CN108601132A - Led调光装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种LED调光装置，所述LED调光装置包括：电源输入模块、电压变换器、LED发光元件、二极管、误差放大器和电压调节输出模块；所述电源输入模块的输出端与所述电压变换器的输入端连接，所述电压变换器的输出端与所述LED发光元件的输入端连接，所述LED发光元件的输出端与所述二极管的输入端连接，所述二极管的输出端接地；所述电压调节输出模块的输出端与所述误差放大器的第一输入端连接，所述误差放大器的第二输入端与所述二极管的输入端连接，所述误差放大器的误差输出端与所述电压变换器的控制端连接。采用本发明，可以对LED的实际亮度进行非线性调节，使得人眼感受到的亮度呈线性变化，符合人眼对亮度的感知，结构简单，成本低。
Description
技术领域
本发明涉及LED调光领域，尤其涉及一种LED调光装置。
背景技术
随着全球资源的紧缺，低碳、环保、节能是社会发展的重要组成部分。LED灯作为绿色环保能源具有使用寿命长，节省能量的优势。随着LED灯的不断发展，人们对于LED灯的调光的需求也逐渐增加，因此调光电路也是LED灯发展的一个重要环节。由于LED灯调光相对其他照明系统来说比较困难，其调光驱动电路也就相对复杂，研究LED调光具有重要意义。
而现有的LED亮度调节装置，主要为线性调节，不符合人眼对亮度的感知。针对人眼对亮度感知的特性，中国专利CN204559958公开了一种非线性光源控制装置，该装置利用光照强度检测电路对光照亮度进行检测，然后将该光照亮度信号由外部处理器进行处理并反馈给调制电路，最后通过光源驱动电路对光源进行相应的调节，但该装置结构复杂，成本高。另外，中国专利CN101360378公开了一种LED调光装置的调光方法，该调光方法通过微控制器和PWM调光器件进行灰度级数细分，然后设计分段函数，并由微控制器配合PWM调光器件对LED调光曲线进行非线性处理，以达到非线性调光的目的，但该方法需要设计复杂化的函数曲线，容易引入计算误差，运算成本高。
发明内容
本发明实施例提出了一种LED调光装置，可以对LED发光元件的实际亮度进行非线性调节，使得人眼感受到的亮度呈线性变化，装置结构简单，成本低。
本发明实施例提供了一种LED调光装置，包括：电源输入模块、电压变换器、LED发光元件、二极管、误差放大器和电压调节输出模块；
所述电源输入模块的输出端与所述电压变换器的输入端连接，所述电压变换器的输出端与所述LED发光元件的输入端连接，所述LED发光元件的输出端与所述二极管的输入端连接，所述二极管的输出端接地；
所述误差放大器包括第一输入端、第二输入端和误差输出端，所述电压调节输出模块的输出端与所述误差放大器的第一输入端连接，所述误差放大器的第二输入端与所述二极管的输入端连接，所述误差放大器的误差输出端与所述电压变换器的控制端连接。
进一步地，所述电压调节输出模块包括PWM信号输入单元、电压转换电路和整流电路，所述PWM信号输入单元的输出端与所述电压转换电路的输入端连接，所述电压转换电路的输出端与所述整流电路的输入端连接，所述整流电路的输出端与所述误差放大器的第一输入端连接。所述PWM信号输入单元输入的PWM信号经所述电压转换电路和整流电路转化为直流电压，所述直流电压的幅值与所述PWM信号的占空比正相关，通过线性调节PWM信号的占空比，可对所述直流电压进行线性调节。
进一步地，所述电压调节输出模块包括稳压电源输入单元和电阻分压电路，所述稳压电源输入单元的输出端与所述电阻分压电路的输入端连接，所述电阻分压电路的输出端与所述误差放大器的第一输入端连接。所述电阻分压电路用以对所述电压调节输出模块的输出端的电压进行线性调节。
进一步地，所述电阻分压电路包括定值电阻和滑动变阻器，所述定值电阻和所述滑动变阻器串联，以通过调节所述滑动变阻器的阻值，改变电压调节输出模块的输出端的电压。通过线性改变滑动变阻器的电阻值，可线性调节电压调节输出模块的输出端的电压。
进一步地，所述LED发光元件包括多个串联的LED。
进一步地，所述二极管为多个，所述多个二极管并联。
与现有技术相比，本发明实施例提供的LED调光装置，将LED发光元件和二极管串联，使得LED发光元件两端的电流与二极管的电流一致；根据LED发光元件的实际发光亮度所对应的电流范围和所述二极管的伏安特性，确定所述二极管的电压调节范围，该电压调节范围即为所述电压调节输出模块的输出端的电压的范围；利用误差放大器对所述电压调节输出模块的输出端的电压和所述二极管两端的电压进行比较，以此来控制电压变换器对所述电源输入模块的输入电压进行升压或降压处理，使得所述二极管两端的电压始终与所述电压调节输出模块的输出端的电压保持一致；当所述电压调节输出模块的输出端的电压线性变化时，所述二极管两端的电压也会线性变化，从而使得流过所述二极管两端的电流呈非线性变化，即实现了LED发光元件的非线性调光。本发明所述LED调光装置通过将LED发光元件与二极管串联，通过线性调节二极管两端的电压，从而实现LED发光元件的实际发光亮度的非线性调节，使得人眼感受到的亮度呈线性变化，装置结构简单，成本低。
附图说明
图1是本发明第一实施例提供的LED调光装置的结构示意图。
图2为本发明第一实施例提供的LED调光装置的二极管的伏安特性曲线。
图3是本发明第二实施例提供的LED调光装置的结构示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
请参阅图1，图1是本发明第一实施例提供的LED调光装置的结构示意图，所述LED调光装置包括：电源输入模块10、电压变换器20、LED发光元件30、二极管40、误差放大器50和电压调节输出模块60。
所述电源输入模块10的输出端与所述电压变换器20的输入端连接，所述电压变换器20的输出端与所述LED发光元件30的输入端连接，所述LED发光元件30的输出端与所述二极管40的输入端连接，所述二极管40的输出端接地。
所述误差放大器50包括第一输入端、第二输入端和误差输出端，所述电压调节输出模块60的输出端与所述误差放大器50的第一输入端连接，所述误差放大器50的第二输入端与所述二极管40的输入端连接，所述误差放大器50的误差输出端与所述电压变换器20的控制端连接。
在本实施列中，所述电压调节输出模块60包括PWM信号输入单元601、电压转换电路602和整流电路603。所述PWM信号输入单元601的输出端与所述电压转换电路602的输入端连接，所述电压转换电路602的输出端与所述整流电路603的输入端连接，所述整流电路603的输出端与所述误差放大器50的第一输入端连接。所述PWM信号输入单元601输入的PWM信号经所述电压转换电路602和整流电路603转化为直流电压。所述直流电压的幅值与所述PWM信号的占空比正相关，通过线性调节PWM信号的占空比，可对所述直流电压的幅值进行线性调节。
所述LED发光元件30可为一个LED或多个串联的LED，在本实施例中，所述LED发光元件30包括三个串联的LED。
本发明实施例所述LED调光装置的工作过程如下：
所述电源输入模块10的输入电压经所述电压变换器20的变换后，给所述LED发光元件和所述二极管供电；所述PWM信号输入单元601输入一PWM信号，所述PWM信号经所述电压转换电路602和所述整流电路603转化为直流电压并输出给所述误差放大器50。所述误差放大器50从第一输入端接收所述电压调节输出模块60输出的直流电压，从第二输入端接收所述二极管40两端的电压，然后将所述直流电压和所述二极管40两端的电压进行比较，并将比较的结果从误差输出端输出至所述电压变换器20的控制端；如果所述电压调节输出模块60输出的直流电压大于所述二极管40两端的电压，则控制所述电压变换器20对电源输入模块10输入的电压进行相应的升压处理，使得所述二极管40两端的电压与所述电压调节输出模块60输出的直流电压一致；如果所述二极管40两端的电压大于所述电压调节输出模块60输出的直流电压，则控制所述电压变换器20对电源输入模块10输入的电压进行相应的降压处理，使得所述二极管40两端的电压与所述电压调节输出模块60输出的直流电压一致。
由于所述电压调节输出模块60输出的直流电压的幅值与所述PWM信号的占空比正相关，通过线性调节PWM信号的占空比，可对所述直流电压的幅值进行线性调节，即使得所述二极管40两端的电压呈线性变化。
以下，对本发明实施例所述LED调光装置实现LED发光元件的实际发光亮度的非线性调节，使得人眼感受到的亮度呈线性变化的原理进行详细的说明。
请参阅图2，为本发明第一实施例提供的LED调光装置的二极管的伏安特性曲线，Is表示反向饱和电流，UBR称为反向击穿电压。由图2可见，当加在所述二极管40上的正向电压较小时，正向电流很小，几乎等于零。只有当所述二极管两端电压超过某一数值Uon时，正向电流才明显增大，此时流经所述二极管的电流随着正向电压的增大按指数规律增大，即所述二极管的伏安特性表达式为：
其中，iD表示二极管的正向电流，Is表示二极管的反向饱和电流，uD表示二极管两端的电压，UT＝kT/q，k是波尔兹曼常数，T是热力学温度，q是电子电荷量，在常温下，UT取26mv，且uD＞＞UT。
由此可得，通过线性调节所述二极管40两端的正向电压，可实现流经所述二极管40的正向电流的指数调节。而在本发明实施例中，所述LED发光元件30与所述二极管40串联，因此，通过线性调节所述二极管40两端的电压，即可实现流经所述LED发光元件30的电流的指数调节，即非线性调节。
而对于LED发光元件30来说，LED发光元件30的实际发光亮度与流经其的电流的关系为：当流经LED发光元件30的电流较小时，所述LED发光元件30的实际发光亮度与流过所述LED发光元件30的电流呈线性关系。因此，在所述LED发光元件30的实际发光亮度与流过所述LED发光元件30的电流呈线性关系的情况下，通过指数调节流过所述LED发光元件30的电流，可对所述LED发光元件30的发光亮度进行指数调节。
而由韦伯-费赫涅尔定理可知，人眼的亮度感觉S与LED的实际发光亮度B的关系如下式所示：
S＝k0·lnB+K0
即，其中k0、K0均为常数，由此可见，LED的实际发光亮度B与人眼的亮度感觉S呈指数关系。
因此，对所述LED的实际发光亮度进行指数调节，可使得人眼感受到的亮度呈线性变化。
而人眼在低亮度的情况下，对光线强度的细微变化很敏感，而在高亮度的情况下，由于人眼视觉上的饱和，对光线轻度的变化不敏感。因此，为了使人眼感受到的亮度呈线性变化，只需要在低电流的情况下，对LED发光元件的实际发光亮度进行非线性调节。
因此，本发明实施例利用二极管40作为电压反馈，在线性改变所述二极管40两端的电压时，使得流经所述二极管40的电流呈指数变化，即使得流经所述LED发光元件30的电流呈指数变化，人眼感受到的亮度呈线性变化。具体地：通过线性调节PWM信号的占空比，实现所述电压调节输出模块60的输出端的直流电压的线性变化，即实现所述二极管40两端的电压的线性调节；由于所述二极管40的电流与电压呈指数关系，因此，当所述二极管40两端的电压线性变化时，流经所述二极管40的电流呈指数变化，又因为所述LED发光元件30与所述二极管30串联，因此流经所述LED发光元件30的电流也呈指数变化，而在流经所述LED发光元件30的电流较小时，所述LED发光元件30的实际发光亮度与电流呈正比例关系，因此，所述LED发光元件30的实际发光亮度随着电流的非线性变化呈非线性变化；又因为所述LED发光元件30的实际发光亮度B与人眼的亮度感觉S呈指数关系，当所述LED发光元件30的实际发光亮度呈非线性变化时，人眼感受到的亮度呈线性变化。
在本实施例中，所述LED发光元件30的工作电流范围为0～25mA，在0-20mA范围内，所述LED发光元件30的实际发光亮度与流经其的电流呈线性关系；所述二极管40为1N4007二极管。
在本实施例中，所述LED发光元件30的实际发光亮度所对应的工作电流范围即为所述二极管40的电流范围，根据所述LED发光元件30的实际发光亮度所对应的工作电流范围和所述二极管40的伏安特性，即可确定所述二极管40两端的调节电压范围，该调节电压范围即为所述电压调节输出模块50输出的直流电压的范围。
与现有技术相比，本发明实施例所述LED调光装置把二极管40作为电压反馈，将LED发光元件30与所述二级管40串联，通过误差放大器50比较所述电压调节输出模块60输出的直流电压与所述二极管30两端的电压，然后控制所述电压变换器20对所述电源输入模块10输入的电压进行相应的升压或降压处理，以使得所述二极管40两端的电压始终与所述电压调节输出模块60输出的直流电压一致，从而可以通过线性调节PWM信号的占空比，线性调节所述二极管40两端的电压，从而对与所述二极管40串联的LED发光元件30的电流进行非线性调节，即LED发光元件30的实际发光亮度的非线性调节，使得人眼感受到的亮度呈线性变化，本发明实施例所述LED调光装置结构简单，成本低。
请参阅图3，为本发明第二实施提供的LED调光装置的结构示意图。本发明第二实施例与第一实施例的区别在于，所述电压调节输出模块60`的组成不一样。
在本实施例中，所述电压调节输出模块60`包括稳压电源输入单元601`和电阻分压电路602`，所述稳压电源输入单元601`的输出端与所述电阻分压电路602`的输入端连接，所述电阻分压电路602`的输出端与所述误差放大器50的第一输入端连接。所述电阻分压电路602`用以对所述稳压电源输入单元输入601`的电压进行线性调节。
具体地，所述电阻分压电路602`包括定值电阻和滑动变阻器，所述定值电阻和所述滑动变阻器串联，通过线性改变滑动变阻器的电阻值，即可线性调节所述电压调节输出模块60`的输出电压。
在本实施例中，所述LED发光元件30包括三个串联的LED。
本发明实施例所述LED调光装置通过线性调节滑动变阻器的电阻值来线性调节所述电压调节输出模块60`的输出电压，即线性调节所述二极管40两端的电压值，从而实现所述LED发光元件30的实际发光亮度的非线性调节，使得人眼感受到的亮度呈线性变化。本实施例将LED发光元件30与二极管40进行串联，通过线性调节所述二极管40两端的电压来实现所述LED发光元件30的实际发光亮度的非线性调节的原理与第一实施例的相同，在此不再赘述。
在本实施例中，所述LED发光元件30的工作电流范围为0～25mA，在0-20mA范围内，所述LED发光元件30的实际发光亮度与流经其的电流呈线性关系；所述二极管40为1N4007二极管。
在本实施例中，所述LED发光元件30的实际发光亮度所对应的工作电流范围即为所述二极管40的电流范围，根据所述LED发光元件30的实际发光亮度所对应的工作电流范围和所述二极管40的伏安特性，即可确定所述二极管40两端的调节电压范围，该调节电压范围即为所述电压调节输出模块60`输出的直流电压的范围。
与现有技术相比，本发明实施例所述LED调光装置把二极管40作为电压反馈，将所述LED发光元件30与二级管40串联，通过误差放大器50比较所述电压调节输出模块60`输出的直流电压与所述二极管40两端的电压，并控制所述电压变换器20对所述电源输入模块10输入的电压进行相应的升压或降压处理，以使得所述二极管40两端的电压始终与所述电压调节输出模块60`输出的直流电压一致，从而可以通过线性改变滑动变阻器的阻值来线性调节所述电压调节输出模块60`输出的电压，即线性调节所述二极管30两端的电压，从而对与所述二极管40串联的LED发光元件30的电流进行非线性调节，即LED发光元件30的实际发光亮度的非线性调节，使得人眼感受到的亮度呈线性变化，本发明实施例所述LED调光装置结构简单，成本低。
需要说明的是，在本发明其他实施例中，如果需要亮度调节的LED发光元件的工作电流更大，则需要选择更大的工作电流的二极管或者并联的多个二极管与所述LED发光元件进行串联来实现所述LED发光元件的实际发光亮度的非线性调节。
以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也视为本发明的保护范围。
Claims (6)
1.一种LED调光装置，其特征在于，所述LED调光装置包括：电源输入模块、电压变换器、LED发光元件、二极管、误差放大器和电压调节输出模块；
所述电源输入模块的输出端与所述电压变换器的输入端连接，所述电压变换器的输出端与所述LED发光元件的输入端连接，所述LED发光元件的输出端与所述二极管的输入端连接，所述二极管的输出端接地；
所述误差放大器包括第一输入端、第二输入端和误差输出端，所述电压调节输出模块的输出端与所述误差放大器的第一输入端连接，所述误差放大器的第二输入端与所述二极管的输入端连接，所述误差放大器的误差输出端与所述电压变换器的控制端连接。
2.根据权利要求1所述的LED调光装置，其特征在于，所述电压调节输出模块包括PWM信号输入单元、电压转换电路和整流电路，所述PWM信号输入单元的输出端与所述电压转换电路的输入端连接，所述电压转换电路的输出端与所述整流电路的输入端连接，所述整流电路的输出端与所述误差放大器的第一输入端连接。
3.根据权利要求1所述的LED调光装置，其特征在于，所述电压调节输出模块包括稳压电源输入单元和电阻分压电路，所述稳压电源输入单元的输出端与所述电阻分压电路的输入端连接，所述电阻分压电路的输出端与所述误差放大器的第一输入端连接。
4.根据权利要求3所述的LED调光装置，其特征在于，所述电阻分压电路包括定值电阻和滑动变阻器，所述定值电阻和所述滑动变阻器串联，以通过调节所述滑动变阻器的阻值，改变电压调节输出模块的输出端的电压。
5.根据权利要求1所述的LED调光装置，其特征在于，所述LED发光元件包括多个串联的LED。
6.根据权利要求1所述的LED调光装置，其特征在于，所述二极管为多个，所述多个二极管并联。
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