CN104106311B - 具有半波调光的led灯 - Google Patents

Abstract

LED灯组件包括：电源，配置为接收输入功率信号并且提供DC灯电流；调光控制器，耦合至电源并且配置为调整DC灯电流；和LED灯，耦合至DC灯电流。调光控制器配置为至少部分基于输入功率信号来确定是需要全亮度还是调暗的亮度。当需要全亮度时DC灯电流保持在第一级别并且当需要调暗的亮度时DC灯电流保持在第二级别。

Description

具有半波调光的LED灯

相关申请的交叉引用

本申请要求并享有美国临时专利申请的优先权，申请序列号61/564662，申请日为2011年11月29日，该临时专利申请部分延续了2012年9月21日的提交的美国专利申请13/623899，其中每一个的公开内容通过全部引用并入本文。

背景技术

技术领域

本发明一般涉及交通信号，特别是LED信号灯。

相关技术描述

近年来，出现了大量的针对开发使用更少的电力照明系统的研究。当以能量的信号等级操作时，巨大的能量由目前的商业交通控制照明系统所浪费。日间操作过程中通常需要的能见度高的光输出大大超过在夜间的可见性需求。日间使用的高光输出还可产生超出夜间操作的导致不安全驾驶条件的光量。为了克服这些问题，已开发街道交通控制器，能够控制信号灯的光照水平，使得在白天使用全亮度，以及在夜间使用暗淡，更节能，减少眩光的光照水平。

早期街道交通控制器包括调光功能，设计用于白炽信号灯。这些较早的白炽信号灯通常直接由当地主电源，如北美的110伏60赫兹电网电源操作。用于调节白炽灯信号灯的常见方法是包括控制器中的负载开关，它需要最大亮度时提供全波电源电压，并且需要亮度变暗时提供半波整流电源电压。利用典型的现有技术的白炽灯信号灯，这种方法提供了在施加全波功率时提供最大的亮度，并且施加半波整流功率时提供大约70％的亮度。

取代白炽灯信号灯的发光二极管(LED)光源，也被称为LED灯光或LED灯，可在交通信号应用中显著减少电耗。除了改进的功耗，LED信号灯提供更好的可靠性，更低的发热量，提高了耐振动，和更长的使用寿命。LED替换灯通常包括布置成圆形图案单独的LED元件的阵列，结果该单元与白炽信号灯大小相同。

利用LED灯具使用的信号系统更换整个信号系统，包括控制器，布线和灯具是昂贵的，并需要长的时间。一个有吸引力的替换整个系统的替代方案是建立LED替换灯，其在物理和电气上与目前的白炽灯信号灯标准兼容，允许更高效，更可靠的LED替换灯直接改造旧系统而不进行任何其他更改。这也让老系统的每一个旧的白炽灯灯泡烧坏时，安装LED替代灯逐步升级。这些更换信号灯采用的LED光源元件需要低级别的直流电源，通常大约12伏直流电。因此，小开关电源通常包括在LED的更换信号灯组件中，以通过现有交通控制系统所提供的交流电源电压转换成由LED光元件所需的低电平DC电压。不幸的是，在LED替换灯中使用的开关电源只需要少量的输入功率，因此从两个全波和半波整流供电产生相同的光量。因此，现有的街道交通控制器的调光功能对LED替换灯无效。因此，存在着需要一种提供类似于白炽灯的调光功能的LED替代信号灯。

因此，人们希望提供一种系统，它解决了至少一些上述问题。

发明内容

如本文所述，示例性实施例克服了现有技术中已知的一个或多个上述或其它缺点。

示例性实施例的一个方面涉及一种LED灯组件。在一个实施例中，该LED灯组件，包括被配置为接收输入功率信号以及提供DC灯电流的电源，调光控制器，耦合到电源并且配置成调整DC灯电流，和LED灯，耦合到电源DC灯电流。调光控制器被配置成至少部分地基于所述输入功率信号来确定是否需要充分的亮度或暗淡的亮度。DC灯电流保持在第一电平，或当满亮度时所需的量，并在需要亮度变暗时在第二电平。

所公开的实施例的另一个方面涉及一种控制LED灯的亮度的方法。在一个实施方案中，该方法包括采样输入功率信号，确定输入功率信号中是否包含半波信号，测量输入功率信号的零电平的持续时间，比较零电平的持续时间与预定阈值的持续时间，并且如果零电平的持续时间不大于阈值的持续时间，或输入功率信号中不包含半波信号，则保持LED灯在全亮度。

公开实施例的另一个方面是针对改造含有调光节能的LED信号灯的白炽灯信号灯的流量控制信号的方法。在一个实施方案中，所述方法包括创建可调光的LED灯组件，其中所述的可调光的LED灯组件，被配置当施加全波功率信号时产生完整的亮度，并且当施加半波整流的功率信号时产生暗淡的亮度，包装所述的可调光的LED灯组件，使得其与白炽灯信号灯物理和电兼容，并且用封装的可调光的LED灯组件更换各个白炽灯信号灯。

附图说明

在附图中：

图1示出了可用于结合本发明的各方面的具有LED信号灯的交通照明控制系统的框图。

图2示出了显示可用于结合本发明的各方面的可用于交通照明控制系统的全波和半波功率的信号曲线图。

图3示出了可以用于检测包含本发明的各方面的交通照明控制系统的全波或半波功率信号的示例性方法。

图4示出了可以用于在结合了本发明的各方面的交通照明控制系统中的设置信号灯为全亮或调节亮度的示例性方法。

具体实施例

参考图1，示出了根据所公开的实施例的各方面的示例性交通照明或信令系统100的框图。所公开的实施例的方面涉及一种LED信号灯单元，其具有与现有标准的白炽信号灯兼容的电特性，并提供改造成使用现有的交通信号系统时的可调光操作，现有的交通信号系统使用全波或半波整流功率控制灯的亮度。LED灯单元106的起动功率限制器110和调光控制器109可以检测什么时候需要调光，并且相应地调整LED负载112的光输出。虽然这里所描述的实施例的方面通常关于交通信号灯，所公开的实施例并不仅限于此，也可有利地使用其他需要LED灯的调光控制的应用。

所公开实施例中的所述LED灯单元组件106通常包括LED负载112，电源单元108，其在一个实施例中包括调光控制器109，和起动功率限制器110。所述调光控制器109一般包括，耦合至微控制器或者同微控制器通信，所述微控制器包括处理器和可操作来检测什么时候由所述负载开关104提供的输入灯功率信号118是半波功率信号或全波功率的信号，并相应地将选定的暗淡的或明亮电平的直流电流122应用到LED负载112。在一个实施例中，调光控制器109包含微控制器和机器可读指令，其由包含在微控制器中的处理装置执行。微控制器可以包括小型通用计算机，其通常构建在包含处理器，存储器，以及可编程的输入/输出外围设备的单个集成电路或小电路板上。在一些实施例中，微控制器包括模拟-数字转换器，数字-模拟转换器，和/或在板上的可以用作频率计数器的计数器等。可替换地，调光控制器可包括模拟和/或数字电路，其被构造成暗淡的或全亮度测定，并提供信号来控制由电源调节部件提供给LED负载112的DC电流。那些本领域技术人员将容易地认识到，微控制器，处理设备，模拟电路，数字电路的各种组合可被用来构造调光控制器109，而不脱离本发明的精神和范围。

LED负载112通常包括布置在尺寸上类似白炽信号灯的圆形的单个LED的光元件阵列。示例性灯单元组件106符合白炽信号灯所需要的相同的电气和物理标准，因此可以直接地改型为包括街道交通控制器102和负载开关104的典型街道交通控制系统。图1所示的街道交通控制系统，通过需要全亮度时应用全波功率以及需要减弱亮度时应用半波整流功率，提供了灯单元的调光控制。示例性LED灯单元装置106检测施加的电源的变化，并据此调整LED负载112的亮度。

如图1所示，示例性交通信号系统100包括典型的街道交通控制器102提供调光指令信号114。调光指令信号114在三种状态之间交替，来将灯单元106关断，在暗淡的亮度操作灯单元106，或在全亮度操作灯单元106。调光控制信号114被施加到负载开关104，以控制和产生灯功率信号118。负载开关104接收AC输入电源116，并部分根据调光指令信号114产生灯功率信号118。交流输入功率116通常是由当地电源电网提供，并且可以包括在美国可用的120伏，60赫兹电源，在许多欧洲国家可用的50赫兹230伏电源，或其他合适的交流电源。当该调光控制信号114表示断开状态，由负载开关104所产生的灯功率信号118指示无电源状态。当调光指令信号114指示该灯具单元106应该在弱光等级导通，由负载开关104所产生的灯功率信号118是半波整流的交流输入功率，在本文中称为半波功率信号。当该调光控制信号114指示该灯具单元106应该在全亮度被导通时，负载开关104不通过整流直接将AC输入电源116应用到灯单元106。这是在本文中称为全波功率信号。典型的交通信号系统包括街道交通控制器102和负载开关104并且产生如上述的灯功率信号118。通过配置灯单元106在物理上和电上同典型的交通信号系统兼容，新的，更有效的和更长寿命的灯单元106可以很容易地改装到现有的交通信号系统中。

灯单元组件106从信号负载开关104接收灯功率信号118，并使用该灯的功率信号118驱动内部组件，比如电源单元108和调光控制器109，以及LED功率负载112。调光控制器109监控灯的功率信号118，以确定所需的灯的亮度水平。灯单元106还检测灯功率信号118是否包括半波整流AC功率信号或全波AC功率信号，并操作以相应地控制LED负载112的亮度。

灯功率信号118通过起动功率限制器110被容纳在灯单元106。该起动功率限制器110耦合在灯功率信号118和电源单元108之间并且控制和限制电流进入电源108，来保护灯单元106的内部组件免受损害。电源单元108可以包括储能元件，当首次施加电源时，吸收大电流。这些大的电流被称为浪涌电流。初始浪涌电流的大小可以超过各部件的安全限制，并且降低灯单元106的寿命。该起动功率限制器110被配置为限制浪涌电流和任何其他可能存在的电流尖峰。通过防止流进或流出电源的电流幅度，或量超过预定值，从而避免电源单元108中各个部件的损坏。电流的量或值在这里被称为电流量，比如电流安培的数量。该起动功率限制器110的一个额外的好处是，它也被配置为过滤掉可能包含在灯的功率信号118中的噪声和高次谐波失真。设计一个负载开关，如负载开关104时，典型负载开关成本通常很大，往往会产生非常嘈杂和变形的灯功率118。浪涌限制器110过滤灯功率118，从而产生实质上“干净”的功率信号120，即具有相对低噪声和低谐波失真的信号。

如图1所示，来自于浪涌限制器的功率信号120发送到电源单元108。电源单元108接收功率信号120并产生灯电流122，其用于LED负载照明。在一个实施例中，电源单元108可以包括各种功率调节元件，比如例如桥式整流器，开关稳压器，功率因数控制器，电磁兼容滤波器，隔离变压器，输出整流器和/或输出滤波器(未示出)。所属领域的技术人员将很容易认识到，任何电源单元108，其能够将功率信号120转换成DC灯电流122，都在本公开的精神和范围内。电源单元108被配置为保持至少两个不同等级的直流灯电流122。灯电流的第一等级，或量，将产生从LED负载112输出的明亮的光，以及灯电流的第二等级或量，将产生来自于LED负载112的暗淡的光输出。

调光控制器109可以被包括在电源单元108中或可替换地是可耦合到电源单元108的独立单元。在任一配置中，调光控制器109被配置为控制电源单元108，以使得直流灯电流122维持在明亮或暗淡的量。在一个实施例中，调光控制器109包括微控制器，其被配置为分析功率信号120，以确定街道交通控制器102是否需要全亮度或暗淡的亮度。当街道交通控制器需要全亮，其发出调光控制信号114至负载开关104，指示全亮。这导致负载开关104产生全波功率信号118，被提供给电源单元108作为完全的全波功率信号120。当街道交通控制器102需要暗淡的LED的光输出，其产生调光控制信号114，指示暗淡的光输出，从而产生提供给电源单元108的半波功率信号120。调光控制器109监测功率信号120来确定是否需要全亮或暗淡的亮度，并且调整电源108产生必要的灯电流122以达到所需的亮度。如下将更详细地描述，调光控制器109监测从功率信号120产生的零电平检测的频率，并且为了确定是否需要全亮度或暗淡的亮度，测量零电平产生的周期和持续时间。

图2示出示例性的功率信号120，显示为全波功率信号202和半波功率信号204。这些图显示了沿着纵轴的电压和沿着横轴的时间。参照图1和2，功率信号120由电源单元108接收，其产生负载电流122，并且还被调光控制器109使用，来确定交通控制系统100是否需要全亮度或暗淡的亮度。如上所述，当需要全亮度时，负载开关104提供全波功率信号120给灯单元106，如全波功率信号202所示。当需要亮度变暗时，将半波功率信号204提供给灯单元106。通常供应的全波202功率信号120位于大约50赫兹和大约60赫兹(每秒的周期)之间，取决于交流输入116的频率，其典型地连接至本地电网。全波202功率信号120产生一系列位于大约100至120赫兹等级的零电平检测触发206。当提供50赫兹电网时，检测触发206大约100赫兹，并且当提供60赫兹电网时，大约120赫兹。半波功率信号204以大约50赫兹至约60赫兹，或约该全波功率信号生成它们的速率的一半，产生零电平检测触发206。60赫兹到100赫兹之间的阈值频率水平，比如80赫兹，例如，可用于在全波202和半波204功率信号120二者之间的区分。通过测量频率，或可替换地，测量周期，其中周期是供电电压产生的零电平检测触发206系列的频率的倒数，如果功率信号120是全波202或半波204功率信号，则其可被预测。另外，测量功率信号120的瞬时供电电压等级来检测什么时候延长的零电平208存在于每个周期。当确定亮度时，测量零电平持续时间并且包括这种测量，改进了全波或半波预测的可靠性。

在一个实施例中，电源单元108包括电路(未示出)，每次当功率信号变为零时，其产生零电平触发脉冲206。这些零电平触发脉冲206输入到包括在调光控制器109中的微控制器，其中确定所需的调光等级。在某些实施例中的电路，例如计数器电路，用于测量触发脉冲和提供给微控制器的周期之间的周期，或可替代地，该功率信号120可以作为数字功率信号直接提供给微控制器，比如例如，通过模拟-数字转换器，并且微控制器可以被配置为定位该过零触发206本身，以帮助判断全亮度或暗淡的亮度。在一个实施例中，微控制器还被配置为监视功率信号120保持在零电平208时时间的总量。零电平208的持续时间可以要么通过在微控制器中执行的指令或由调光控制器109中包括的其他电路来获得，其提供测量持续时间给微控制器。如下将更详细地描述，电源单元108使用零电平触发206的频率和零电平208的持续时间来做出关于全亮度或暗淡亮度的测定。

如图1所示，当交通信号控制器102需要全亮度，全波功率信号被施加到灯单元106，并且当控制器102需要暗淡的亮度时，半波功率信号被施加到灯单元106。因此该示范性灯单元监测所施加的功率信号118，并设置相应的灯的亮度。图3和图4示出了确定图1中灯单元106是否应该被设定为全亮度或暗淡的亮度的示例性方法。如图3所示的示例性方法，确定306施加给灯单元106的功率信号118是全波或半波功率信号。如图4所示的示例性方法，确定306使用伴随零电平持续时间316的半波/全波的结果，来确定灯单元106是处于全亮度或暗淡的亮度。如图2和3所示，302接收零电平触发206系列以及计数器用于确定304零电平触发206之间的周期。通常情况下，零电平触发系列中的每对零电平触发之间的时间不是常数。在这样的情况下，特定实施例可平均或使用其他技术来去除噪声和其他来自于周期测量的不稳定性。测量周期然后同阈值比较306，来确定比如功率信号是否为全波或全周期功率信号308，即周期不大于阈值，或半波功率信号310，即周期大于阈值。确定功率信号120为全波信号308还是半波信号310，然后用于确定全亮度/暗淡的亮度。通常的电网频率为50赫兹或60赫兹，尽管任何交流输入电源频率可通过调整阈值来调节，该阈值用于评估零电平持续时间和零电平触发周期。

图4示出了可用于确定全亮度/暗淡的亮度的方法的实施例。确定初始，采样输入电压312。输入电压可以是从负载开关104接收到的模拟输入功率信号118或可选地它可以是例如使用模拟数字转换器生成的模拟功率信号的数字代表。采样通常包括周期性间隔的功率信号的瞬时电压。采样用于测量314零电平的持续时间208。参照图2，零电平的持续时间208是功率信号118保持在或接近零伏的时间的量。零电平的持续时间208然后与阈值的持续时间比较316。当零电平持续时间208不大于阈值时间，则功率信号很可能是全波信号并且灯单元106应该处于全亮度326。当零电平持续时间208大于阈值时间，则功率信号118可能是半波信号并且考虑周期确定306的结果。如果确定为半波310，那么灯单元106设定为暗淡的亮度320，否则灯单元106设定为全亮度322。因此，当触发的周期和零电平持续时间大于它们相应的阈值时间，306，316，318，那么功率信号很可能为半波信号，指示交通控制器需要暗淡的亮度并且调光控制器109将灯单元106设置为暗淡的亮度320。

在一个实施例中，如图3和图4所示的流程以指令的形式存储在微控制器的存储器中，或其它计算设备并且由微控制器或其他计算设备的处理器运行。在替代实施例中，图3和图4的处理可以由模拟和数字电路或模拟和数字电路的组合，以及微控制器指令来执行。

因此，虽然已经示出，描述并指出了如应用于本示例性实施例，本发明的基本新颖特征，但应理解的是各种省略，替代和改变的形式和示出的设备的细节，以及它们的操作，可以由本领域技术人员在不脱离本发明的精神的情况下作出。此外，明确预期的那些元件和/或方法步骤，其在基本上相同的方式达到相同的结果执行基本相同的功能，所有的组合都在本发明的范围之内。此外，应当认识到，，作为设计选择的一般问题，结构和/或元件和/或方法步骤示出和/或与任何公开的形式或本发明的实施例描述可以和任何其他公开的或描述的或建议的形式或实施例结合。因此，其意图仅由所附的权利要求的范围限定。

Claims (13)

1.一种LED灯组件，所述组件包括：

电源，配置为接收输入功率信号并且提供DC灯电流；

调光控制器，耦合至电源并且配置为调整DC灯电流；和

LED灯，耦合至DC灯电流，

其中调光控制器配置为至少部分基于输入功率信号确定是否需要全亮度或暗淡的亮度，并且当需要全亮度时DC灯电流保持在第一量并且当需要暗淡的亮度时DC灯电流保持在第二量；

所述调光控制器进一步配置为：

确定输入功率信号是否包含半波信号；

测量输入功率信号的零电平持续时间；

当零电平持续时间不大于预设阈值时间，或者输入功率信号不包含半波信号时，LED灯电流保持在第一量；或者

当零电平持续时间大于预设阈值时间，并且输入功率信号包含半波信号时，LED灯电流保持在第二量。

2.一种如权利要求1所述的LED灯组件，包括浪涌限制器，耦合在输入功率信号和电源之间，其中浪涌限制器配置为防止浪涌电流超过预设量。

3.一种如权利要求2所述的LED灯组件，其中浪涌限制器进一步配置为滤波和清洁输入功率信号。

4.一种如权利要求1所述的LED灯组件，其中LED灯包括一个或多个LED元件。

5.一种如权利要求1所述的LED灯组件，其中LED灯组件配置为物理地和电性地同电流白炽信号灯兼容。

6.一种如权利要求1所述的LED灯组件，其中确定输入功率信号是否包括半波信号包括：

从输入功率信号产生零电平触发序列；

测量零电平触发序列中每对零电平触发之间的周期；并且

当周期大于阈值时间时，确定输入功率信号包括半波信号。

7.一种如权利要求1所述的LED灯组件，其中调光控制器包括模拟数字转换器，处理器和存储器，并且进一步配置为：

通过采用模拟数字转换器采样输入功率信号，从输入功率信号提供数字化功率信号转换器；

测量数字功率信号的零电平持续时间；

当零电平持续时间不大于预设阈值时间，或者输入功率信号不包含半波信号时，LED灯电流保持在第一量；并且

当零电平持续时间大于预设阈值时间，并且输入功率信号包含半波信号时，LED灯电流保持在第二量。

8.一种如权利要求7所述的LED灯组件，其中确定输入功率信号是否包括半波信号包括：

从数字化功率信号产生零电平触发序列；

测量零电平触发序列中每对零电平触发之间的周期；并且

当周期大于阈值时间时，确定输入功率信号包括半波信号。

9.一种控制LED灯的亮度的方法，该方法包括：

采样输入功率信号；

确定输入功率信号是否包括半波信号；

测量输入功率信号的零电平持续时间；

比较零电平持续时间和预设阈值持续时间；当零电平持续时间不大于阈值持续时间，或者输入功率信号不包含半波信号时，LED灯保持在全亮度；或者

当零电平持续时间大于阈值持续时间，并且输入功率信号包含半波信号时，LED保持在暗淡的亮度。

10.一种如权利要求9所述的方法，其中确定输入信号是否包含半波信号包括：

从输入功率信号产生零电平触发序列；

测量零电平触发序列中每对零电平触发之间的周期；并且

当周期大于阈值时间时，确定输入功率信号包括半波信号。

11.一种如权利要求9所述的方法，其中输入功率信号是数字信号并且采样输入功率信号包括：

接收模拟功率信号；

使用模拟数字转换器将模拟功率信号转变为数字输入功率信号；并且

采样数字输入功率信号来产生输入功率信号。

12.一种改造交通控制信号的方法，控制信号包括带有可调光节能信号灯的白炽信号灯，该方法包括：

提供可调光LED灯组件，其中可调光LED灯组件配置为当施加全波功率信号时产生全亮度并且当施加半波功率信号时产生暗淡的亮度；

封装可调光LED灯组件，使得物理地和电性地同白炽信号灯兼容；并且

用封装的可调光LED灯装置替换每个白炽信号灯。

13.一种如权利要求12所述的方法，其中可调光LED灯组件包括：

电源，配置为接收输入功率信号并且提供DC灯电流；

调光控制器，耦合至电源并且配置为调整DC灯电流；和

LED灯，耦合至DC灯电流，

其中调光控制器配置为至少部分基于输入功率信号，确定是否需要全亮度或暗淡的亮度，并且当需要全亮度时保持DC灯电流在第一量，当需要暗淡的亮度时保持DC灯电流在第二量。