CN103428962B - Led调光器及led调光装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种LED调光器及LED调光装置，包括控制信号产生模块、脉冲信号调制电路及耦合/分压取电电路，脉冲信号调制电路、耦合/分压取电电路及用于接收所述调制信号的接收器通过单根电力线连接，所述耦合/分压取电电路串接在电力线中将流经电力线的交变电流耦合升压并整流，以作为所述LED调光器的工作电源。如此降低了LED光源远程控制的成本，操作方便。

Description

LED调光器及LED调光装置

技术领域

本发明涉及照明领域，尤其涉及一种LED调光器及LED调光装置。

背景技术

LED的应用逐渐从室外照明进入室内照明，与传统的气体放电光源相比，具有寿命长、高效节能、无汞环保、可实现较大范围的连续调光，无论是线性调光还是PWM调光，LED都能够适应，还可调色，使LED光源及其灯具能够满足不同用户的需求。

由于LED的伏安特性及其温度变化关系，需要对驱动电源进行恒流控制。在驱动电路中，通常利用电流采样电阻反馈的电流信号输入到比较器与参考电压比较后，控制开关晶体管栅极的脉冲电压的占空比来进行恒流控制。改变输入比较器的参考电压即可改变控制晶体管栅极电压脉冲占空比及在每个周期内的导通时间，从而改变输出电流，实现对LED的调光。

由于室内照明更常用的LED光源是安装在房间顶部的吊灯或吸顶灯，不便于用户近距离操作，因此控制端距离LED光源较远。如若采用遥控的方式，一般通过无线射频或红外方式传送。若采用射频遥控，其穿透性较好、方向性要求较低，但驱动电源的开关电路一般电磁辐射较强，接收天线受到的干扰较大，需要天线与驱动电源有一定的间距并采取一定屏蔽手段，防电磁干扰的设计比较麻烦；若采用大部分家电都采用的红外遥控，则需要一个红外接收窗口，对于LED光源来说，一方面影响外观，另一方面红外遥控对方向性要求比较高，且驱动电源开关电路的工作频率与红外遥控的脉冲副载波频率38kHz相接近，即使对输出电流进行滤波，其残留的纹波仍然会对红外接收头造成干扰，LED光源打开后红外接收头灵敏度明显降低。另外，各种家电已经具有多个遥控器了，增加的遥控器不便于用户进行管理，易丢失。

若不采用遥控的方式，采用一般的控制方法，即拉出两根控制线外接一个控制端，另外还需增加一个电池对控制端供电，长时间使用后需更换电池，如此造成成本较高，且更换电池的操作比较麻烦，对用户来说肯定是不能接受的。

发明内容

本发明目的在于提供一种LED调光器及LED调光装置，用于解决LED灯远程控制成本高、操作不方便的问题。

为解决上述技术问题，本发明提供一种LED调光器，包括控制信号产生模块、用于发出调制信号的脉冲信号调制电路及耦合/分压取电电路，所述脉冲信号调制电路、耦合/分压取电电路及用于接收所述调制信号的接收器通过单根电力线连接，所述耦合/分压取电电路串接在电力线中将流经电力线的交变电流耦合升压并整流，以作为所述LED调光器的工作电源。

优选地，所述脉冲信号调制电路具有由脉冲信号控制的晶体管及分压器件，所述分压器件采用压敏电阻、齐纳二极管、三端稳压器件或负阻器件串入电力线中，脉冲信号控制晶体管交替导通和截止，通过所述分压器件将脉冲信号调制到市电的波包上。

优选地，通过改变所述脉冲信号的脉冲频率或脉冲幅度表示不同的控制信号，所述脉冲信号由微控制器、逻辑门电路或专用集成电路或者遥控芯片产生。

优选地，所述LED调光器还具有自动切换电路，采用互感耦合升压和直接分压分流两种方式对LED调光器供电，所述自动切换电路对耦合/分压取电电路输出的工作电压进行分压后输入到比较器或施密特触发器。

一种具有上述LED调光器的LED调光装置，所述LED调光装置还包括控制端、接收器及驱动电源，控制端用于产生控制命令，使得LED调光器的控制信号产生模块工作，所述接收器包含有将脉冲信号从波包上解调出来的信号解调电路及微控制器，所述信号解调电路具有相邻时域平均电路，所述相邻时域平均电路内具有RC积分回路和RC放电回路，将被调制波包与该相邻时域平均电路的平均信号输入到比较器中比较，得到去除波包背底的信号脉冲串输出，再由微控制器处理并控制驱动电源执行相应的调光控制。

本发明的LED调光器通过将控制信号调制到50/60Hz市电交流正弦波上，接收到调光信号后，改变并保持对LED光源的控制状态，实现LED光源的调光和开关控制，从而降低了LED光源远程控制的成本，操作方便。

附图说明

图1是本发明的LED调光装置的原理示意图；

图2是图1中控制信号产生模块第一实施方式的电路示意图；

图3是图1中控制信号产生模块第二实施方式的电路示意图；

图4是图1中脉冲信号调制电路及耦合/分压取电电路的电路示意图；

图5是分压式交流电调制的波形示意图；

图6是图1中信号解调电路31的电路示意图；

图7是本发明的LED调光装置的耦合/分压取电的自动切换电路的示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

请参考图1，本发明LED调光装置用于对LED光源100进行调光控制，如调高、调低、即开、即关。LED调光装置包括控制端10、LED调光器20、接收器30及驱动电源40。

LED调光器20设置于火线H上，控制端10与LED调光器20相连。LED调光器20通过火线H与接收器30相连。接收器30还与零线L相连，驱动电源40连接接收器30及LED光源100。

LED调光器20包括控制信号产生模块21、脉冲信号调制电路22、耦合/分压取电电路23。控制信号产生模块21与控制端10、脉冲信号调制电路22及耦合/分压取电电路23均相连，脉冲信号调制电路22与耦合/分压取电电路23相连。

接收器30包括信号解调电路31及微控制器(MCU)调光模块32。

控制端10由用户操作产生控制命令。

控制信号产生模块21接收到控制命令后产生控制信号。本实施方式中，控制命令通过操作两个开关产生，本实施方式中，控制信号的形式为脉冲信号。

脉冲信号调制电路22将控制信号加载到50Hz或60Hz的交流电的正弦波上。

信号解调电路31对加载有控制信号的交流电进行解调，得到调光信号。

MCU调光模块32对调光信号进行解码，得到相应的控制命令。

驱动电源40接收到控制命令后执行相应的控制命令，从而对LED光源进行调光等控制。

请参考图2，所述控制信号产生模块21包括控制器U1、第一开关S1、第二开关S2、电阻R1-R2、石英振荡器Y1、电容C3、C5。

本实施方式中，控制器U1为单片机，可采用型号为AT89S51的单片机。控制器U1具有电源端VDD、接地端GND、第一输入端In1、第二输入端In2、输出端AD3、第一外接晶体引脚XTAL1及第二外接晶体引脚XTAL2。输出端AD3用于输出脉冲信号drive。

第一开关S1的第一端与控制器U1的电源端VDD连接，第二端与第一输入端In1连接，还通过电阻R1接地。第二开关S2的第一端与控制器U1的电源端VDD连接，第二端与第二输入端In2连接，还通过电阻R2接地。

石英振荡器Y1的第一端与第一外接晶体引脚XTAL1相连，还通过电容C5接地。石英振荡器Y1的第二端与第二外接晶体引脚XTAL2相连，还通过电容C3接地。

请参考图4，所述脉冲信号调制电路22及耦合/分压取电电路23包括晶体管Q1、耦合线圈T1、压敏电阻R3、电阻R0、电容C1-C2和二极管D0、D2、D9、D11。其他实施方式中，压敏电阻R3也可由齐纳二极管、三端稳压器件或负阻器件替代。

本实施方式中，晶体管Q1为场效应晶体管(CMOS)，其栅极与控制器U1的输出端AD3连接，源极及漏极均接入交流电的一根电力线中，其中源极还接地。

压敏电阻R3跨接晶体管Q1的源极及漏极。

耦合线圈T1包括第一输入端、第二输入端、第一输出端及第二输出端。第一输入端与晶体管Q1的漏极相连，第二输入端与二极管D0的阳极相连，二极管D0的阴极通过电阻R0与控制器U1的电源端VDD连接。

耦合线圈T1的第一输出端与二极管D9的阳极相连，还与二极管D10的阴极相连。二极管D9的阴极与5V电源连接，二极管D10的阳极接地。耦合线圈T1的第二输出端与二极管D2的阳极相连，还与二极管D8的阴极相连。二极管D2的阴极与5V电源连接，二极管D8的阳极接地。

二极管D11的阳极接地，阴极与5V电源连接。电容C1-C2均一端接地，另一端与5V电源连接。

请参考图6，所述信号解调电路31包括比较器、二极管D2-D6及D8、电阻2-R7及电容C3-C4。本实施方式中，比较器的型号为LM393。

二极管D2的阳极与交流电的一根电力线相连，阴极通过电阻R2与比较器同相端相连。比较器的同相端还通过电阻R4接地。二极管D2的阳极还与二极管D3的阴极相连，二极管D3的阳极接地。

二极管D4的阳极与交流电的另一根电力线相连，阴极与二极管D2的阴极相连。二极管D4的阳极还与二极管D5的阴极相连，二极管D5的阳极接地。

比较器的反相端与二极管D6的阴极相连，二极管D6的阳极通过电阻R5与5V电源VDD相连，二极管D6的阳极还与二极管D8的阴极相连，二极管D8的阳极接地。

比较器的电源端与5V电源VDD相连，接地端接地，输出端通过电阻R7与5V电源VDD相连。

电阻R3的第一端与二极管D2的阴极相连，第二端与比较器的反相端相连，还通过电阻R6接地，电容C3跨接在电阻R6的两端。电容C4的一端与5V电源VDD相连，另一端接地。

所述解码器及调光执行单元均采用本领域习知的技术，在此不再赘述。

下面对本发明LED调光装置的工作原理进行说明。

对于较远的LED光源的控制，比较适合于用户习惯的仍然是将调光控制器安装在墙壁开关的位置。因此可借鉴白炽灯调光的可控硅电路，其可控硅电路可串联接入到电源线中，因为可控硅依靠导通角控制负载功率，触发电路是通过斩断的那部分电压供电，光源一端只是一个纯电阻而没有任何电路，可控硅的输出直接点亮白炽灯，无需信号传输。

而LED是由驱动电源负载而不是直接与市电相连，故需要由操作端将调光信号先传送到驱动电源的控制电路，接收到以后再由驱动电源对LED光源进行调光。考虑到一般开关盒中只穿过一根电源线(火线)，LED光源调光若借鉴这种串入式连接方式，要解决两个问题：

(1)由电源线的单条线路解决控制端电路工作的供电问题；

(2)调光控制信号的传输也必须共用这一根线。

本发明LED调光装置通过将控制信号调制到50/60Hz市电交流正弦波上，接收到调光信号后，改变并保持对LED光源的控制状态，实现LED光源的调光和开关控制，也解决了上述的调光控制信号的传输共用单根电源线的问题。

本发明参考了分线开关的设计思想，分线开关是一种简易的改变灯具照明状态的开关装置。通过连续两次或多次开、关的操作触发灯具内控制电路的计数器跳转，控制多个光源点亮和熄灭的不同组合从而达到几个不同照明亮度的切换。在短时间关断的时候，控制电路由一个足够容量的电容来维持工作电压和电流。这种简易型开关装置成本低、无需额外改动任何开关盒电源线路，不 过操作的时候需要反复打开和关断电源，光源频繁开关会造成人眼不舒服，只有有限的几个状态可供切换，不同状态需要循环切换，换挡不方便。

虽然如此，可以把手动开关的操作视为一种低频脉冲调制到220V市电电压上，由分线开关接收到以后触发计数器循环跳转、切换光源不同组合的点亮/熄灭状态。如果通过晶体管以较高频率控制下进行这种调制，则无需反复开关，人眼也不会明显觉察到点亮与熄灭的变化，通过这种方式将控制信号传送到调光电路中，可实现基本上变化连续的调光。控制信号亦可采用不同的脉冲调制参数如脉冲的宽度、幅度、频率等表示不同的控制操作，可以分为亮度调高、调低、即开、即关等4种控制命令，完成控制操作以后由数字控制电路保持当前的LED光源的亮度级以维持其亮度不变。

以上是产生脉冲控制信号并调制到电力载波上的基本方法。在实际应用中，如果电源随信号脉冲高频率地开关同样也会造成对电网的影响，当然这只是在调光操作的短时间内，但这样以较高频率来开、关电源，也会造成对LED驱动电源的冲击电流/电压，PFC和驱动开关电路都有可能损坏。故需要控制对电力载波的调制深度，使得电力载波的调制深度不能过大，即调制信号脉冲低电平期间电力载波的电压只是降低一定幅度而不是完全关断降到0。

请再次参考图4，压敏电阻R3的导通电压在15V左右，正常工作时MOS管处于完全导通状态。

调光时，脉冲信号控制MOS管Q1的导通与关断。MOS管Q1关断，且市电交流电压使D处于反偏时，压敏电阻R3的分压为15V，这个瞬间驱动电源两端电压降低15V而没有完全关断，避免了瞬间频繁开关造成对电网的干扰和对驱动电源的冲击。如果将这一电压变化检测出来即可将调光器发送过来的信号解调。

本实施方式中，采用了二极管D1使交流市电半波导通，为的是避免双向控制的麻烦，那么对于交流市电载波而言就是半周期调制，如图5所示，正弦波为交流市电输入电压，正半周的脉冲为调制信号。由于控制命令只有以上介绍的4种，如调高、调低、即开、即关等4种控制命令，相当于2个比特，一个半周期的波包就足够容纳了。

请再次参考图6，市电中的控制信号被调制波整流、分压后输入到比较器的同相端。比较器的反相端输入一个动态参考电压，该动态参考电压取自由电阻R3及电容C3组成的积分电路，电阻R6起到放电的作用，以便使得比较器的反相 端输入的参考电压为几个信号周期的动态平均电压。比较器比较动态参考电压与调光信号，输出解调好的脉冲信号。该脉冲信号输入到MCU调光模块32中进行解码，之后驱动电源40执行相应的调光或开关命令。

由于输入电流的谐波干扰可能会造成信号不能解调或出错，所以对电力波的调制深度即图4中压敏电阻R3的压降要合理，太小则会被谐波噪声淹没，太高则会造成调光时对电网干扰和驱动电源的影响。一般采用15～20V左右的调制深度，可保证足够的信噪比确保信号的接收同时又不会造成干扰。

下面对利用电源线的单条线路为控制端供电的原理进行说明。

所述LED调光器20中的耦合/分压取电电路23对交流电进行整流及电压转换，以给所述控制信号产生模块21供电，从而解决了由电源线的单条线路解决控制端电路工作的供电问题。

控制信号产生模块21工作时所需要的电流可以在1mA以下，图4中MOS管Q1的静态导通电流很小，接近于0。

在LED光源点亮的状态下，电力线有一定的交流电流通过，可以在耦合/分压取电电路23中利用耦合线圈T1取电升压到5V为调光信号发生电路10提供工作电压，如图4所示。

当调光的亮度级较小或完全关断时，由于经过电力线的电流很小，电流耦合线圈T1难以维持调光信号发生电路10的工作电流和电压，MOS管Q1的栅极电压为低电平，MOS管Q1截止，这样在其漏源两端的正向压降最高达到压敏电阻R3的导通电压15V，由二极管D0和电阻R0对调光信号发生电路10提供工作电压/电流。

对于额定功率较大(40W以上)的LED调光电路，工作时可以通过耦合升压方式提供足够的工作电流/电压，但与压敏电阻并联的MOS管和二极管承受的最高电压就是压敏电阻的导通电压20V左右，所以它们分别可以采用阈值电压与导通电阻较小的低压MOS和低压肖特基二极管，在没有调光操作MOS管维持导通时平均压降约0.2～0.3V左右，功耗是比较低的。在进行调光操作时，MOS管以调制频率和50％占空比交替导通关断。由于电流较大，调光电路中的压敏电阻承受的功率损耗很大，在连续几秒的调光操作中，有可能因为发热冒烟乃至烧断。

为减小调光操作时大电流通过压敏电阻的功耗和发热，可以对调光电路中 的单片机编程按如下设计：检测到按键刚被按下和释放时，分别只在一个短时间内发送控制信号，在持续按下期间MOS管仍然保持导通，驱动电源接收端的单片机第一次收到调光信号时开始逐级改变调光亮度，第二次收到该信号时结束调光。这个信号发送持续时间为三个50Hz工频交流电的半周期(30ms)或略长，保证正弦波交流电压正、负半周都有一整个波包被调制到。这样每次调光操作无论持续时间多长，而它承受分压的时间为几十毫秒，调光操作的平均功耗很低。一般压敏电阻能够承受较大的峰值电流，所以短时间的功耗不会造成损坏。调制方式如前所述，可由单片机产生不同频率的信号表示不同的调光信息，或对这几种信息进行编码，采用OOK方式将基带信号调制到工频交流电压波包上。

请参考图7，为了方便按照LED光源点亮和熄灭不同状态下耦合电流负载能力，LED调光器还可包括自动切换电路，以方便在两种取电方式自动切换以保证LED调光器20正常工作和低功率损耗。

所述自动切换电路包括比较器cmp1(或施密特触发器)、与门A1、电阻R1、Rd、Rh、电容Cd、稳压管DT、二极管D12、D13。

耦合/分压取电电路输出的电压经过电阻Rh和Rl分压输入到比较器cmp1的同相端，基准参考电压(2.5V)输入到反相端，设计在调光亮度较低电流较小导致耦合线圈提供的电流开始降低、在调光电路的电压低于4V时候，输入到同相端的电压低于参考电压2.5V，这样比较器cmp1输出由高电平转为低电平，通过与门A1控制MOS管Q截至，Q与图4中的MOS管Q为同一晶体管，这样切换到了直接分压分流供电模式，经由图4中的D0、R0对调光电路分流直接供电，保证调光电路能够正常工作。在调光的时候，当图2的“增亮”或“变暗”按键按下时，比较器cmp1的同相端均为高电平，经过与门A1输出到MOS管Q栅极的电压及其变化只取决于控制信号，连接按键的两个二极管将它们隔离互不影响。

单片机工作时需要几个毫安的电流，对于中小功率LED(20W左右)的LED光源，工作时流经220V电力线的电流约100mA，通过耦合升压方式对调光电路提供的电流较小，在调光亮度级和电源输入电流较小的情况下难以维持调光操作期间单片机的持续工作。如果采用CMOS固定逻辑器件代替可编程器件单片机，可将工作电流减小到几十微安，使电流耦合供电能够负载调光电路工作电流，即使在光源熄灭状态，驱动电源的静态工作电流足够维持微电流调光电路的工 作状态，同时保证很低的功耗，可按照图7的控制方法自动选择电流耦合升压和直接分压分流两种方式之一，或在它们之间切换。当然切换的频率远低于调制信号频率，因此不会引起接收电路的误动作。

请参考图3，驱动电源的开关频率通常为几十kHz，调光信号的脉冲频率应该尽可能低，远离这个频率范围以免被电源输入谐波激励的电压波动干扰，同时50Hz交流经全波整流后的波包频率为100Hz，要在单个波包上调制足够多的脉冲数目，所以调光信号的脉冲频率应该高于500Hz以上，低于驱动电源开关电路工作频率的1/4。在这个频率范围设计微安级的脉冲发生电路可以有很多选择，图3就是采用多谐振荡器CD4047设计的脉冲发生电路，控制MOS管Q将调光信号调制到市电电压上。该电路的输出信号频率稳定在f＝0.22/RCf，随工作电压变化很小。按键K1～K4按下时接不同电阻R1～R4可输出不同频率的脉冲，执行相应的调光控制，没有按键按下时与MOS管栅极连接的输出端为高电平，控制MOS管Q导通。如果需要电流耦合升压和直接分压分流取电的自动切换控制，则可加入与图7相同的电压比较电路。不过相对调光电路其它部分几十A的电流而言，比较器和分压电路本身消耗的电流较大，约500A，可以采用工作电流在几十个A的CMOS施密特触发器(如CD4093)，替代比较器按照类似的电路结构实现耦合升压与直接分压分流供电方式的自动切换。

另外，调光器中控制信号的产生也可以直接采用遥控专用芯片作为编码器，它们具有静态电流很低的优点，当前4～8通道的一些简单遥控芯片就可用于调光器中产生控制信号。由于线路中不适合于红外遥控常使用的38kHz载波频率，它与LED驱动电源的工作频率相近，可对它进行低通滤波将38kHz载波脉冲滤掉保留频率较低的基带信号，按以上同样的方法调制到市电电压上。在接收器中通常并不能使用对应的遥控解码器来接收，这是因为它们一般都要通过38kHz副载波脉冲来检测信号，因此仍使用单片机解码。在此遥控发射芯片的信号实际上是调制到市电交流高压上，与红外遥控不同的只是载波和有线与无线信道的区别，基带信号及解码方式还是相同的。

本发明LED调光装置通过将控制信号调制到50/60Hz市电交流正弦波上，接收到调光信号后，改变并保持对LED光源的控制状态，实现LED光源的调光和开关控制，从而降低了LED光源远程控制的成本，操作方便。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发 明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (2)

1.一种LED调光器，其特征在于，所述LED调光器包括控制信号产生模块、用于发出调制信号的脉冲信号调制电路及耦合/分压取电电路，所述脉冲信号调制电路、耦合/分压取电电路通过单根电力线连接，所述耦合/分压取电电路串接在电力线中将流经电力线的交变电流耦合升压并整流，以作为所述LED调光器的工作电源，为控制信号产生模块提供电源，控制信号产生模块与控制端、脉冲信号调制电路及耦合/分压取电电路均相连，所述脉冲信号调制电路具有由脉冲信号控制的晶体管及分压器件，所述分压器件与所述晶体管并联，所述分压器件采用压敏电阻、齐纳二极管、三端稳压器件或负阻器件串入电力线中，脉冲信号控制晶体管交替导通和截止，通过所述分压器件将脉冲信号调制到市电的波包上。

2.一种具有如权利要求1所述的LED调光器的LED调光装置，其特征在于，所述LED调光装置还包括控制端、接收器及驱动电源，控制端用于产生控制命令，使得LED调光器的控制信号产生模块工作，所述接收器包含有将脉冲信号从波包上解调出来的信号解调电路及微控制器，所述信号解调电路具有相邻时域平均电路，所述相邻时域平均电路内具有RC积分回路和RC放电回路，将被调制波包与该相邻时域平均电路的平均信号输入到比较器中比较，得到去除波包背底的信号脉冲串输出，再由微控制器处理并控制驱动电源执行相应的调光控制。