CN103889123A - 一种led调光电路及led灯具 - Google Patents

Abstract

本发明属于LED驱动技术领域，特别涉及一种LED调光电路及LED灯具。本发明所提供的LED调光电路包括可控硅调光模块、整流滤波模块、输入电压检测模块、控制模块、输出电流采样电阻、消磁检测模块以及降压模块；其中，可控硅调光模块、整流滤波模块以及LED负载依次连接，整流滤波模块还连接输入电压检测模块和降压模块，控制模块连接降压模块，控制模块还连接输入电压检测模块、消磁检测模块以及输出电流采样电阻，并根据所接收的信号实现通断，控制降压模块为LED负载供电。由于对可控硅调光模块所输出的电流做整流、滤波、降压以及恒流的处理，不仅使得LED负载工作时不会产生闪烁，还降低了LED灯具的制造成本。

Description

一种LED调光电路及LED灯具

技术领域

本发明属于LED驱动技术领域，特别涉及一种LED调光电路及LED灯具。

背景技术

可控硅调光是目前舞台照明、环境照明领域的主流方式。与变压器、电阻器相比，可控硅调光器有着完全不同的调光机理。

对于普通反向阻断型可控硅，其闸流特性表现为当可控硅加上正向阳极电压的同时又加上适当的正向控制电压时，可控硅就导通；这一导通即使在撤去门极控制电压后仍将维持，一直到加上反向阳极电压或阳极电流小于可控硅自身的维持电流后才关断。普通的可控硅调光器就是利用可控硅的这一特性实现前沿触发相控调压的。在正弦波交流电过零后的某一时刻或某一相位角，在可控硅控制极上加一触发脉冲，使可控硅导通，并维持到正弦波正半周结束。因此在正弦波的正半周中，会有一定范围可控硅不导通，这一范围称为控制角，而可控硅导通的范围则称为导通角。在正弦波交流电的负半周，其工作原理与正弦波交流电的正半周相同。导通角越大调光器输出的电压越高，灯就越亮。

然而，可控硅调光与LED灯难以匹配。对于可控硅来说，维持导通所需的维持电流通常介于8mA到40mA之间。白炽灯比较容易维持该电流，但对于功耗仅为等效白炽灯10%的LED灯来说，难以为维持该电流，从而导致可控硅过早关断。这样就会造成LED灯的闪烁，进而限制可调光范围。

综上所述，现有的可控硅调光电路存在会导致LED灯发生闪烁的问题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种LED调光电路，旨在解决现有的可控硅调光电路存在会导致LED灯发生闪烁的问题。

本发明是这样实现的，一种LED调光电路，与LED负载连接，包括可控硅调光模块和整流滤波模块，所述整流滤波模块的交流输入端连接所述可控硅调光模块的输出端，所述整流滤波模块的输出端连接所述LED负载的输入端；所述可控硅调光模块的输入端接入交流市电，并通过断续导通输出断续的交流电至所述整流滤波模块进行整流滤波处理，所述整流滤波模块输出断续的直流电；

所述LED调光电路还包括：输入电压检测模块、控制模块、输出电流采样电阻、消磁检测模块以及降压模块；

所述输入电压检测模块的输入端和输出端分别连接所述整流滤波模块的输出端和所述控制模块的输入电压检测端；

所述降压模块的控制端、输入端以及输出端分别连接所述整流滤波模块的输出端、所述LED负载的输出端以及所述控制模块的电流输入端；

所述输出电流采样电阻的第一端和第二端分别连接所述控制模块的电流输出端和整流滤波模块的直流输入端；

所述消磁检测模块的输出端连接所述控制模块的消磁检测端；

所述输入电压检测模块对所述直流电进行电压检测并输出相应的输入电压信号，所述消磁检测模块根据流过所述降压模块的电流的变化速度输出消磁检测信号，所述控制模块检测所述输出电流采样电阻第一端的电流采样信号；

所述控制模块还根据所述输入电压信号、所述消磁检测信号以及所述电流采样信号执行相应的通断操作；

所述降压模块根据所述控制模块的通断状态进行充放电以对所述直流电进行降压和恒流处理。

本发明的另一目的还在于提供一种LED灯具，包括壳体，还包括上述的LED调光电路。

本发明所提供的LED调光电路包括可控硅调光模块、整流滤波模块、输入电压检测模块、控制模块、输出电流采样电阻、消磁检测模块以及降压模块；其中可控硅调光模块的输入端接入交流市电并连接整流滤波模块，输入电压检测模块分别连接整流滤波模块和控制模块，降压模块分别连接整流滤波模块、LED负载以及控制模块、输出电流采样电阻连接控制模块和整流滤波模块、消磁检测模块的输出端连接控制模块的消磁检测端。其中，输入电压检测模块根据直流电大小输出输入电压信号，消磁检测模块根据流过降压模块的电流大小输出消磁检测信号，控制模块检测输出电流采样电阻第一端的电流采样信号，控制模块还根据输入电压信号、消磁检测信号以及电流采样信号实现通断，降压模块根据控制模块的通断状态进行充放电以对直流电进行降压和恒流处理并为LED负载供电。由于对可控硅调光模块所输出的电流做滤波、降压以及恒流的处理，不仅使得LED负载工作时不会产生闪烁，还降低了LED灯具的制造成本。

附图说明

图1是本发明一实施例所提供的LED调光电路的模块结构图；

图2是本发明一实施例所提供的LED调光电路的示例电路结构图；

图3是本发明一实施例所提供的控制模块的示例电路结构图；

图4是本发明一实施例所提供的LED调光电路的LED负载的电流波形图。

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。

本发明所提供的LED调光电路包括可控硅调光模块、整流滤波模块、输入电压检测模块、控制模块、输出电流采样电阻、消磁检测模块以及降压模块；通过对可控硅调光模块所输出的电流做滤波、降压以及恒流的处理，解决了现有的可控硅调光电路存在会导致LED灯发生闪烁的问题。

图1示出了本发明实施例所提供的LED调光电路的模块结构，为了便于说明，仅示出了与本发明实施例相关的部分，详述如下：

本发明实施例所提供的LED调光电路与LED负载80连接，具体可以包括可控硅调光模块10和整流滤波模块20。

具体的，可控硅调光模块10的输入端接入交流市电，整流滤波模块20的交流输入端连接可控硅调光模块10的输出端，整流滤波模块20的输出端连接LED负载80的输入端；可控硅调光模块10断续导通，输出断续的交流电至整流滤波模块20进行整流滤波处理，整流滤波模块20输出断续的直流电。

进一步的，LED调光电路还可以包括：输入电压检测模块30、控制模块40、输出电流采样电阻70、消磁检测模块60以及降压模块50。

其中，输入电压检测模块30的输入端和输出端分别连接整流滤波模块20的输出端和控制模块40的输入电压检测端；

降压模块50的控制端、输入端以及输出端分别连接整流滤波模块20的输出端、LED负载80的输出端以及控制模块40的电流输入端；

输出电流采样电阻70的第一端和第二端分别连接控制模块40的电流输出端和整流滤波模块20的直流输入端；

消磁检测模块60的输出端连接控制模块40的消磁检测端。

在本实施例中，电流由整流滤波模块20输出，经过LED负载80、降压模块50、控制模块40以及输出电流采样电阻70后，流回整流滤波模块20。其中，输入电压检测模块30对直流电进行电压检测并输出相应的输入电压信号，消磁检测模块60根据流过降压模块50的电流的变化速度输出消磁检测信号，控制模块40检测输出电流采样电阻70第一端的电流采样信号。

控制模块40还根据输入电压信号、消磁检测信号以及电流采样信号执行相应的通断操作；

降压模块50根据所述控制模块40的通断状态进行充放电以对直流电进行降压和恒流处理。

作为本发明一实施例，如图2所示，控制模块40可以包括：

第一运算放大器U1、第二运算放大器U2、第一反相器U3、第二反相器U4、触发器U5、NMOS管Q1以及基准电压模块41；

第一运算放大器U1的反相端是控制模块40的消磁检测端，第一运算放大器U1的同相端连接基准电压模块41的输出端，第一运算放大器U1的输出端连接第一反相器U3的输入端，第一反相器U3的输出端连接触发器U5的第一输入端，第二运算放大器U2的同相端是控制模块40的输入电压检测端，第二运算放大器U2的输出端连接触发器U5的第二输入端，触发器U5的输出端连接第二反相器U4的输入端，第二反相器U4的输出端连接NMOS管Q1的栅极，NMOS管Q1的漏极是控制模块40的电流输入端，第二运算放大器U2的反相端与NMOS管Q1的源极共接形成控制模块40的电流输出端。

在本实施例中，基准电压模块可以是任意基准源，如稳压管等。第一运算放大器U1与第二运算放大器U2均为比较电路，其通过对同相端与反相端的电压值之进行比较，改变输出端的电压，进而控制触发器U5的输出电压，最终控制开关管Q1的通断。其中，触发器U5可以是由两个与非门组成的RS触发器。

进一步的，第一运算放大器U1、第二运算放大器U2、第一反相器U3、第二反相器U4、触发器U5、NMOS管Q1以及基准电压模块41集成于一芯片内。

在本实施例中，通过将上述期间集成在一芯片内，可以有效减小该电路的体积，并方便电路的安装以及电路的大规模生产。

作为本发明一实施例，如图3所示，降压模块50可以包括：

二极管D1、第一电感L1以及第二电容C2；

二极管D1的阴极与第二电容C2的第一端共接形成降压模块50的控制端，二极管D1的阳极与第一电感L1的第一端共接形成降压模块50的输出端，第二电容C2的第二端与第一电感L1的第二端共接形成降压模块50的输入端。

在本实施例中，降压模块50为常见的开关型降压电路。其通过交替地充放电实现对电压的控制，具体工作原理在此不再赘述。

作为本发明一实施例，如图3所示，消磁检测模块60可以包括：

第二电感L2、第四电阻R4以及第五电阻R5；

第二电感L2的第一端连接第四电阻R4的第一端，第四电阻R4的第二端与第五电阻R5的第一端共接形成消磁检测模块60的输出端，第二电感L2的第二端与第五电阻R5的第二端共接于地。

其中，第二电感L2与第一电感L1相邻设置，第二电感L2根据流经第一电感L1的电流的变化率产生感应电动势。

在本实施例中，由于采用了包含第一电感L1的降压模块50，可以在第一电感L1的相邻位置设置第二电感L2。在第一电感L1上的电流发生变化时，其周围的磁场也发生变化，并在第二电感L2中产生感应电动势。利用该感应电动势的值进行计算，就可以了解第一电感L1上的电流大小。同时，通过调节第四电阻R4、第五电阻R5的阻值，还可以进一步调节所输出的消磁检测信号的电压值，进而改变控制模块40的通断时间。

作为本发明一实施例，如图3所示，输入电压检测模块30可以包括第一电阻R1和第二电阻R2；

第一电阻R1的第一端是输入电压检测模块30的输入端，第一电阻R1的第二端与第二电阻R2的第一端共接形成电压检测模块的输出端，第二电阻R2的第二端接地。

在本实施例中，输入电压检测模块30通过两个串联连接的电阻对输入电压进行分压，并将分压所得的输入电压信号输出至控制模块40。技术人员可以根据通过调节第一电阻R1和第二电阻R2的阻值比例调节输入电压信号的大小，进而改变控制模块40的通断时间。由于输入电压并不是恒定电压，而是波动的，因此所输出的输入电压信号同样也是波动的。

作为本发明一实施例，如图3所示，输出电流采样电阻70可以是第三电阻R3；

第三电阻R3的第一端和第二端分别是输出电流采样电阻70的第一端和第二端。

作为本发明一实施例，如图3所示，整流滤波模块20可以包括整流桥BR1和第一电容C1；

整流桥BR1的第一交流输入端和第二交流输入端组成整流滤波模块20的交流输入端，整流桥BR1的直流输出端与第一电容C1的第一端共接形成整流滤波模块20的输出端，整流桥BR1的接地端与第一电容C1的第二端共接形成整流滤波模块20的直流输入端并接地。

以下结合图2、图3对本发明实施例所提供的LED调光电路的工作原理做进一步说明：

在NMOS管Q1导通期间，整流桥BR1所输出的直流电，设为电流I1，顺次流过LED负载80、第一电感L1、开关管Q1以及第三电阻R3，再流回到整流桥BR1。此时，第一电感L1上的电流、NMOS管Q1上的电流、第三电阻R3上的电流相同，都是电流I1。

当电流I1流过第三电阻R3时，由电感方程

可知，第三电阻R3上电压，即电流采样信号，以固定的斜率增加。此时第二运算放大器U2的反相端电压也以固定的斜率增加。第二运算放大器U2的同相端接收到由第一电阻R1和第二电阻R2根据输入电压大小输出的输入电压信号Vref1。

当第三电阻R3上的电压达到输入电压信号Vref1时，电流I1达到设定的峰值。第二运算放大器U2输出低电平信号，并在经过触发器U5后，控制NMOS管Q1截止。

NMOS管Q1截止后，第一电感L1释放能量，降压模块50为LED负载80供电。此时，有电流I2顺次流过第一电感L1、二极管D1以及LED负载80。另外，第二电感L2上产生感应电压，该电压由第四电阻R4和R5分压得到消磁检测信号，输入第一运算放大器U1的反相端，并与基准电压模块41输出的基准电压Vref2进行比较。当第一电感L1释放完全部能量时，第二电感L2也释放完全部能量，第二电感L2的感应电压降到0，第一运算放大器U1的反相端的电压也降到0。由于同相端的电压高于反相端的电压，第一运算放大器U1输出高电平信号。此时，触发器U5控制NMOS管Q1导通，系统工作于临界导通模式。

如图4所示，该图示出了流过LED负载的电流波形。曲线L1为LED负载80的电流峰值的包络线，曲线L2为LED负载80的有效电流的包络线，曲线L3为第一电感L1储存能量的电流曲线，曲线L4为第一电感L1释放能量的电流曲线，曲线L5为控制模块40的通断状态曲线，区间A为可控硅调光模块10关断的区间。

定义NMOS管Q1导通时间为Ton，截止时间为Toff，第一电感L1释放能量的时间为tD，开关周期为T，则有：

T=T_on+T_off=T_on+t_D

在一个开关周期内，NMOS管Q1上的电流I_Q（即曲线L3）和二极管上的电流I_D（即曲线L4）形成第一电感L1上的电流I_L（即曲线L3和曲线L4）。因为系统工作于临界导通模式，因此电流I_L是连续的。而第二电容C2在开关管Q1导通期间释放能量，有电流流出；在开关管Q1截止期间吸收能量，有电流流入，第二电容C2保持充放电平衡，净流入电流为0。因此，从整体上看，流过LED负载80的电流，即有效电流I_OUT，应该等于流过第一电感L1的电流的平均值，因此有：

I_OUT=I_L,avg=I_PK/2

另外，交流市电通过整流桥BR1后，加载到第一电容C1上，因为第一电容C1值很小，滤波作用不明显。同时，第一电阻R1和第二电阻R2对该电压分压采样，连入第一运算放大器U1的反相端，作为第一运算放大器U1的比较基准电压，因此该电压波形与第一电容C1上的电压波形相似，都是正弦波的前正半周期的复制，只是幅值不同。设输入电压V_IN=V_Psin(ωt+θ)，其中V_P为输入电压峰值，ω为角频率，θ为初相位，有：

$V_{\mathrm{ref}1}=|\frac{R_1}{R_1+R_2}*V_P\sin (\mathrm{\ωt}+\mathrm{\θ})|$

由此可知，流过第三电阻R3的电流峰值I_PK的包络线，也应该为正弦波的正半周期的复制（即曲线L1），而有效电流等于电流峰值I_PK的1/2（即曲线L2）。对应Ton时间的三角波形为开关电流I_Q，Toff时间对应的三角波形为二极管电流I_D，I_Q和I_D构成电感电流I_L；基准电压V_ref1波形为正弦波正半周波形的复制，对应电流峰值的包络，有效电流为电感电流的平均值。

在所接入的交流市电的峰值V_P不变时，输入电压检测信号Vref1的峰值

V_P保持不变，峰值电流I_PK的包络也不变，因此开关管的导通时间Ton也不变。由于在一个周期内，有效电流的平均值也保持不变，因此可以为LED负载80恒流供电。

这里的恒流是相对意义上的恒流，即在输入电压幅值不变时，有效电流也恒定，若改变输入电压幅值（如将输入交流电由200Vac改为180Vac），那么有效电流将发生改变，但仍可以稳定于新的电流值。

另外，由于电流峰值I_PK的包络线与第一电容C1上的电压（即整流滤波模块20的输出电压）具有相同的相位，且具备接近于正弦波的特性，因此电路的功率因数高，谐波低，电源的输入电阻接近纯阻性，能很好地解决与可控硅调光器的匹配问题。

本发明实施例的另一目的还在于提供一种LED灯具。该LED灯具包括壳体，还包括上述的LED调光电路。

在本实施例中，通过将上述的LED调光电路应用于LED灯具中，解决了可控硅调光电路会导致LED负载80出现闪烁的问题。并且，由于采用可控硅调光，其成本要比传统的PWM调光更为低廉，具有更好的市场前景。

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 (10)

1.一种LED调光电路，与LED负载连接，包括可控硅调光模块和整流滤波模块，所述整流滤波模块的交流输入端连接所述可控硅调光模块的输出端，所述整流滤波模块的输出端连接所述LED负载的输入端；所述可控硅调光模块的输入端接入交流市电，并通过断续导通输出断续的交流电至所述整流滤波模块进行整流滤波处理，所述整流滤波模块输出断续的直流电；其特征在于：

所述LED调光电路还包括：输入电压检测模块、控制模块、输出电流采样电阻、消磁检测模块以及降压模块；

所述输入电压检测模块的输入端和输出端分别连接所述整流滤波模块的输出端和所述控制模块的输入电压检测端；

所述降压模块的控制端、输入端以及输出端分别连接所述整流滤波模块的输出端、所述LED负载的输出端以及所述控制模块的电流输入端；

所述输出电流采样电阻的第一端和第二端分别连接所述控制模块的电流输出端和整流滤波模块的直流输入端；

所述消磁检测模块的输出端连接所述控制模块的消磁检测端；

所述输入电压检测模块对所述直流电进行电压检测并输出相应的输入电压信号，所述消磁检测模块根据流过所述降压模块的电流的变化速度输出消磁检测信号，所述控制模块检测所述输出电流采样电阻第一端的电流采样信号；

所述控制模块还根据所述输入电压信号、所述消磁检测信号以及所述电流采样信号执行相应的通断操作；

所述降压模块根据所述控制模块的通断状态进行充放电以对所述直流电进行降压和恒流处理。

2.如权利要求1所述的LED调光电路，其特征在于，所述控制模块包括：

第一运算放大器、第二运算放大器、第一反相器、第二反相器、触发器、NMOS管以及基准电压模块；

所述第一运算放大器的反相端是所述控制模块的消磁检测端，所述第一运算放大器的同相端连接所述基准电压模块的输出端，所述第一运算放大器的输出端连接所述第一反相器的输入端，所述第一反相器的输出端连接所述触发器的第一输入端，所述第二运算放大器的同相端是所述控制模块的输入电压检测端，所述第二运算放大器的输出端连接所述触发器的第二输入端，所述触发器的输出端连接所述第二反相器的输入端，所述第二反相器的输出端连接所述NMOS管的栅极，所述NMOS管的漏极是所述控制模块的电流输入端，所述第二运算放大器的反相端与所述NMOS管的源极共接形成所述控制模块的电流输出端。

3.如权利要求2所述的LED调光电路，其特征在于，所述第一运算放大器、所述第二运算放大器、所述第一反相器、所述第二反相器、所述触发器、所述NMOS管以及所述基准电压模块集成于一芯片内。

4.如权利要求1所述的LED调光电路，其特征在于，所述LED负载上的有效电流的大小为电流峰值的二分之一。

5.如权利要求1所述的LED调光电路，其特征在于，所述降压模块包括：

二极管、第一电感以及第二电容；

所述二极管的阴极与所述第二电容的第一端共接形成所述降压模块的控制端，所述二极管的阳极与所述第一电感的第一端共接形成所述降压模块的输出端，所述第二电容的第二端与所述第一电感的第二端共接形成所述降压模块的输入端。

6.如权利要求5所述的LED调光电路，其特征在于，所述消磁检测模块包括：

第二电感、第四电阻以及第五电阻；

所述第二电感的第一端连接所述第四电阻的第一端，所述第四电阻的第二端与所述第五电阻的第一端共接形成所述消磁检测模块的输出端，所述第二电感的第二端与所述第五电阻的第二端共接于地；

所述第二电感与所述第一电感相邻设置；

所述第二电感根据流经所述第一电感的电流的变化率产生感应电动势。

7.如权利要求1所述的LED调光电路，其特征在于，所述输入电压检测模块包括第一电阻和第二电阻；

所述第一电阻的第一端是所述输入电压检测模块的输入端，所述第一电阻的第二端与所述第二电阻的第一端共接所述形成电压检测模块的输出端，所述第二电阻的第二端接地。

8.如权利要求1所述的LED调光电路，其特征在于，所述整流滤波模块包括整流桥和第一电容；

所述整流桥的第一交流输入端和第二交流输入端组成所述整流滤波模块的交流输入端，所述整流桥的直流输出端与所述第一电容的第一端共接形成所述整流滤波模块的输出端，所述整流桥的接地端与所述第一电容的第二端共接形成所述整流滤波模块的直流输入端并接地。

9.如权利要求1所述的LED调光电路，其特征在于，所述输出电流采样电阻是第三电阻；

所述第三电阻的第一端和第二端分别是所述输出电流采样电阻的第一端和第二端。

10.一种LED灯具，包括壳体，其特征在于，所述LED灯具还包括如权利要求1至9任一项所述的LED调光电路。

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