CN107197561B - 一种基于直流母线电压信号的led节能调光器 - Google Patents

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Abstract

一种基于直流母线电压信号的LED节能调光器，包括：两个PFC整流模块、恒流调光模块、车流量检测模块、警报器。第一PFC整流模块、第二PFC整流模块的输入端接入交流市电，第一PFC整流模块、第二PFC整流模块的输出端连接直流母线，车流量检测模块的输出端连接第一PFC整流模块、第二PFC整流模块。直流母线连接警报器，直流母线连接恒流调光模块，恒流调光模块连接LED路灯。本发明一种基于直母线电压信号的LED节能调光器，通过直流母线电压实现了车流量检测模块与所有DC/DC恒流调光电路的通信，具有成本低、结构简单，控制方便等优点。

Description

一种基于直流母线电压信号的LED节能调光器
技术领域
本发明涉及LED照明技术领域，具体涉及一种基于直流母线电压信号的LED节能调光器。
背景技术
随着LED领域的不断发展，其平均使用寿命可达5万~10万小时，传统的LED路灯系统中出现的故障大多来自路灯驱动电源，由于驱动电源使用寿命远低于LED路灯，经常发生因驱动电源故障而产生照明中断的现象，不仅影响了照明系统的可靠性，还增加了维护成本。同时传统LED路灯系统一般采用交流母线供电方式，一个路灯配备一个驱动电源，如果路灯需要根据车流量或人流量进行节能调光，现有方案通常是通过流量检测装置检测，再将信号传递给各个LED驱动电源中，驱动电源控制器根据这些信号实时调节输出功率，该方案下每个LED驱动电源均含有通信模块，实现方式复杂，成本高。如不采用节能手段，则在车流量或人流量小的时候，电能浪费严重。
发明内容
为解决传统LED路灯与驱动电源寿命不相匹配、节能方案复杂、成本高等问题。本发明提供一种基于直流母线电压信号的LED节能调光器，通过直流母线电压实现了车流量检测模块与所有DC/DC恒流调光电路的通信，具有成本低、结构简单，控制方便等优点。有效解决了传统路灯长时间满功率运行带来的电能浪费，同时PFC整流模块的冗余工作模式，可以有效解决LED路灯与驱动电源寿命不相匹配的问题。
本发明采取的技术方案为：
一种基于直流母线电压信号的LED节能调光器，包括：两个PFC整流模块、恒流调光模块、车流量检测模块、警报器。
第一PFC整流模块、第二PFC整流模块的输入端接入交流市电，第一PFC整流模块、第二PFC整流模块的输出端连接直流母线，车流量检测模块的输出端连接第一PFC整流模块、第二PFC整流模块；
直流母线连接警报器，
直流母线连接恒流调光模块，恒流调光模块连接LED路灯；
所述车流量检测模块，用于将采样的车流量电压信号传递给PFC整流模块；
所述PFC整流模块，用于根据车流量电压信号，调节输出电压的幅值。
所述恒流调光模块包括DC/DC恒流调光电路、信号调理电路、PWM模块；
DC/DC恒流调光电路的输入端进行电压取样、并连接信号调理电路，经过信号调理电路，转化为电压基准值Vref；
DC/DC恒流调光电路的输出端输出电流进行采样、并连接比较器，比较器连接PWM模块，PWM模块连接DC/DC恒流调光电路；
DC/DC恒流调光电路输出端输出电流进行采样，将得到的采样电压V1与电压基准值Vref经比较放大，得到误差信号；再经过补偿模块补偿后输入PWM模块调整，调节DC/DC恒流调光电路改变输出电流。
所述信号调理电路包含五个分压电阻R1、R2、R3、R4、R5，三个限流电阻R6、R7、R8，三个输出二极管D1、D2、D3，三个窗口电压比较器；
每一窗口电压比较器都由两个电压比较器和一个电阻构成有五个端口的单元，第一端口①接电压比较器A1的正相输入端，第二端口②接电压比较器A1的反相输入端，第三端口③接电压比较器A2的正相输入端，第四端口④接电压比较器A2的反相输入端，电压比较器A1和A2由VCC2提供电压，并经过电阻R与电压比较器A1、A2的输出端同时接第五端口⑤；
第二电阻R2的输入端由电源VCC1的正极经过电阻R1接入，第二电阻R2的一端和另一端分别接第一个窗口电压比较器的第一端口①和第四端口④，第一个窗口电压比较器的第二端口②和第三端口③同时接输入电压VI，第五端口⑤经限流电阻R6接输出二极管D1的阳极，输出二极管D1的阴极与其它两路的输出二极管并联接输出端口；在限流电阻R6与输出二极管D1之间的结点接稳压管Z1，稳压管Z1负极与所述结点相连，正极接地；
第三电阻R3的输入端接第二电阻R2另一端，第三电阻R3的一端和另一端分别接第二个窗口的电压比较器的第一接口和第四接口，第二个窗口电压比较器的第二接口和第三接口同时接输入电压VI，第五端口经限流电阻R6接输出二极管D2的阳极，输出二极管D2的阴极与其它两路的输出二极管并联接输出端口；在限流电阻R6与输出二极管D2之间的结点接稳压管Z2，稳压管Z2负极与所述结点相连，正极接地；
第四电阻R4的一端接第三电阻R3的另一端，第四电阻R4的另一端经过电阻R5接地，第四电阻R4的一端和另一端分别接第三个窗口电压比较器的第一接口和第四接口，第三个窗口电压比较器的第二接口和第三接口同时接入输入电压VI，第五端口经限流电阻R8同时接入稳压二极管Z3的阴极和输出二极管D3的阳极，稳压二极管Z3的阳极接地，输出二极管D3的阴极与其它两路的输出二极管并联接输出端口。
一种基于直母线电压信号的LED节能调光方法，将传统的LED驱动电源分开，PFC整流模块与DC/DC恒流调光电路之间通过直流母线连接，DC/DC恒流调光电路无需电解电容，可靠性高，使用寿命长。
一种基于直母线电压信号的LED节能调光方法，采用两个相同的第一PFC整流模块、第二PFC整流模块，以冗余方式连接，当其中一个出现故障，另一个检测到输出功率骤增时，将进入应急工况，即输出一个特定的电压幅值，此时恒流调光模块将输出功率降低一半，警报器工作。
一种基于直母线电压信号的LED节能调光方法，信号调理电路采用多个窗口电压比较器，实现了多级范围电压输入对应多级恒定电压输出，在每一范围内信号调理电路输出一个恒定值，作为误差放大器的基准值。
本发明一种基于直流母线电压信号的LED节能调光器，技术效果如下：
1.本发明通过直流母线电压信号实现了车流量检测模块与所有DC/DC恒流调光电路的通信，成本低、结构简单，控制方便，有效解决了传统路灯长时间满功率运行带来的电能浪费。
2.本发明采用直流母线连接PFC整流模块与DC/DC恒流调光电路，同时DC/DC恒流调光电路无需电解电容，可靠性高，使用寿命长。
3.本发明采用了两个PFC电源模块冗余工作模式，有功率因数校正功能，当其中一个出现故障，系统仍有输出电流，可靠性高，解决了LED路灯与驱动电源寿命不相匹配的问题。
4.本发明结构简单，操作方便，如有精确调光需要可在原有设备上加入数字调光装置，即可实现。
5. 恒流调光模块内部输出电流参考基准，受直流母线的电压信号控制，因而输出电流可以随直流母线电压的变化而变化，在车流量少时减少LED路灯输出功率，实现节能的目的。
附图说明
图1为本发明的结构示意图。
图2为本发明恒流调光模块一实施例的原理图。
图3为本发明恒流调光模块中信号调理电路一实施例的原理图。
图4为本发明采用的窗口电压比较器的电路图。
图5为本发明信号调理电路一实施例的电路仿真图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细说明。
如图1所示，一种基于直流母线电压信号的LED节能调光器，包括两个PFC整流模块、恒流调光模块、车流量检测模块、警报器。
第一PFC整流模块、第二PFC整流模块的输入端接入交流市电，第一PFC整流模块、第二PFC整流模块的输出端连接直流母线，车流量检测模块的输出端连接第一PFC整流模块、第二PFC整流模块。
直流母线连接警报器，
直流母线连接恒流调光模块，恒流调光模块连接LED路灯。
所述车流量检测模块，用于将采样的车流量电压信号传递给PFC整流模块。
所述PFC整流模块，用于根据车流量电压信号，调节输出电压的幅值。
直流母线电压变化由第一PFC整流模块、第二PFC整流模块控制，直流母线电压的波动将直接决定DC/DC恒流调光电路的输出电流，进而决定LED路灯的输出功率。
车流量检测模块可以采用地感车辆检测器pd132。
警报器可以采用型号: SF-503警报器。
整个照明系统运行状态如下：
照明系统输入交流市电正常工作，车流量检测模块实时检测该路段人或车流量的状况，当无车流量时，整个系统工作在状态1；当有车辆进入该路段时，整个照明系统以状态2启动；车辆增多时，系统转为状态3 ；车辆过多时，系统转为状态4；车流量减少时，系统逐级转换状态。
第一PFC整流模块、第二PFC整流模块其中一个出现故障时，另一个会检测到输出功率骤增并进入应急工况，即输出一个特定的电压幅值U4，警报器报警，此时DC/DC恒流调光电路将输出功率降低一半，LED路灯仍处于工作状态；
状态1：无车流量时，车流量检测模块不会输出信号，第一PFC整流模块、第二PFC整流模块处于待机状态，无功率输出，LED路灯不工作。
状态2：车流量小时，第一PFC整流模块、第二PFC整流模块根据车流量检测模块发出的信号1提高输出电压，母线电压升至U1，DC/DC恒流调光电路根据U1提高输出电流至I1，此时的输出电流为LED路灯额定电流的的50%左右，LED路灯处于低亮度状态。
状态3：车流量多时，第一PFC整流模块、第二PFC整流模块根据车流量检测模块发出的信号2提高输出电压，母线电压U1升高至U2，DC/DC恒流调光电路根据U2提高输出电流至I2，此时的输出电流为LED路灯额定电流的70%左右，LED路灯处于中亮度状态；
状态4：车流量过多时，第一PFC整流模块、第二PFC整流模块根据车流量检测模块发出的信号3提高输出电压，母线电压U2升高至U3，DC/DC恒流调光电路根据U3提高输出电流至I3，此时的输出电流为LED路灯额定电流的80%以上，LED路灯处于高亮度状态。
如图2所示，恒流调光模块包括DC/DC恒流调光电路、信号调理电路、PWM模块。在DC/DC恒流调光电路的输入端进行电压取样、并连接信号调理电路，经过信号调理电路，转化为电压基准值Vref。DC/DC恒流调光电路的输出端输出电流进行采样、并连接比较器，比较器连接PWM模块，PWM模块连接DC/DC恒流调光电路。对DC/DC恒流调光电路输出端输出电流进行采样，将得到的采样电压V1与电压基准值Vref经比较放大，得到误差信号输入PWM模块调整，调节DC/DC恒流调光电路改变输出电流达到调光目的。DC/DC恒流调光电路的输入电压为350V~400V，正常工作时，输入电压在400V左右，电压基准值Vref为3.5V，输出电流为300mA，此时LED路灯处于高亮度状态，当输入电压降为375V时，电压基准值Vref降为2.65V，同时PWM模块作用于调光电路，调整输出电流降为245mA，LED路灯处于中亮度状态，当输入电压降为350V时，电压基准值Vref降为1.75V，同时PWM模块作用于调光电路，调整输出电流降为175mA，LED路灯处于低亮度状态。
PWM模块可以采用型号TL494的芯片搭建的电路模块。
如图3所示，所述信号调理电路包含五个分压电阻R1、R2、R3、R4、R5，三个限流电阻R6、R7、R8，三个输出二极管D1、D2、D3，三个窗口电压比较器（6个电压比较器和6个电阻构成），窗口电压比较器的个数应根据实际应用场合来确定。
如图4所示，每一窗口电压比较器都由两个电压比较器和一个电阻构成有五个端口的单元，第一端口①接电压比较器A1的正相输入端，第二端口②接电压比较器A1的反相输入端，第三端口③接电压比较器A2的正相输入端，第四端口④接电压比较器A2的反相输入端，电压比较器A1和A2由VCC2提供电压，并经过电阻R与电压比较器A1、A2的输出端同时接第五端口⑤；
第二电阻R2的输入端由电源VCC1的正极经过电阻R1接入，第二电阻R2的一端和另一端分别接第一个窗口电压比较器的第一端口①和第四端口④，第一个窗口电压比较器的第二端口②和第三端口③同时接输入电压VI，第五端口⑤经限流电阻R6接输出二极管D1的阳极，输出二极管D1的阴极与其它两路的输出二极管并联接输出端口；在限流电阻R6与输出二极管D1之间的结点接稳压管Z1，稳压管Z1负极与所述结点相连，正极接地；
第三电阻R3的输入端接第二电阻R2另一端，第三电阻R3的一端和另一端分别接第二个窗口的电压比较器的第一接口和第四接口，第二个窗口电压比较器的第二接口和第三接口同时接输入电压VI，第五端口经限流电阻R6接输出二极管D2的阳极，输出二极管D2的阴极与其它两路的输出二极管并联接输出端口；在限流电阻R6与输出二极管D2之间的结点接稳压管Z2，稳压管Z2负极与所述结点相连，正极接地；
第四电阻R4的一端接第三电阻R3的另一端，第四电阻R4的另一端经过电阻R5接地，第四电阻R4的一端和另一端分别接第三个窗口电压比较器的第一接口和第四接口，第三个窗口电压比较器的第二接口和第三接口同时接入输入电压VI，第五端口经限流电阻R8同时接入稳压二极管Z3的阴极和输出二极管D3的阳极，稳压二极管Z3的阳极接地，输出二极管D3的阴极与其它两路的输出二极管并联接输出端口。
如图5所示，所述信号调理电路一实施例仿真图，仅给出了输入为4.1V时的电路仿真图，此电路可在输入电压3.6V-4.2V内实现三个恒定电压输出，否则电路输出电压为零。输入电压在4V-4.2V时，电压比较器A1、A2输出高电平，经过限流电阻R9由稳压二极管Z1将电压固定在3V，电压比较器B1、B2、C1、C2输出低电平，输出二极管D1、D2、D3的反向截止性决定输出电压为3V；输入电压在3.8V-4.0V时，电压比较器B1、B2输出高电平，经过限流电阻R10由稳压二极管Z2将电压稳定在2V，电压比较器A1、A2、C1、C2输出低电平，输出电压为2V；输入电压在3.6V-3.8V时，电压比较器C1、C2输出高电平，经过限流电阻R11由稳压二极管D3将电压稳定在1V，电压比较器A1、A2、B1、B2输出低电平，输出电压为1V。
综上所述，本发明通过直流母线电压实现了车流量检测模块与所有DC/DC恒流调光电路的通信，具有成本低、结构简单，控制方便等优点，有效解决了传统路灯长时间满功率运行带来的电能浪费，同时PFC整流模块的冗余工作模式可以有效解决LED路灯与驱动电源寿命不相匹配的问题，本发明适用于一般路灯照明的工作环境，如隧道照明，街道照明，景观照明等，可以达到高可靠性且节能的目标，上述实施范例仅仅是为了工作原理阐述简单而构造恒流调光模块的一个实例，在实际应用中，可以根据实际情况对本方案稍作改进，达到优化效率和节约成本的目的。
本发明的上述实施范例仅仅是为说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其他不同形式的变化和变动。这里无法对所有的实施方式予以穷举。凡是属于本发明的技术方案所引申出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之列。

Claims (7)

1.一种基于直流母线电压信号的LED节能调光器，其特征在于包括：两个PFC整流模块、恒流调光模块、车流量检测模块、警报器；
第一PFC整流模块、第二PFC整流模块的输入端接入交流市电，第一PFC整流模块、第二PFC整流模块的输出端连接直流母线，车流量检测模块的输出端连接第一PFC整流模块、第二PFC整流模块；
直流母线连接警报器，
直流母线连接恒流调光模块，恒流调光模块连接LED路灯；
所述车流量检测模块，用于将采样的车流量电压信号传递给PFC整流模块；
所述PFC整流模块，用于根据车流量电压信号，调节输出电压的幅值。
2.根据权利要求1所述一种基于直流母线电压信号的LED节能调光器，其特征在于：所述恒流调光模块包括DC/DC恒流调光电路、信号调理电路、PWM模块；
对DC/DC恒流调光电路的输入端进行电压取样，并连接信号调理电路，经过信号调理电路，转化为电压基准值Vref；
DC/DC恒流调光电路的输出端输出电流进行采样、并连接比较器，比较器连接PWM模块，PWM模块连接DC/DC恒流调光电路；
DC/DC恒流调光电路输出端输出电流进行采样，将得到的采样电压V1与电压基准值Vref经比较放大，得到误差信号后输入PWM模块调整，调节DC/DC恒流调光电路改变输出电流。
3.根据权利要求2所述一种基于直流母线电压信号的LED节能调光器，其特征在于：所述信号调理电路包含五个分压电阻R1、R2、R3、R4、R5，三个限流电阻R6、R7、R8，三个输出二极管D1、D2、D3，三个窗口电压比较器；
每一窗口电压比较器都由两个电压比较器和一个电阻构成有五个端口的单元，第一端口①接电压比较器A1的正相输入端，第二端口②接电压比较器A1的反相输入端，第三端口③接电压比较器A2的正相输入端，第四端口④接电压比较器A2的反相输入端，电压比较器A1和A2由VCC2提供电压，并经过电阻R与电压比较器A1、A2的输出端同时接第五端口⑤；
第二电阻R2的输入端由电源VCC1的正极经过电阻R1接入，第二电阻R2的一端和另一端分别接第一个窗口电压比较器的第一端口①和第四端口④，第一个窗口电压比较器的第二端口②和第三端口③同时接输入电压VI，第五端口⑤经限流电阻R6接输出二极管D1的阳极，输出二极管D1的阴极与其它两路的输出二极管并联接输出端口；在限流电阻R6与输出二极管D1之间的结点接稳压管Z1，稳压管Z1负极与所述结点相连，正极接地；
第三电阻R3的输入端接第二电阻R2另一端，第三电阻R3的一端和另一端分别接第二个窗口的电压比较器的第一接口和第四接口，第二个窗口电压比较器的第二接口和第三接口同时接输入电压VI，第五端口经限流电阻R6接输出二极管D2的阳极，输出二极管D2的阴极与其它两路的输出二极管并联接输出端口；在限流电阻R6与输出二极管D2之间的结点接稳压管Z2，稳压管Z2负极与所述结点相连，正极接地；
第四电阻R4的一端接第三电阻R3的另一端，第四电阻R4的另一端经过电阻R5接地，第四电阻R4的一端和另一端分别接第三个窗口电压比较器的第一接口和第四接口，第三个窗口电压比较器的第二接口和第三接口同时接入输入电压VI，第五端口经限流电阻R8同时接入稳压二极管Z3的阴极和输出二极管D3的阳极，稳压二极管Z3的阳极接地，输出二极管D3的阴极与其它两路的输出二极管并联接输出端口。
4.采用如权利要求1~3所述任意一种调光器的LED节能调光方法，其特征在于：将传统的LED驱动电源分开，PFC整流模块与DC/DC恒流调光电路之间通过直流母线连接，DC/DC恒流调光电路无需电解电容。
5.采用如权利要求1~3所述任意一种调光器的LED节能调光方法，其特征在于：采用两个相同的第一PFC整流模块、第二PFC整流模块，以冗余方式连接，当其中一个出现故障，另一个检测到输出功率骤增时，将进入应急工况，即输出一个特定的电压幅值，此时恒流调光模块将输出功率降低一半，警报器工作。
6.采用如权利要求1~3所述任意一种调光器的LED节能调光方法，其特征在于：信号调理电路采用多个窗口电压比较器，实现了多级范围电压输入对应多级恒定电压输出，在每一范围内信号调理电路输出一个恒定值，作为误差放大器的基准值。
7.一种LED照明系统工作方法，其特征在于：照明系统输入交流市电正常工作，车流量检测模块实时检测路段人或车流量的状况，
当无车流量时，整个系统工作在状态1；
当有车辆进入该路段时，整个照明系统以状态2启动；
车辆增多时，系统转为状态3 ；
车辆过多时，系统转为状态4；
车流量减少时，系统逐级转换状态；
第一PFC整流模块、第二PFC整流模块其中一个出现故障时，另一个会检测到输出功率骤增并进入应急工况，即输出一个特定的电压幅值U4，警报器报警，此时DC/DC恒流调光电路将输出功率降低一半，LED路灯仍处于工作状态；
状态1：无车流量时，车流量检测模块不会输出信号，第一PFC整流模块、第二PFC整流模块处于待机状态，无功率输出，LED路灯不工作；
状态2：车流量小时，第一PFC整流模块、第二PFC整流模块根据车流量检测模块发出的信号1提高输出电压，母线电压升至U1，DC/DC恒流调光电路根据U1提高输出电流至I1，此时的输出电流为LED路灯额定电流的的50%左右，LED路灯处于低亮度状态；
状态3：车流量多时，第一PFC整流模块、第二PFC整流模块根据车流量检测模块发出的信号2提高输出电压，母线电压U1升高至U2，DC/DC恒流调光电路根据U2提高输出电流至I2，此时的输出电流为LED路灯额定电流的70%左右，LED路灯处于中亮度状态；
状态4：车流量过多时，第一PFC整流模块、第二PFC整流模块根据车流量检测模块发出的信号3提高输出电压，母线电压U2升高至U3，DC/DC恒流调光电路根据U3提高输出电流至I3，此时的输出电流为LED路灯额定电流的80%以上，LED路灯处于高亮度状态。
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