51单片机相比，AVR单片机具有以下优势：

（1）哈佛结构，具备1MIPS / MHz的高速运行处理能力；

（2）精简指令集（RISC），具有32个通用工作寄存器，克服了如8051 MCU采用单一寄存器ACC进行处理造成的瓶颈现象；

（3）快速的存取寄存器组、单周期指令系统，大大优化了目标代码的大小、执行效率， FLASH比较大，特别适用于使用高级语言进行开发；

（4）作输出时可输出40mA（单一输出），作输入时可设置为三态高阻抗输入或带上拉电阻输入，具备10mA-20mA灌电流的能力；

（5）片内集成多种频率的RC振荡器、上电自动复位、看门狗、启动延时等功能，外围电路更加简单，系统更加稳定可靠，对简单应用可以构成真正的单片系统；

（6）片上资源丰富：带E2PROM，PWM，RTC，SPI，UART，TWI，ISP，AD等，大大简化了外围电路，使实现真正的单片系统成为可能。

（7）AVR单片机的实时性和精确性完全符合设计的需求，在完成调光需求的同时有效的控制了产品的生产成本。

 

最后应说明的是：以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种基于斩控交流调压的舞台调光器，其特征在于，包括数据接收电路、单片机、PWM脉冲电路、IGBT驱动保护电路、IGBT斩控调压电路和滤波电路，所述数据接收电路接收来自舞台调光台的信号后，将信号传输给单片机，所述PWM脉冲电路电连接在单片机的输出端，所述单片机的输出端电连接在IGBT驱动保护电路的输入端，所述IGBT驱动保护电路的输出端电连接IGBT斩控调压电路的输入端，所述IGBT斩控调压电路电连接滤波电路的输入端，所述滤波电路的输出端电连接舞台灯具。

2.根据权利要求1所述的基于斩控交流调压的舞台调光器，其特征在于，所述单片机采用ATMEGA16单片机。

3.根据权利要求2所述的基于斩控交流调压的舞台调光器，其特征在于，所述IGBT驱动保护电路包括EXB841驱动芯片、二极管D2、稳压二极管D3、稳压二极管D4和稳压二极管D5，所述EXB841驱动芯片的过流保护端和IGBT的集电极串联，所述EXB841驱动芯片的驱动输出端和IGBT的门极间串联电阻R3和二极管D2，所述二极管D2的阳极和电阻R3串联，电阻R4的一端电连接在二极管D2的阴极，电阻R4的另一端电连接在EXB841驱动芯片的驱动输出端，所述EXB841驱动芯片的电源端和IGBT的发射极间串联电阻R1，所述IGBT的门极和发射极间串联稳压二极管D3和稳压二极管D4，所述稳压二极管D3的阴极电连接在IGBT的门极上，稳压二极管D3的阳极和稳压二极管D4的阳极电连接，所述稳压二极管D4的阴极电连接在IGBT的发射极上，电阻R6和电容C2并联，且电容R6电连接在IGBT的门极和发射极之间。

4.根据权利要求2所述的基于斩控交流调压的舞台调光器，其特征在于，IGBT斩控调压电路包括绝缘栅双极型晶体管V1、绝缘栅双极型晶体管V2和绝缘栅双极型晶体管V3，所述绝缘栅双极型晶体管V1、绝缘栅双极型晶体管V2和绝缘栅双极型晶体管V3的集电极和发射极间均连接二极管D3、二极管D6和二极管D7，所述二极管D3、二极管D6和二极管D7的阳极分别电连接在绝缘栅双极型晶体管V1、绝缘栅双极型晶体管V2和绝缘栅双极型晶体管V3的发射极上，所述绝缘栅双极型晶体管V1的集电极与二极管D2的阴极串联，所述二极管D2的阳极串联在绝缘栅双极型晶体管V2的集电极上，所述绝缘栅双极型晶体管V2的发射极和绝缘栅双极型晶体管V3的发射极串联，所述绝缘栅双极型晶体管V1的发射极和二极管D5的阳极串联，所述二极管D5的阴极串联在绝缘栅双极型晶体管V2的集电极上。

5.一种基于权利要求1至4所述的基于斩控交流调压的舞台调光器的调控方法，其特征在于，包括以下步骤：

从调光台发送来的DMX512信号送入单片机中，单片机根据DMX512信号和预先设定的地址，若DMX512信号中的地址与设定的地址相等，则取出DMX512信号中的亮度信号数据，得出需要调节的灯光亮度数据，送入到PWM脉冲电路；PWM脉冲电路根据单片机发送的亮度信号来调整输出PWM信号的占空比，并将调整后的PWM信号输出至IGBT驱动保护电路；

所述IGBT驱动保护电路根据上述PWM信号，产生与PWM信号频率、相位及占空比相同且幅值不同的带负偏压的驱动信号，该带负偏压的驱动信号控制IGBT斩控调压电路中IGBT的开通与关断从而产生输出电压；

所述IGBT斩控调压电路的输出电压经滤波电路滤波后，得出与PWM信号的占空比成正比的输出电压，该与PWM信号的占空比成正比的输出电压输出到灯具中，即实现对灯光的调控。

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