一种LED灯壁控调光方法与流程

本发明涉及一种照明灯具技术，尤其是一种led灯壁控调光方法。

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。

技术实现要素：

本发明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led灯进行壁控调光的方法。

为达到上述目的，本发明方法由led灯单火线调光电路实现。

所述led灯单火线调光电路由亮度壁控单元、亮度调节驱动单元组成；所述亮度壁控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；所述亮度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亮度壁控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。

所述亮度壁控单元包括单向晶闸管、dc/dc稳压器、三端稳压器、壁控单片机、晶体振荡器xt1、三极管、二极管d01、二极管d02、二极管d03、二极管d04、二极管d1、稳压管dw01、稳压管dw1、电阻r1、电阻r2、电阻r3、电阻r4、电阻r5、电阻r01、电阻r02、脉冲电位器、电容c1、电容c2、电容c3、电容c4。

二极管d01、二极管d02、二极管d03、二极管d04组成单相桥式整流电路，其2个交流输入端分别为单火线输入端、单火线输出端；单相桥式整流电路的整流输出正端为全波整流端，整流输出负端为公共地。

单向晶闸管的阳极、阴极分别连接至全波整流端、公共地，三极管v1集电极串联电阻r2后连接至稳压管dw1阳极，稳压管dw1阴极连接至全波整流端；三极管v1发射极经电阻r3连接至公共地；三极管v1基极分别连接至电阻r4、电阻r5的一端；电阻r4的另外一端连接至公共地；三极管v1发射极为触发脉冲输出端，连接至单向晶闸管控制极；电阻r5的另外一端为触发信号输入端。

电容c1、电阻r1、电容c2组成π型滤波电路；π型滤波电路的输入连接至二极管d1阴极、输出连接至dc/dc稳压器输入端；二极管d1阳极连接至全波整流端；三端稳压器输入端连接至dc/dc稳压器输出端、输出端为单火线控制电源；电容c3为dc/dc稳压器的输出滤波电容，电容c4为三端稳压器的输出滤波电容。单火线控制电源用于向壁控单片机供电。

电阻r01与电阻r02串联联结后，电阻r01的另外一端连接至全波整流端，电阻r02的另外一端连接至公共地，稳压管dw01并联在电阻r02两端；电阻r01与电阻r02的串联联结点为移相取样脉冲输出端。

脉冲电位器的公共端连接至公共地，脉冲输出端输出亮度给定信号。

壁控单片机的亮度给定信号输入端连接至脉冲电位器的脉冲输出端；壁控单片机的移相取样脉冲输入端连接至移相取样脉冲输出端；壁控单片机的触发信号输出端连接至触发信号输入端。

所述亮度壁控单元通过控制单火线输出端输出电压波形的移相角来发送亮度控制信号，亮度控制信号共有亮度1－n，共n个亮度等级；n为大于等于2的整数。n的典型值为8。

发送亮度控制信号的方法由壁控单片机实现，具体是：

步骤a，设定亮度控制信号的亮度等级为亮度1；

步骤b，发出一次亮度控制信号；

步骤c，判断亮度是否发生改变，亮度发生改变，返回步骤b；亮度没有发生改变，维持不发出亮度控制信号状态，返回步骤c。

所述维持不发出亮度控制信号状态，单火线输出端输出正负半波移相角都为α的单相正弦半波。

所述发出一次亮度控制信号，单火线输出端连续k个半波输出移相角都为β的单相正弦半波，发出的亮度控制信号的亮度等级为亮度k；k为大于等于1、小于等于n的整数。

所述移相角β大于移相角α。典型值是移相角α＝4°，移相角β＝30°。

所述交流电源为单相220v交流电。

所述单火线输出端输出正负半波移相角都为α的单相正弦半波采取不间断触发方式，方法是，壁控单片机输出的触发信号一直维持高电平有效。

控制移相角为β的方法是，选择电阻r01、电阻r02的分压比，使到达移相角β处时，全波整流端的电压上升到使分压后的移相取样脉冲从低电平变成高电平。

所述移相角为β的单相正弦半波采取移相取样脉冲触发方式，方法是，交流电源过零前，在触发信号输入端输入低电平，壁控单片机停止发出有效的触发信号，单向晶闸管在交流电源过零后关断；到达移相角β处，移相取样脉冲输出端从低电平变成高电平时，在触发信号输入端输入高电平，壁控单片机发出有效的触发信号，使单向晶闸管导通；单向晶闸管导通后，移相取样脉冲输出端从高电平变成低电平。重复该过程，则能够重复将移相角控制为β。

所述亮度调节驱动单元由所述亮度信号接收模块接收亮度控制信号并调节led灯亮度，其方法是：

步骤一，设定亮度控制信号的亮度等级为亮度1；

步骤二，调节led亮度；

步骤三，判断单火线上是否有亮度控制信号；没有亮度控制信号，返回步骤三；有亮度控制信号，转到步骤四；

步骤四，接收亮度控制信号，确定亮度等级；

步骤五，返回步骤二。

所述判断单火线上是否有亮度控制信号，方法为判断火线输入端是否有移相角为β的单相正弦半波；所述接收亮度控制信号，确定亮度等级，方法是判断连续的移相角为β的单相正弦半波的个数，有连续k个移相角为β的单相正弦半波，亮度控制信号的亮度等级为亮度k。

所述亮度调节驱动单元由单相整流稳压电源模块、亮度信号接收模块、亮度驱动模块组成。

所述单相整流稳压电源模块由单相变压器、单相整流桥电路、滤波稳压电路组成；单相变压器输入端连接至火线输入端、零线输入端；单相变压器输出端连接至单相整流桥电路交流输入端；单相整流桥电路整流输出正端为直流工作电源、负端为参考地；滤波稳压电路输入端连接至直流工作电源；滤波稳压电路输出端输出调节直流电源向亮度信号接收模块供电。

所述亮度信号接收模块由调节单片机最小系统、亮度信号取样整形电路组成。

所述调节单片机最小系统设有脉冲捕捉输入端和pwm脉冲输出端。

所述亮度信号取样整形电路由全波整流电路、稳压管限幅电路组成；全波整流电路输入端连接至单相变压器输出端；稳压管限幅电路输入端连接至全波整流电路输出端、输出端连接至调节单片机最小系统的脉冲捕捉输入端。

所述led驱动模块设有直流输入端、led灯驱动端、pwm亮度调节信号输入端；led驱动模块的直流输入端连接至直流工作电源，pwm亮度调节信号输入端连接至调节单片机最小系统的pwm脉冲输出端，led灯驱动端连接至led灯。

本发明的有益效果是，提供了一种串联在单火线上、能够产生与发出由给定移相角波形组成的亮度等级亮度控制信号的亮度壁控单元具体电路，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灯亮度可以根据需要分成任意个等级；亮度控制信号仅在改变亮度时采用小角度移相方式发送，连续输出相同移相角的半波数量为亮度控制信号的亮度等级，时间短，不会造成led灯闪烁。

附图说明

图1是系统结构框图。

图2是亮度壁控单元实施例电路图。

图3是亮度壁控单元维持不发送亮度控制信号状态时波形示例。

图4是亮度壁控单元发送亮度控制信号时波形示例。

图5是发送亮度控制信号流程图。

图6是亮度控制信号发送控制方法。

图7是亮度调节驱动单元结构图。

图8是亮度调节驱动单元实施例。

图9是亮度控制信号接收方法。

具体实施方式

下面通过附图并结合实施例对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。

实现本发明方法的一种led灯单火线调光电路实施例结构如图1所示，由亮度壁控单元和亮度调节驱动单元串联组成。亮度壁控单元单火线l进，单火线l1出；亮度调节驱动单元火线l1进，零线n出。

亮度壁控单元实施例电路如图2所示，由单向晶闸管v01、dc/dc稳压器u1、三端稳压器u2、壁控单片机u3、晶体振荡器xt1、三极管v1、二极管d01、二极管d02、二极管d03、二极管d04、二极管d1、稳压管dw01、稳压管dw1、电阻r1、电阻r2、电阻r3、电阻r4、电阻r5、电阻r01、电阻r02、脉冲电位器wp、电容c1、电容c2、电容c3、电容c4组成。

二极管d01、二极管d02、二极管d03、二极管d04组成单相桥式整流电路，其2个交流输入端分别为单火线输入端l、单火线输出端l1。单相桥式整流电路的整流输出正端为全波整流端a，整流输出负端为公共地。

单向晶闸管v01的阳极、阴极分别连接至全波整流端a、公共地，三极管v1集电极串联电阻r2后连接至稳压管dw1阳极，稳压管dw1阴极连接至全波整流端a；三极管v1发射极经电阻r3连接至公共地；三极管v1基极分别连接至电阻r4、电阻r5的一端；电阻r4的另外一端连接至公共地；三极管v1发射极为触发脉冲输出端，连接至单向晶闸管v01控制极；电阻r5的另外一端为触发信号输入端。

电容c1、电阻r1、电容c2组成π型滤波电路；π型滤波电路的输入连接至二极管d1阴极、输出连接至dc/dc稳压器u1输入端；二极管d1阳极连接至全波整流端a；三端稳压器u2输入端连接至dc/dc稳压器u1输出端、输出端为单火线控制电源vdd；电容c3为dc/dc稳压器u1的输出滤波电容，电容c4为三端稳压器u2的输出滤波电容。

dc/dc稳压器u1的型号是dy10、三端稳压器u2的型号是ht7133。

ht7133输出+3.3v电压。如果dc/dc稳压器u1的输出电压满足壁控单片机u3的供电要求，三端稳压器u2可以省略。dc/dc稳压器u1还可以选择其他具有宽范围的电压输入特性的dc/dc稳压器。

电阻r01与电阻r02串联联结后，电阻r01的另外一端连接至全波整流端a，电阻r02的另外一端连接至公共地，稳压管dw01并联在电阻r02两端。电阻r01、电阻r02串联联结点为移相取样脉冲输出端，稳压管dw01对移相取样脉冲进行限幅。

脉冲电位器wp的公共端com连接至公共地，用于输出亮度给定信号。脉冲电位器wp旋转时，其脉冲输出端sl、脉冲输出端sr输出的亮度给定信号为相位相差90°的脉冲。

壁控单片机u3、晶体振荡器xt1组成单片机最小系统。图2实施例中，壁控单片机u3的p2.0、p2.1是亮度给定信号输入端，分别连接至脉冲电位器wp的脉冲输出端sl、脉冲输出端sr；p2.2是移相取样脉冲输入端，连接至移相取样脉冲输出端，即电阻r01、电阻r02串联联结点；p1.1是触发信号输出端，连接至电阻r5上的触发信号输入端。壁控单片机u3的型号是msp430g2553。

亮度壁控单元通过控制单火线输出端l1输出电压波形的移相角来发送亮度控制信号。亮度控制信号中，亮度等级用连续个具有特定移相角的单相正弦半波的数量表示；亮度控制信号共有亮度1－n，共n个亮度；n为大于等于2的整数，典型值为8。

亮度控制信号只有在旋转脉冲电位器wp，有亮度给定信号的情况下才由亮度壁控单元控制发送。亮度壁控单元维持不发送亮度控制信号状态时，采取不间断触发方式，其触发信号一直维持有效，即壁控单片机u3持续发出不间断的触发信号，亮度壁控单元各关键点波形如图3所示。

交流电源过零时，单向晶闸管v01关断。交流电源过零后，尽管壁控单片机u3持续发出不间断的触发信号，维持触发信号为高电平状态，但只有当全波整流端a的电压大于稳压管dw1的稳压值，三极管v1才导通，单向晶闸管v01才能被触发导通。从图2可知，不间断的触发信号有效时，要求控制三极管v1导通，故该持续发出不间断的触发信号为高电平。因此，单火线输出端l1的交流电压波形如图3(a)所示，每一个半波都在一个移相角α处触发导通。全波整流端a的电压波形如图3(b)所示。全波整流端a的电压波形为窄电压脉冲，其脉冲幅度由稳压管dw1的稳压值决定，其作用是为dc/dc稳压器u1提供开态供电电压。由于dc/dc稳压器dy10在12v直流电压输入时，输出电压仍可在5.8v以上，稳压管dw1的稳压值大于12v即可。当稳压管dw1的稳压值取20v时，移相角α＝4°。

亮度壁控单元发送亮度控制信号时波形示例如图4所示。图4发送的是亮度3的亮度控制信号。

壁控单片机u3发出一次亮度控制信号的流程如图5所示，步骤如下：

步骤1，停止发出触发信号；

步骤2，等待接收到移相取样脉冲；

步骤3，发出触发信号，等待移相取样脉冲消失；

步骤4，若亮度控制信号未发送完，转到步骤1；否则结束亮度控制信号的发送，进入维持不发送亮度控制信号状态。

当壁控单片机u3停止发出触发信号后，下一个交流电源过零点，单向晶闸管v01关断；即在交流电源过零点前使触发信号输出为低电平，则在交流电源过零点单向晶闸管v01关断；过零后，即使到达移相角α处，因为没有触发信号，单向晶闸管v01仍然关断，全波整流端a的电压持续上升。合理选择电阻r01、电阻r02的分压比，使到达移相角β处时，全波整流端a的电压上升到使分压后的移相取样脉冲从低电平变成高电平。壁控单片机u3接收到高电平的移相取样脉冲信号后，令触发信号输出端输出高电平，发出触发信号，单向晶闸管v01导通，移相取样脉冲消失，变为低电平。如果亮度控制信号为亮度k，重复刚才的过程k次，亮度控制信号发送完成。移相角β典型值为30°，设移相取样脉冲的高电平阈值为1.5v，则电阻r01取值为电阻r02的100倍。发出一次亮度控制信号，单火线输出端l1连续k个半波输出移相角都为β的单相正弦半波，发出的亮度控制信号为亮度k；k为大于等于1、小于等于n的整数。移相角β大于移相角α。

图4所示发送的亮度控制信号是亮度3，图4(a)为发送过程中单火线输出端l1的交流电压波形，图4(b)为发送过程中全波整流端a的电压波形。图4(c)为发送过程中移相取样脉冲的脉冲示意图，绘制图4(c)时，脉冲1、脉冲2、脉冲3都做了理想化处理，即信号低于高电平阈值时作低电平处理，高于高电平阈值时作高电平处理。

亮度壁控单元发送亮度控制信号的方法如图6所示，包括：

步骤a，设定亮度控制信号的亮度等级为亮度1；

步骤b，发出一次亮度控制信号；

步骤c，判断亮度是否发生改变，亮度发生改变，返回步骤b；亮度没有发生改变，维持不发出亮度控制信号状态，返回步骤c。

亮度调节驱动单元的结构如图7所示，由单相整流稳压电源模块、亮度信号接收模块、亮度驱动模块组成。

单相整流稳压电源模块由单相变压器、单相整流桥电路、滤波稳压电路组成；单相变压器输入端连接至火线输入端l1、零线输入端n；单相变压器输出端连接至单相整流桥电路交流输入端；单相整流桥电路整流输出正端为直流工作电源、负端为参考地；滤波稳压电路输入端连接至直流工作电源；滤波稳压电路输出调节直流电源，向亮度信号接收模块供电。

亮度信号接收模块由调节单片机最小系统、亮度信号取样整形电路组成，调节单片机最小系统设有脉冲捕捉输入端和pwm脉冲输出端。

亮度信号取样整形电路由全波整流电路、稳压管限幅电路组成；全波整流电路输入端连接至单相变压器输出端。稳压管限幅电路输入端连接至全波整流电路输出端、输出端连接至单片机最小系统的脉冲捕捉输入端。

led驱动模块设有直流输入端、led灯驱动端、pwm亮度调节信号输入端。led驱动模块的直流输入端连接至直流工作电源，pwm亮度调节信号输入端连接至调节单片机的pwm脉冲输出端，led灯驱动端连接至led灯。

亮度调节驱动单元实施例如图8所示。

图8所示实施例中，单相整流稳压电源模块由单相变压器tc、二极管d05、二极管d06、二极管d07、二极管d08、电容c5、电阻r03、稳压管dw02组成。其中，二极管d05、二极管d06、二极管d07、二极管d08组成单相整流桥电路，电容c5、电阻r03、稳压管dw02组成滤波稳压电路。电容c5对单相整流桥输出滤波得到直流工作电源vin，稳压管dw02上输出调节直流电源vcc。

图8所示实施例中，亮度信号接收模块由调节单片机u4、晶体振荡器xt2、二极管d09、二极管d10、电阻r6、电阻r7、稳压管dw2组成。其中，调节单片机u4、晶体振荡器xt2组成单片机最小系统，调节单片机u4的p2.0为脉冲捕捉输入端，p1.2为pwm脉冲输出端。二极管d09、二极管d10组成全波整流电路，二极管d09、二极管d10的阳极分别连接至单相变压器输出端l2、n2，阴极联结为全波整流电路输出端。电阻r6、电阻r7、稳压管dw2组成稳压管限幅电路。电阻r6的一端与稳压管dw2阴极联结为稳压管限幅电路输出端并连接至调节单片机u4的脉冲捕捉输入端。电阻r6的另外一端为稳压管限幅电路输入端并连接至全波整流电路输出端。稳压管dw2阳极连接至参考地，电阻r7并联在稳压管dw2的两端。

调节单片机u4的型号是msp430g2553。壁控单片机u3、调节单片机u4还可以选择其他的msp430系列的低功耗单片机。

图8所示实施例中，亮度驱动模块由led恒流驱动器u5、电感lg、电阻r8、快恢复二极管d2组成，led恒流驱动器的型号为pt4115。电阻r8的两端分别连接至led恒流驱动器u5的电源电压端vin、输出电流感应端sen；快恢复二极管d2阴极连接至led恒流驱动器u5的电源电压端vin、阳极连接至led恒流驱动器u5的开关输出端sw；电感lg的一端连接至led恒流驱动器u5的开关输出端sw；led恒流驱动器u5的输出电流感应端sen和电感lg另外一端为led灯驱动端；led恒流驱动器u5的电源电压端vin为led驱动模块的直流输入端；led恒流驱动器u5的调光控制端dim为pwm亮度调节信号输入端。

图9是亮度控制信号接收方法。亮度调节驱动单元由亮度信号接收模块接收亮度控制信号并调节led灯亮度，其方法是：

步骤一，设定亮度控制信号的亮度等级为亮度1；

步骤二，调节led亮度；

步骤三，判断单火线上是否有亮度控制信号；没有亮度控制信号，返回步骤三；有亮度控制信号，转到步骤四；

步骤四，接收亮度控制信号；

步骤五，返回步骤二。

判断单火线上是否有亮度控制信号，方法为判断火线输入端l1是否有移相角为β的单相正弦半波；接收亮度控制信号，方法是判断连续的移相角为β的单相正弦半波的个数，有连续k个移相角为β的单相正弦半波，亮度控制信号为亮度k。亮度信号取样整形电路将火线输入端l1上的交流电压转换成矩形波，如图4(d)所示。移相角α、移相角β与图4(d)所示的负脉冲对应，其中移相角α对应脉冲4、脉冲8、脉冲9，为宽度较窄的负脉冲；移相角β对应脉冲5、脉冲6、脉冲7，为宽度较宽的负脉冲。亮度信号接收模块只需要判别送至调节单片机最小系统脉冲捕捉输入端负脉冲的宽度，即可判断火线输入端l1是否有移相角为β的单相正弦半波；计算移相角为β的单相正弦半波的数量，可以得到亮度控制信号。

图4中，壁控单片机u3第1次停止发出触发信号的时刻在交流电源的正半波，因此，火线输入端l1上第1个移相角为β的单相正弦半波为负半波。由于壁控单片机u3第1次停止发出触发信号的时刻是随机的，所以，第1次停止发出触发信号的时刻也可能在交流电源的负半波，此时，火线输入端l1上第1个移相角为β的单相正弦半波变为正半波。由于亮度信号取样整形电路对火线输入端l1上的交流电压先整流，再转换为矩形波，因此，第1个移相角为β的单相正弦半波是正半波，还是负半波，不影响亮度调节驱动单元对亮度控制信号的判断与接收。