CN110366296A - 通过电力线通讯的控制器、led灯具及led控制系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种通过电力线通讯的控制器、LED灯具及LED控制系统，该控制器包括依次电连接的输入保护单元、整流及过零检测单元、降压供电单元、第一MCU、开关控制单元，所述整流及过零检测单元还与第一MCU、开关控制单元电连接；所述LED灯具包括输入保护及EMC电路、整流滤波电路、高功率因数降压电路、环路维持单元、限幅检波单元、第二MCU、色度/亮度控制单元、LED灯板。本发明不需要重新布线，使用原有的线路更换灯具及控制器即可，能实现快速调光调色且成本低。
Description
技术领域
本发明涉及LED控制技术，特别涉及通过电力线通讯的控制器、LED灯具及LED控制系统。
背景技术
在LED调光技术领域，目前市面上几种常见的应用方式，他们具有如下优缺点：
(1)、可控硅切相调光：这种技术已有很多年，在白炽灯时期已有这种切相调光的技术，由于白炽灯或者同类的灯呈阻性负载特性，可控硅调光器通过对交流电的切波改变输入到阻性灯具两端的电压实现调光功能，当LED照明技术出现后，直接将LED灯具应用于传统的可控硅调光器上，出现了很多可控硅无法兼容的问题，根据可控硅的特性，当可控硅的中流过的负载电流小于控制电流时，可控硅将自动关闭。切相角度切到最大时，LED灯具的电压太低会出现闪烁、不亮、调光不线性等问题。这种技术的优点是：不用更改线路，成本低；缺点为：有兼容性问题，调光不线性，闪烁，无法全电压使用，且只能调光，不能调色。
(2)、0-10V线性调光：这种方式除了现有布线之外，还需要单独布两条线做为调光控制的线，使用专用的0-10V调光器。这种技术的优点是：调光效果好，缺点为：需要重新布线，绝大部分应用场景无法重新布线，改造成本极高，一般只有调光功能。
(3)、DALI/DMX512：这种方式同时除了现有布线之外，还需要单独布通信控制的线，主要使用于极少的专用场合。这种技术的优点是：系统集中控制，可调光调色；缺点为：初装及改造成本都极高，只应用于极少的专业场合。
(4)、无线调光：新型的LED智能调光控制常采用的方式，如433Mhz，2.4G无线控制，Wifi，蓝牙等控制方式。这种技术的优点是：功能扩展能力强，可实现调光调色；缺点为：无线控制距离近，空间影响极大，成本高，需要配对且使用过程中会出现掉码等问题。
发明内容
针对现有技术存在的问题，本发明提供一种通过电力线通讯的控制器、LED灯具及LED控制系统，不需要重新布线，使用有的线路更换灯具及控制器即可，能实现快速调光、调色、开关、闪烁等。
为实现上述目的，本发明的具体方案如下：
一种通过电力线通讯的控制器，包括依次电连接的输入保护单元、整流及过零检测单元、降压供电单元、第一MCU、开关控制单元，所述整流及过零检测单元还与第一MCU、开关控制单元电连接；所述整流及过零检测单元包括第一整流电路，所述第一整流电路的输出分开为A、B两个输出端，所述A、B两个输出端分别连接至第一MCU，所述A、B两个输出端输出交替的正弦半波，交替点为过零信号，所述第一MCU被两路正弦半波交替触发。
优选地，所述第一整流电路包括四个二极管D1-D4，所述二极管D1、D2的正极接地端，负极分别连接二极管D3、D4的正极，所述二极管D3、D4的负极分别为A、B两个输出端，交流电从二极管D1、D3的中点和二极管D2、D4的中点输入，A、B两个输出端输出的正弦半波分别由A、B两个输出端与地端的压差产生；所述整流及过零检测单元还包括两个第一分压限幅电路，所述第一整流电路的A、B两个输出端各通过一个第一分压限幅电路连接至第一MCU。
优选地，所述开关控制单元包括两个MOS管Q1、Q2，所述Q1和Q2的漏极分别连接A、B两个输出端，栅极分别连接第一MCU。
优选地，所述第一MCU可采用的型号有AT61F02、STM32系列或者STM08系列微处理器。
本发明还提供一种LED灯具，包括环路维持单元、限幅检波单元、以及依次电连接的输入保护及EMC单元、整流滤波单元、功率因数校正控制单元、第二MCU及解码单元、LED灯板，所述整流滤波单元还通过环路维持单元与第二MCU及解码单元电连接，所述输入保护及EMC单元还通过限幅检波单元与第二MCU及解码单元电连接，输入电压经过整流后被功率因数校正控制单元降压至第二MCU及解码单元的供电电压，同时输入电压经过限幅检波单元限幅后供给第二MCU及解码单元进行处理，最终实现对LED灯板的调节，同时环路维持单元将电路中的电流维持在LED灯具的整个环路的工作范围内，所述限幅检波单元包括两路限幅检波电路，两路所述限幅检波电路的输出端均与第二MCU及解码单元电连接，第二MCU及解码单元被触发后，在限定时间内，两路所述限幅检波电路的输出电压同为高时记为状态一，一高一低时记为状态二，由多个状态一和多个状态二组成的序列发送给第二MCU及解码单元进行解码处理。
优选地，所述限幅检波单元包括两个第二分压限幅电路和两个反向二极管D12、D13，每一所述第二分压限幅电路与一个反向二极管D12/D13电连接，交流电经过第二分压限幅电路后再经过反向二极管输出到第二MCU。
优选地，所述限幅检波单元还包括隔离光耦U5、U6或三极管Q1、Q2，所述隔离光耦U5、U6或三极管Q1、Q2连接于反向二极管D12、D13和第二MCU之间，交流电依次经过第二分压限幅电路和反向二极管D12、D13后输入到隔离光耦U5、U6或三极管Q1、Q2，最终输出到第二MCU。
优选地，所述环路维持单元包括MOS管Q5、隔离光耦U7，输入到U7的电平经过U7反向后控制MOS管Q5的导通与关断。
本发明还提供一种LED控制系统，包括权利要求1-3任一一项所述的通过电力线通讯的控制器和权利要求4-7任意一项所述的LED灯具，所述控制器和LED灯具串联连接。
采用本发明的技术方案，具有以下有益效果：
(1)、实现了对LED灯具的线性调光，并可实现调色、开关、闪烁等功能；
(2)、解决了LED灯具在使用传统切相调光器的兼容性差、调光范围小、闪光等问题；
(3)、避免了无线调光技术方案的传输距离、干扰及掉码的问题；
(4)、比传统的DALI、DMX512等专业调光大幅节省成本；
(5)、不需要重新布线，通过电力线就能实现有线数据传输，降低改造成本；
(6)、适用于100V-277V、50Hz/60Hz的交流电，相比传统只适应110V或220V的单值交流电，应用范围广泛。
附图说明
图1为本发明整体框图；
图2为本发明控制器的功能模块框图；
图3为本发明控制器的电路图；
图4为本发明整流及过零检测单元的模块图；
图5为本发明第一整流电路的输入输出波形图；
图6为本发明第一整流电路A、B两点和开关控制单元Q1、Q2的波形图；
图7(a)为本发明第一MCU的输入输出波形图一；
图7(b)为本发明第一MCU的输入输出波形图二；
图8为本发明LED灯具的功能模块框图；
图9(a)为本发明LED灯具的限幅检波单元的电路图实施例一；
图9(b)为本发明LED灯具的限幅检波单元的电路图实施例二；
图9(c)为本发明LED灯具的限幅检波单元的电路图实施例三；
图10为本发明限幅检波单元的输出波形图；
图11为本发明LED灯具的环路维持单元的电路图；
图12为本发明环路维持单元的工作原理示意图。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施例，对本发明进一步说明。
参照图1，本发明提供一种LED灯的线控调光调色系统，包括LED灯的线控调光调色控制器和LED灯具，所述控制器和灯具串联连接。
参照图2，本发明提供一种通过电力线通讯的控制器，包括依次电连接的输入保护单元、整流及过零检测单元、降压供电单元、第一MCU、开关控制单元，所述整流及过零检测单元还与第一MCU、开关控制单元电连接；所述整流及过零检测单元包括第一整流电路，所述第一整流电路的输出分开为A、B两个输出端(以下简称A点和B点)，所述A、B两个输出端分别连接至第一MCU，所述A、B两个输出端输出交替的正弦半波，交替点为过零信号，所述第一MCU被两路正弦半波交替触发。
参照图3至图5，所述第一整流电路包括四个二极管D1-D4，所述二极管D1、D2的正极接地端，负极分别连接二极管D3、D4的正极，所述二极管D3、D4的负极分别为A、B两个输出端，交流电从二极管D1、D3的中点和二极管D2、D4的中点输入，A、B两点输出的正弦半波分别由A、B两点与地端的压差产生，当正弦波经过第一整流电路时，A点输出正半周，B点输出负半周，并在正负半周波形交替时产生过零信号。
所述整流及过零检测单元还包括两个第一分压限幅电路，所述第一整流电路的A、B两个输出端各通过一个第一分压限幅电路连接至第一MCU，第一整流电路的输入输出波形如图5所示。
整流及过零检测单元的电路设计一方面实现整流功能，另一方面通过A、B两点的波形交替产生过零信号，大大简化了电路，降低改造成本。
继续参照图3，所述开关控制单元包括两个MOS管Q1、Q2，所述Q1和Q2的漏极分别连接A、B两个输出端，栅极分别连接第一MCU。
本实施例中，所述第一MCU采用型号为AT61F02。
该控制器的工作原理为：
参照图1至图2，控制器与所有LED灯具是串联连接关系，交流输入电压同时会输入到控制器的两个连接端子(即图2中输入端和输出端)，100V-277V电压连接到输入保护单元，此电路具有过流及过温保护功能，电压经过输入保护单元后连接到整流及过零检测单元。
参照图2至图3，输入的交流电经由整流及过零检测单元的整流后形成两路交替的正弦半波，其中一路正弦半波被降压供电单元降压到第一MCU合适的工作电压，同时两路交替的正弦半波输送给第一MCU，所述第一MCU被这两路交替的正弦半波触发，后由第一MCU输出控制电压给开关控制单元。
参照图3至图5，整流及过零检测单元中的第一整流电路与传统的整流桥不同，两个正向输出端并没有连接在一起，而是分开为A、B两点，从而将输入的正弦交流电压分别整流成为A、B两个交替的正弦半波，第一整流电路输入输出波形如图5所示，两路正弦半波交替触发第一MCU，并将交替产生的过零信号反馈给第一MCU。
继续参照图3和图6，Q1和Q2截止时，A点和B点的电压波形为交替的正弦半波，此时第一MCU的CTL-A和CTL-B两个输出引脚均输出低电平。
继续参照图3和图7(a)，第一整流电路的输出端A点和B点的输出电压经过分压限幅后，输送到第一MCU的INT-A和INT-B两个引脚，此时INT-A和INT-B的波形只有正半周的一部分，由于INT-A和INT-B的电压是交替输入的，在交流电的同一个周期内，在正半周时，第一MCU收到INT-A为高电平的信息后，延迟t时间后CTL-A输出高电平，使Q1导通，同时CTL-B输出低电平，使Q2截止，在负半周时，第一MCU收到INT-B为高电平信息后，延迟t时间后CTL-B输出高电平，使Q2导通，同时CTL-A输出低电平，使Q1截止。
参照图7(b)，通过改变延迟时间t，就可以改变CTL-A、CTL-B的波形，从而改变开关控制单元中Q1和Q2的导通时间，以时间t1和t2为例，取t1>t2。
参照图8，一种LED灯具，包括环路维持单元、限幅检波单元、以及依次电连接的输入保护及EMC单元、整流滤波单元、功率因数校正控制单元、第二MCU及解码单元、LED灯板，所述整流滤波单元还通过环路维持单元与第二MCU及解码单元电连接，所述输入保护及EMC单元还通过限幅检波单元与第二MCU及解码单元电连接，输入电压经过整流后被功率因数校正控制单元降压至第二MCU及解码单元的供电电压，同时输入电压经过限幅检波单元限幅后供给第二MCU及解码单元进行处理，最终实现对LED灯板的调节，同时环路维持单元将电路中的电流维持在LED灯具的整个环路的工作范围内，其特征在于，所述限幅检波单元包括两路限幅检波电路，两路所述限幅检波电路的输出端均与第二MCU及解码单元电连接，第二MCU及解码单元被触发后，在限定时间内，两路所述限幅检波电路的输出电压同为高时记为状态一，一高一低时记为状态二，由多个状态一和多个状态二组成的序列发送给第二MCU及解码单元进行解码处理。
参照图9(a)，所述限幅检波单元采用非隔离架构，包括两个第二分压限幅电路和两个反向二极管D12、D13，每一所述第二分压限幅电路与一个反向二极管D12/D13电连接，交流电经过第二分压限幅电路后再经过反向二极管输出到第二MCU及解码单元；
参照图9(b)，所述限幅检波单元采用隔离架构，在图9(a)所示的费隔离架构的基础上增加了三极管Q1、Q2，所述三极管Q1、Q2连接于反向二极管D12、D13和第二MCU及解码单元之间，交流电依次经过第二分压限幅电路和反向二极管D12、D13后输入到三极管Q1、Q2，最终输出到第二MCU及解码单元；
参照图9(c)，所述限幅检波单元采用隔离架构，在图9(a)所示的费隔离架构的基础上增加了隔离光耦U5、U6，所述隔离光耦U5、U6连接于反向二极管D12、D13和第二MCU及解码单元之间，交流电依次经过第二分压限幅电路和反向二极管D12、D13后输入到隔离光耦U5/U6的阳极，最终输出到第二MCU及解码单元；
需要注意的是，限幅检波单元采用图9(a)所示的电路时，输入信号无需反相，采用图9(b)或图9(c)所示电路时，输入信号需要做一次反相，所述限幅检波单元的输出波形如图10所示。
参照图11，所述环路维持单元包括MOS管Q5、隔离光耦U7，输入到U7的电平经过U7反向后控制MOS管Q5的导通与关断。
该LED灯具的工作原理为：
参照图8，交流电压从输入保护及EMC电路输入后，依次经过整流滤波单元和功率因数校正控制单元进行能量转换后输出直流电压，同时输入的两条交流电压经过限幅检波单元，经分压限幅后把两个信号连接至第二MCU及解码单元进行信号解码，并根据解码的数据控制LED灯板。
参照图9(c)，限幅检波单元连接于交流电上，经过R21，R34，C15，R22，R35，C14组成的第二分压限幅电路限压后，分别通过R36、R37连接到隔离光耦U5和U6的阳极，经过隔离耦合以及反向后由PA0和PA1端口连接到第二MCU及解码单元进行解码处理及色度/亮度控制。
由图6和图7可知，通过改变延迟时间t即可改变INT-A和INT-B的脉冲宽度，参照图9(c)和图10，以延迟时间t1和t2为例，取t1>t2，第二MCU及解码单元接收PA0和PA1上的电压，当PA1检测到外部电压翻转时产生内部中断信号，第二MCU及解码单元禁止外部中断在超过t2时间但不足t1时间的任何时刻判断PA0和PA1的电平，由于负半周波形的脉冲宽度是固定的，因此将其作为参考信号或时钟信号；在超过t2但不足t1的时间段内，当PA0和PA1的电平同为高时判断为数字电路的一种状态(如判断为0)，否则判断为数字电路的另一种状态(如判断为1，0和1是相对的，此处只为区别两种不同的状态)，第二MCU及解码单元将0和1的序列进行解码处理后输出相应的LED控制信号。
采用PA0和PA1是否同为高电平的方式来判断数字电路中的0和1，而不采用脉宽度来判断0和1有效的解决了电源输入区分零火线的问题，而且避免了无线调光技术方案的传输距离、干扰及掉码的问题，实际应用中也不需要重新布线，通过电力线就能实现有线数据传输，极大降低了改造成本。
参照图1、图2和图8，由于降压供电单元使控制器的工作电压降低，当LED灯具的亮度调低以后，流过控制器与LED灯具的电流也变小，当电流降低到一定的程度时，将无法满足控制器的供电要求，控制器将因电流太小而关闭，无法正常工作；参照图11和图12，控制器关闭的时间段内，为了降低系统功率，U2输出的低电平，经光耦U7反向后使MOS管Q5导通，从而把电阻R58接入环路中，使整个电路导通，以达到维护控制器供电的目的；同时为了降低无用的损耗，环路维持单元只在系统功率低于50％的时候才工作，以降低环路的损耗。
环路维持单元使整个环路的电流维持在正常工作状态，进一步增大调光范围、减少闪烁。
控制器中的输入保护单元、降压供电单元、第一MCU，以及LED灯具中的输入保护及EMC单元、整流滤波单元、功率因数校正控制单元、第二MCU及解码单元、LED灯板均为本领域常规技术，此处不再赘述。
需要注意的是，控制器中的降压供电单元虽是本领域常规技术，但本发明采用适用于100V-277V、50Hz/60Hz交流电的降压电路，相比传统只适应110V或220V的单值交流电，应用范围广泛。
以上所述仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是在本发明的发明构思下，利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构变换，或直接/间接运用在其他相关的技术领域均包括在本发明的保护范围内。
Claims (8)
1.一种通过电力线通讯的控制器，包括依次电连接的输入保护单元、整流及过零检测单元、降压供电单元、第一MCU、开关控制单元，所述整流及过零检测单元还与第一MCU、开关控制单元电连接；其特征在于，所述整流及过零检测单元包括第一整流电路，所述第一整流电路的输出分开为A、B两个输出端，所述A、B两个输出端分别连接至第一MCU，所述A、B两个输出端输出交替的正弦半波，交替点为过零信号，所述第一MCU被两路正弦半波交替触发。
2.根据权利要求1所述的通过电力线通讯的控制器，其特征在于，所述第一整流电路包括四个二极管D1-D4，所述二极管D1、D2的正极接地端，负极分别连接二极管D3、D4的正极，所述二极管D3、D4的负极分别为A、B两个输出端，交流电从二极管D1、D3的中点和二极管D2、D4的中点输入，A、B两个输出端输出的正弦半波分别由A、B两个输出端与地端的压差产生；所述整流及过零检测单元还包括两个第一分压限幅电路，所述第一整流电路的A、B两个输出端各通过一个第一分压限幅电路连接至第一MCU。
3.根据权利要求2所述的通过电力线通讯的控制器，其特征在于，所述开关控制单元包括两个MOS管Q1、Q2，所述Q1和Q2的漏极分别连接A、B两个输出端，栅极分别连接第一MCU。
4.一种LED灯具，包括环路维持单元、限幅检波单元、以及依次电连接的输入保护及EMC单元、整流滤波单元、功率因数校正控制单元、第二MCU及解码单元、LED灯板，所述整流滤波单元还通过环路维持单元与第二MCU及解码单元电连接，所述输入保护及EMC单元还通过限幅检波单元与第二MCU及解码单元电连接，输入电压经过整流后被功率因数校正控制单元降压至第二MCU及解码单元的供电电压，同时输入电压经过限幅检波单元限幅后供给第二MCU及解码单元进行处理，最终实现对LED灯板的调节，同时环路维持单元将电路中的电流维持在LED灯具的整个环路的工作范围内，其特征在于，所述限幅检波单元包括两路限幅检波电路，两路所述限幅检波电路的输出端均与第二MCU及解码单元电连接，第二MCU及解码单元被触发后，在限定时间内，两路所述限幅检波电路的输出电压同为高时记为状态一，一高一低时记为状态二，由多个状态一和多个状态二组成的序列发送给第二MCU及解码单元进行解码处理。
5.根据权利要求4所述的LED灯具，其特征在于，所述限幅检波单元包括两个第二分压限幅电路和两个反向二极管D12、D13，每一所述第二分压限幅电路与一个反向二极管D12/D13电连接，交流电经过第二分压限幅电路后再经过反向二极管输出到第二MCU。
6.根据权利要求5所述的LED灯具，其特征在于，所述限幅检波单元还包括隔离光耦U5、U6或三极管Q1、Q2，所述隔离光耦U5、U6或三极管Q1、Q2连接于反向二极管D12、D13和第二MCU之间，交流电依次经过第二分压限幅电路和反向二极管D12、D13后输入到隔离光耦U5、U6或三极管Q1、Q2，最终输出到第二MCU。
7.根据权利要求5或6所述的LED灯具，其特征在于，所述环路维持单元包括MOS管Q5、隔离光耦U7，输入到U7的电平经过U7反向后控制MOS管Q5的导通与关断。
8.一种LED控制系统，其特征在于，包括权利要求1-3任一一项所述的通过电力线通讯的控制器和权利要求4-7任意一项所述的LED灯具，所述控制器和LED灯具串联连接。
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