CN105873304B

CN105873304B - 一种交流直驱的智能调光led节能路灯

Info

Publication number: CN105873304B
Application number: CN201610401483.5A
Authority: CN
Inventors: 米永胜; 涂金龙
Original assignee: Nanjing Communications Institute of Technology
Current assignee: Ningbo Kangyan Lighting Appliance Co ltd
Priority date: 2016-06-10
Filing date: 2016-06-10
Publication date: 2018-06-26
Anticipated expiration: 2036-06-10
Also published as: CN105873304A

Abstract

一种交流直驱的智能调光LED节能路灯，包括输入保护单元[1]、整流单元[2]、交流直驱控制器[3]、光敏传感器[4]、智能调光单元[5]、能量缓冲单元[6]、LED单元[7]。交流直驱控制器根据整流后的脉动电压的瞬时值的大小，驱动不同组的LED发光。智能调光单元将光敏传感器检测的环境照度转换为数字信号，并判断当前是正常开灯还是白天维护检测开灯，由此确定是否需要调用调光曲线。其优点是使用交流直驱控制器，不需要大容量的滤波电容，高功率因数和效率高，发热量小，可靠性高。具有能量缓冲单元，克服了交流直驱LED的闪烁现象。能按程序设定的曲线进行调光，有利于深度节能。

Description

一种交流直驱的智能调光LED节能路灯

技术领域

本发明涉及一种LED照明灯，特别是一种交流直接驱动的智能调光LED节能路灯，属于电气照明节能技术领域。

背景技术

LED(发光二极管)是一种新型光源，具有耗电小、亮度高、体积小、重量轻、寿命长等优点。用LED作为光源的路灯具有可见度好、节能省电、反应快等优点，逐步取代白炽灯、卤钨灯、汞灯、钠灯、金卤灯等。但目前使用交流市电的LED路灯通常需要整流滤波，而滤波需要较大容量的电容器，体积大，寿命短，并且整流滤波所形成的脉冲电流谐波含量大，降低了灯具的功率因数，影响了LED灯具的性能。

此外，目前大功率LED的应用，散热和成本是需要解决的问题，提高效率是降低发热的有效途径。

发明内容

本发明的目的在于提出一种交流直驱的智能调光LED节能路灯，不需要滤波电容和变压器，采用高性能的集成电路精确控制LED电流，有效降低谐波含量，提高效率与功率因数，降低灯具的发热量和体积，并且在满足道路照度的前提下，按照节能曲线自动调光节能。

本发明是这样实现的：一种交流直驱的智能调光LED节能路灯，包括：输入保护单元[1]、整流单元[2]、交流直驱控制器[3]、光敏传感器[4]、智能调光单元[5]、能量缓冲单元[6]、LED单元[7]；其中：

输入保护单元［1］：为LED路灯提供过电流或短路保护及吸收浪涌电压，与整流单元［2］构成电气连接；

整流单元［2］：将交流输入电压进行全波整流，为交流直驱控制器及LED提供单向脉动电压，与整流单元[2]及交流直驱控制器[3]构成电气连接；

交流直驱控制器［3］：根据整流后的脉动电压的瞬时值的大小，驱动不同组的LED发光，与整流单元[2]、智能调光单元[5]及能量缓冲单元[6]、LED发光单元[7]构成电气连接；

光敏传感器[4]：用于感受环境光照度，与智能调光单元[5]构成电气连接；

智能调光单元[5]：与交流直驱控制器［3］及光敏传感器[4]构成电气连接，作用是将光敏传感器[4]检测的环境照度转换为数字信号，并判断当前是正常开灯还是白天维护检测开灯，由此确定是否需要调用调光曲线；若是正常开灯，则按输入电压瞬时值的大小及程序设定的调光曲线产生合适的PWM电压信号，向交流直驱控制器［3］输出变化的PWM控制信号，通过交流直驱控制器［3］控制LED单元[7]的亮度变化，实现LED的调光；若白天为了维护检测而开灯，则仅向交流直驱控制器［3］输出固定的高电平信号。

能量缓冲单元[6]：缓冲LED的电流变化，平滑LED的亮度，与交流直驱控制器［3］及LED单元[7]构成电气连接；

LED单元[7]：由若干只LED发光器件构成，对LED进行分组控制，每组LED发光功率的大小受交流直驱控制器［3］控制，与交流直驱控制器［3］及能量缓冲单元[6]构成电气连接。

所述的LED单元由m组LED发光器件构成，m为正整数，每组LED含有并联的n条支路，n为正整数，每条支路有k只LED发光二极管串联组成LED灯串，k为正整数，每组LED由交流直驱控制器［3］按输入电压瞬时值的大小及程序设定的调光曲线以PWM的方式驱动发光。

本发明是按照上述构思使用上述单元部件组合而成，其工作原理是：输入的交流电压经输入保护单元后进行全波整流，整流后的脉动电压向交流直驱控制器供电，由交流直驱控制器精确控制各LED灯串的电流。智能调光单元根据光敏传感器检测的环境照度判断当前是正常开灯还是白天维护检测开灯，由此确定是否需要调用调光曲线；若是正常开灯，则按输入电压瞬时值的大小及程序设定的调光曲线产生合适的PWM电压信号，向交流直驱控制器输出变化的PWM控制信号，通过交流直驱控制器实现LED的调光；若白天为了维护检测而开灯，则仅向交流直驱控制器输出固定的高电平信号，此时不按曲线调光。

本发明的优点及效果：

(1)使用交流直驱控制器，不需要大容量的滤波电容，且外部元件少，因而成本较低、可靠性高。

(2)利用集成电路的交流直驱控制器来精确控制各灯串的电流，让总电流接近正弦波形，可提高功率因数和效率，发热量小，性能好。

(3)具有能量缓冲单元，克服了交流直驱LED的闪烁现象。

(4)能自动判断正常开灯与维护检测开灯，并能按程序设定的曲线进行调光，有利于深度节能。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

图1是本发明的电路原理方框图。

图2是实施例的基于交流直驱控制器的主电路原理图。

图3是实施例的光敏传感器及智能调光单元电路原理图。

图4是实施例的一种调光曲线图。

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，对本发明作进一步的详细说明，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。

请参看图1，一种交流直驱的智能调光LED节能路灯，包括：输入保护单元[1]、整流单元[2]、交流直驱控制器[3]、光敏传感器[4]、智能调光单元[5]、能量缓冲单元[6]、LED单元[7]。输入保护单元［1］为LED路灯提供过电流或短路保护及吸收浪涌电压，与整流单元［2］构成电气连接。整流单元［2］将交流输入电压进行全波整流，为交流直驱控制器及LED提供单向脉动电压，与整流单元[2]及交流直驱控制器[3]构成电气连接。交流直驱控制器［3］根据整流后的脉动电压的瞬时值的大小，驱动不同组的LED发光，与整流单元[2]、智能调光单元[5]及能量缓冲单元[6]、LED发光单元[7]构成电气连接。光敏传感器[4]用于感受环境光照度，与智能调光单元[5]构成电气连接。智能调光单元[5]与交流直驱控制器［3］及光敏传感器[4]构成电气连接，作用是将光敏传感器[4]检测的环境照度转换为数字信号，并判断当前是正常开灯还是白天维护检测开灯，由此确定是否需要调用调光曲线；若是正常开灯，则按输入电压瞬时值的大小及程序设定的调光曲线产生合适的PWM电压信号，向交流直驱控制器［3］输出变化的PWM控制信号，通过交流直驱控制器［3］控制LED单元[7]的亮度变化，实现LED的调光；若白天为了维护检测而开灯，则仅向交流直驱控制器［3］输出固定的高电平信号。能量缓冲单元[6]用于缓冲LED的电流变化，平滑LED的亮度，与交流直驱控制器［3］及LED单元[7]构成电气连接。LED单元[7] 与交流直驱控制器［3］及能量缓冲单元[6]构成电气连接，由m组LED发光器件构成，m为正整数，每组LED含有并联的n条支路，n为正整数，每条支路有k只LED发光二极管串联组成LED灯串，k为正整数，每组LED由交流直驱控制器［3］按输入电压瞬时值的大小及程序设定的调光曲线以PWM的方式驱动发光。

请进一步参看图2，输入保护单元由保险丝F1和压敏电阻RV1组成；整流单元由整流桥BG1担任；交流直驱控制器由集成电路U1（型号为FL77944）、电容C1及电阻R1、R2组成；能量缓冲单元有4组，第1组能量缓冲单元包括二极管D11、电容C11、电阻R11，第2组能量缓冲单元包括二极管D21、电容C21、电阻R21，第3组能量缓冲单元包括二极管D31、电容C31、电阻R31，第4组能量缓冲单元包括二极管D41、电容C41、电阻R41；LED单元由4组超高亮度LED发光器件构成，每组LED含有并联的n条支路，n为正整数，在本实施例中，第1组LED的支路数n＝5，第2组LED的支路数n＝4，第3组LED的支路数n＝4，第4组LED的支路数n＝3，每条支路有k只LED发光二极管串联组成LED灯串，k为正整数，在本实施例中选k＝18。第1组LED由LED灯串LED11～LED15组成，第2组LED由LED灯串LED21～LED24组成，第3组LED由LED灯串LED31～LED34组成，第4组LED由LED灯串LED41～LED43组成。

每组LED的发光功率取决于通过该组各LED灯串的电流，其大小受交流直驱控制器U1控制并与各组能量缓冲单元的参数有关，由U1第10引脚外接的电阻R2设定允许的最大电流值，由U1第11引脚的电压调节LED的电流大小。

第1组LED各灯串（LED11～LED15）相并联，即每个灯串的阳极连接在一起，每个灯串的阴极连接在一起，并联的各LED灯串再与第1组能量缓冲单元的电容C11、电阻R11并联，灯串阳极及电容C11的正极与第1组能量缓冲单元的二极管D11的阴极连接，二极管D11的阳极与整流桥BG1的正极相连；第1组LED各灯串的阴极及电容器C11的负极与交流直驱控制器U1的LED1引脚及第2组能量缓冲单元的二极管D21的阳极相连。

第2组LED各灯串（LED21～LED24）相并联，即每个灯串的阳极连接在一起，每个灯串的阴极连接在一起，并联的各LED灯串再与第2组能量缓冲单元的电容C21、电阻R21并联，灯串阳极及电容C21的正极与第2组能量缓冲单元的二极管D21的阴极连接，二极管D21的阳极与第1组LED各灯串的阴极及电容器C11的负极相连；第2组LED各灯串的阴极及电容器C21的负极与交流直驱控制器U1的LED2引脚及第3组能量缓冲单元的二极管D31的阳极相连。

第3组LED各灯串（LED31～LED34）相并联，即每个灯串的阳极连接在一起，每个灯串的阴极连接在一起，并联的各LED灯串再与第3组能量缓冲单元的电容C31、电阻R31并联，灯串阳极及电容C31的正极与第3组能量缓冲单元的二极管D31的阴极连接，二极管D31的阳极与第2组LED各灯串的阴极及电容器C21的负极相连；第3组LED各灯串的阴极及电容器C31的负极与交流直驱控制器U1的LED3引脚及第4组能量缓冲单元的二极管D41的阳极相连。

第4组LED各灯串（LED41～LED43）相并联，即每个灯串的阳极连接在一起，每个灯串的阴极连接在一起，并联的各LED灯串再与第4组能量缓冲单元的电容C41、电阻R41并联，灯串阳极及电容C41的正极与第4组能量缓冲单元的二极管D41的阴极连接，二极管D41的阳极与第3组LED各灯串的阴极及电容器C31的负极相连；第4组LED各灯串的阴极及电容器C41的负极与交流直驱控制器U1的LED4引脚相连。

交流直驱控制器U1的第1引脚经串联电阻R1连接到整流桥BG1的正极，U1的第9、14、16引脚连到整流桥BG1的负极（GND），U1的第10引脚经电阻R2连接到GND，U1的第15引脚（VDD）与GND之间连接电容C1。

各组能量缓冲单元的作用是将LED高亮度时的能量吸收一部分，等待交流直驱控制器内部驱动MOS管关断时释放所吸收的能量，从而平滑LED发光器件瞬时的亮度，大大地降低了LED的闪烁度。以第1组能量缓冲单元为例说明如下：当交流直驱控制器U1的LED1～LED4引脚（即第3、5、7、12引脚）在内部PWM信号的驱动下有其中一个导通时，就有电流通过二极管D11，对电容C11充电，当C11上的电压上升到第1组LED各灯串（LED11～LED15）的最低发光电压时，LED灯串中就开始有电流流入并开始发光，随后一部分电流对电容C11充电，一分部电流流入LED灯串发光，随着电容C11的充电，电容C11的电压不断上升，直到通过二极管D11的电流几乎全部流入第1组LED灯串发光，电容C11的电压才保持不变，电容C11的电压越高，所储存的能量越多；当交流直驱控制器U1的LED1～LED4引脚全部关断时，就没有电流通过二极管D11，这时电容C11开始向第1组LED各灯串（LED11～LED15）放电，维持灯串发光，直到交流直驱控制器U1的LED1～LED4引脚在下一次有其中一个导通时，才有电流通过二极管D11对电容C11充电，如此循环。电阻R11是为了给电容C11提供放电支路，由于电阻R11的阻值较大，流过的电流很小，几乎不影响C11的正常充放电和LED灯串的发光，但当交流电源关断时间较长时，电阻R11使得电容C11上的电压不至于维持过久。其它组能量缓冲单元的工作原理与此类似。这样，在能量缓冲单元的作用下，能有效避免交流直驱电路的缺点，使行人基本观察不到LED信号灯的高频闪烁现象，提高了视觉感受。

交流直驱控制器U1（型号：FL77944）是一款交流直接LED驱动器，内部有4个集成式高压LED恒流源，提供切相调光，具有较宽的调光范围、平稳高光控制和良好的调光器兼容性，通过高功率因数和低THD来实现高效率，具有过温保护及模拟、数字调光功能，外部采用最少数量的RC无源元件，特别适用于高效率LED照明系统。

LED单元的电流通过电流检测电阻R₂按如下公式设置：

，，，

其中I_LED1、I_LED2、I_LED3、I_LED4分别为交流直驱控制器U1的LED1、LED2、LED3、LED4引脚（即第3、5、7、12引脚）灌电流的调节目标电流值。

在参数设计时，根据输入电压的有效值以及预测的输入功率，可按下面的公式初步确定电流检测电阻R2的值：

式中：V_AC.RMS为输入电压的有效值，P_IN为预测的输入功率。

请参看图3，智能调光单元由集成电路U2（型号为78L05）、电容C2～C5、单片机U3（型号为STC15W408AS）及插座CZ1组成。其中U2是5V稳压集成电路，提供单片机的工作电压和电流。STC15W408AS单片机是1T 8051单片机,同样工作频率时,速度是传统8051的8～12倍，是宽电压、高速、高可靠、低功耗、超强抗干扰的新一代8051单片机，内部含有8K的Flash程序存储器和512字节SRAM，内部集成了高精度的RC时钟，不需外部晶振和外部复位电路，还有比较器、5个定时器/计数器以及3路CCP/PWM/PCA、8路高速10位AD转换器、1组超高速异步串行通信口等硬件资源，利用内部的捕获/比较单元（CCP/PWM/PCA）产生PWM信号，由此控制图2中U1的第11引脚（DIM）进行调光。光敏传感器由光敏二极管GM担任，光敏二极管产生的光电电流通过电阻R3时，在电阻R3上产生电压降，该电压被单片机U3的第15引脚连接的内部ADC0转换为数字信号，作为环境照度测量值。插座CZ1用于给单片机下载程序，在给单片机下载程序时，断开交流供电电源，用TTL电平的串口信号及+5V电源供电。

单片机根据环境照度测量值判断当前是正常开灯还是白天维护检测开灯，由此确定是否需要调用调光曲线；若是正常开灯，则按输入电压瞬时值的大小及程序设定的调光曲线产生合适的PWM电压信号，向交流直驱控制器输出变化的PWM控制信号，通过交流直驱控制器实现LED的调光；若白天为了维护检测而开灯，则仅向交流直驱控制器输出固定的高电平信号，此时不按曲线调光。

结合图2、图3，进一步参看图4，调光曲线的关键点参数存储在单片机的存储器中。在路灯输入端加入市电后，正常开灯时，在单片机程序的控制下，单片机U3产生的PWM信号控制LED的亮度为B1，并维持到深夜时刻t1；此后行人及道路上的车辆会逐步减少，单片机U3逐步降低PWM信号的占空比，此时LED的亮度也逐步降低，直到时刻t2，LED的亮度降低到B2；此后，单片机U3输出的PWM信号的占空比保持不变，LED的亮度也维持在B2；到时刻t3（即黎明）时，单片机检测到环境照度逐步增加，单片机U3逐步提高PWM信号的占空比，LED的亮度也随之逐步提高，直到时刻t4，LED的亮度恢复到B1；此后，单片机U3输出的PWM信号的占空比保持不变，LED的亮度也维持在B1，直到关灯。这样，在深夜行人静车流少时，单片机程序按设定的调光曲线自动调整PWM信号的占空比，缓慢降低或提高LED亮度，既避免了亮度的突变，又可以深度节能，进一步降低能源损耗。

Claims

1.一种交流直驱的智能调光LED节能路灯，其特征在于，包括：输入保护单元[1]、整流单元[2]、交流直驱控制器[3]、光敏传感器[4]、智能调光单元[5]、能量缓冲单元[6]、LED单元[7]；其中：

整流单元［2］：将交流输入电压进行全波整流，为交流直驱控制器及LED提供单向脉动电压，与输入保护单元［1］及交流直驱控制器[3]构成电气连接；

智能调光单元[5]：与交流直驱控制器［3］及光敏传感器[4]构成电气连接，作用是将光敏传感器[4]检测的环境照度转换为数字信号，并判断当前是正常开灯还是白天维护检测开灯，由此确定是否需要调用调光曲线；若是正常开灯，则按输入电压瞬时值的大小及程序设定的调光曲线产生合适的PWM电压信号，向交流直驱控制器［3］输出变化的PWM控制信号，通过交流直驱控制器［3］控制LED单元[7]的亮度变化，实现LED的调光；若白天为了维护检测而开灯，则仅向交流直驱控制器［3］输出固定的高电平信号；

LED单元[7]： LED单元由4组超高亮度LED发光器件构成，对LED进行分组控制，每组LED发光功率的大小受交流直驱控制器［3］控制，与交流直驱控制器［3］及能量缓冲单元[6]构成电气连接，第1组LED各灯串的阴极及电容器C11的负极与交流直驱控制器U1的LED1引脚及第2组能量缓冲单元的二极管D21的阳极相连；第2组LED各灯串的阴极及电容器C21的负极与交流直驱控制器U1的LED2引脚及第3组能量缓冲单元的二极管D31的阳极相连；第3组LED各灯串的阴极及电容器C31的负极与交流直驱控制器U1的LED3引脚及第4组能量缓冲单元的二极管D41的阳极相连；第4组LED各灯串的阴极及电容器C41的负极与交流直驱控制器U1的LED4引脚相连。

2.根据权利要求1所述的一种交流直驱的智能调光LED节能路灯，其特征在于，所述的能量缓冲单元有4组；LED单元由4组超高亮度LED发光器件构成，每组LED含有并联的n条支路，n为正整数，每条支路有k只LED发光二极管串联组成LED灯串，k为正整数，每组LED由交流直驱控制器［3］按输入电压瞬时值的大小及程序设定的调光曲线以PWM的方式驱动发光，LED单元的电流通过电流检测电阻R₂的设置方法是按下列公式确定：

I_LED1=0.18/R ₂， I_LED2=0.37/R ₂， I_LED3=0.83/R ₂， I_LED4=0.92/R ₂

其中I_LED1、I_LED2、I_LED3、I_LED4分别为交流直驱控制器U1的LED1、LED2、LED3、LED4引脚即第3、5、7、12引脚灌电流的调节目标电流值。

3.根据权利要求1所述的一种交流直驱的智能调光LED节能路灯，其特征在于，所述的LED单元第1组LED各灯串LED11～LED15相并联，即每个灯串的阳极连接在一起，每个灯串的阴极连接在一起，并联的各LED灯串再与第1组能量缓冲单元的电容C11、电阻R11并联，灯串阳极及电容C11的正极与第1组能量缓冲单元的二极管D11的阴极连接，二极管D11的阳极与整流桥BG1的正极相连；第1组LED各灯串的阴极及电容器C11的负极与交流直驱控制器U1的LED1引脚及第2组能量缓冲单元的二极管D21的阳极相连。

4.根据权利要求1所述的一种交流直驱的智能调光LED节能路灯，其特征在于，所述的LED单元第2组LED各灯串LED21～LED24相并联，即每个灯串的阳极连接在一起，每个灯串的阴极连接在一起，并联的各LED灯串再与第2组能量缓冲单元的电容C21、电阻R21并联，灯串阳极及电容C21的正极与第2组能量缓冲单元的二极管D21的阴极连接，二极管D21的阳极与第1组LED各灯串的阴极及电容器C11的负极相连；第2组LED各灯串的阴极及电容器C21的负极与交流直驱控制器U1的LED2引脚及第3组能量缓冲单元的二极管D31的阳极相连。

5.根据权利要求1所述的一种交流直驱的智能调光LED节能路灯，其特征在于，所述的LED单元第3组LED各灯串LED31～LED34相并联，即每个灯串的阳极连接在一起，每个灯串的阴极连接在一起，并联的各LED灯串再与第3组能量缓冲单元的电容C31、电阻R31并联，灯串阳极及电容C31的正极与第3组能量缓冲单元的二极管D31的阴极连接，二极管D31的阳极与第2组LED各灯串的阴极及电容器C21的负极相连；第3组LED各灯串的阴极及电容器C31的负极与交流直驱控制器U1的LED3引脚及第4组能量缓冲单元的二极管D41的阳极相连。

6.根据权利要求1所述的一种交流直驱的智能调光LED节能路灯，其特征在于，所述的LED单元第4组LED各灯串LED41～LED43相并联，即每个灯串的阳极连接在一起，每个灯串的阴极连接在一起，并联的各LED灯串再与第4组能量缓冲单元的电容C41、电阻R41并联，灯串阳极及电容C41的正极与第4组能量缓冲单元的二极管D41的阴极连接，二极管D41的阳极与第3组LED各灯串的阴极及电容器C31的负极相连；第4组LED各灯串的阴极及电容器C41的负极与交流直驱控制器U1的LED4引脚相连。