专利名称：舞台用可调光led灯的调光系统及方法
技术领域：
本发明涉及舞台灯光控制技术领域，特别涉及一种舞台用可调光LED灯的调光系统及方法。
背景技术：
在照明领域，LED灯具的使用正在形成燎原之势，LED灯具由于具有长寿命和多色彩的优点，正逐步取代普通照明灯具。目前，LED灯具的使用处于起步阶段，尤其是在舞台照明领域。在照明的许多场合，基本都是不调光的，只是把不同色彩的LED灯具简单地排列组合。城市建筑物上色彩缤纷的LED灯具的大量使用便把建筑物装扮的流光溢彩，璀璨夺目；在城市的道路上，大量采用白光LED灯具后，日常维护量大幅降低，能耗大幅减少；这些都使得LED灯具具有广阔的应用前景。但其缺点是价格太高，维护费用太高，不过随着技术 的进步，这些问题正在不断地解决。随着创新技术在各行各业的迅速普及，专业舞台灯光领域也迅速地进入技术创新时代。由于舞台调光的特殊性，它对灯光的要求很高，如灯具的调光范围越大越好，对DMX512信号响应越快越好，出光越柔和越好，色彩越多越好，色温范围越大越好，寿命越长越好。正是这些要求，使得LED灯具在舞台上很难使用。按照传统的三基色理论，仅需红绿蓝三种色彩的LED灯珠，即可产生256 X 256 X 256种色彩(灯珠受DMX512协议数据控制，其分辨率是256，当每种色彩LED灯珠占用I个DMX512通道时，三种色彩就占用3个通道);但实践证明，红绿蓝三种色彩的LED灯珠根本混色不出某些色彩段，同时调光感觉也不够柔和。一般LED灯具是由多个发不同色彩光的灯珠组成，而每种灯珠仅发出频带极窄的一种光，不同色彩的灯珠的频谱在频谱图上表现为一个个极窄的频带线，其最大效率发光区极窄(发光波长范围很小)，波长极易受外部影响而改变(偏色)；正是由于灯珠发光的单纯性，加之大功率调光必须采用PWM方法，会使色彩有所变化，同时所发出光的波长随温度的变化而偏移(即色彩有变化)，使得三基色理论很难应用于舞台灯光控制，有一些色彩的光用红绿蓝三基色根本混合不出来；另外，红绿蓝三基色LED灯珠所发出的光与传统的红绿蓝三基色有偏差；而红绿蓝三基色LED灯珠之间的差别是，在相同的电流下，三者的发光效率是不同的，不能同时达到最佳发光效率，每种颜色通道驱动灯珠的数量也影响发光效率，常用恒流驱动芯片都存在这个问题，并且目前国内LED灯具都存在这个问题。目前在舞台应用的LED灯具基本上还是采用三基色灯珠混色的产品，而其中，有些产品的LED灯具在低端闪光问题都没解决，就已经大量的投产应用，在市场上造成不良的影响。为解决该问题，目前有些厂家开始考虑采用不同基色的多个灯珠，例如采用4基色灯珠，其混色效果相对好一些。然而在实际应用中，其色彩还是不够丰富鲜艳，柔和度还是不够，而其根本原因在于其调节系统没有考虑PWM脉宽和电源电压及温度的影响因素等。另外，目前常用于舞台灯光控制的LED调光器采用由输出电感和输出电容组成的简单的LC滤波器，用于减少低端闪光问题，其结构如图3所示，这种简单的LC滤波器在空载或轻载时极容易出现扰动谐波振荡的问题，容易损坏滤波器，调光器也不稳定。正是以上原因，导致多数LED灯具一般使用三个月后，光衰严重，故障率上升，使人们误解认为LED灯具使用寿命大大小于5万小时。但其实，LED灯具的使用寿命是可达到5万小时以上的，只是需要真正解决上述问题。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种舞台用可调光LED灯的调光系统，该系统不仅能实现精细调光，而且能使色彩丰富鲜艳，使用寿命延长，最大限度的满足专业舞台的需求。本发明的另一目的在于提供一种通过上述调光系统实现的舞台用可调光LED灯的调光方法。本发明的技术方案为一种舞台用可调光LED灯的调光系统,包括信号输入及处理单元和多个输出通道，每个输出通道对应一种颜色的LED灯；信号输入及处理单元包括 直流电源模块、基板温度信号模块、微控制器和DMX信号模块，直流电源模块与各输出通道连接并分别向各输出通道提供负载电流，基板温度信号模块和DMX信号模块分别与微控制器连接，各输出通道也分别与微控制器连接。所述每个输出通道的结构相同，分别包括受控稳压器、防振荡功率滤波模块、PWM控制信号受控电位器、电压跟随器、电流负反馈模块、大功率管和电流检测模块；受控稳压器分别与直流电源模块和微控制器连接，受控稳压器的输出端与防振荡功率滤波模块连接，PWM控制信号受控电位器与微控制器连接，PWM控制信号受控电位器的输出端与电压跟随器连接，电压跟随器的输出端与大功率管连接，防振荡功率滤波模块的输出端及大功率管的输出端分别与LED灯连接；大功率管还与电流检测模块连接，电流检测模块的输出端与电流负反馈模块连接，电流负反馈模块的输出端分别与电压跟随器和微控制器连接。所述受控稳压器包括相连接的可控稳压器和第一受控电位器，可控稳压器设于直流电源模块的输出端，第一受控电位器的输出端与防振荡功率滤波模块连接。所述可控稳压器和第一受控电位器之间的连接线路上还设有相连接的肖特基二极管和储能电感，第一受控电位器的输出端设有滤波电容器。所述防振荡功率滤波模块包括相串联的功率电阻和功率电容器，防振荡功率滤波模块与滤波电容器相连接；防振荡功率滤波模块和受控稳压器构成可控谐振阻尼LC输出滤波器。所述PWM控制信号受控电位器包括相连接的电阻器和第二受控电位器，第二受控电位器两端分别设置电阻器。所述电压跟随器、大功率管、电流检测模块和电流负反馈模块依次连接组成电流负反馈环节；电流负反馈环节的电路中设有两个高速运算放大器和一个功率场效应管，两个高速运算放大器和一个功率场效应管循环连接。上述系统结构中，微控制器可采用16位以上的耐高温高抗扰无外接晶振的高性能微控制器，配合本系统中高速化的PWM波调制，可实现精细调光，使输出的灯光细腻柔和。本发明通过上述调光系统实现一种舞台可调光LED灯的调光方法，包括以下步骤
(I)信号输入及处理单元中，微控制器分别接收来自DMX信号模块的各输出通道控制信号、来自基板温度信号模块的温度信号和来自各个输出通道中电流负反馈模块的电流信号，然后对各输出通道控制信号、温度信号和电流信号进行处理，对各输出通道输出相应的控制信号；(2)来自微控制器的控制信号经过PWM控制信号受控电位器进行分压后，送入电压跟随器，电压跟随器 同时接受电流负反馈模块的电流信号；电压跟随器根据电流信号对分压后的控制信号进行进一步处理后，最终的控制信号通过大功率管以负载电流的形式输送至LED灯处；电流检测模块实时检测大功率管输出端的电流，电流负反馈模块将得到的电流信号分别反馈至微控制器和电压跟随器；(3)受控稳压器接收来自微控制器的控制信号后，对来自直流电源模块的电压进行稳压处理，经过防振荡功率滤波模块后以负载电压的形式输送至LED灯处。本发明相对于现有技术，具有以下有益效果本调光系统是在现有调光系统的基础上，通过采用微调多种色彩的灯珠的控制信号和受控稳压器来补偿因温度变化及PWM占空比变化造成的色彩偏移，从而实现细腻柔和的精细调光，同时方便地实现色彩丰富鲜艳。除可以应用在舞台外，还可以广泛地应用于其他场合。本调光系统通过设置多个输出通道，可连接多种不同色彩的LED灯珠(实践证明，七种色彩可使输出光达到最佳)，由于不同色彩的LED灯珠的工作电压(或LED灯珠正向压降)不同，而且其发光的波长会随温度上升向紫端偏移，并且PWM脉宽变化，颜色也有偏移变化，因而每种色彩LED灯珠的输出通道设置受控稳压器及防振荡功率滤波模块，使各种色彩的LED灯珠都可适用相同的直流电源输入，同时在相同的控制信号下发出相同比例强度的光，矫正了偏移的波长。防振荡功率滤波模块的采用，使灯珠避免了高频振荡过电流的冲击，延长灯珠的使用寿命；同时，也延长了直流电源和整个控制系统的寿命；从而延长了灯具的使用寿命。由于本调光系统与现有调光系统相比，可实现更多色彩LED灯珠的混色，因此混色后舞台灯光的色彩更丰富多彩；同时，采用高性能微控制器对各路色彩的LED灯珠进行调光，使LED灯输出的灯光更为柔和细腻。本调光系统与传统LED灯具的最大区别在于在于微控制器的控制，微控制器接收所有通道的DMX输入控制信号及电流负反馈信号和铝基板的温度信号，根据采用的方案经过自学习及最优化处理，以最佳控制策略(包括多种自动控制方法，依据实际情况选用最适合的)对各个通道产生不同的PWM控制信号，并且调节受控电位器实现PWM恒流驱动的微调，同时对受控稳压器调整改变输出电压，使得每种色彩的LED灯珠在正常受DMX控制之夕卜，使灯珠随PWM变化偏色和温度变化偏色及多种灯珠混色偏色得到有效补偿。同时，另外增加了不同颜色通道的协调联动机制。
图I为本调光系统控制单个输出通道时的结构示意图。图2为本调光系统控制单个输出通道时的电路原理示意图。图3为传统LC滤波器的原理示意图。
图4为本调光系统中可控谐振阻尼LC输出滤波器的原理示意图。
具体实施例方式下面结合实施例及附图，对本发明作进一步的详细说明，但本发明的实施方式不限于此。实施例本实施例一种舞台用可调光LED灯的调光系统，包括信号输入及处理单元和多个输出通道，每个输出通道对应一种颜色的LED灯；信号输入及处理单元包括直流电源模块、基板温度信号模块、微控制器和DMX信号模块，直流电源模块与各输出通道连接并分别向各输出通道提供负载电流，基板温度信号模块和DMX信号模块分别与微控制器连接，各输出通道也分别与微控制器连接。
每个输出通道的结构相同，当本调光系统控制单个输出通道时，其结构如图I所示，输出通道包括受控稳压器、防振荡功率滤波模块、PWM控制信号受控电位器、电压跟随器、电流负反馈模块、大功率管和电流检测模块；受控稳压器分别与直流电源模块和微控制器连接，受控稳压器的输出端与防振荡功率滤波模块连接，PWM控制信号受控电位器与微控制器连接，PWM控制信号受控电位器的输出端与电压跟随器连接，电压跟随器的输出端与大功率管连接，防振荡功率滤波模块的输出端及大功率管的输出端分别与LED灯连接；大功率管还与电流检测模块连接，电流检测模块的输出端与电流负反馈模块连接，电流负反馈模块的输出端分别与电压跟随器和微控制器连接。其中，受控稳压器的输入端连接直流电源模块，受控稳压器的受控端连接微控制器，受控稳压器的输出端连接防振荡功率滤波模块；防振荡功率滤波模块的输出端连接LED灯的高端输入(即高电压侧);PWM控制信号受控电位器的输入端连接微控制器的PWM输出端，PWM控制信号受控电位器的受控输入端连接微控制器的控制输出端，PWM控制信号受控电位器的输出端连接电压跟随器的正输入端；电压跟随器的负输入端连接电流负反馈模块的输出端，电压跟随器的输出端连接大功率管的输入端；大功率管的输出端连接LED灯的低端输入(即低电压侧)，大功率管的另一输出端连接电流检测模块的输入端；电流检测模块的输出端连接电流负反馈模块的输入端；电流负反馈模块的输出端还连接到微控制器的输入端。如图2所示，受控稳压器包括相连接的可控稳压器Ul和第一受控电位器P2，可控稳压器设于直流电源模块的输出端，第一受控电位器的输出端与防振荡功率滤波模块连接；可控稳压器和第一受控电位器之间的连接线路上还设有相连接的肖特基二极管Dl和储能电感L2,第一受控电位器P2的输出端设有滤波电容器C2 ;第一受控电位器是一个受微控制器控制阻值的电位器，其作用是在微控制器控制下，使可控稳压器产生合适的输出电压。防振荡功率滤波模块包括相串联的功率电阻Rl和功率电容器C3，防振荡功率滤波模块与滤波电容器相连接，防振荡功率滤波模块一端连接受控稳压器输出到LED灯的电源线上，另一端连接到地线上，其作用是在有较大功率电感和电容的情况下、在轻载或无载时使整个系统稳定不产生振荡，并且输出电压更稳定；防振荡功率滤波模块和受控稳压器构成可控谐振阻尼LC输出滤波器。PWM控制信号受控电位器包括相连接的电阻器RP1、RP2和第二受控电位器P1，第二受控电位器两端分别设置电阻器；PWM控制信号受控电位器把较大幅度的PWM控制信号分压成较小幅度的PWM控制信号，以输出到电压跟随器中；第二受控电位器是一个受微控制器控制阻值的电位器，由它分压出合适幅度的PWM控制信号通过电流负反馈模块的稳定环节得到对应的负载(LED灯)电流值，也就是说，LED灯的电流值是受微控制器控制的。电压跟随器、大功率管、电流检测模块和电流负反馈模块依次连接组成电流负反馈环节；电流负反馈环节的电路中设有两个高速运算放大器AMPA和AMPB和一个功率场效应管M1，两个高速运算放大器和一个功率场效应管循环连接。电流负反馈环节使得检测到的电流(其实就是负载LED灯的电流)总是跟随PWM控制信号及受控电位器输出的给定PWM幅度而变化，LED灯上的电流稳定了，受LED灯变化情况的影响很小，则LED灯的发光波长就稳定，即色彩稳定，它只随控制信号的变化而变化，也就是说，LED灯的负载电流值是受微控制器控制的。上述系统结构中，微控制器可采用16位以上的耐高温高抗扰无外接晶振的高性 能微控制器，配合本系统中高速化的PWM波调制，可实现精细调光，使输出的灯光细腻柔和。其中，本实施例所采用的可控谐振阻尼LC输出滤波器如图4所示，由受控稳压器的储能电感器L2及滤波电容器C2和防振荡功率滤波器的功率电阻Rl和功率电容器C3组成；与传统滤波器相比较，可有效地防止了空载和轻载时的扰动谐波振荡现象，使受控稳压器可以空载运行。传统的LC输出滤波器如图3所示，其原理是假设负载为&，系统中的电感器L2、电容器(2、负载&的复阻抗分别为sL2、1/sC2、&，那么线路输出电压对滤波器前端电压的传递函数为
Uo(s) IIsCJIRlrl
0038 G(S) — I/i(s) ~ SL2 +(l/.vC, HR,) S1 Rd + ‘ +rl ;其有效阻尼比| =.
IR,，
,,_ I谐振峰值v// -。 以上公式中，当负载电阻& —⑴时，有效阻尼比^ — 0、谐振峰值Mp —⑴。对于二阶系统，Mp表征系统的相对稳定性，当I. 0<MP<1. 4、即0. 4< I〈O. 7时，可获得满意的瞬态性能；但当MP>1. 5时，阶跃响应将出现数次超调，通常Mp越大，瞬态超调量也越大；当Mp很
大时，如果系统受到谐振频率(UnW-2f (空载或轻载时的谐振频率与无阻尼自然谐振频率《 n很接近)处附近的干扰信号作用，LC滤波器将不能对其进行有效抑制和滤除，输出端便有较大的扰动分量，可能造成严重后果。实际上，传递_■表示为邮)% +1，当负载电阻Rl—①时，化简为G(sj = v2r ]{ +1，显然，这就是无阻尼LC振荡器，S2= (j2 fr)2=-l/(L2C2)，谐振频率为
权利要求
1.舞台用可调光LED灯的调光系统，其特征在于，包括信号输入及处理单元和多个输出通道，每个输出通道对应一种颜色的LED灯；信号输入及处理单元包括直流电源模块、基板温度信号模块、微控制器和DMX信号模块，直流电源模块与各输出通道连接并分别向各输出通道提供负载电流，基板温度信号模块和DMX信号模块分别与微控制器连接，各输出通道也分别与微控制器连接。
2.根据权利要求I所述舞台可调光LED灯的调光系统，其特征在于，所述每个输出通道的结构相同，分别包括受控稳压器、防振荡功率滤波模块、PWM控制信号受控电位器、电压跟随器、电流负反馈模块、大功率管和电流检测模块；受控稳压器分别与直流电源模块和微控制器连接，受控稳压器的输出端与防振荡功率滤波模块连接，PWM控制信号受控电位器与微控制器连接，PWM控制信号受控电位器的输出端与电压跟随器连接，电压跟随器的输出端与大功率管连接，防振荡功率滤波模块的输出端及大功率管的输出端分别与LED灯连接 ’大功率管还与电流检测模块连接，电流检测模块的输出端与电流负反馈模块连接，电流负反馈模块的输出端分别与电压跟随器和微控制器连接。
3.根据权利要求2所述舞台可调光LED灯的调光系统，其特征在于，所述受控稳压器包括相连接的可控稳压器和第一受控电位器，可控稳压器设于直流电源模块的输出端，第一受控电位器的输出端与防振荡功率滤波模块连接。
4.根据权利要求3所述舞台可调光LED灯的调光系统，其特征在于，所述可控稳压器和第一受控电位器之间的连接线路上还设有相连接的肖特基二极管和储能电感，第一受控电位器的输出端设有滤波电容器。
5.根据权利要求4所述舞台可调光LED灯的调光系统，其特征在于，所述防振荡功率滤波模块包括相串联的功率电阻和功率电容器，防振荡功率滤波模块与滤波电容器相连接；防振荡功率滤波模块和受控稳压器构成可控谐振阻尼LC输出滤波器。
6.根据权利要求2所述舞台可调光LED灯的调光系统，其特征在于，所述PWM控制信号受控电位器包括相连接的电阻器和第二受控电位器，第二受控电位器两端分别设置电阻器。
7.根据权利要求2所述舞台可调光LED灯的调光系统，其特征在于，所述电压跟随器、大功率管、电流检测模块和电流负反馈模块依次连接组成电流负反馈环节；电流负反馈环节的电路中设有两个高速运算放大器和一个功率场效应管，两个高速运算放大器和一个功率场效应管循环连接。
8.根据权利要求I 7任一项所述调光系统实现一种舞台可调光LED灯的调光方法，其特征在于，包括以下步骤 (1)信号输入及处理单元中，微控制器分别接收来自DMX信号模块的各输出通道控制信号、来自基板温度信号模块的温度信号和来自各个输出通道中电流负反馈模块的电流信号，然后对各输出通道控制信号、温度信号和电流信号进行处理，对各输出通道输出相应的控制信号； (2)来自微控制器的控制信号经过PWM控制信号受控电位器进行分压后，送入电压跟随器，电压跟随器同时接受电流负反馈模块的电流信号；电压跟随器根据电流信号对分压后的控制信号进行进一步处理后，最终的控制信号通过大功率管以负载电流的形式输送至LED灯处；电流检测模块实时检测大功率管输出端的电流，电流负反馈模块将得到的电流信号分别反馈至微控制器和电压跟随器； (3)受控稳压器接收来自微控制器的控制信号后，对来自直流电源模块的电压进行稳压处理，经过防振荡功率滤波模块后以负载电压的形式输送至LED灯处。
全文摘要
本发明公开一种舞台用可调光LED灯的调光系统及方法，其系统包括信号输入及处理单元和多个输出通道，每个输出通道对应一种颜色LED灯；信号输入及处理单元包括直流电源模块、基板温度信号模块、微控制器和DMX信号模块，直流电源模块与各输出通道连接并向各输出通道提供负载电压和电流，基板温度信号模块和DMX信号模块分别与微控制器连接，各输出通道也分别与微控制器连接。其方法是微控制器接收各通道的DMX输入信号、电流负反馈模块的反馈信号和铝基板的温度信号，经过处理后发出控制信号，控制各输出通道的输出电压和输出电流，以使对应的LED灯产生相应色彩的灯光，从而多通道共同实现适合舞台的调光柔和度及丰富鲜艳的色彩。
文档编号H05B37/02GK102762016SQ20121027409
公开日2012年10月31日 申请日期2012年8月2日 优先权日2012年8月2日
发明者庞成兴 申请人:广州方达舞台设备有限公司