CN109246885B - 一种led的切相调光装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种LED的切相调光装置，包括用于控制LED灯具的通断电的交流切相输出电路，该交流切相输出电路设于交流电源和LED灯具之间，装置还包括用于检测交流电源波形的过零点，并基于检测到的过零点输出与交流电源周期一致的方波的过零检测电路，以及用于根据控制信号和方波控制交流切相输出电路工作的微控制器，微控制器包括存储器和处理器，存储器中存储有由处理器执行的程序，处理器执行程序时实现以下步骤：根据过零检测电路输出的方波计算交流电源的频率，根据控制信号和切相控制数据组控制交流切相输出电路导通断LED灯具。与现有技术相比，本发明具有抗干扰能力强等优点。

Description

一种LED的切相调光装置

技术领域

本发明涉及一种调光装置，尤其是涉及一种LED的切相调光装置。

背景技术

传统照明灯具主要以白炽灯和荧光灯等光源为主，对白炽灯和荧光灯进行调光的控制器主要以切相调光器为主，切相调光器输入接交流电源，输出为切相的交流电，也就是输出到灯具的交流电源不是完整的正弦波，而是有部分被切掉的正弦波，灯具会根据被切掉的相位调整其输出的亮度。控制交流电输出切相调光器一般分为切相前沿调光器(简称前沿调光器)和切相后沿调光器(后沿调光器)，前沿调光器一般使用双向可控硅(Triac)和少量的电子元件进行AC电源的切相控制，由于前沿切相控制器的电路简单，其整体的成本比较低，可靠性比较高，所以普遍用于对传统灯具的调光控制。后沿调光器的电路相对比较复杂，一般由微控制器(MCU)控制MOSFET或者IGBT的导通和关断达到切相的控制，整体的成本相对比较复杂。

目前LED的技术已经非常成熟，在很多照明领域已经全部改用LED做为灯具的光源，由于LED工作需要一个直流电源进行驱动，所以一般的LED灯具都会有一个交流转直流(AC-DC)的驱动器，这个AC-DC驱动器可以通过检测交流电的相位角调整驱动LED电流，从而达到调光的功能。一般这个AC-DC驱动器可以接受前沿调光器或者后沿调光器对其进行控制。

在用前沿调光器对LED灯具进行调光时，前沿调光器的输出交流电压会有一个从很低的电压(0V)上升到一个很高的电压(在AC230V,相位角在90度时，峰值电压为325V)的边沿，这个边沿会对LED驱动输入的电容进行充电，电容在充电前的电阻值非常低，所以当电容的电压瞬态从0V上升到一个很高的电压时，会产生一个浪涌电流(Inrush Current)这个浪涌电流会导致电源总闸跳闸或者对其寿命产生影响，而且对LED驱动器内部元件寿命产生影响。后沿调光器在切相时是从一个高的电压(325V)变到一个低的电压(0V)，相当于在交流电源上有一个短暂的关断，所以用后沿调光器对LED驱动器进行调光时就不会产生冲击电流，所以后沿调光器目前普遍用于对LED灯具进行调光。

目前普遍在用的后沿调光器主要是家用或者小功率调光器，功率一般在600W以内，在商业场合需要更高功率的调光器，一般商用调光器会有1个一样的回路输出，单个回路输出1000W以上，在商业照明领域，灯具一般都需要进行控制，控制方式一般会有有线和无线两种，其中有线的控制方式以DMX512，DALI等协议为主，无线的WIFI，蓝牙等控制方式为主。这些控制方式没有办法直接控制AC电源进行切相，都需要进行信号的转换，本发明就是针对这些有线或者无线的控制方式如何控制AC电压切相对灯具进行调光提出的方案。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种LED的切相调光装置。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种LED的切相调光装置，包括用于控制LED灯具的通断电的交流切相输出电路，该交流切相输出电路设于交流电源和LED灯具之间，所述装置还包括用于检测交流电源波形的过零点，并基于检测到的过零点输出与交流电源周期一致的方波的过零检测电路，以及用于根据控制信号和所述方波控制交流切相输出电路工作的微控制器，所述微控制器分别与过零检测电路和交流切相输出电路连接，所述微控制器包括存储器和处理器，所述存储器中存储有由所述处理器执行的程序，所述处理器执行所述程序时实现以下步骤：

根据过零检测电路输出的方波计算交流电源的频率，

根据控制信号和切相控制数据组控制交流切相输出电路导通断LED灯具。

所述方波为直流方波，

所述过零检测电路包括：

比较器，输入端与交流电源连接；

光电隔离器，输入端与比较器的输出端连接，输出端与微控制器连接。

所述根据过零检测电路输出的方波计算交流电源的频率具体包括：

接收过零检测电路发送的方波信号；

当检测到上升沿或下降沿时，开始计时，并在检测到后一个下降沿或上升沿后结束计时，根据计时结果计算得到方波的周期；

根据方波的周期计算得到交流电源的频率。

所述控制信号为脉冲宽度调制控制信号，所述根据控制信号和所述频率控制交流切相输出电路导通断LED灯具包括：

根据交流电源的频率确定切相控制数据组；

计算PWM控制信号的占空比，并根据PWM控制信号的占空比和切相控制数据组控制交流切相输出电路导通或关断。

计算PWM控制信号的占空比过程具体包括：

检测PWM控制信号，并在检测到PWM控制信号的上升沿后，开始计时，直至检测到PWM控制信号的下降沿，结束计时；

根据计时结果，结合预先配置的PWM控制信号频率确定PWM控制信号的占空比。

计算PWM控制信号的占空比过程具体包括：

检测PWM控制信号，并在检测到PWM控制信号的上升沿后，开始计时，直至检测到PWM控制信号的下降沿，记录此时的计时结果，并重新计时，直至检测到PWM控制信号的上升沿，记录此时的计时结果；

根据两次计时结果，确定PWM控制信号的占空比。

所述控制信号为脉冲频率调制控制信号，所述根据控制信号和所述频率控制交流切相输出电路导通断LED灯具包括：

根据交流电源的频率确定切相控制数据组；

计算PFM控制信号的频率，并根据PFM控制信号的频率和切相控制数据组控制交流切相输出电路导通或关断。

计算PFM控制信号的频率过程具体包括：

检测PFM控制信号，并在检测到PFM控制信号的上升沿后，开始计时，直至再次检测到上升沿，结束计时；

根据计时结果，确定PFM控制信号的频率。

所述根据控制信号和切相控制数据组控制交流切相输出电路导通断LED灯具，包括：

根据切相控制数据组中控制信号与交流切相输出相位角之间的对应关系，将控制信号转换为交流切相输出相位角；

根据交流切相输出相位角和交流电源的频率计算交流切相输出电路每半个周期内的需导通时间。

所述装置还包括温度检测电路，该温度检测电路与微控制器连接，用于检测温度并在温度超过设定阈值时向微控制器发送用于指示温度过高的第三信号，在温度未超过设定阈值时，向微控制器发送用于指示温度正常的第三信号。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

1)信号传输非常准确，无线和有线通信都是数字通信，外部控制器将数字信号转成高精度的PWM控制信号，单片机再通过测量PWM的占空来调整AC电源的切相相位角。

2)传统过零检测方式很容易受到外交电源的干扰，而且AC线上加X电容后会扰乱其检测零点。使用差分方式进行AC电压过零检测，具有良好的抗干扰性能，在AC线上可以随意加X电容而不会影响过零检测的功能，可以非常精确的检测到过零点。

3)可以采用PWM和PFM两种方式进行控制，控制方式灵活。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2为过零检测电路的示意图；

图3为PWM控制AC电源切相波形图；

图4为实施中的流程示意图；

其中：1、交流切相输出电路，2、过零检测电路，3、微控制器，4、外部控制器，5、温度检测电路，6、转换电源。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。本实施例以本发明技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

一般控制灯具的有线方式DMX512、DALI和无线控制方式WIFI、蓝牙等都可以将接收到的信号转成PWM，本申请的核心在于将PWM控制信号的占空比转换成AC电源切相的相位角。然后基于该相位角进行对LED灯具的调光。

一种LED的切相调光装置，如图1所示，包括：

交流切相输出电路1，分别与交流电源和LED灯具连接，用于控制LED灯具的导通，AC切相输出电路由2颗MOSFET和MOSFET驱动电路组成，通过微控制器3的PA2接口控制MOSFET的导通和关断，从而产生交流切相输出；

过零检测电路2，输入端与交流电源连接，用于检测交流电源波形的过零点，并基于检测到的过零点输出与交流电源周期一致的方波，交流电源波形的正半周对应方波的高电平或低电平，负半周对应方波的低电平或高电平；

外部控制器4，与上位控制装置连接，接收上位控制装置的用于调光的控制信号，控制信号可以为PWM控制信号或者PFM控制信号；

另外，优选的，可以配置转换电源6，该转换电源6的输入端与交流电源连接，输出3路DC12V，第一路供电给过零检测电路2，第二路供电给微控制器3，第三路供电给流切相输出电路，这3路电源之间是隔离的；

微控制器3，包括存储器和处理器，存储器中存储有由处理器执行的程序，处理器执行程序时实现以下步骤：

根据过零检测电路输出的方波计算交流电源的频率，

根据控制信号和切相控制数据组控制交流切相输出电路导通断LED灯具。

微控制器3具体可以采用单片机，分别与过零检测电路2和外部控制器4的输出端以及交流切相输出电路1的输入端连接，具体的，本实施例中，PA1与过零检测电路2连接，PA2与交流切相输出电路1连接，PA4与外部控制器4连接，被配置以执行以下步骤：

方波为直流方波，如图2所示，过零检测电路2主要包括两个部件：比较器和光电隔离器，在本实施例中比较器的正相输入端与火线连接，反向输入端与零线连接(也可以反过来)，输出端与光电隔离器连接，光电隔离器的输出端与微控制器3的PA1引脚连接。过零检测电路2通过差分电路检测AC电压的过零点，差分电路输出一个与AC电压同步的方波，方波上升沿和下降沿对应AC电压的过零点，此方波通过光耦隔离传送给单片机控制电路的PA1接口。

其中，根据过零检测电路2输出的方波计算交流电源的频率具体包括：

接收过零检测电路2发送的方波信号；

当检测到上升沿或下降沿时，开始计时，并在检测到后一个下降沿或上升沿后结束计时，根据计时结果计算得到方波的周期；

根据方波的周期计算得到交流电源的频率。

根据控制信号和切相控制数据组控制交流切相输出电路导通断LED灯具，包括：

根据切相控制数据组中控制信号与交流切相输出相位角之间的对应关系，将控制信号转换为交流切相输出相位角；

根据交流切相输出相位角和交流电源的频率计算交流切相输出电路每半个周期内的需导通时间。

调光装置还包括温度检测电路5，由一个正温度系数的热敏电阻和一颗电阻组成，与微控制器3的PA3引脚连接，用于在完成控制信号转AC切相的转换后，检测装置(优选为装置中交流切相输出电路1中MOSFET的)温度并在温度超过设定阈值时向微控制器3发送用于指示温度过高的第三信号，在温度未超过设定阈值时，向微控制器3发送用于指示温度正常的第三信号。

实施例一：

控制信号为脉冲宽度调制控制信号，

此装置在上电后，微控制器3程序设定PA1口为边沿触发，当检测到上升沿或者下降沿时，单片机启动内部的定时器TIM1开始计时，接着继续检测PA0上的边沿，再次检测到边沿时，TIM1停止计时，此时TIM1的计时数就是AC输入电源周期的一半，乘2就可以得到输入交流电源的周期，从而得到交流电源输入的频率，全球交流电源频率基本上都是50Hz或者60Hz。由于电源频率的差异，为了得到50Hz和60Hz切相输出的最大相位角或者最小相位角完全相同，在单片机内部设定了50Hz和60Hz转AC切相的2种曲线的数据数组，假设AC电源频率是50Hz，单片机调用50Hz转AC切相曲线的数据数组。

单片机通过PA4接口测量PWM的占空比，计算PWM控制信号的占空比具体包括：

在确定交流电源的频率后，PA4先设置为上升沿触发模式，检测PWM控制信号；

检测到PWM控制信号的上升沿后，单片机内的TIM2开始计时，然后PA4改为下降沿触发模式，直至检测到PWM控制信号的下降沿，TIM2结束计时，单片机保存TIM2当前的计时数为T2_1，

之后有两种方式可以得到占空比，一种是根据计时结果T2_1，结合预先配置的PWM控制信号频率确定PWM控制信号的占空比，另一种是TIM2重新计时，PA4再改为上升沿触发模式，检测到上升沿后，TIM2停止计时，单片机保存TIM2当前的计时数为T2_2，T2_1除以T2_1和T2_2的和就是PWM的占空比。

根据PWM控制信号的占空比和交流电源的频率控制交流切相输出电路1导通或关断，具体包括：

在确定交流电源的频率后，继续通过单片机PA1口接收过零检测电路2发送的方波信号；

当检测到上升沿或下降沿时，向交流切相输出电路1发送用于指示其导通的第二信号，交流切相输出电路1导通，灯具通电，同时定时器TIM1开始计时；

根据PWM控制信号的占空比和交流电源的频率计算交流切相输出电路1每半个周期内的需导通时间，具体的，在单片机内部有一个PWM占空比与AC切相输出之间的一个对应表(比如：50％对应AC相位角是90度)，根据预设的PWM控制信号的占空比和占空比与交流切相输出相位角之间的对应关系，将PWM控制信号的占空比转换为交流切相输出相位角，根据交流切相输出相位角和交流电源的频率计算交流切相输出电路1每半个周期内的需导通时间；

在TIM1计时至需导通时间后，向交流切相输出电路1发送用于指示其关断的第二信号，灯具断电。其中图3是相关的波形图。另外具体PWM占空比与AC切相输出角的关系可以采用分段函数，例如4％占空比为40°，96％占空比为140°，中间采用线性变化。

为了更好的理解本申请，下面具体从上电开始例举一具体过程，如图4所示，在设定PWM控制信号频率为1KHz，PWM占空比50％对应的AC切相输出相位角为90度，TIM1的每个计数单位时间是0.1us，TIM2每个计数单位时间是1us，对控制流程进行详细描述：

在步骤401中，单片机PA1接口设定为边沿触发模式，接收从过零检测电路2发送过来的方波信号，当有边沿产生时进入步骤402；

在步骤402中，单片机TIM1定时器开始计数，并进入步骤403；

在步骤403中，单片机PA1接口继续检测从过零检测电路2发送过来的方波信号的边沿，有边沿产生时进入步骤404；

在步骤404中，TIM1停止计数，根据TIM1的计数住计算出AC电压的频率，根据不同的频率选用不同的切相控制数据组，保存交流电源的频率，进入步骤405；

在步骤405中，单片机PA1接口继续检测从过零检测电路2发送过来的方波信号的边沿，有边沿产生时进入步骤406；

在步骤406中，单片机PA2接口输出高电平，TIM1定时器开始计数，进入步骤407；

在步骤407中，单片机PA4接口是PWM的输入接口，PA4设置为上升沿触发，并等待上升沿触发，如果有上升沿触发进入步骤408；

在步骤408中，单片机TIM2定时器开始计数，进入步骤409；

在步骤409中，单片机PA4接口设置为下降沿触发，并等待下降沿触发，当有下降沿触发时进入步骤410；

在步骤410中，单片机TIM2停止计数，用TIM2的计数值除以PWM的周期，就是PWM的占空比，将定TIM2计数值为500，PWM的占空比就是50％，对应AC切相输出相位90度，当AC电源电压频率是50Hz时，设定TIM1的最大计数为5000，当AC电源电压是60Hz是，设定TIM1的最大计数值为4167，进入步骤411；

在步骤411中，TIM1判断计数是否溢出，计数产生溢出，进入步骤412；

在步骤412中，TIM1停止计数，PA2输出低电平，进入步骤413；

在步骤413中，单片机检测PA3接口的电平，高电平对应温度超过设定值，低电平对应温度正常，进入步骤414；

在步骤414中，PA2接口电平如果是低电平，温度超过设定值，则执行步骤413，如果是高电平，温度没有超过设定值，执行步骤405。

实施例二：

控制信号为脉冲频率调制控制信号，因此根据控制信号和频率控制交流切相输出电路导通断LED灯具的过程包括：根据交流电源的频率确定切相控制数据组；计算PFM控制信号的频率，并根据PFM控制信号的频率和切相控制数据组控制交流切相输出电路导通或关断。

计算PFM控制信号的频率过程具体包括：检测PFM控制信号，并在检测到PFM控制信号的上升沿后，开始计时，直至再次检测到上升沿，结束计时；根据计时结果，确定PFM控制信号的频率。

为了更好的理解本申请，下面具体从上电开始例举一具体过程，下面在设定PFM信号频率为10KHz，PFM的频率10KHz对应的AC切相输出相位角为90度，TIM1的每个计数单位时间是0.1us，TIM2每个计数单位时间是1us，对控制流程进行详细描述：

在步骤701中，单片机PA1接口设定为边沿触发模式，接收从过零检测电路发送过来的方波信号，当有边沿产生时进入步骤702；

在步骤702中，单片机TIM1定时器开始计数，并进入步骤703；

在步骤703中，单片机PA1接口继续检测从过零检测电路发送过来的方波信号的边沿，有边沿产生时进入步骤704；

在步骤704中，TIM1停止计数，根据TIM1的计数住计算出AC电压的频率，根据不同的频率选用不同的切相控制数据组，保存AC电压的频率，进入步骤705；

在步骤705中，单片机PA1接口继续检测从过零检测电路发送过来的方波信号的边沿，有边沿产生时进入步骤706；

在步骤706中，单片机PA2接口输出高电平,TIM1定时器开始计数，进入步骤707；

在步骤707中，单片机PA4接口是PFM的输入接口，PA4设置为上升沿触发，并等待上升沿触发，如果有上升沿触发进入步骤708；

在步骤708中，单片机TIM2定时器开始计数，进入步骤709；

在步骤709中,单片机PA4接口再次等待上升沿触发，当有上升沿触发时进入步骤710；

在步骤710中，单片机TIM2停止计数，用TIM2的计数值就是PFM的信号的周期，从而计算出PFM的频率，将定TIM2计数值为100，PFM的频率就是10KHz，对应AC切相输出相位90度，当AC电源电压频率是50Hz时，设定TIM1的最大计数为5000，当AC电源电压是60Hz是，设定TIM1的最大计数值为4167，进入步骤711；

在步骤711中，TIM1判断计数是否溢出，计数产生溢出，进入步骤712；

在步骤712中，TIM1停止计数，PA2输出低电平，进入步骤713；

在步骤713中，单片机检测PA3接口的电平，高电平对应温度超过设定值，低电平对应温度正常，进入步骤714；

在步骤714中，PA2接口电平如果是低电平，温度超过设定值，则执行步骤713，如果是高电平，温度没有超过设定值，执行步骤705。

Claims (5)

1.一种LED的切相调光装置，包括用于控制LED灯具的通断电的交流切相输出电路，该交流切相输出电路设于交流电源和LED灯具之间，其特征在于，所述装置还包括用于检测交流电源波形的过零点，并基于检测到的过零点输出与交流电源周期一致的方波的过零检测电路，以及用于根据控制信号和所述方波控制交流切相输出电路工作的微控制器，所述微控制器分别与过零检测电路和交流切相输出电路连接，所述微控制器包括存储器和处理器，所述存储器中存储有由所述处理器执行的程序，所述处理器执行所述程序时实现以下步骤：

根据过零检测电路输出的方波计算交流电源的频率，

根据控制信号和切相控制数据组控制交流切相输出电路导通或关断LED灯具；

所述控制信号为脉冲频率调制控制信号，所述根据控制信号和切相控制数据组控制交流切相输出电路导通或关断LED灯具：根据交流电源的频率确定切相控制数据组，计算PFM控制信号的频率，并根据PFM控制信号的频率和切相控制数据组控制交流切相输出电路导通或关断；

计算PFM控制信号的频率过程具体包括：检测PFM控制信号，并在检测到PFM控制信号的上升沿后，开始计时，直至再次检测到上升沿，结束计时，根据计时结果，确定PFM控制信号的频率。

2.根据权利要求1所述的一种LED的切相调光装置，其特征在于，所述方波为直流方波，

所述过零检测电路包括：

比较器，输入端与交流电源连接；

光电隔离器，输入端与比较器的输出端连接，输出端与微控制器连接。

3.根据权利要求1所述的一种LED的切相调光装置，其特征在于，所述根据过零检测电路输出的方波计算交流电源的频率具体包括：

接收过零检测电路发送的方波信号；

当检测到上升沿或下降沿时，开始计时，并在检测到后一个下降沿或上升沿后结束计时，根据计时结果计算得到方波的周期；

根据方波的周期计算得到交流电源的频率。

4.根据权利要求1所述的一种LED的切相调光装置，其特征在于，所述根据控制信号和切相控制数据组控制交流切相输出电路导通或关断LED灯具，包括：

根据切相控制数据组中控制信号与交流切相输出相位角之间的对应关系，将控制信号转换为交流切相输出相位角；

根据交流切相输出相位角和交流电源的频率计算交流切相输出电路每半个周期内的需导通时间。

5.根据权利要求4所述的一种LED的切相调光装置，其特征在于，所述装置还包括温度检测电路，该温度检测电路与微控制器连接，用于检测温度并在温度超过设定阈值时向微控制器发送用于指示温度过高的第三信号，在温度未超过设定阈值时，向微控制器发送用于指示温度正常的第三信号。

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