TWI639797B - 適用植物生長之led調光裝置 - Google Patents

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Abstract

一種適用植物生長之LED調光裝置，係於一返馳式變壓器一次側之一次側電路串接一高頻開關，以及於二次側之多個二次側電路上各自串接一低頻開關，藉一可編程控制模組如包含Arduino控制板來調控該高頻開關、該些低頻開關各自之導通率，即可調整流經各個二次側電路中之LED的電流，而調整各個LED之亮度，或設定其發光與否，藉之，可適用於植物生長不同階段之光源成分與照光週期之需求，免除習知個別調光不易之問題，不需大量人工調光成本，並符合電氣隔離之安全規範，且當透過開放原始碼的Arduino控制板來控制所述之導通率，使用上更靈活容易且適用性廣。

Description

適用植物生長之LED調光裝置
本發明係關於一種適用植物生長之LED調光裝置，尤指一種可個別調光之適用植物生長之LED調光裝置。
台灣植物工廠於近年逐漸興起，由文獻得知植物於生長過程中，可以給予光源照射刺激生長，而以LED取替傳統螢光燈具的可能性已被證實，以LED作為人工光源，具有縮短生長期、調節生產期、提升品質或提高產量等優點，且LED本身具有高發光密度與省電之特性，可降低用電成本。
然而，對於不同種類之植物，或者植物於不同生長階段中，其所需要的光波長組合以及光照週期之條件並不相同，如有文獻指出，如第九A圖、第九B圖及第九C圖所示，說明此植物在幼苗階段(第九A圖)以紫藍光光譜最為有效，而在成長階段(第九B圖)以藍紫光及紅光的光譜皆為有效，而在開花階段(第九C圖)以紅光光譜最為有效。而為配合植物所需的有效光之照射，需有LED之相關調光裝置的使用，以能確實提供上述縮短生長期、調節生產期、提升品質或提高產量等優點。
而相關前案如有中華民國新型專利公告第M512289號，「適用於多類植物生長之發光二極體光照結構」，係一種適用於多類植物生長之發光二極體光照結構，係應用於室內植栽，包括至少一電路板，電路板底面佈設有複數個白光、藍光及紅光二極體等二極體組，能發出對應色光，相鄰白光二極體 之間距係小於相鄰藍光或紅光二極體之間距，該電路板係透過一驅動電路，連接至一模式調整電路及一時間調整電路，該模式調整電路能使該電路板僅點亮其中之一二極體組，或同時或依序點亮全部，形成至少四種光照模式，該時間調整電路能控制各光照模式下之光照及休眠時間，以滿足不同種類植物之光週期，且能有效防止葉片因藍光或紅光過度照射而發生白斑病變。
然而，上述前案之驅動電路之模式及時間的調整，係調整其中發光二極體各自的亮或不亮，來形成複數種光照模式，然而此種驅動模式所能產生的光照結果較為固定且受限制，不能廣泛地適用於不同種類的植物及植物不同的生長階段，使用的靈活性較不足。
又有如中華民國發明專利公告第I574608號「植物工廠用之光配方驗證平台」，其具有：一電源轉換器以提供一可變輸出電壓；一RGB LED電路，由三個驅動信號控制其紅光LED、綠光LED、藍光LED之平均電流；一光感測器，用以提供紅光、綠光、及藍光之感測信號；以及一控制單元，用以執行一驅動信號產生程序以依所述紅光、綠光、及藍光之感測信號調整所述三個驅動信號之作用期間以使RGB LED電路提供所需之光配方，其中，該驅動信號產生程序係依紅光LED、綠光LED、藍光LED之平均電流與一門檻電流之比較結果決定工作於一第一模式或一第二模式。
然而，上述前案係根據光感測器提供之感測信號，以調整紅光LED、綠光LED、藍光LED之驅動訊號，以依紅光LED、綠光LED、藍光LED之平均電流與門檻電流之比較結果，來決定光配方之工作模式為何者，其對各個LED的驅動控制之方法較為繁雜，且該前案用於以光波長回授補償機制克服因LED老化而使照明光波長偏移的問題，並非用於控制各LED根據植物的種 類、植物生長的階段等不同來調整LED照明參數，亦即，目前尚無針對植物種類、植物生長階段的不同而調整LED照明參數的一實用的控制方式。
又如中國大陸發明專利公告第CN104932435A號之「調節室內植物生長環境的智能係統及其控制方法」，係一種調節室內植物生長環境的智能係統，其特徵在於：它包括微控制器、模擬溫度傳感器、土壤濕度傳感器、LED燈珠、低壓電熱絲、環境光傳感器、RGB燈珠、數字溫度傳感器以及SD卡讀寫器，本發明能有效地將空氣中的二氧化碳固定並且釋放出氧氣，相較於傳統的將植物擺放在室內，而不對其狀態與生理活動不進行調節而言，本發明能夠更加有效地淨化室內空氣環境，保證其在低照度環境下以及低根區溫度環境下生理活動維持在較高水平，不僅不會釋放出更多的二氧化碳，還能夠促進其吸附有害氣體、控制植物吸收室內如甲醛等有害氣體，淨化室內空氣環境的能力。
其中，上述前案揭露使用電子抹除式可複寫唯讀記憶體(EEPROM)進行數據存儲，供提供1024個可存儲0~255數字的存儲位，地址分別為0-1023，用以存儲室內溫度、土壤溫度、土壤濕度、用於存儲短週期數據的數據緩存以及用於記錄當前系統狀態的斷電保護數據區。然而，該前案用於根據植物的生長環境狀況，調整其生長環境參數，並非用以根據植物的種類、生長階段等而調整生長環境參數，針對依據植物種類不同、植物生長階段不同而調整LED照明參數，該前案同樣沒有能提供一個實用的控制方式。
此外，為符合相關安規，且欲同時驅動多組藍、綠、紅之光的三原色之LED，習知電路使用有返馳式轉換器(Flyback Converter)，藉由耦合電感設計有多個二次側繞組，可同時驅動多個具有不同額定電壓值、額定電流值的LED，且符合電氣隔離之安全規範。
然而，由於不同種類或不同階段下的植物，其所需要的光波長組合及光週期等條件並不相同。而傳統返馳式轉換器之二次側電路(3C)如第十圖所示，包含一二極體開關(31C)，當轉換器一次側之能量轉換給二次側電路(3C)時，所有二次側的能量只能同時增或同時減，故而使得個別調光不易，無法配合植物生長之需要，來調變各個不同發光波長的LED。
並且，現有的LED光源之驅動電路多使用類比電路IC(5C)驅動，其調光需要人工調整，若用於如植栽架時，當每層放置有不同植物，或是不同生長階段之同種植物，則由人工下去量測及調整各組不同的光源組合，對於農業4.0而言，實為一筆龐大的成本花費。
爰此，為改善上述習知技術之缺點，本發明人乃致力於研究，提出本發明之適用植物生長之LED調光裝置，連接一輸入電源，包括：一一次側電路，連接該輸入電源，並設有一高頻開關，該高頻開關受一高頻驅動訊號驅動而導通或截止該一次側電路；一返馳式變壓器，包含一一次側繞組及複數二次側繞組，該一次側繞組耦接該一次側電路，以於該一次側電路切換為截止時，將該輸入電源之電能轉換至前述二次側繞組；複數二次側電路，對應耦接前述二次側繞組，以各自接收轉換的前述電能，前述二次側電路皆包含串聯之一二極體開關及一低頻開關，前述低頻開關受各自之一低頻驅動訊號驅動而導通或截止各自之二次側電路；複數LED，具有各自之發光波長範圍，分別設置於前述複數二次側電路；以及一可編程控制模組，電性連接該高頻開關以及前述低頻開關，用以產生該高頻訊號以及前述低頻訊號，該可編程控制模組允許設定不同之控制指令，使產生的前述低頻驅動訊號被調整；在植物的不同生長 階段，該可編程控制模組藉由變化編程，輸出不同之控制指令，而改變各個低頻驅動訊號，調整流經各個LED之電能，而變換前述LED各自之發光亮度與發光週期。
進一步，該可編程控制模組利用一脈波寬度調變技術產生該高頻驅動訊號以及前述低頻驅動訊號，而不同編程輸出之不同的控制指令係使產生的前述低頻驅動訊號各自之工作週期被調整，而調整流經各個LED之電能。
進一步，不同編程輸出之不同的控制指令並使產生的該高頻驅動訊號被改變，而使產生的該高頻驅動訊號之工作週期被調整，以配合各個低頻開關之導通或截止，來改變該高頻開關之導通率。
進一步，該輸入電源為一直流電源，該一次側電路之該高頻開關一端連接該輸入電源，該高頻開關另一端連接該一次側繞組一端，該一次側繞組另一端連接該輸入電源另一端。
進一步，前述二次側繞組包含一第一二次側繞組、一第二二次側繞組及一第三二次側繞組，前述二次側電路包含一第一二次側電路、一第二二次側電路及一第三二次側電路，前述二極體開關包含一第一二極體開關、一第二二極體開關及一第三二極體開關，前述低頻開關包含一第一低頻開關、一第二低頻開關及一第三低頻開關，前述低頻驅動訊號包含一第一低頻驅動訊號、一第二低頻驅動訊號及一第三低頻驅動訊號；而該第一二次側電路耦接該第一二次側繞組，該第一二次側電路包含該第一二極體開關、一第一輸出電容以及該第一低頻開關，該第一二次側繞組一端連接該第一二極體開關一端，該第一二極體開關另一端連接該第一輸出電容一端，該第一輸出電容另一端連接該第一低頻開關一端，該第一低頻開關另一端連接該第一二次側繞組另一端，該第 一低頻開關受該第一低頻驅動訊號驅動，而導通或截止該第一二次側電路；而該第二二次側電路耦接該第二二次側繞組，該第二二次側電路包含該第二二極體開關、一第二輸出電容以及該第二低頻開關，該第二二次側繞組一端連接該第二二極體開關一端，該第二二極體開關另一端連接該第二輸出電容一端，該第二輸出電容另一端連接該第二低頻開關一端，該第二低頻開關另一端連接該第二二次側繞組另一端，該第二低頻開關受該第二低頻驅動訊號驅動，而導通或截止該第二二次側電路；而該第三二次側電路耦接該第三二次側繞組，該第三二次側電路包含該第三二極體開關、一第三輸出電容以及該第三低頻開關，該第三二次側繞組一端連接該第三二極體開關一端，該第三二極體開關另一端連接該第三輸出電容一端，該第三輸出電容另一端連接該第三低頻開關一端，該第三低頻開關另一端連接該第三二次側繞組另一端，該第三低頻開關受該第三低頻驅動訊號驅動，而導通或截止該第三二次側電路。
進一步，前述LED包含一藍光LED、一綠光LED以及一紅光LED，該藍光LED耦接該第一輸出電容，該綠光LED耦接該第二輸出電容，該紅光LED耦接該第三輸出電容。
進一步，該可編程控制模組包含一Arduino控制板以及一隔離IC，該Arduino控制板電性連接該隔離IC，該Arduino控制板允許編寫設定不同的前述控制指令，而該隔離IC提供一高頻開關連接腳位以及複數低頻開關連接腳位，供對應電性連接至該高頻開關以及前述低頻開關。
進一步，該可編程控制模組並包含一顯示介面以及一輸入介面，該顯示介面及該輸入介面皆電性連接該Arduino控制板，該輸入介面包含用以編 寫設定前述控制指令於該Arduino控制板，以及令該Arduino控制板變換至不同編程來輸出不同的控制指令，而該顯示介面包含用以顯示前述編程。
進一步，該高頻開關以及前述低頻開關係為金屬氧化物半導體場效電晶體。
根據上述技術特徵可達成以下功效：
1.藉由於返馳式轉換器之一次側的一次側電路上串接高頻開關，以及於二次側的各個二次側電路上串接相對低頻的各個低頻開關，使該些低頻開關連接至一允許使用者編設控制指令以控制該些低頻開關驅動的該可編程控制模組，則使用者僅需配合植物生長不同階段所需之光源成分以及照光週期的不同，預先寫好對應所需的控制指令，則當植物進入下一生長階段，使用者僅需切換至對應的控制指令，即可令光源立即調整至所需的光源成分之組成以及發光週期，令植物能生長得更好，且調光過程亦更簡易、快速。
2.本發明之調光裝置，可一次同時完成各個LED各自的調光需求，且由於係由該可編程控制模組預先設定好各個調光結果，相較於習知的調光裝置，本發明不需要過多的人工調光、校正之過程，節省人力成本，亦免除了習知返馳式電路之調光只能同時增或同時減而不能個別調光之問題。
3.使用脈波寬度調變技術調變該高頻驅動訊號、該第一低頻驅動訊號、該第二低頻驅動訊號及該第三低頻驅動訊號時，可簡單地藉由調變高頻驅動訊號、各個低頻驅動訊號各自的導通率，即可調變流經各個LED的電流，而調整各個LED的亮度，使用上可謂簡易。
4.結合可編程控制模組與該高頻開關、各個低頻開關的驅動，取代傳統的類比驅動IC，則使用者透過可編程控制模組編修控制指令即可達成不同的調光結果，使用上更為便捷。
5.該可編程控制模組包含使用開放原始碼的Arduino控制板，可令一般使用者皆可自行編寫各個控制指令，適用性更廣。
6.本發明結合返馳式變壓器，可符合電氣隔離之安全規範。
7.該Arduino控制板並可連結如一PC的顯示介面與操作介面，則讓使用者可於遠端操控該Arduino控制板進行參數改變，以及於遠端對植物之光源做調光、監控與紀錄等，使用上更靈活。
8.本發明並揭示使用者編寫之控制指令，可配合各個低頻驅動訊號的導通與否，設定該高頻驅動訊號之工作週期，調整該高頻開關所需的導通率，則可控制一次側繞組的能量不趨於飽和，增加電路之利用性。
(1000)‧‧‧適用植物生長之LED調光裝置
(1)‧‧‧一次側電路
(11)‧‧‧高頻開關
(2)‧‧‧返馳式變壓器
(21)‧‧‧一次側繞組
(22)‧‧‧二次側繞組
(221)‧‧‧第一二次側繞組
(222)‧‧‧第二二次側繞組
(223)‧‧‧第三二次側繞組
(3)‧‧‧二次側電路
(31)‧‧‧第一二次側電路
(311)‧‧‧第一二極體開關
(312)‧‧‧第一輸出電容
(313)‧‧‧第一低頻開關
(32)‧‧‧第二二次側電路
(321)‧‧‧第二二極體開關
(322)‧‧‧第二輸出電容
(323)‧‧‧第二低頻開關
(33)‧‧‧第三二次側電路
(331)‧‧‧第三二極體開關
(332)‧‧‧第三輸出電容
(333)‧‧‧第三低頻開關
(4)‧‧‧LED
(41)‧‧‧藍光LED
(42)‧‧‧綠光LED
(43)‧‧‧紅光LED
(5)‧‧‧可編程控制模組
(51)‧‧‧Arduino控制板
(511)、(511a)‧‧‧高頻驅動訊號
(512)、(512a)‧‧‧第一低頻驅動訊號
(513)、(513a)‧‧‧第二低頻驅動訊號
(514)、(514a)‧‧‧第三低頻驅動訊號
(52)‧‧‧隔離IC
(521)‧‧‧高頻開關連接腳位
(522)‧‧‧第一低頻開關連接腳位
(523)‧‧‧第二低頻開關連接腳位
(524)‧‧‧第三低頻開關連接腳位
(53)‧‧‧顯示介面
(3C)‧‧‧二次側電路
(31C)‧‧‧二極體開關
(54)‧‧‧操作介面
(A)‧‧‧輸入電源
[第一圖]係本發明實施例之適用植物生長之LED調光裝置之電路圖。
[第二圖]係本發明實施例之適用植物生長之LED調光裝置之電路作動時序圖。
[第三圖]係本發明實施例之適用植物生長之LED調光裝置之電路操作時模式一時之示意圖。
[第四圖]係本發明實施例之適用植物生長之LED調光裝置之電路操作時模式二時之示意圖。
[第五圖]係本發明實施例之適用植物生長之LED調光裝置之電路操作時模式三時之示意圖。
[第六圖]係本發明實施例中，該Arduino控制板，輸出之該高頻驅動訊號、該第一低頻驅動訊號、該第二低頻驅動訊號及該第三低頻驅動訊號與電流之關係圖。
[第七圖]係本發明實施例中具有所列舉之各個電氣參數的適用植物生長之LED調光裝置之模擬電路圖。
[第八圖]係本發明實施例使用第七圖之模擬電路圖，並配合各個低頻驅動訊號的導通與否，調整高頻驅動訊號之工作週期，所示之該高頻驅動訊號、該第一低頻驅動訊號、該第二低頻驅動訊號及該第三低頻驅動訊號與電流之關係圖。
[第九A圖]係列舉一植物生長過程中於幼苗階段時，所需的光波長組合之示意圖。
[第九B圖]係列舉一植物生長過程中於成長階段時，所需的光波長組合之示意圖。
[第九C圖]係列舉一植物生長過程中於開花階段時，所需的光波長組合之示意圖。
[第十圖]係使用傳統返馳式轉換器及類比電路IC驅動之電路圖。
綜合上述技術特徵，本發明適用植物生長之LED調光裝置的主要功效將可於下述實施例清楚呈現。
參閱第一圖所示，本實施例之適用植物生長之LED調光裝置(1000)，連接一輸入電源(A)，包括一一次側電路(1)、一返馳式變壓器(2)、複數二次側電路(3)、複數LED(4)以及一可編程控制模組(5)，其中： 該一次側電路(1)連接該輸入電源(A)，並設有一高頻開關(11)，該高頻開關(11)例如為金屬氧化物半導體場效電晶體，且係受一高頻驅動訊號驅動而導通或截止該一次側電路(1)。
該返馳式變壓器(2)包含一一次側繞組(21)及複數二次側繞組(22)，該一次側繞組(21)耦接該一次側電路(1)，以於該一次側電路(1)切換為截止時，將該輸入電源(A)之電能轉換至前述二次側繞組(22)。
其中，本實施例中，該輸入電源(A)為一直流電源，該一次側電路(1)之該高頻開關(11)一端連接該輸入電源(A)，該高頻開關(11)另一端連接該一次側繞組(21)一端，該一次側繞組(21)另一端連接該輸入電源(A)另一端。且前述二次側繞組(22)包含一第一二次側繞組(221)、一第二二次側繞組(222)及一第三二次側繞組(223)。
又前述二次側電路(3)，對應耦接前述二次側繞組(22)，以各自接收轉換的前述電能。較詳細地說，前述二次側電路(3)包含一第一二次側電路(31)、一第二二次側電路(32)及一第三二次側電路(33)，該第一二次側電路(31)耦接該第一二次側繞組(221)，該第二二次側電路(32)耦接該第二二次側繞組(222)，該第三二次側電路(33)耦接該第三二次側繞組(223)，以接收各自之電能。
其中，該第一二次側電路(31)包含串聯之一第一二極體開關(311)、一第一輸出電容(312)以及一第一低頻開關(313)，該第一二次側繞組(221)一端連接該第一二極體開關(311)一端，該第一二極體開關(311)另一端連接該第 一輸出電容(312)一端，該第一輸出電容(312)另一端連接該第一低頻開關(313)一端，該第一低頻開關(313)另一端連接該第一二次側繞組(221)另一端。而該第一低頻開關(313)例如為金屬氧化物半導體場效電晶體，且係受一第一低頻驅動訊號驅動，而導通或截止該第一二次側電路(31)。
而該第二二次側電路(32)包含串聯之一第二二極體開關(321)、一第二輸出電容(322)以及一第二低頻開關(323)，該第二二次側繞組(222)一端連接該第二二極體開關(321)一端，該第二二極體開關(321)另一端連接該第二輸出電容(322)一端，該第二輸出電容(322)另一端連接該第二低頻開關(323)一端，該第二低頻開關(323)另一端連接該第二二次側繞組(222)另一端。而該第二低頻開關(323)例如為金屬氧化物半導體場效電晶體，且係受一第二低頻驅動訊號驅動，而導通或截止該第二二次側電路(32)。
而該第三二次側電路(33)包含串聯之一第三二極體開關(331)、一第三輸出電容(332)以及一第三低頻開關(333)，該第三二次側繞組(223)一端連接該第三二極體開關(331)一端，該第三二極體開關(331)另一端連接該第三輸出電容(332)一端，該第三輸出電容(332)另一端連接該第三低頻開關(333)一端，該第三低頻開關(333)另一端連接該第三二次側繞組(223)另一端。而該第三低頻開關(333)例如為金屬氧化物半導體場效電晶體，且係受一第三低頻驅動訊號驅動，而導通或截止該第三二次側電路(33)。
又前述LED(4)，具有各自之發光波長範圍，係分別設置於前述二次側電路(3)。本實施例中，前述LED(4)包含一藍光LED(41)、一綠光LED(42)以及一紅光LED(43)，而該藍光LED(41)耦接該第一輸出電容(312)，該綠光LED(42)耦接該第二輸出電容(322)，該紅光LED(43)耦接該第三輸出電容(332)。 而該可編程控制模組(5)，電性連接該高頻開關(11)、該第一低頻開關(313)、該第二低頻開關(323)及該第三低頻開關(333)，用以產生該高頻驅動訊號VGSm、該第一低頻驅動訊號VGS1、該第二低頻驅動訊號VGS2以及該第三低頻驅動訊號VGS3，該可編程控制模組(5)允許設定不同之控制指令，使產生的該第一低頻驅動訊號、該第二低頻驅動訊號以及該第三低頻驅動訊號被調整。 在植物的不同生長階段，該可編程控制模組(5)藉由變化編程，輸出不同之控制指令，而改變該第一低頻驅動訊號、該第二低頻驅動訊號以及該第三低頻驅動訊號，調整流經該藍光LED(41)、該綠光LED(42)以及該紅光LED(43)各自之電能，而變換該藍光LED(41)、該綠光LED(42)以及該紅光LED(43)各自之發光亮度與發光週期。
又該可編程控制模組(5)包含一Arduino控制板(51)以及一隔離IC(52)，該Arduino控制板(51)電性連接該隔離IC(52)，該Arduino控制板(51)允許編寫設定不同的前述控制指令，不同之控制指令係對應產生不同之該高頻驅動訊號、該第一低頻驅動訊號、該第二低頻驅動訊號及該第三低頻驅動訊號，而該隔離IC(52)提供一高頻開關連接腳位(521)、一第一低頻開關連接腳位(522)、一第二低頻開關連接腳位(523)以及一第三低頻開關連接腳位(524)，供對應電性連接至該高頻開關(11)、該第一低頻開關(313)、該第二低頻開關(323)以及該第三低頻開關(333)。
以下先說明本實施例之適用植物生長之LED調光裝置(1000)中電路之作動模式： 參閱第一圖及第二圖所示，其中第二圖係本實施例之適用植物生長之LED調光裝置(1000)之電路作動時序圖，而該可編程控制模組(5)係利用一 脈波寬度調變技術來產生該高頻驅動訊號、該第一低頻驅動訊號、該第二低頻驅動訊號以及該第三低頻驅動訊號，則本實施例之適用植物生長之LED調光裝置(1000)可操作於下述三個電路動作模式： 模式一：參閱第二圖及第三圖所示，當該高頻開關(11)Sm為正電位時(VGSm為正)，該高頻開關(11)Sm導通，此時該一次側繞組(21)之跨壓VLP與該輸入電源(A)之電壓Vin相同，係為Vin，該一次側繞組(21)之電流iLP呈線性上升，該一次側繞組(21)LP為儲能狀態，此時因耦合之該第一二次側繞組(221)、該第二二次側繞組(222)以及該第三二次側繞組(223)的極性，使該第一二極體開關(311)、該第二二極體開關(321)及該第三二極體開關(331)皆為逆偏而不導通，該藍光LED(41)、該綠光LED(42)以及該紅光LED(43)各自由上一個週期所充電之該第一輸出電容(312)、該第二輸出電容(322)以及該第三輸出電容(332)來提供能量，而各自發光。
模式二：參閱第二圖及第四圖所示，當該高頻開關(11)Sm為零電位時(VGSm為零)，該高頻開關(11)Sm截止，該一次側繞組(21)之電流iLP到達峰值，此時該一次側繞組(21)之電流iLP瞬間下降至零，為保持磁通平衡，該第一二次側繞組(221)、該第二二次側繞組(222)及該第三二次側繞組(223)各自感應一第一二次側電流iS1、一第二二次側電流iS2及一第三二次側電流iS3，而各自對該第一輸出電容(312)、該第二輸出電容(322)及該第三輸出電容(332)充電，並另一部分提供能量給該藍光LED(41)、該綠光LED(42)以及該紅光LED(43)，而各自發光。
模式三：參閱第二圖及第五圖所示，延續模式二，該高頻開關(11)Sm持續為零電位(VGSm持續為零)，該高頻開關(11)Sm持續截止，當各自感應 的前述第第一二次側電流iS1、前述第二二次側電流iS2及前述第三二次側電流iS3皆下降至零時，該模式三開始，此時，該藍光LED(41)、該綠光LED(42)以及該紅光LED(43)之能量各自由該第一輸出電容(312)CB、該第二輸出電容(322)CG及該第三輸出電容(332)CR提供。
以下係對本實施例中，該可編程控制模組(5)以該控制指令產生之該高頻驅動訊號、該第一低頻驅動訊號、該第二低頻驅動訊號以及該第二低頻驅動訊號，來驅動該高頻開關(11)、該第一低頻開關(313)、該第二低頻開關(323)以及該第三低頻開關(333)，而使該藍光LED(41)、該綠光LED(42)以及該紅光LED(43)有不同的發光亮度做說明。
參閱第一圖及第六圖所示，調光時，以欲調整使該藍光LED(41)亮度最強、該綠光LED(42)亮度居中、該紅光LED(43)亮度最弱為例，則所編寫設定之該控制指令，係可為使該可編程控制模組(5)之該Arduino控制板(51)依據該控制指令而調變輸出如第六圖所示之該高頻驅動訊號(511)、該第一低頻驅動訊號(512)、該第二低頻驅動訊號(513)以及該第三低頻驅動訊號(514)，其中： 在區間t’0至t’1間：輸出之該高頻驅動訊號(511)、該第一低頻驅動訊號(512)、該第二低頻驅動訊號(513)及該第三低頻驅動訊號(514)，係使該第一低頻開關(313)(對應藍光LED)、該第二低頻開關(323)(對應綠光LED)及該第三低頻開關(533)(對應紅光LED)均為導通，且係使該高頻開關(11)於此區間時的導通時間(D1)為最長，則在此區間中，該一次側繞組(21)之電流iLP的峰值為最高，並且該高頻開關(11)為切換至截止時，所述峰值最高之電流的電能係分配給該藍光LED(41)、該綠光LED(42)及該紅光LED(43)。
在區間t’1至t’2間：輸出之該高頻驅動訊號(511)、該第一低頻驅動訊號(512)、該第二低頻驅動訊號(513)及該第三低頻驅動訊號(514)，係使該第一低頻開關(313)(對應藍光LED)及該第二低頻開關(323)(對應綠光LED)為導通，而使該第三低頻開關(533)(對應紅光LED)為截止，且使該高頻開關(11)於此區間時的導通時間(D2)為居中，則在此區間中，該一次側繞組(21)之電流iLP的峰值為次高，並且該高頻開關(11)為切換至截止時，所述峰值次高之電流的電能係分配給該藍光LED(41)及該綠光LED(42)。
在區間t’2至t’3間：輸出之該高頻驅動訊號(511)、該第一低頻驅動訊號(512)、該第二低頻驅動訊號(513)及該第三低頻驅動訊號(514)，係使該第一低頻開關(313)(對應藍光LED)為導通，而使該第二低頻開關(323)(對應綠光LED)以及該第三低頻開關(533)(對應紅光LED)為截止，且使該高頻開關(11)於此區間時的導通時間(D3)為最短，則在此區間中，該一次側繞組(21)之電流iLP的峰值為最低，並且該高頻開關(11)為切換至截止時，所述峰值最小之電流的電能係只分配給該紅光LED(43)。
在區間t’3至t’4間：輸出之該高頻驅動訊號(511)、該第一低頻驅動訊號(512)、該第二低頻驅動訊號(513)及該第三低頻驅動訊號(514)，係使該第一低頻開關(313)(對應藍光LED)、該第二低頻開關(323)(對應綠光LED)以及該第三低頻開關(533)(對應紅光LED)皆為截止，且係使該高頻開關(11)於此區間為截止，則於此區間中，電路不動作。
是以，如上述說明，藉由使該Arduino控制板變換至不同編程來輸出不同的控制指令，使產生的該第一低頻驅動訊號(512)、該第二低頻驅動訊號(513)及該第三低頻驅動訊號(514)各自之工作週期被調整，而改變該第一低頻 開關(313)、該第二低頻開關(323)及該第三低頻開關(333)各自之導通率，而各自調整流經該藍光LED(41)、該綠光LED(42)及該紅光LED(43)之電能，達成如第六圖中，該藍光LED之平均電流值iBLED為最強、該綠光LED之平均電流值iGLED為居中、該紅光LED之平均電流值iRLED為最弱，而達成該藍光LED(41)之亮度為最強、該綠光LED(42)之亮度為居中、該紅光LED(43)之亮度為最弱之調光目的。
要說明的是，參閱第一圖所示，本實施例中，該可編程控制模組(5)並包含一顯示介面(53)以及一輸入介面(54)，該顯示介面(53)及該輸入介面(54)皆電性連接該Arduino控制板(51)，該輸入介面(54)例如可為一PC的操作介面(如鍵盤、滑鼠等)，該輸入介面(54)包含用以編寫設定前述控制指令於該Arduino控制板(51)，以及令該Arduino控制板(51)變換至不同編程來輸出不同的控制指令，而該顯示介面(53)例如為該PC之顯示螢幕，該顯示介面(53)包含用以顯示前述編程或/及本實施例的相關電性參數。
因此可知，本實施例使用數位控制之該可編程控制模組(5)，如該Arduino控制板(51)，取代傳統的類比IC來驅動電路，使用者可將植物的每個生長階段所需之光源參數，編寫設計好對應的控制指令，利用程式編寫的可修改與記憶性，使該Arduino控制板(51)與上述電路結合，則當使用者觀察到植物即將進入下一個生長階段時，將不同的控制指令之程式碼鍵人該Arduino控制板(51)，或是切換至所需的預存於該Arduino控制板(51)之記憶體中的不同的編程，來輸出不同的控制指令，產生不同的第一低頻驅動訊號、不同的第二低頻驅動訊號以及不同的第三低頻驅動訊號，則可使該藍光LED(41)、該綠光LED(42)及該紅光LED(43)立即各自達到下一個生長階段所需之發光參數，如發 光亮度與發光週期，而該Arduino控制板(51)輸出的控制指令所產生的驅動訊號，並可以是包含使前述LED(4)發光或不發光，而調整前述LED(4)的發光周期。並且，使用者可透過該顯示介面(53)及該操作介面(54)，由遠端操控該Arduino控制板(51)進行參數改變，以及遠端對植物之光源做調光、監控與紀錄等，這將大為省下一筆人事開銷。
參閱第七圖及第八圖所示，針對本實施例之結構，再列舉一模擬實際情況之調光範例以做說明，係分別使用三組負載皆為20顆、1W之藍光LED組、綠光LED組及紅光LED組進行電路設計，各顏色LED之電壓電流額定值分別為藍光：60V、0.34A，綠光：59V、0.35A，紅光：42V、0.48A，且本實施例之該返馳式變壓器(2)(如第一圖所示)係操作於不連續導通模式(DCM)，而可由文獻得知如下之式(一)、式(二)及式(三)之公式：
配合參閱第一圖所示，要說明的是，因該返馳式變壓器(2)有轉換電能至前述二次側電路(3)，並提供至負載端的該藍光LED(41)、該綠光LED(42)及該紅光LED(43)，則負載端的該藍光LED(41)、該綠光LED(42)及該紅光LED(43)的端電壓就是各自之20顆LED額定電壓值的總和，因此，當該第一低頻開關(313)S1之導通率例如為50%時，該藍光LED(41)之平均輸出電流係為額定電流0.34A的50%，即0.17A，而當該第二低頻開關(323)S2之導通率例如 為60%時，該綠光LED(42)之平均輸出電流係為額定電流0.35A的60%，即0.21A，而當該第三低頻開關(333)S3之導通率例如為40%時，該紅光LED(43)之平均輸出電流係為額定電流0.48A的40%，即0.19A。
是以，將第一圖的參數設計以符合滿載輸出時進行規劃，搭配上式(一)、式(二)及式(三)，而規劃出電路之電氣規格如下表(一)所示。
參閱第七圖所示，係為帶入有上述表(一)之電氣參數後，本實施例的一模擬電路圖，以對調光結果進行驗證，並且，本模擬結果並配合該第一低頻開關(313)、該第二低頻開關(323)及該第三低頻開關(333)的導通與否，來調整該高頻開關(11)之導通或截止，其中，該高頻開關(11)之導通率與該第一低頻開關(313)、該第二低頻開關(323)及該第三低頻開關(333)之導通與否的模式組合係如下表(二)所示：
且參閱第八圖以及下表(三)所示，該第一低頻驅動訊號(512a)、該第二低頻驅動訊號(513a)及該第三低頻驅動訊號(514a)之頻率設定為1kHz，該高頻驅動訊號(511a)之頻率設定為32kHz，而本模擬過程中，以該第一低頻驅動 訊號(512a)、該第二低頻驅動訊號(513a)及該第三低頻驅動訊號(514a)的時序之相移，作為不同的控制指令之設計依據。則如第八圖所示，在該第一低頻驅動訊號(512a)、該第二低頻驅動訊號(513a)及該第三低頻驅動訊號(514a)的一個週期內，該高頻開關(511a)之導通率可有六種組合，分別對應如下表(三)的時間區間t”0~t”1、t”1~t”2、t”2~t”3、t”3~t”4、t”4~t”5以及t”5~t”6所示。亦即，使用者可透過編寫設定所述之編程於該可編程控制模組的該Arduino控制板中，使該高頻開關在一個低頻驅動訊號的週期內，執行有如下表(三)中的六種不同的導通率，係可增加電路之利用性。
本實施例中，使用可編程的該Arduino控制板來取代傳統的類比IC，藉由該Arduino控制板開放原始碼的程式編碼優點，除了可自行鍵入控制指令而調整各個低頻驅動訊號的導通率來調整各個LED各自的發光亮度，並可配合各個低頻驅動訊號的導通與否，自行鍵入該高頻開關所需的導通率，調整該 高頻驅動訊號之工作週期，控制該一次側繞組(21)的能量不趨於飽和，增加電路之利用性。
綜合上述實施例之說明，當可充分瞭解本發明之操作、使用及本發明產生之功效，惟以上所述實施例僅係為本發明之較佳實施例，當不能以此限定本發明實施之範圍，即依本發明申請專利範圍及發明說明內容所作簡單的等效變化與修飾，皆屬本發明涵蓋之範圍內。

Claims (9)

  1. 一種適用植物生長之LED調光裝置，連接一輸入電源，包括：一一次側電路，連接該輸入電源，並設有一高頻開關，該高頻開關受一高頻驅動訊號驅動而導通或截止該一次側電路；一返馳式變壓器，包含一一次側繞組及複數二次側繞組，該一次側繞組耦接該一次側電路，以於該一次側電路切換為截止時，將該輸入電源之電能轉換至前述二次側繞組；複數二次側電路，對應耦接前述二次側繞組，以各自接收轉換的前述電能，前述二次側電路皆包含串聯之一二極體開關及一低頻開關，前述低頻開關受各自之一低頻驅動訊號驅動而導通或截止各自之二次側電路；複數LED，具有各自之發光波長範圍，分別設置於前述複數二次側電路；以及一可編程控制模組，電性連接該高頻開關以及前述低頻開關，用以產生該高頻訊號以及前述低頻訊號，該可編程控制模組允許設定不同之控制指令，使產生的前述低頻驅動訊號被調整；在植物的不同生長階段，該可編程控制模組藉由變化編程，輸出不同之控制指令，而改變各個低頻驅動訊號，調整流經各個LED之電能，而變換前述LED各自之發光亮度與發光週期。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之適用植物生長之LED調光裝置，其中，該可編程控制模組利用一脈波寬度調變技術產生該高頻驅動訊號以及前述低頻驅動訊號，而不同編程輸出之不同的控制指令係使產生的前述低頻驅動訊號各自之工作週期被調整，而調整流經各個LED之電能。
  3. 如申請專利範圍第2項所述之適用植物生長之LED調光裝置，其中，不同編程輸出之不同的控制指令並使產生的該高頻驅動訊號被改變，而使產生的該高頻驅動訊號之工作週期被調整，以配合各個低頻開關之導通或截止，來改變該高頻開關之導通率。
  4. 如申請專利範圍第1項所述之適用植物生長之LED調光裝置，其中，該輸入電源為一直流電源，該一次側電路之該高頻開關一端連接該輸入電源，該高頻開關另一端連接該一次側繞組一端，該一次側繞組另一端連接該輸入電源另一端。
  5. 如申請專利範圍第1項所述之適用植物生長之LED調光裝置，其中，前述二次側繞組包含一第一二次側繞組、一第二二次側繞組及一第三二次側繞組，前述二次側電路包含一第一二次側電路、一第二二次側電路及一第三二次側電路，前述二極體開關包含一第一二極體開關、一第二二極體開關及一第三二極體開關，前述低頻開關包含一第一低頻開關、一第二低頻開關及一第三低頻開關，前述低頻驅動訊號包含一第一低頻驅動訊號、一第二低頻驅動訊號及一第三低頻驅動訊號；而該第一二次側電路耦接該第一二次側繞組，該第一二次側電路包含該第一二極體開關、一第一輸出電容以及該第一低頻開關，該第一二次側繞組一端連接該第一二極體開關一端，該第一二極體開關另一端連接該第一輸出電容一端，該第一輸出電容另一端連接該第一低頻開關一端，該第一低頻開關另一端連接該第一二次側繞組另一端，該第一低頻開關受該第一低頻驅動訊號驅動，而導通或截止該第一二次側電路；而該第二二次側電路耦接該第二二次側繞組，該第二二次側電路包含該第二二極體開關、一第二輸出電容以及該第二低頻開關，該第二二次側繞組一端連接該第二二極體開關一端， 該第二二極體開關另一端連接該第二輸出電容一端，該第二輸出電容另一端連接該第二低頻開關一端，該第二低頻開關另一端連接該第二二次側繞組另一端，該第二低頻開關受該第二低頻驅動訊號驅動，而導通或截止該第二二次側電路；而該第三二次側電路耦接該第三二次側繞組，該第三二次側電路包含該第三二極體開關、一第三輸出電容以及該第三低頻開關，該第三二次側繞組一端連接該第三二極體開關一端，該第三二極體開關另一端連接該第三輸出電容一端，該第三輸出電容另一端連接該第三低頻開關一端，該第三低頻開關另一端連接該第三二次側繞組另一端，該第三低頻開關受該第三低頻驅動訊號驅動，而導通或截止該第三二次側電路。
  6. 如申請專利範圍第5項所述之適用植物生長之LED調光裝置，其中，前述LED包含一藍光LED、一綠光LED以及一紅光LED，該藍光LED耦接該第一輸出電容，該綠光LED耦接該第二輸出電容，該紅光LED耦接該第三輸出電容。
  7. 如申請專利範圍第1項所述之適用植物生長之LED調光裝置，其中，該可編程控制模組包含一Arduino控制板以及一隔離IC，該Arduino控制板電性連接該隔離IC，該Arduino控制板允許編寫設定不同的前述控制指令，而該隔離IC提供一高頻開關連接腳位以及複數低頻開關連接腳位，供對應電性連接至該高頻開關以及前述低頻開關。
  8. 如申請專利範圍第7項所述之適用植物生長之LED調光裝置，其中，該可編程控制模組並包含一顯示介面以及一輸入介面，該顯示介面及該輸入介面皆電性連接該Arduino控制板，該輸入介面包含用以編寫設定前述控制指令於該Arduino控制板，以及令該Arduino控制板變換至不同編程來輸出不同的控制指令，而該顯示介面包含用以顯示前述編程。
  9. 如申請專利範圍第1項所述之適用植物生長之LED調光裝置，其中，該高頻開關以及前述低頻開關係為金屬氧化物半導體場效電晶體。
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