CN112738943A - 可切换前沿控制和后沿控制的可控硅功率放大器及其工作方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种可切换前沿控制和后沿控制的可控硅功率放大器及其工作方法，该功率放大器包括调光信号检测电路、控制器、斩波电路、过零检测电路及选择开关电路；控制器接收调光信号检测电路输出的调光检测信号及选择开关电路输出的选择信号，控制器还接收过零检测电路输出的过零检测信号，并根据调光检测信号、过零检测信号以及选择信号向斩波电路输出脉冲调制信号。该工作方法包括调光信号检测电路接收调光器输出的调光控制信号，并对调光控制信号整流后向控制器输出调光检测信号；控制器获取过零检测信号以及选择信号，并根据调光检测信号计算向斩波电路输出的脉冲调制信号。本发明的可控硅功率放大器可以兼容前沿控制或者后沿控制两种方式。

Description

可切换前沿控制和后沿控制的可控硅功率放大器及其工作 方法

技术领域

本发明涉及智能灯具的控制领域，具体地，是一种可切换前沿控制和后沿控制的可控硅功率放大器以及这种可控硅功率放大器的工作方法。

背景技术

随着智能家居技术的发展，现在的家用电器越来越智能化，智能灯具是一种常见的智能电器。现有的智能灯具通常设置LED芯片，并且可以通过调光器对LED芯片的发光亮度进行调节，从而实现对智能灯具的调光。

随着调光技术的不断发展，各种调光技术层出不穷，其中，可控硅调光技术是一种常见的调光技术，这种调光技术具有安装方式简单的优点，且与传统的LED光源驱动在输入输出电路接口上完全兼容。如果需要将传统的LED光源驱动方式置换成可控硅调光方式，只需要把传统的LED光源驱动换成能支持可控硅调光的LED光源驱动，并把原有的墙壁开关换成可控硅调光器即可以进行调光，因此，在对智能灯具改造过程中，可控硅调光技术得到广泛应用。

目前的可控硅调光控制方式有功率较小的可控硅调光器，例如旋扭式的可控硅调光器，也有功率较大的系统类可控硅调光装置。并且，可控硅调光技术具有两种调光方式，即前沿控制方式和后沿控制方式。参见图1，对于正弦波的半波周期内，如果采用前沿控制方式，则在交流电过零点后，从过零点开始向后斩波，例如图1中阴影线部分是被斩波的部分，例如斩波比例为30％，则输出的调光比例为70％，即LED芯片的发光亮度是最大发光亮度的70％，图中的箭头是斩波的方向。参见图2，如果采用后沿控制方式，则是从过零点开始向前斩波，例如图2中阴影线部分是被斩波的部分，图中的箭头是斩波的方向。

通常，前沿控制的调光器对后级的LED光源驱动的兼容性要求较高，而采用后沿控制的调光器对后级的LED对光源驱动的兼容性要求相对较低，但是，对于LED光源驱动的控制，后沿控制的调光方式体验感就更好一些，因此，前沿控制的方式与后沿控制的方式各有利弊。

一般而言，旋扭式的调光器如果是采用前沿控制的调光方式，输出功率较高，带动的LED光源驱动的功率可以达到300W至500W；如果采用后沿控制方式，LED光源驱动的功率通常是200W到300W，这样，后级可以控制的可控硅LED光源驱动数量也不会很多。

系统类的调光器一般都是多路输出，而且以后沿控制的方式较为普遍，假设每一路输出的功率是300W，且系统具有四路输出，总的功率也可以达到1200W，对于旋扭式调光器是不能实现的，导致旋扭式的调光器的使用受到限制。当然，系统类的调光器价格也较高。

另外，不同LED光源驱动也会因自身结构的限制，会选择使用前沿控制的方式进行调光，这是因为这种调光器用后沿控制的调光器时调光效果较差。但如果当前的调光器正好是一个后沿控制的调光器，则不能够满足使用的需求，导致目前的调光器难以满足多种场合的使用需求。

发明内容

本发明的第一目的是提供一种可以满足各种场合需求的可切换前沿控制和后沿控制的可控硅功率放大器。

本发明的第二目的是提供一种上述可切换前沿控制和后沿控制的可控硅功率放大器的工作方法。

为实现本发明的第一目的，本发明提供的可切换前沿控制和后沿控制的可控硅功率放大器包括调光信号检测电路、控制器、斩波电路、过零检测电路以及选择开关电路；控制器接收调光检测信号检测电路输出的调光检测信号以及选择开关电路输出的选择信号，控制器还接收过零检测电路输出的过零检测信号，并根据调光信号、过零检测信号以及选择信号向斩波电路输出脉冲调制信号。

由上述方案可见，用户可以根据需要选择前沿控制的方式或者后沿控制的方式进行调光，例如通过选择开关电路向控制器发送选择信号，即选择前沿控制还是后沿控制，微控制器根据选择信号来控制脉冲调制信号的斩波方向，从而实现前沿控制方式与后沿控制方式的切换，用户可以自主选择前沿控制方式还是后沿控制方式。

一个优选的方案是，调光信号检测电路包括整流电路以及第一光电耦合器，第一光电耦合器接收整流电路输出的信号，并向控制器输出调光检测信号。

由此可见，通过第一光电耦合器对调光器输出的信号进行隔离，可以避免大电流对后级的控制器造成冲击，确保控制器的稳定运行。

进一步的方案是，选择开关电路具有第二光电耦合器，第二光电耦合器接收按键信号，并且向控制器输出选择信号。

可见，用户在改变调光的控制方式时，只需要改变按键的状态，即改变按键信号的高低电平即可，操作非常简单。

更进一步的方案是，斩波电路具有第一开关器件以及第二开关器件，第一开关器件与第二开关器件均接收脉冲调制信号，且第一开关器件与第二开关器件的导通电平相反。

由此可见，通过第一开关器件与第二开关器件相反的导通电平状态，可以实现对交流电的斩波。

更进一步的方案是，斩波电路还包括第三开关器件以及第四开关器件，第三开关器件的控制端与第四开关器件的控制端均连接至第一开关器件与第二开关器件的连接处。

更进一步的方案是，该可控硅功率放大器还包括过功率保护电路，过功率保护电路接收第三开关器件与第四开关器件输出的电压信号，并向控制器输出信号。

可见，过功率保护电路可以接收斩波电路的电压，从而实现对斩波电路的电压进行监控，一旦斩波电路的电压过大，则控制器可以停止输出脉冲调制信号，从而避免斩波电路长时间工作在过功率的状态，避免LED芯片损坏。

为实现上述的第二目的，本发明提供上述的可切换前沿控制和后沿控制的可控硅功率放大器的工作方法，包括调光信号检测电路接收调光器输出的调光控制信号，并对调光控制信号整流后向控制器输出调光检测信号；控制器获取过零检测信号以及选择信号，并根据调光检测信号计算向斩波电路输出的脉冲调制信号，将脉冲调制信号输出至斩波电路。

由上述方案可见，用户可以根据需要选择前沿控制的方式或者后沿控制的方式进行调光，即通过选择开关电路向控制器发送选择信号，微控制器根据选择信号来改变脉冲调制信号的斩波方向，从而实现前沿控制方式与后沿控制方式的调节，用户可以自主选择前沿控制方式还是后沿控制方式。

一个优选的方案是，控制器根据选择信号确定前沿控制或者后沿控制，并根据控制方式计算向斩波电路输出脉冲调制信号。

由此可见，控制器输出的脉冲调制信号是根据用户选择的前沿控制方式或者后沿控制方式来计算的脉冲调制信号，可以确保前沿控制与后沿控制的灵活调节。

进一步的方案是，控制器根据调光检测信号的电压计算脉冲调制信号的占空比。

可见，可控硅调光器输出的信号是根据不同导通角度变化的电压信号，调光信号检测电路输出的调光检测信号体现了导通角度的变化，控制器根据调光检测信号来计算对应的脉冲调制信号的占空比，可以确保LED芯片的发光亮度与调光器的调光控制信号一致。

更进一步的方案是，该可控硅功率放大器还包括过功率保护电路，过功率保护电路接收斩波电路的电压信号，并向控制器输出信号；控制器根据功率保护电路输出的信号判断功率是否大于预设阈值，如是，停止输出脉冲调制信号。

由此可见，过功率保护电路可以接收斩波电路的电压，从而实现对斩波电路的电压进行监控，一旦斩波电路的电压过大，则控制器可以停止输出脉冲调制信号，从而避免斩波电路长时间工作在过功率的状态，避免LED芯片损坏。

附图说明

图1是前沿控制方式的波形图。

图2是后沿控制方式的波形图。

图3是本发明可切换前沿控制和后沿控制的可控硅功率放大器实施例的结构框图。

图4是本发明可切换前沿控制和后沿控制的可控硅功率放大器实施例中调光信号检测电路的电原理图。

图5是本发明可切换前沿控制和后沿控制的可控硅功率放大器实施例中过零检测电路的电原理图。

图6是本发明可切换前沿控制和后沿控制的可控硅功率放大器实施例中选择开关电路的电原理图。

图7是本发明可切换前沿控制和后沿控制的可控硅功率放大器实施例中控制器的电原理图。

图8是本发明可切换前沿控制和后沿控制的可控硅功率放大器实施例中斩波电路的电原理图。

图9是本发明可切换前沿控制和后沿控制的可控硅功率放大器实施例中过功率保护电路的电原理图。

图10是本发明可切换前沿控制和后沿控制的可控硅功率放大器工作方法实施例的流程图。

图11是前沿控制方式下交流电信号与脉冲调制信号的波形图。

图12是后沿控制方式下交流电信号与脉冲调制信号的波形图。

以下结合附图及实施例对本发明作进一步说明。

具体实施方式

本发明的可切换前沿控制和后沿控制的可控硅功率放大器应用于智能灯具上，并且可以兼容实现前沿控制方式与后沿控制方式，提高智能灯具调光的灵活性。

可切换前沿控制和后沿控制的可控硅功率放大器实施例：

参见图3，本实施例包括调光信号检测电路11、过零检测电路12、选择开关电路13、控制器14、斩波电路15以及过功率保护电路16。调光信号检测电路11接收调光器输出的调光控制信号，通常，调光器接收交流信号，例如接收220V、50Hz的市电，调光器对半个周期内，即180°交流电的导通角度进行调整，因此，调光控制信号的导通角度是在0到π(即0到180°)的范围内变化的。

调光信号检测电路11获取调光控制信号后，对调光控制信号进行整流后输出至控制器14。另外，控制器14还接收过零检测电路12输出的过零检测信号，过零检测电路12检测交流电信号过零点的时间，并且在交流电过零点时向控制器14发送过零检测信号，控制器14根据过零检测信号来确定脉冲调制信号各周期的切换时间，即确定每一个周期的起始时刻。

选择开关电路13具有一个按键，用户可以通过该按键改变选择开关电路13的状态并改变选择开关电路13输出的电平信号，从而实现前沿控制与后沿控制方式的改变。

控制器14根据调光信号检测电路11输出的调光检测信号、过零检测电路12输出的过零检测信号、选择开关电路13输出的选择信号生成脉冲调制信号，并将脉冲调制信号输出至斩波电路15，斩波电路15根据脉冲调制信号对交流电进行斩波，并将作为负载的LED芯片供电，从而调节LED芯片的发光亮度。

为了避免LED洗片的功率过高而导致LED芯片烧坏的情况，本实施例还设置了过功率保护电路16，过功率保护电路16采集斩波电路15的加载到LED芯片上的电压，并且判断加载到LED芯片的电压是否过高，在加载到LED芯片的电压过高，则向控制器14输出信号，控制器14随即停止输出脉冲调制信号，从而避免LED芯片长时间运行在过功率的状态下。

参见图4，调光信号检测电路11包括连接端子J1，用于接收调光器输出的调光控制信号，调光器输出的信号是导通角度是在0到π范围内的交流电信号，调光控制信号经过放电管Z2、压敏电阻TVR2、TVR4后，输出至整流电路DB1、DB2，整流电路DB1、DB2对交流信号进行整流。其中，整流电路DB1的后级连接有负载电路，使得整流电路DB1输出的电流在负载电路上形成电流，避免调光信号检测电路11的整体负载过小而导致调光器停止工作。优选的，负载电路内设置有多个稳压二极管，以确保负载电路的电压稳定。

整流电路DB2的后级连接有光电耦合器U4，整流电路DB2的输出端连接至光电耦合器U4的发光二极管，光电耦合器U4的光电三极管输出端上形成输出至控制器14的调光检测信号ADC1。当调光器输出的调光控制信号的导通角度较大时，调光控制信号的电压也较大，光电耦合器U4的发光二极管亮度较大，光电三极管输出的调光检测信号ADC1电压较高。相反的，调光器输出的调光控制信号的导通角度较小时，调光控制信号的电压也较低，光电耦合器U4的发光二极管亮度较小，光电三极管输出的调光检测信号ADC1电压较低。

另外，由于控制器14的额定电压是5V，因此，调光检测信号ADC1的电压不能过高，本实施例中，光电耦合器U4的光电三极管的输出端连接的直流电源VCC的电压为5V，因此，调光检测信号ADC1电压在0至5V之间。

参见图5，过零检测电路12包括光电耦合器U7以及三极管Q10，光电耦合器U4的发光二极管的两个端子分别接收火线L1和零线N的电压。三极管Q10的基极连接至光电耦合器U7的光电三极管的输出端，三极管Q10的集电极向控制器14输出过零检测信号。

在交流电的正半周，火线连接端子L1的电压高于零线连接端子N的电压，光电耦合器U7的发光二极管发光，光电三极管导通，此时，三极管Q10的基极为高电平，三极管Q10的集电极输出高电平信号，即过零检测信号为高电平信号。在交流电的负半周，火线连接端子L1的电压低于零线连接端子N的电压，光电耦合器U7的发光二极管不发光，光电三极管不导通，此时，三极管Q10的基极为低电平，三极管Q10的集电极输出低电平信号，即过零检测信号为低电平信号。在交流电的正半周与负半周切换时，即交流电过零点时，过零检测信号的电平发生越变，即从高电平切换至低电平，或者从低电平切换至高电平。控制器14根据过零检测信号的高低电平的变化来判断交流电过零点的时刻。

参见图6，选择开关电路13具有按键K1以及光电耦合器U10，按键K1输出的按键信号被光电耦合器U10接收，光电耦合器U10的输出端向控制器14输出选择信号KEY。例如，按键K1具有开、合两种状态，两种状态下，按键信号的电平相反，例如按键K1合时，按键信号为高电平，光电耦合器U10的发光二极管发光，光电三极管导通，选择信号KEY为高电平信号。按键K1开时，按键信号为低电平，光电耦合器U10的发光二极管不发光，光电三极管不导通，选择信号KEY为低电平信号。这样，按键K1的两种状态可以分别表示前沿控制或者后沿控制的方式。

优选的，光电三极管的输出端连接至直流电源VCC，直流电源VCC为5V的直流电源，这样可以避免输出至控制器14的选择信号电压过高的问题。

参见图7，控制器14包括单片机U1，单片机U1的一个引脚接收调光检测信号ADC1，另一个引脚接收选择信号KEY，还有一个引脚接收过零检测信号。单片机U1根据过零检测信号确定脉冲调制信号的每一个周期的起始时刻，根据调光检测信号ADC1计算脉冲调制信号的占空比，并且根据选择信号来判断用户当前设定的控制方式是前沿控制还是后沿控制的方式，并由此确定脉冲调制信号的斩波起始时刻。控制器14计算脉冲调制信号的方法将在后面详细介绍。

控制器14可以输出四路脉冲调制信号，即PWM1、PWM2、PWM3、PWM4，分别输出至四路斩波电路，从而对四个不同的LED芯片进行控制。实际应用时，一个单片机可以输出更多路的脉冲调制信号，从而对更多的LED芯片进行控制。

参见图8，斩波电路15接收其中一路的脉冲调制信号，例如接收PWM1的信号，并且接收交流电信号，根据脉冲调制信号对交流电信号进行斩波。斩波电路具有作为第一开关器件的三极管Q14以及作为第二开关器件的三极管Q16，另外，还设置有第三开关器件的场效应管Q1以及作为第四开关器件的场效应管Q2。其中，三极管Q14为高电平导通的开关器件，三极管Q16为低电平导通的开关器件，而场效应管Q1、Q2均为高电平导通的开关器件。此外，斩波电路通过连接端子J3与LED芯片电连接并输出斩波信号。

当脉冲调制信号为高电平信号时，三极管Q14导通，三极管Q16截止，此时，+15V的直流电源输出的电流流经三极管Q14，电阻R37、R40上形成高电平信号，由于场效应管Q1、Q2的栅极(即控制端)均连接至三极管Q14、Q16的连接处，因此，场效应管Q1、Q2均导通。此时，交流电的正半周可以经过火线L并流经LED芯片，通过作为负载的LED芯片后，经过场效应管Q1；交流电的负半周可以经过零线N并流经LED芯片，通过作为负载的LED芯片后，经过场效应管Q2。因此，在脉冲调制信号为高电平时，LED芯片上有电流流经。

当脉冲调制信号为低电平信号时，三极管Q14截止，三极管Q16导通，此时，+15V的直流电源输出的电流无法流经三极管Q14，电阻R37、R40上形成低电平信号，场效应管Q1、Q2均截止。此时，交流电无法经过场效应管Q1、Q2形成通路，LED芯片也不会有电流流经，从而实现对交流电的斩波。

参见图9，过功率保护电路16具有两个电压检测端子，其中一个电压检测端子连接至斩波电路15电阻R39的一端，采集电阻R39上的电压，另一个电压检测端子连接至斩波电路15电阻R40的一端，采集电阻R40上的电压。由于电阻R39、R40分别连接至场效应管Q1、Q2输出端，因此，过功率保护电路16实际上是采集加载到LED芯片上的电压。

过功率保护电路16还设置有电压比较器U2，电压比较器U2用于对所采集的电压信号进行比较，例如与预先设定的阈值进行比较，如果所采集的电压比预先设定的阈值高，则表示斩波电路15加载到LED芯片的电压过高，此时，电压比较器U2向控制器14发送信号，控制器14随即停止输出脉冲调制信号，以避免LED芯片长时间工作在过功率的状态。如果过功率保护电路16所采集的电压不高于预先设定的阈值，则表示斩波电路15加载到LED芯片的电压正常，此时，电压比较器U2不向控制器14发送信号。

可切换前沿控制和后沿控制的可控硅功率放大器的工作方法实施例：

下面结合图10介绍可控硅功率放大器的工作方法。首先，执行步骤S1，调光信号检测电路接收调光器输出的调光控制信号。调光器输出的调光控制信号是导通角度变化的信号，随着导通角度的改变，调光控制信号的电压发生变化。

调光检测电路接收到调光控制信号后，对调光控制信号进行整流，并且根据调光控制信号的大小输出相应的调光检测信号，即调光检测信号的大小与调光控制信号的大小正相关，例如调光检测信号的电压大小与调光控制信号的电压大小是线性变化的。

然后，执行步骤S2，调光控制电路向控制器输出调光检测信号。接着，控制器执行步骤S3，接收过零检测信号以及选择信号，并且执行步骤S4，根据调光检测信号、过零检测信号以及选择信号生成对应的脉冲调制信号。具体的，控制器根据过零检测信号计算每一个脉冲调制信号的周期，即一个脉冲调制信号的一个周期是相邻的两次过零点之间的时间，即每一个过零点时刻就是脉冲调制信号的一个周期的起始时刻。调光检测信号用于计算脉冲调制信号的占空比，具体的，控制器根据调光检测信号的电压大小来计算脉冲调制信号的占空比，调光检测信号的电压越大，脉冲调制信号的占空比越大，调光检测信号的电压越小，脉冲调制信号的占空比越小。

选择信号用于确定脉冲调制信号斩波的起始时刻，也就是确定从一个周期的前沿时刻开始斩波还是从后沿时刻开始斩波。参见图11，如果选择信号表征是前沿控制方式进行斩波，则在脉冲调制信号的一个周期的起始时刻输出低电平信号，即从前沿时刻开始斩波。参见图12，如果选择信号表征是后沿控制方式进行斩波，则在脉冲调制信号的一个周期的起始时刻输出高电平信号，在周期的后部分输出低电平信号，也就是从后沿时刻开始斩波。由于脉冲调制信号的周期通常是固定的，因此，在确定脉冲调制信号的一个周期的起始时刻，并且确定该周期的占空比后，可以计算出该周期下，脉冲调制信号高电平信号的持续时间段以及低电平信号的持续时间段，从而确定脉冲调制信号的波形。

控制器向斩波电路输出脉冲调制信号后，斩波电路向LED芯片加载电压，LED芯片发光，过功率保护电路接收斩波电路的电压，并且执行步骤S5，判断斩波电路的电压是否过高，例如是否高于预设的阈值，如是，执行步骤S6，向控制器发出信号，控制器随即停止输出脉冲调制信号，避免LED芯片长时间工作在过功率状态而损坏。如果斩波电路的电压没有过高，则控制器继续向斩波电路输出脉冲调制信号。

可见，通过设置选择开关电路，用户可以根据实际需要确定使用前沿控制方式或者后沿控制方式，同一个可控硅功率放大器可以兼容两种不同的控制方式，满足不同场景下的使用需求，可控硅功率放大器的兼容性更好。

最后需要强调的是，本发明不限于上述实施方式，例如调光信号检测电路具体的电路结构的改变，或者控制器输出的脉冲调制信号的数量的改变等，这些改变也应该包括在本发明权利要求的保护范围内。

Claims (10)

1.一种可切换前沿控制和后沿控制的可控硅功率放大器，其特征在于，包括：

调光信号检测电路、控制器、斩波电路、过零检测电路以及选择开关电路；

所述控制器接收所述调光信号检测电路输出的调光检测信号以及所述选择开关电路输出的选择信号，所述控制器还接收所述过零检测电路输出的过零检测信号，并根据所述调光检测信号、所述过零检测信号以及所述选择信号向所述斩波电路输出脉冲调制信号。

2.根据权利要求1所述的可切换前沿控制和后沿控制的可控硅功率放大器，其特征在于：

所述调光信号检测电路包括整流电路以及第一光电耦合器，所述第一光电耦合器接收所述整流电路输出的信号，并向所述控制器输出所述调光检测信号。

3.根据权利要求1或2所述的可切换前沿控制和后沿控制的可控硅功率放大器，其特征在于：

所述选择开关电路具有第二光电耦合器，所述第二光电耦合器接收按键信号，并且向所述控制器输出所述选择信号。

4.根据权利要求1或2所述的可切换前沿控制和后沿控制的可控硅功率放大器，其特征在于：

所述斩波电路具有第一开关器件以及第二开关器件，所述第一开关器件与所述第二开关器件均接收所述脉冲调制信号，且所述第一开关器件与所述第二开关器件的导通电平相反。

5.根据权利要求4所述的可切换前沿控制和后沿控制的可控硅功率放大器，其特征在于：

所述斩波电路还包括第三开关器件以及第四开关器件，所述第三开关器件的控制端与所述第四开关器件的控制端均连接至所述第一开关器件与所述第二开关器件的连接处。

6.根据权利要求5所述的可切换前沿控制和后沿控制的可控硅功率放大器，其特征在于：

该可控硅功率放大器还包括过功率保护电路，所述过功率保护电路接收所述第三开关器件与所述第四开关器件输出的电压信号，并向所述控制器输出信号。

7.如权利要求1至5任一项所述的可切换前沿控制和后沿控制的可控硅功率放大器的工作方法，其特征在于：

调光信号检测电路接收调光器输出的调光控制信号，并对所述调光控制信号整流后向所述控制器输出调光检测信号；

所述控制器获取过零检测信号以及选择信号，并根据所述调光检测信号计算向斩波电路输出的脉冲调制信号，将所述脉冲调制信号输出至所述斩波电路。

8.根据权利要求7所述的可切换前沿控制和后沿控制的可控硅功率放大器的工作方法，其特征在于：

所述控制器根据所述选择信号确定前沿控制或者后沿控制，并根据控制方式计算向所述斩波电路输出所述脉冲调制信号。

9.根据权利要求7或8所述的可切换前沿控制和后沿控制的可控硅功率放大器的工作方法，其特征在于：

所述控制器根据所述调光检测信号的电压计算计算所述脉冲调制信号的占空比。

10.根据权利要求7或8所述的可切换前沿控制和后沿控制的可控硅功率放大器的工作方法，其特征在于：

该可控硅功率放大器还包括过功率保护电路，所述过功率保护电路接收所述斩波电路的电压信号，并向所述控制器输出信号；

所述控制器根据所述功率保护电路输出的信号判断功率是否大于预设阈值，如是，停止输出所述脉冲调制信号。

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