CN204578859U - 一种壁控led灯单火线调光电路 - Google Patents

Abstract

一种壁控LED灯单火线调光电路，由壁控开关单元、LED灯调节驱动单元组成，其中，壁控开关单元包括单火线电源模块、单片机控制模块、移相驱动模块、过零检测模块、亮度给定模块，LED灯调节驱动单元包括单片机调节模块、LED驱动模块。亮度改变时，壁控开关单元通过控制单火线输出端输出的电压波形来发送亮度控制信号，LED灯调节驱动单元由单片机调节模块接收亮度控制信号并控制LED灯亮度。所述LED灯调光方法无需遥控器，无需单独敷设控制线，也不用重新敷设电源线，可以实现普通照明灯的替代升级。

Description

一种壁控LED灯单火线调光电路

技术领域

本实用新型涉及一种照明灯具技术，尤其是一种壁控LED灯单火线调光电路。

背景技术

由于LED灯的非线性特性，LED灯的亮度不能采用调节电压的方式来实现。

采用可控恒流源来调节LED灯的亮度时，工作电流的改变会带来LED灯的色谱偏移，同时，低亮度下LED灯负载电流也变得很低，会使可控恒流源效率降低及温升增高，损耗在驱动芯片上的功耗越大，从而会损害恒流源及LED光源的寿命。

采用PWM（脉宽调制）调光方式控制LED灯亮度，可以避免调压方式和调电流方式带来的问题。目前常用的LED灯调光方法有三种：

一是采用遥控器控制。LED灯控制电路装有遥控器接收装置，可以通过遥控器对LED灯进行有级调光或者是无级调光，其缺点是一个LED灯需要配备一个遥控器，造成遥控器数量多，管理麻烦，成本也偏高。

二是采用数字控制技术。例如，采用DALI（数字可寻址的照明接口）技术，DALI系统软件可对同一强电回路或不同回路上的单个或多个LED灯具进行独立寻址，通过DALI系统软件对单灯或任意的灯组进行精确的调光及开关控制。该方案技术先进，但成本很高，系统除需要布设电力线外，还需要布设控制线。

三是采用单火线开关通断控制技术。例如，采用NU102专用芯片，即可利用普通墙面开关在规定的时间内的开关动作，实现LED灯的亮度调节。但该方法只能提供4档LED灯的调节亮度，且开关动作有时间要求。

发明内容

本实用新型的目的旨在提供一种在不改变现有照明线路布线的情况下，利用单火线对壁控LED灯进行调光的电路。

为达到上述目的，本实用新型采取的技术方案是：一种壁控LED灯单火线调光电路，由壁控开关单元、LED灯调节驱动单元组成，所述壁控开关单元设有单火线输入端、单火线输出端，所述单火线输入端连接至交流电源火线；所述LED灯调节驱动单元设有火线输入端、零线输入端，其中，所述火线输入端连接至壁控开关单元的单火线输出端，所述零线输入端连接至交流电源零线；所述交流电源为单相220V交流电。

所述壁控开关单元由单火线电源模块、单片机控制模块、移相驱动模块、过零检测模块、亮度给定模块组成。

所述单火线电源模块用于向壁控开关单元提供工作电源。

所述过零检测模块为半波整流分压电路，输出的过零信号连接至单片机控制模块。

所述亮度给定模块输出的亮度给定信号连接至单片机控制模块。

所述移相驱动模块为双向晶闸管交流移相电路。

所述单片机控制模块输出的触发信号连接至控制移相驱动模块。

所述LED灯调节驱动单元由单片机调节模块、LED驱动模块组成。

所述LED驱动模块设有交流输入端和LED灯驱动端，其中，交流输入端连接至LED灯调节驱动单元的火线输入端和零线输入端，LED灯驱动端连接至LED灯。

所述LED驱动模块还设有PWM亮度调节信号输入端。

所述单片机调节模块包括有调节单片机、正半波整流整形电路、负半波整流整形电路和整流稳压电路，设有交流输入端、PWM亮度调节信号输出端；所述交流输入端连接至LED灯调节驱动单元的火线输入端和零线输入端，PWM亮度调节信号输出端连接至LED驱动模块的PWM亮度调节信号输入端；所述正半波整流整形电路和负半波整流整形电路的输入连接至火线输入端；所述正半波整流整形电路的输出、负半波整流整形电路的输出分别连接至调节单片机不同的脉冲捕捉输入端。

所述单火线电源模块由单火线稳压器MP-6V-02S及其外围元件二极管D1、电容C1、电容C2、电感L1、电感L2，以及低压差稳压器HT7333及其外围元件电容C3、电容C4组成。

所述亮度给定模块采用BCD旋转编码器。

所述移相驱动模块由双向晶闸管V1、可控硅输出光耦MOC3023、电阻R1、电阻R2、电阻R3组成。

所述过零检测模块由二极管D2、电阻R4、电阻R5、稳压管DW1组成。

所述单片机控制模块包括控制单片机、晶振XT1；所述控制单片机和调节单片机型号的为MSP430G2553。

本实用新型的有益效果是，采用单火线方式控制LED灯亮度，无需遥控器，无需控制线，也不用重新敷设电源线，可以实现普通照明灯的替代升级；LED灯亮度调节采用旋钮装置调节，符合操作习惯；单火线上的亮度控制信号仅仅是在改变亮度时进行短时发送，不会造成LED灯亮度调节时闪烁；具有单火线电子开关关灯功能。

附图说明

图1是系统结构框图。

图2是壁控开关单元结构图。

图3是壁控开关单元实施例电路图。

图4是三进制对应的α角示意图。

图5是发送三进制值21的波形示例图。

图6是发送三进制值10的波形示例图。

图7是亮度控制信号发送控制方法。

图8是LED灯调节驱动单元结构图。

图9是单片机调节模块实施例电路图。

图10是LED驱动模块实施例电路图。

图11是亮度控制调节方法。

具体实施方式

下面通过附图并结合实施例对本实用新型作进一步详细的描述，但本实用新型的实施方式不限于此。

本实用新型的实施例结构如图1所示，由壁控开关单元和LED灯调节驱动单元串联组成。壁控开关单元单火线AC进，单火线AC1出。LED灯调节驱动单元火线AC1进，零线N出。

壁控开关单元的结构如图2所示，由单火线电源模块、单片机控制模块、移相驱动模块、过零检测模块、亮度给定模块组成。单火线电源模块具有单火线关态取电功能，也具有开态取电功能，用于向壁控开关单元提供工作电源。

过零检测模块检测的交流电源过零信号被送给单片机控制模块，亮度给定模块提供亮度给定信号给单片机控制模块。单片机控制模块依据亮度给定信号，控制移相驱动模块向LED灯调节驱动单元供电，并向LED灯调节驱动单元发出亮度控制信号。

壁控开关单元的实施例电路如图3所示。

单火线电源模块由单火线稳压器U1及其外围元件二极管D1、电容C1、电容C2、电感L1、电感L2，以及低压差稳压器U2及其外围元件电容C3、电容C4组成。单火线稳压器U1的型号为MP-6V-02S，低压差稳压器U2的型号为HT7333。

单火线输入端AC是壁控开关单元的模拟地，连接至单火线稳压器U1的交流电压公共端COM；电容C1的两端分别连接至单火线稳压器U1的滤波电容输入端FIL和交流电压公共端COM；单火线稳压器U1的直流输出电压地GND端为壁控开关单元的数字地，电感L2的两端分别连接至壁控开关单元的数字地和模拟地；二极管D1、电感L1和电容C2组成半波整流滤波电路，半波整流滤波电路的输入连接至单火线输出端AC1、输出连接至单火线稳压器U1的直流高压输入端HDC。单火线稳压器U1还设有直流电压输出端VCC、交流电压端AC。

低压差稳压器U2的输入端VIN连接至单火线稳压器U1的直流电压输出端VCC，输出端VOUT输出+3.3V的直流工作电源VDD；单火线稳压器U1的地端GND连接至壁控开关单元的数字地；电容C3、电容C4分别为低压差稳压器U2的输入电压、输出电压滤波电容。

移相驱动模块为双向晶闸管交流移相电路，由双向晶闸管V1、可控硅输出光耦U3、电阻R1、电阻R2、电阻R3组成，可控硅输出光耦U3的型号为MOC3023。双向晶闸管V1的两个阳极端分别连接至单火线输出端AC1和单火线稳压器U1的交流电压端AC；电阻R1并联在双向晶闸管V1的两个阳极端；可控硅输出光耦U3的输出可控硅与电阻R2串联，其串联支路连接至双向晶闸管V1的第一阳极和控制极；可控硅输出光耦U3的输入发光二极管与电阻R3串联，其串联支路一端连接至直流工作电源VDD，另外一端为触发信号输入端。

过零检测模块为半波整流分压电路，由二极管D2、电阻R4、电阻R5、稳压管DW1组成。电阻R4的两端分别连接至二极管D2阴极和稳压管DW1阴极；二极管D2阳极连接至单火线输出端AC1；稳压管DW1阳极连接至壁控开关单元的模拟地；电阻R5并联在稳压管DW1两端。过零信号从稳压管DW1阴极输出。

亮度给定模块为BCD旋转编码器SW1，输出BCD编码0000－1001，其中，BCD编码0001－1001代表亮度1－9，BCD编码为0000时，代表熄灭LED灯。

亮度给定模块也可以采用电位器对直流工作电源VDD进行分压，输出范围在0－3.3V的亮度给定电压。将电位器输出的0－3.3V的亮度给定电压平均分成10个区间，最低电压区间与BCD旋转编码器SW1的编码0000对应，最高电压区间与BCD旋转编码器SW1的编码1001对应。

单片机控制模块包括控制单片机U4、晶振XT1。控制单片机U4的型号是MSP430G2553。过零信号从控制单片机U4的P2.0输入，触发信号从控制单片机U4的P1.1输出，亮度给定模块的BCD编码从P2.4－P2.1输入。如果亮度给定模块采用电位器，则电位器的输出电压连接至控制单片机U4模拟电压输入端A0（P1.0）。控制单片机U4通过读取P2.4－P2.1输入的BCD编码，或者是对模拟电压输入端A0输入的亮度给定电压进行A/D转换，得到亮度给定信号0－9。

壁控开关单元通过控制单火线输出端AC1输出的电压波形来发送亮度控制信号，当壁控开关单元维持不发出亮度控制信号状态时，单片机控制模块持续输出低电平触发信号，双向晶闸管V1除过零点外持续导通，单火线输出端AC1输出的电压波形为连续完整的单相正弦波。

当壁控开关单元需要发送一次亮度控制信号时，一次亮度控制信号的波形由引导波形和紧接的数据波形组成；引导波形由一个不导通的负半波，紧接一个完整导通的正半波组成；引导波形也可以由一个不导通的完整周波，紧接一个完整导通的正半波组成。

数据波形由一个周波的移相波形组成，负半波为移相角β₁，正半波为移相角β₀；移相角β₁、移相角β₀的值可以分别为移相角α₂、α₁、α₀中的一个，移相角α₂、α₁、α₀分别对应三进制数码值2、1、0。

亮度控制信号有从低到高9档不同亮度，由2位三进制亮度数据组成；从低到高9档不同亮度对应的2位三进制亮度数据是00、01、10、11、02、20、12、21、22；移相角β₁为2位三进制亮度数据的高位，移相角β₀为2位三进制亮度数据的低位。

移相角α₂、α₁、α₀满足α₂ < α₁ < α₀的关系，典型值取α₂ = 45°，α₁ = 90°，α₀ = 135° 。如图4所示。

如图5所示的是发送三进制亮度数据21的波形示例图，其中，图5（a）为单火线输出端AC1输出的亮度控制信号电压波形，图5（b）为过零信号电压波形，图5（c）为亮度控制信号负半波整流整形后电压波形，图5（d）为亮度控制信号正半波整流整形后电压波形。

单火线输出端AC1输出连续完整的单相正弦波时，单火线输出端AC1与单火线输入端AC之间的电压差很小，过零检测模块不会输出过零信号，过零信号维持为低电平状态。

单片机控制模块需要发送一次亮度控制信号时，随机停止触发信号输出。当停止输出触发信号的时刻在交流电源正半波期间时，该正半波双向晶闸管V1已经导通，接下来的负半波双向晶闸管V1不导通，过零检测模块在整个负半波输出过零信号，过零信号为正脉冲，如图5中的脉冲1所示，脉冲1宽度接近10ms。单片机控制模块在脉冲1的下降沿处发出一个不超过10ms的触发脉冲，控制双向晶闸管V1接下来的正半波导通；同时将脉冲1的下降沿作为过零计时起点，10ms后为移相角β₁的过零点，20 ms后为移相角β₀的过零点。图5中，负半波移相角β₁的值为α₂，相应的负半波整流整形后电压波形为脉冲2；正半波移相角β₀的值为α₁，相应的正半波整流整形后电压波形为脉冲3；亮度控制信号对应的2位三进制亮度数据是21 。

当单片机控制模块需要发送一次亮度控制信号，随机停止触发信号输出的时刻在交流电源负半波期间时，该负半波双向晶闸管V1已经导通，接下来的正半波双向晶闸管V1不导通，但由于过零检测模块采用的是半波整流，正半波双向晶闸管V1不导通，也不会使过零检测模块输出过零信号；直到再接下来的负半波双向晶闸管V1不导通，过零检测模块在整个负半波输出过零信号，过零信号为正脉冲。示例如图6所示，图6（a）为单火线输出端AC1输出的亮度控制信号电压波形，图6（b）为过零信号电压波形，图6（c）为亮度控制信号负半波整流整形后电压波形，图6（d）为亮度控制信号正半波整流整形后电压波形。图6中的脉冲4为过零信号正脉冲，其宽度接近10ms。单片机控制模块在脉冲4的下降沿处发出一个不超过10 ms的触发脉冲，控制双向晶闸管V1接下来的正半波导通；同时将脉冲4的下降沿作为过零计时起点，10ms后为移相角β₁的过零点，20 ms后为移相角β₀的过零点。图6中，负半波移相角β₁的值为α₁，相应的负半波整流整形后电压波形为脉冲5；正半波移相角β₀的值为α₀，相应的正半波整流整形后电压波形为脉冲6；亮度控制信号对应的2位三进制值是10 。

2位三进制亮度数据对应亮度给定信号1－9，亮度从低到高的顺序依次为00、01、10、11、02、20、12、21、22。采用该顺序的原因是，亮度增加，亮度控制信号电压的有效值增大，确保发送亮度控制信号不影响LED灯的当前亮度。

亮度给定信号为0时，单片机控制模块停止输出触发信号，双向晶闸管V1关断，LED灯熄灭，单火线输出端AC1流过微电流。

图7为亮度控制信号发送控制方法，通过单片机控制模块中的程序实现，其方法是：

步骤A，判断是否关闭LED灯，是则关闭LED灯，转到步骤C；否则转到步骤B；

步骤B，发出一次亮度控制信号；

步骤C，判断亮度给定信号是否发生改变，亮度给定信号发生改变，返回步骤A；亮度给定信号没有发生改变，返回步骤C。

当壁控开关单元不发出亮度控制信号，LED灯处在点亮状态时，单火线输出端AC1输出的电压波形为连续完整的单相正弦波。

LED灯调节驱动单元结构如图8所示，由单片机调节模块、LED驱动模块组成，单片机调节模块和LED驱动模块的交流输入端均连接至火线输入端AC1、零线输入端N。

LED驱动模块用于驱动LED灯点亮，所有设有PWM亮度调节信号输入端的LED驱动模块都适用于本实用新型。

单片机调节模块设有PWM亮度调节信号输出端并连接至LED驱动模块的PWM亮度调节信号输入端。

单片机调节模块的实施例电路如图9所示。

图9所示实施例中，单片机调节模块由调节单片机U5、二极管D3、二极管D4、二极管D5、二极管D6、二极管D7、二极管D8、稳压管DW2、稳压管DW3、稳压管DW4、电阻R6、电阻R7、电阻R8、电容C5、晶振XT2组成。

二极管D3、二极管D4阴极、二极管D5、二极管D6、电容C5、电阻R6、稳压管DW2组成整流稳压电路，向调节单片机U5提供电源。

二极管D8、电阻R8、稳压管DW4组成负半波整流整形电路，稳压管DW4上得到的负半波波形如图5（c）、图6（c）所示；二极管D7、电阻R7、稳压管DW3组成正半波整流整形电路，稳压管DW3上得到的正半波波形如图5（d）、图6（d）所示。正半波整流整形电路和负半波整流整形电路分别对火线输入端AC1输入的交流电压进行正半波整流整形和负半波整流整形。正半波整流整形电路的输出、负半波整流整形电路的输出分别连接至调节单片机U5的捕捉比较输入端P2.0、比较输入端P2.1。

调节单片机U5型号为MSP430G2553，其PWM输出端P1.2为所述PWM亮度调节信号输出端。调节单片机U5的电源负输入端VSS连接至公共参考地。

LED驱动模块用于驱动LED灯点亮，设有PWM亮度调节信号输入端的LED驱动模块都可以适用于本实用新型，图10所示仅为其中的一个实施例电路。

图10中，LED驱动模块由LED驱动器U6、二极管D9、二极管D10、二极管D11、二极管D12、电容C6、电容C7、电容C8、电感L3、快恢复二极管D13、开关管VD、电阻R9、电阻R10组成。LED驱动器U6的型号为HV9910。

图10中，二极管D9、二极管D10、二极管D11、二极管D12组成单相桥式整流电路。单相桥式整流电路的2个交流输入端分别连接至火线输入端AC1、零线输入端N，直流输出负端连接至公共参考地，直流输出正端连接至电容C6正极、电容C7的一端、LED驱动器U6的电源输入端VIN、电感L3的一端、快恢复二极管D13阴极。LED驱动器U6的地输入端GND连接至公共参考地。电容C6负极、电容C7的另一端连接至公共参考地。快恢复二极管D13阳极与开关管VD的漏极联结后作为大功率LED灯的负极性连接端LED－，电感L3的另外一端作为大功率LED灯的正极性连接端LED＋。开关管VD的源极与电阻R9一端联结后连接至所述LED驱动器U6的LED电流检测端CS；电阻R9的另一端连接至公共参考地。开关管VD的栅极连接至LED驱动器U6的驱动端GATE；电阻R10的一端连接至LED驱动器U6的振荡频率控制端RT、另一端连接至公共参考地。电容C8正极连接至LED驱动器U6的控制电压输出端VDD和线性电流控制端LD、负极连接至公共参考地。LED驱动器U6的使能控制端PWM_D为所述PWM亮度调节信号输入端。

LED灯调节驱动单元由单片机调节模块接收亮度控制信号并控制亮度，如图11所示，其方法是，

步骤一，初始化，控制LED灯为初始亮度；

步骤二，判断单火线上是否有亮度控制信号；没有亮度控制信号，返回步骤二；有亮度控制信号，转到步骤三；

步骤三，接收亮度控制信号，得到三进制亮度数据；

步骤四，改变LED灯亮度，返回步骤二。

初始亮度可以设置为9档不同亮度中的任何一个，例如，设置为亮度1。

判断单火线上是否有亮度控制信号，方法为判断单火线上是否有亮度控制信号的引导波形。正常情况下，火线输入端AC1输入的电压波形为连续完整的单相正弦波，负半波整流整形电路输出的波形为周期20ms、脉冲宽度近10 ms的矩形波。壁控开关单元发送一次亮度控制信号时，其引导波形造成一个负半波的缺失，如图5（c）与图5（b）脉冲1对应位置的负半波脉冲缺失，如图6（c）与图6（b）脉冲7对应位置的负半波脉冲缺失。单片机调节模块判断出负半波整流整形电路输出的波形有负半波脉冲缺失，且接下来的正半波整流整形电路输出的正半波波形完整，对应的正半波脉冲为图5中的脉冲2，或者图6中的脉冲8，即可判断出单火线上有亮度控制信号的引导波形。

接收亮度控制信号，得到三进制亮度数据，方法为依次测量数据波形负半波的导通角和正半波的导通角，计算得到负半波移相角β₁和正半波移相角β₀后，再转换成三进制亮度数据。图5中脉冲2的宽度、图6中脉冲5的宽度为数据波形负半波的导通角，图5中脉冲3的宽度、图6中脉冲6的宽度为数据波形正半波的导通角。移相角与导通角之和为180°，或者为时间10ms。负半波移相角β₁、正半波移相角β₀分别选择与移相角α₂、α₁、α₀中最接近的一个，来分别确定对应三进制数码值2、1、0。

改变LED灯亮度，通过改变连接至LED驱动器U6使能控制端PWM_D的PWM亮度调节信号的占空比实现。

在图1中，壁控开关单元是单火线AC进，单火线AC1出；LED灯调节驱动单元火线AC1进，零线N出。从抗干扰的角度考虑，将图1中的火线AC与零线N位置对调，本实用新型所述方法仍然有效，且抗干扰能力更强。

单片机控制模块中的控制单片机根据亮度给定模块给出的BCD数值式或者电压式亮度给定信号和接收到的脉冲形式的过零信号，控制移相角并发触发信号，以及单片机调节模块中的调节单片机根据脉冲捕捉输入端负脉冲的宽度来识别亮度控制信号，发出PWM信号控制LED灯的亮度，是本领域技术人员所掌握的常规技术。

本实用新型所述方法具有如下特点：

① 采用单火线方式控制LED灯亮度，无需遥控器，无需控制线，也不用重新敷设电源线；

② LED灯亮度调节共分9档，采用旋钮装置调节，符合操作习惯；

③ 单火线上的亮度控制信号仅仅是在改变亮度时进行短时发送；

④ 具有关灯功能。

Claims (7)

1.一种壁控LED灯单火线调光电路，由壁控开关单元、LED灯调节驱动单元组成，所述壁控开关单元设有单火线输入端、单火线输出端，所述单火线输入端连接至交流电源火线；所述LED灯调节驱动单元设有火线输入端、零线输入端，其中，所述火线输入端连接至壁控开关单元的单火线输出端，所述零线输入端连接至交流电源零线；所述交流电源为单相220V交流电；其特征在于：

所述壁控开关单元由单火线电源模块、单片机控制模块、移相驱动模块、过零检测模块、亮度给定模块组成；

所述单火线电源模块用于向壁控开关单元提供工作电源；

所述过零检测模块为半波整流分压电路，输出的过零信号连接至单片机控制模块；

所述亮度给定模块输出的亮度给定信号连接至单片机控制模块；

所述移相驱动模块为双向晶闸管交流移相电路；

所述单片机控制模块输出的触发信号连接至控制移相驱动模块；

所述LED灯调节驱动单元由单片机调节模块、LED驱动模块组成；

所述LED驱动模块设有交流输入端和LED灯驱动端，其中，交流输入端连接至LED灯调节驱动单元的火线输入端和零线输入端，LED灯驱动端连接至LED灯；

所述LED驱动模块还设有PWM亮度调节信号输入端；

所述单片机调节模块包括有调节单片机、正半波整流整形电路、负半波整流整形电路和整流稳压电路，设有交流输入端、PWM亮度调节信号输出端；所述交流输入端连接至LED灯调节驱动单元的火线输入端和零线输入端，PWM亮度调节信号输出端连接至LED驱动模块的PWM亮度调节信号输入端；所述正半波整流整形电路和负半波整流整形电路的输入连接至火线输入端；所述正半波整流整形电路的输出、负半波整流整形电路的输出分别连接至调节单片机不同的脉冲捕捉输入端。

2.根据权利要求1所述的壁控LED灯单火线调光电路，其特征在于：所述单火线电源模块由单火线稳压器MP-6V-02S及其外围元件二极管D1、电容C1、电容C2、电感L1、电感L2，以及低压差稳压器HT7333及其外围元件电容C3、电容C4组成。

3.根据权利要求1所述的壁控LED灯单火线调光电路，其特征在于：所述亮度给定模块采用BCD旋转编码器。

4.根据权利要求1所述的壁控LED灯单火线调光电路，其特征在于：所述移相驱动模块由双向晶闸管V1、可控硅输出光耦MOC3023、电阻R1、电阻R2、电阻R3组成。

5.根据权利要求1所述的壁控LED灯单火线调光电路，其特征在于：所述过零检测模块由二极管D2、电阻R4、电阻R5、稳压管DW1组成。

6.根据权利要求1所述的壁控LED灯单火线调光电路，其特征在于：所述单片机控制模块包括控制单片机、晶振XT1；所述控制单片机型号为MSP430G2553。

7.根据权利要求1所述的壁控LED灯单火线调光电路，其特征在于：所述调节单片机型号为MSP430G2553。