CN105188233B - 单相桥式交流通信及供电装置及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种单相桥式交流通信及供电装置及其控制方法，在交流电输出端和电源模块之间设置开关控制模块，开关控制模块包括桥式开关控制单元和开关控制器，桥式开关控制单元包括至少一个桥式电路，桥式电路的两个输入端连接在单相交流电的两个输出端上，若干电源连接在桥式电路的两个输出端之间，能够通过电力线进行通信，信号幅度大进而通信稳定，适合传递较少数据量，适合低频次通信，适合分组控制，灯具侧的电源只需拓展内部的单片机的功能即可实现，实现简单可靠，成本低。

Description

单相桥式交流通信及供电装置及其控制方法

技术领域

本发明涉及通信控制领域，尤其涉及一种单相桥式交流通信及供电装置及其控制方法。

背景技术

在户外电源应用领域及需要简单传递控制信息的供电系统应用领域，如LED路灯、隧道灯或其他传统灯具等应用领域，由于供电线路较远且存在诸多不确定因素，一般通过市电交流电对灯具中的电源进行供电，而通过单独的通信装置或线路进行通信及控制。例如LED路灯应用时，需要每隔几个小时对路灯的亮度进行调节，即所谓的调光，该方式由于可以实现二次节能，具有重大的经济及社会意义。调光控制方式主要有四类：通过单独的调光线进行模拟或数字的控制方式（如：0-10V模拟电压控制/PWM数字量控制/RS-485数字通信控制）；通过无线通信进行调光及控制方式，如Zigbee通信及控制；不需要单独线路而通过电力线进行通信的方式，如PLC电力载波通信；通过灯具内部的定时器进行定时控制；这些通信实质上都是对灯具里面的电源进行通信及控制。

通过单独的调光线的控制方式技术实现简单，可实现对某一组灯一起控制，即分组控制，比如一条0-10V的调光线可以控制多达200盏以上的灯，但在工程应用的时候尤其是旧线路改造的时候存在施工布线难，布线距离远，线材成本高的弊端，并且调光线路抗感应雷干扰的能力很差，可靠性不高。PLC电力载波通信方式：目前通过在每个电源上（即每杆灯上）加装电力载波通信模块即单灯控制器实现通信及控制功能，优点是可传递的信号量非常大，信号双向传递，传输速度快，信号通过交流供电线传递，无需重新施工布线，无多余的线材成本；但单灯控制器成本高而复杂，信号幅值太小，易受干扰，通信可靠性低，当灯具数量较多，单灯控制器数量也同样多，总成本非常高。若将电力载波通信集成到电源里面，不但存在电力载波芯片及耦合解码电路成本高的问题，还会存在电力载波通信频率跟开关电源内部工作频率高度重合而会被干扰的问题，带来的EMI电磁兼容问题很难处理，设计难度高，至今尚未有实际产品批量应用。无线通信（如Zigbee）存在成本高、通信不稳定、通信距离短的问题，也需要在灯上附加无线通信装置及天线。若将无线通信集成到电源内，因为户外电源带有防水型铝壳，必须从铝壳伸出一根天线，防水及结构方面难度大、成本也高。三者的共同特点是都需要附加成本比较高的物料或装置。定时调光：定时器在电源上电的时候开始工作，经过设定的时间段后，即调整电源内部的电流以达到所需的亮度，优点是成本非常低，不需外接线材、控制器等，但由于无法跟外部通信，一旦设定定时策略，不能变更，因此不适合冬季夏季夜间时间长度差异较大的路灯应用，也不适合隧道灯等应用。工程应用最核心的需求是基于调光的二次节能，该需求只需对某些路段或者某组灯进行统一调整（分组控制），并不需要对单灯进行逐个控制；调光时信号量很小，只需发出简单的调光百分比信号；调光间隔长，一般每隔几个小时调整一次；因此调光应用的需求是：信号量极小，信号传递次数少，需要调整的时候才需要通信，可预先定制调光定时控制策略而在通信的时候一次写入到电源内部存储器，不需要单灯控制而只需分组控制，尽量避免重新布线；上述四种方式中，通过调光线进行控制的方式比较符合调光需求，PLC通信及无线通信大大超过了实际需求，而定时调光不能满足通信调整的需求，应用不多。

发明内容

针对上述方案的缺点，本发明提出一种可通过桥式整流及开关切换控制的交流AC线进行通信的单相桥式交流通信及供电装置及其控制方法，特点是能够通过电力线进行通信，信号幅度大进而通信稳定，无多余线材成本，适合传递较少数据量，适合低频次通信，适合分组控制，灯具侧的电源只需拓展内部的单片机的功能即可实现，实现简单可靠，成本低，经济效益非常显著。

本发明包括交流电输出端和连接在所述的交流电输出端的电源模块，所述的电源模块包括若干电源，所述的交流电输出端和所述的电源模块之间设置开关控制模块，所述的开关控制模块包括桥式开关控制单元、开关控制器，所述的桥式开关控制单元包括至少一个桥式电路，所述的桥式电路的两个输入端连接在所述的单相交流电的两个输出端上，所述的若干电源连接在所述的桥式电路的两个输出端之间。

进一步地，所述的桥式电路的两个输出端与所述的若干电源之间分别连接第一双向开关S1和第二双向开关S2，所述的第一双向开关S1和第二双向开关S2的控制端分别与所述的开关控制器的同侧两个输出端相连。

进一步地，所述的两个交流电输出端与所述的若干电源之间分别连接第三双向开关S3和第四双向开关S4，所述的第三双向开关S3和第四双向开关S4的控制端分别与所述的开关控制器的另一侧两个输出端相连。

进一步地，所述的电源模块并联防雷电路或滤波电路。

进一步地，所述的桥式电路包括串接在桥臂上的电子元件，所述的电子元件包括双向开关，或二极管，或晶闸管，或场效应管，或晶体管，或构成双向开关形式或者构成单向整流形式的上述各种开关管的组合。

进一步地，所述的第三双向开关S3和第四双向开关S4分别包括至少两个反向连接的或者构成双向导通形式的MOSFET，或IGBT，或晶闸管。

进一步地，所述的第三双向开关S3 并联第三开关S3’，所述的第四双向开关S4并联开关S4’，所述的第三开关S3’和第四开关S4’的控制端分别与所述的开关控制器区别于同侧两个输出端、另一侧两个输出端的另外两个异侧输出端相连。

一种单相桥式交流通信及供电控制方法，

S1、通过控制所述的开关控制器的控制时序控制连接在桥式电路输出端的开关和交流电输出端的开关的导通和关断状态；

S2、定义所述双向开关S1、S2、S3、S4的导通状态的组合输出的波形为控制指令，控制指令通过数字芯片解码成为数字信号传达给电源模块。

本发明的有益效果是：本发明通过将交流供电线路输入端加入桥式电路及其控制模块，通过控制交流电的短时间波形变化来达到简单通信的目的。供电输入端加入交流通信装置后，可以通过供电控制终端对交流通信装置进行控制以传递模拟或数字信息，电源侧（或者进一步说灯具侧）可以通过内置的单片机、MCU、DSP等数字芯片进行采样及解码或存储，响应控制指令。同时各个电源可设置分组或单独设定地址，实现点对点的控制及分组控制。电源内部的数字芯片实现简单，成本低；同时由于是大信号传递信息，抗干扰能力强，通信可靠性高。本发明属于单向通信，在LED电源领域，控制方式及功能与通过模拟调光线进行调光控制的方式类似，但无多余的工程施工成本及线材成本，几乎不会增加电源的成本，无雷击干扰隐患，实现了分组控制，并吸收了定时调光的优点，最大限度的满足了实际工程需要。采用该种方式进行数字信号传递，一方面保证了任一电源仍可在通信时正常工作，另一方面由于传递的信息量较小（如调光百分比信号），通信速度可以满足使用要求，并且通信可靠性很高，同时本发明采用桥式电路，结合开关的时序式控制，切换过程中对电网侧和电源侧均无干扰，且正常供电时不会产生功率损耗，成本极低，可靠性很高，满足调光应用方面的需求。

附图说明

图1是本发明实施例一的电路原理图。

图2是为正常的市电波形图。

图3是图1中当第一双向开关S1和第二双向开关S2导通，第三双向开关S3和第四双向开关S4关断时电源侧的波形图。

图4是图2一个周期的波形图。

图5是图3一个周期的波形图。

图6是图1中的二极管采用可控硅替换的电路原理图。

图7是本发明桥式电路的最简形式的电路原理图。

图8是本发明实施例一的一种拓展形式的电路原理图。

图9是本发明中的双向开关单元的第一类替换形式。

图10是本发明中的双向开关单元的第二类替换形式。

具体实施方式

以下结合附图，对本发明的技术方案作进一步的描述，但本发明并不限于这些实施例。

如图1-8所示，发明包括交流电输出端和连接在所述的交流电输出端的电源模块，所述的电源模块包括若干电源，所述的交流电输出端和所述的电源模块之间设置开关控制模块，所述的开关控制模块包括桥式开关控制单元、开关控制器，所述的桥式开关控制单元包括至少一个桥式电路，所述的桥式电路的两个输入端连接在所述的单相交流电的两个输出端上，所述的若干电源连接在所述的桥式电路的两个输出端之间。

所述的桥式电路的两个输出端与所述的若干电源之间分别连接第一双向开关S1和第二双向开关S2，所述的第一双向开关S1和第二双向开关S2的控制端与所述的开关控制器的同侧两个输出端相连。

所述的两个交流电输出端与所述的若干电源之间分别连接第三双向开关S3和第四双向开关S4，所述的第三双向开关S3和第四双向开关S4的控制端分别与所述的开关控制器的另一侧两个输出端相连。

所述的电源模块并联防雷电路或滤波电路。

所述的桥式电路包括串接在桥臂上的电子元件，所述的电子元件包括双向开关，或二极管，或晶闸管，或场效应管，或晶体管，或构成双向开关形式或者构成单向整流形式的上述各种开关管的组合。

所述的第三双向开关S3和第四双向开关S4分别包括至少两个反向连接的或者构成双向导通形式的MOSFET，或IGBT，或晶闸管。

所述的第三双向开关S3 并联第三开关S3’，所述的第四双向开关S4并联开关S4’，所述的第三开关S3’和第四开关S4’的控制端分别与所述的开关控制器区别于同侧两个输出端、另一侧两个输出端的另外两个异侧输出端相连。

一种单相桥式交流通信及供电控制方法，

S1、通过控制所述的开关控制器的控制时序控制连接在桥式电路输出端的开关和交流电输出端的开关的导通和关断状态；

S2、定义所述双向开关S1、S2、S3、S4的导通状态的组合输出的波形为控制指令，控制指令通过数字芯片解码成为数字信号传达给电源模块。

需要说明的是，本发明中所述的双向开关均可以以串联或并联开关组合的形式体现。

实施例一，如图1所示，当位于远端的电源模块的电源正常工作时，第三双向开关S3和第四双向开关S4导通，第一双向开关S1和第二双向开关S2关断。第一双向开关S1、第二双向开关S2、第三双向开关S3和第四双向开关S4可以为空气开关、继电器、断路器、接触器并联高速双向电子开关的形式，也可以为高速双向电子开关的形式，如图9-10所示为常见的几种，包括但不限于上述几种，还可能包括继电器、接触器以及一些新型电力电子开关器件，构成高速双向开关形式即可。所述的高速电子开关指开关的切换速度在10ms以内。当需要通信时，第三双向开关S3和第四双向开关S4为一组，第一双向开关S1和第二双向开关S2为一组，两组开关按照一定的开关控制时序进行通断，例如：第三双向开关S3和第四双向开关S4导通一个市电工频周期（一般为50Hz或60Hz）后关断，之后立即导通第一双向开关S1和第二双向开关S2，第一双向开关S1和第二双向开关S2导通一个工频周期后，再导通第三双向开关S3和第四双向开关S4。二组之间切换时有一定的换向重叠时间或死区时间，目的是保持电压连续及避免瞬时直通。第三双向开关S3和第四双向开关S4导通，第一双向开关S1和第二双向开关S2关断，此时电源侧为正常的市电波形，如图2所示。当第一双向开关S1和第二双向开关S2导通，第三双向开关S3和第四双向开关S4关断时接到电源侧的波形为整流后的正半波，如图3所示。若定义图4即第三双向开关S3和第四双向开关S4导通一个周期的波形为数字量0，定义图5，即第一双向开关S1和第二双向开关S2导通一个周期的波形为数字量1，则可以推定，只要按照一定的通信协议将通信数据中的二进制数据按照0和1的形式转换成第一双向开关S1和第二双向开关S2以及第三双向开关S3和第四双向开关S4的导通及关断工作模式，就可以传递通信信息，并维持各个负载电源正常工作。一般第一双向开关S1，第二双向开关S2，第三双向开关S3，第四双向开关S4的导通和关断时刻发生在交流过零点处，易于实现，切换过程中无干扰。结合电源内部一般包含整流桥等整流装置，该桥式交流通信及供电装置不会对电网及电源产生干扰，不会导致电源工作异常。通信速度较低，恰恰适合对于调光通信等只要求简单通信信息且不需要实时性较高的场合。

图1中的桥式电路桥臂上的电子元件，可以是双向开关，或二极管，或晶闸管，或场效应管，或晶体管，或构成双向开关形式或者构成单向整流形式的上述各种开关管的组合。此处在实施例一种选用二极管D1-D4，二极管D1-D4可以串联双向开关或单向开关，或者D1-D4被单向开关、双向开关替代，同样可以实现类似的整流功能。进一步，为避免电网供电异常导致的失效风险，图1中的各二极管串联任何单向或者双向开关器件还可以保证二极管失效短路等故障情况下将该装置脱离.

图7给出了更为基本的形式，图中所示S11，S12，S13，S14分别为双向可控开关或者快速、慢速开关串联及快速、慢速开关并联的形式。在电源正常供电时， S11和S13导通，S12和S14关断；在需要进行通信时，S11，S12，S13，S14则按照一定的开关策略形成整流波形（如图5或图3所示）与交流波形（如图2或图4所示）交替出现的情形，以此进行通信。所述交替出现的波形可以是图4或图5所示的一个周期的波形，也可以是其他开关控制方式下产生的波形，比如切相角方式产生的部分工频周期不导通、部分工频周期导通的波形；

所接的电源至少为一个。

图8给出了实施例一在实际应用时的一个更为具体实现，其中包含了防雷滤波电路和输入处用于切断整个线路的开关S5（常用空气开关或断路器等）。当工作于通信模式第三开关S3和第四开关S4关断，反向连接的MOSFET电子开关管MOS1，MOS2，MOS3，MOS4用于高速的控制电路波形变化。图中的双向开关S21-S24负责进行通信控制，可以用继电器并联反向连接的MOSFET实现，也可以用继电器串联反向连接的MOSFET实现，图中省略了图1中第一双向开关S1和第一双向开关S2，根据串并联关系，采用了双向开关S21-S24进行了替代。

本发明不单适用于LED照明领域，其他领域亦可应用。

该装置用于三相供电，具有3根中性线（N线）的形式也在本发明声明之列。用于三相供电时，开关控制模块可单独配置，也可集成到一起。所述的防雷滤波电路亦可。

本发明所提及的双向开关单元，如图1-7所示的拓扑中的双向开关单元，可以用图9中的“A-L,a-z，α-γ”和图10中“A-D”所示的具体开关形式替代，并可以以图9-10中任意开关串联、并联、串并联形式替代。图9-10中的开关双向开关单元可以是MOSFET（金属氧化物半导体场效应晶体管）、Diode（二极管）、JFET（结型场效应管）、IGBT（绝缘栅双极晶体管）、GTO（可关断晶闸管）、BJT（双极结型晶体管）、Thyristor（晶闸管）、IGCT（集成门极换流晶闸管）、TRIAC（三端双向交流开关）、双向晶闸管、relay（继电器）、Contactor（接触器）、空气开关、固态继电器等。

图6给出了另一种实现形式。其中可控硅即晶闸管的导通是可控的，在不参与通信时可控硅是关断的，在进行通信时可控硅THY1-4不但实现图1中二极管整流的功能，而且在第三开关S3和第四开关S4导通的时候实现阻断功能，避免出现直通等异常问题。

除此之外，需要说明的是，本发明的电路中尤其是双向开关组合结点到电源供电线路之间增加电感、电容滤波电路、防雷电路等亦在权利要求范围之内；通信编码、切换时序并不局限于实施例一所示的形式。

本文中所描述的具体实施例仅仅是对本发明精神作举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。

Claims (6)

1.一种单相桥式交流通信及供电装置，包括两个交流电输出端和连接在所述的两个交流电输出端的电源模块，所述的电源模块包括若干电源，其特征在于：所述的两个交流电输出端和所述的电源模块之间设置开关控制模块，所述的开关控制模块包括桥式开关控制单元、开关控制器，所述的桥式开关控制单元包括至少一个桥式电路，所述桥式电路设有两个桥式电路输入端和两个桥式电路输出端，所述的两个桥式电路输入端分别连接在所述两个交流电输出端上，所述的若干电源连接在所述的两个桥式电路输出端之间；所述的两个桥式电路输出端与所述的若干电源之间分别连接第一双向开关S1和第二双向开关S2，所述的第一双向开关S1和第二双向开关S2的控制端分别与所述的开关控制器的同侧两个输出端相连；所述的两个交流电输出端与所述的若干电源之间分别连接第三双向开关S3和第四双向开关S4，所述的第三双向开关S3和第四双向开关S4的控制端分别与所述的开关控制器的另一侧两个输出端相连。

2.根据权利要求1所述的单相桥式交流通信及供电装置，其特征在于：所述的电源模块并联防雷电路或滤波电路。

3.根据权利要求1所述的单相桥式交流通信及供电装置，其特征在于：所述的桥式电路包括串接在桥臂上的电子元件，所述的电子元件包括双向开关，或二极管，或晶闸管，或场效应管，或晶体管，或构成双向开关形式或者构成单向整流形式的上述各种开关管的组合。

4.根据权利要求1所述的单相桥式交流通信及供电装置，其特征在于：所述的第三双向开关S3和第四双向开关S4分别包括至少两个反向连接的或者构成双向导通形式的MOSFET或IGBT或晶闸管。

5.根据权利要求4所述的单相桥式交流通信及供电装置，其特征在于：所述的第三双向开关S3 并联第三开关S3’，所述的第四双向开关S4并联第四开关S4’，所述的第三开关S3’和第四开关S4’的控制端与所述开关控制器区别于同侧两个输出端、另一侧两个输出端的另外两个异侧输出端相连。

6.一种权利要求1所述的单相桥式交流通信及供电装置的控制方法，其特征在于：

S1、通过控制所述的开关控制器的控制时序控制连接在桥式电路输出端的开关和交流电输出端的开关的导通和关断状态；

S2、定义所述双向开关S1、S2、S3、S4的导通状态的组合输出的波形为控制指令，控制指令通过数字芯片解码成为数字信号传达给电源模块。