CN202276493U - 无线led照明人工控制装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及无线的LED照明人工控制装置。包括连接到交流电源上的螺线圈，螺线圈周围放置绕设电线的磁芯，LED、整流器接入磁芯形成一闭合回路。本实用新型的优点是：1)本实用新型采用无线控制，无线控制是指在使用LED照明系统时并不需要把照明设备通过电线接入电源插座，只需要把LED插入一个微型的线路板，即可实现照明，这样就可以在无电源或者不方面接入电线的场合中使用照明系统；2)本实用新型采用人工控制，人工控制是指在LED上设置触摸感应芯片，可以实现人工控制LED的开关使用，方便人们的使用。

Description

无线LED照明人工控制装置

技术领域

本实用新型涉及一种无线的LED照明人工控制装置，该装置在使用LED照明设备时不需要接入电线，而是通过预先在周边硬件设施中铺设好的电磁板产生的磁场，利用电磁感应在LED中产生感应电动势，继而产生感应电流，实现LED照明，并可以人工地进行开关控制。 

背景技术

目前在国际上，照明系统已经开始进入LED时代。比起现在仍在普遍使用的节能灯和白炽灯来说，LED具有电光转换效率高、光效高、寿命长、节能、安全、绿色环保、色彩丰富等等优点。同时，普通的节能灯和白炽灯在使用时必须要有电线通电，这使得它们的使用经常会受到客观条件的限制，特别是在户外使用时极为不便，而无线LED却可以利用电磁之间的相互转化而不受电源的限制，大大增加了其使用范围。随着人类经济社会活动时空范围的不断扩大，LED必将成为照明系统的新主流。 

实用新型内容

本实用新型的主要目的是实现LED照明系统的无线控制。 

实现本实用新型目的的技术解决方案为一套可以通过电磁感应自发发电的电磁感应线路，以及可以通过触摸感应的开关控制芯片。 

为此其采用的方案为：本实用新型包括连接到交流电源上的螺线圈，螺线圈周围放置绕设电线的磁芯，LED、整流器接入磁芯形成一闭合回路。 

螺线圈和磁芯的放置方式满足磁通线垂直的穿入磁芯内。 

所述螺线圈内放置磁芯。 

所述LED上设置控制LED开合的触摸感应芯片。 

其具体步骤为： 

1、将电线缠绕在中心带有硅铁芯的螺线圈上，通电后在螺线圈周围产生交变磁场。 

2、在螺线圈周围放置另一个缠有线圈的硅铁芯，则通电后产生的交变电场即可在硅铁芯两端感应出感应电动势。 

3、当把LED接入步骤2的线圈时，可以闭合回路，即实现照明。 

本实用新型的原理是： 

日常生活中各种电器所用的都是电压大小为220V，50HZ。由于是交流电路中的电流方向是按正弦变化，接入交流电路中的线圈就会在其周围产生交变的电磁场。如果将闭合线圈置于这个交变的地磁场中，根据法拉第电磁感应定律，闭合线圈中会产生感应电动势。如果我们在这线圈中接入合适的用电器(LED灯)，就可以实现远程、无线控制。 

本发明的优点是：1)本发明采用无线控制，无线控制是指在使用LED照明系统时并不需要把照明设备通过电线接入电源插座，只需 要把LED插入一个微型的线路板，即可实现照明，这样就可以在无电源或者不方面接入电线的场合中使用照明系统；2)本发明采用人工控制，人工控制是指在LED上设置触摸感应芯片，可以实现人工控制LED的开关使用，方便人们的使用。 

附图说明

图1为本实用新型的工作原理示意图 

图2、3、4为本实用新型的结构示意图 

图5、6为本实用新型磁芯端产生电动势的坐标示意图 

图7、8、9为本实用新型磁芯位置设计方图。 

具体实施方式

本实用新型适用为小功率LED照明系统的无线控制，适用对象为小功率LED灯组。本发明的目的是利用电磁感应实现对LED照明系统的无线化控制。本发明的特点在于可以在一些不方便接入电线的场合下使用LED照明设备，提供一种便捷的照明方法。下面结合附图对本发明作进一步的描述。 

如附图，线圈1和线圈2均为中间放有条形硅铁心的线圈，将线圈1接入普通的220V交流电路中，根据“通电导线周围会产生感应磁场”，线圈1中将会产生一个感应磁场，这时与之紧邻的线圈2中的磁通量便不为零。同时由于线圈1中通过的是交流电，所以线圈1中的感应磁场为交变电场，这将导致线圈2中的磁通量随时间一直在发生变化，根据电磁感应原理，线圈2的接线两端将会产生感应电动势。当LED照明设备接入线圈2时，则构成闭合回路，此时便产生了 感应电流，但此时的电流仍为交流电，若要实现LED照明，须在电路中放置一整流器，以将交流电整流为直流电，驱动LED灯组实现照明功能。 

由于本发明的适用对象为小功率的LED灯组，对线圈2所产生的感生电动势大小要求不高。下面给出设计线圈1和线圈2的尺寸、材料的设计方案，以获得所需电动式大小： 

为驱动LED照明设备，则必须先由线圈1产生感应磁场，再由线圈2产生感应电场。故此处应先建立2个模型，分别为磁场产生模型和法拉第电磁感应模型。记线圈1为C1，线圈匝数为N1，单匝线圈内的半径为R1，线圈2为C2，线圈匝数为N2，单匝线圈内的半径为R2。 

(一)感应电动势计算 

(1)磁场产生模型(无铁芯的情况，有铁芯的情况可以由铁磁体的磁化规律曲线得到即为无铁芯情况下总磁场乘以一与铁芯材料有关的系数) 

假设：C1对交流电路有感抗，用感抗系数L1表示，且有阻抗R1； 

描述：将接入220V 50Hz交流电源的线圈视为电感和电阻的组合，在整个电路中列出微分方程求出电路中的电流随时间的函数。然后利用毕奥-萨伐尔定律对电流元的积分得到空间中某一点的磁场； 

计算：为了简化计算空间中某点的磁场，我们假设C2与C1中垂线重合，由此认为C2处于交变的匀强磁场中。示意图如图1： 

考虑到电感时，电路中电流要靠求解微分方程，及电流为I： 

$L\frac{\mathrm{dI}}{\mathrm{dt}}+I\×R=E_0\sin \mathrm{\ωt}$

利用mathematic求解得到： 

$I\left(t\right)=e^{-\frac{R_t}{L}}C+\frac{E_0[-\mathrm{L\ω}\cos \left(\mathrm{\ωt}\right)+R\sin \left(\mathrm{\ωt}\right)]}{{R^2+L^2\mathrm{\ω}}^2}$

根据毕奥-萨阀尔定律Biot-Savart law： 

$d\stackrel{\→}{B}=\frac{{\mathrm{\μ}}_0}{4\mathrm{\π}}\frac{\mathrm{Id}\stackrel{\→}{l}\×\hat{r}}{r^2}$

电流强度为I(t)的线圈在其法向(线圈中垂线)有磁场B，当考察点距线圈中心为X时，磁感应强度的表达式为： 

$B\left(x\right)=N_{1}B=\frac{{\mathrm{\μ}}_0{N}_{1}I}{4\mathrm{\π}}\frac{2\mathrm{\π}{R}_1^2}{{(R_1^2+x^2)}^{3/2}}$

$=\frac{{\mathrm{\μ}}_0{N}_1}{4\mathrm{\π}}\frac{2\mathrm{\π}{R}_1^2}{{(R_1^2+x^2)}^{3/2}}\{e^{-\frac{R_t}{L}}C+\frac{E_0[-\mathrm{L\ω}\cos \left(\mathrm{\ωt}\right)+R\sin \left(\mathrm{\ωt}\right)]}{{R^2+L^2\mathrm{\ω}}^2}\}$

根据不同的情形，可将N1、R1等参数带入上述公式，得到LED灯组处的感应磁场强度B(x)。 

(2)法拉第电磁感应模型 

假设：1.C2阻抗，感抗可以忽略； 

      2.C2所在的空间范围内磁场的均匀的； 

计算：由于C2处的磁场强度为B(x，t)，根据先前的假设，时间t通过线圈C2的总磁通为： 

$\mathrm{\φ}=N_2\mathrm{BS}=\mathrm{\π}{N}_2{\mathrm{BR}}_2^2$

根据法拉第电磁感应定律可以得到感生电动势为： 

$E=\frac{\mathrm{d\φ}}{\mathrm{dt}}=\mathrm{\π}{N}_2{R}_2^2\frac{\mathrm{dB}}{\mathrm{dt}}$

则根据上述所求 

可得： 

$E=\mathrm{\π}{N}_2{R}_2^2\·\frac{{\mathrm{\μ}}_0{N}_1}{4\mathrm{\π}}\frac{2\mathrm{\π}{R}_1^2}{{(R_1^2+x^2)}^{3/2}}\{-\frac{R}{L}{e}^{-\frac{R_t}{L}}C$

$+\frac{E_0[-L{\mathrm{\ω}}^{2}sin\left(\mathrm{\ωt}\right)+\mathrm{R\ω}\cos \left(\mathrm{\ωt}\right)]}{{R^2+L^2\mathrm{\ω}}^2}\}$

经过整理可以得到上式，式中可以得到一随时间急速衰减项在实际情况中由于R＞＞L所以此衰减项可以忽略。即加上铁芯的增强系数(k_铁芯)后线圈C2中总的电动势表达式为： 

由上述模型可得到C2电动势曲线为：(见图3，此图只代表演化趋势，并不代表具体值，横纵坐标无实际意义)； 

当取EO＝220V，R＝100欧姆，L＝0.001H，W＝100π，则感生电动式与时间的关系表达式为(见图4，同样坐标绝对值无意义，只是反应趋势)：可以看出，这种情形下感生电动式也近似为规则正弦变化曲线。 

因此，可以根据不同的LED灯组对电动式的要求，利用上述公式，设计出线圈1和线圈2的尺寸与材料，以达到照明目的。 

为了进一步简化计算，明确各参数的实际值，我们约定作如下假设(从后面的器件设计图纸中我们可以看到这些假设是相对合理的) 

假设：R₁＞＞x，R₁≈R₂≈0.1m，N₁≈N₂≈100，k_铁芯＝10 得到表达式为： 

E≈13.6cos(100πt) 

以上得到的结果均为相对保守的估计参数，均是可调的。从结果的形式看可以得到感应电动势也是同频率的交流电，电压的有效值为13.6v。如果LED的工作电压为3v的话就可以使得四盏LED灯正常工作。当然在实际的操作中会由于外界的各种因素如空间大小不足，电磁干扰严重达不到设计要求。但是由于理论表达式中参数众多，故可以通过适当调节其他参数达到设计要求。例如增加线圈的匝数可以有效增加磁通量，线圈中插入铁芯会大大增强磁场强度，两线圈紧靠放置使得x值大大减小等等。 

(二)功率与效能分析 

(1)线圈之间的位置关系 

由表达式可以得到 

因此线圈之间的距离越小越好，磁能损失也就越小。且最好的设置为线圈的中垂线尽量重合。如附图所示。 

A.方案一的设计适合文中感生电动势的推导，其优点是LED灯放置灵活只要有磁场变化的地方即可达到发光的目的。但是相对于方案二，其磁场的利用率不是很高，效率较低； 

B.方案二的设计是基于互感原理，其优点在于充分利用磁场，效率较高。但是其可移动性较差(必须使得两铁芯相接才会有较好的效果)。 

(2)线圈C1.中的电阻电感对供电效率的影响 

体系的能量损耗主要分为一下几部分：线圈一电阻发热，线圈二 连接的LED灯发光(假设磁能的利用率为100％)。故有效的提高电路的效能即为尽量的降低线圈一电阻的发热。由电阻发热功率计算式 

得到 

所以电阻R越大线圈1的发热损耗就越小。与此同时，线圈二的感应电动势 随着电阻R的增大而减小，即负载所能承受的LED灯的数量将会减少。所以选择合适的电阻R显得很重要。总的来说，当电路中需要使用较多的LED灯时适当的减小电阻R，这是以牺牲效率为代价的；而如果要尽量提高电路的效率，则应将电阻R尽量选得大些。 

(三)如何提高供电的稳定性 

除了在电路中设置整流器将感生的电动势转变为直流电源外，电路中还可以设置一稳压器使得电路输出的电压稳定。除此以外还可以在LED电路中设置类似于蓄电池的装置。由传感器感受电路中的电压，如果电压超过LED承受值时可以将电流分流至蓄电池进行充电。充电后的蓄电池可以作为备用电源使用，既安全又节能。 

(四)触摸芯片 

现有的触摸芯片技术已经较为成熟。例如Gree(格瑞)智能触摸感应灯光控制开关，采用触摸感应技术，触摸按键实现开关控制。在此设计中可以应用。 

工程应用实例，如附图2所示： 

电源驱动外接交流电，电磁线圈1内正弦电流引发了电源驱动的磁场的变化，进而引起LED灯具内磁场的变化，在LED灯具的电磁线圈2上产生电流，供LED灯具照明使用。 

Claims (7)

1.LED照明装置，其特征在于，包括连接到交流电源上的线圈一，线圈一周围放置线圈二，LED、整流器接入线圈二形成一闭合回路。

2.根据权利要求1所述的LED照明装置，其特征在于，线圈一和线圈二的放置方式满足线圈一、线圈二中垂线重合。

3.根据权利要求1或2所述的LED照明装置，其特征在于，所述线圈一和线圈二内放置铁芯。

4.根据权利要求3所述的LED照明装置，其特征在于，所述铁芯相接。

5.根据权利要求1所述的LED照明装置，其特征在于，所述闭合回路中串联一稳压器。

6.根据权利要求1所述的LED照明装置，其特征在于，所述闭合回路中设置一储电装置。

7.根据权利要求1所述的LED照明装置，其特征在于，所述LED上设置控制LED开合的触摸感应芯片。

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