具有半波调光的led灯的制作方法
【专利摘要】LED灯组件包括：电源，配置为接收输入功率信号并且提供DC灯电流；调光控制器，耦合至电源并且配置为调整DC灯电流；和LED灯，耦合至DC灯电流。调光控制器配置为至少部分基于输入功率信号来确定是需要全亮度还是调暗的亮度。当需要全亮度时DC灯电流保持在第一级别并且当需要调暗的亮度时DC灯电流保持在第二级别。
【专利说明】具有半波调光的LED灯
[0001] 相关申请的交叉引用
[0002] 本申请要求在2011年11月29日提交的美国临时专利申请序列号No. 61/564662 的优先权和权益，并且是2012年9月21日的提交的美国专利申请No. 13/623899的部分延 续，其中每一个的公开内容通过出于全部目的的整体引用并入本文。
【技术领域】
[0003] 本公开的方面一般涉及交通信号，特别是LED信号灯。
【背景技术】
[0004] 近年来，出现了大量的针对开发使用更少电力的照明系统的研究。当以电力的信 号电平操作时，巨大量的能量由目前的民用交通控制照明系统所浪费。日间操作期间的能 见度通常需要的高光输出大大超过在夜间的可见性所需要的光输出。日间使用的高光输出 还可产生当在夜间操作期间使用时导致不安全驾驶条件的过度的眩光量。为了克服这些问 题，已开发街道交通控制器，能够控制信号灯的光级，使得在日间使用全亮度，以及在夜间 使用调暗的、更节能、更小眩光的光级。
[0005] 包括调光功能的早期街道交通控制器设计用于与白炽信号灯一起使用。这些较早 的白炽信号灯通常直接由本地主电源，如北美的110伏60赫兹电网电源操作。用于调节白 炽信号灯的常见方法是包括控制器中的负载开关，其在需要全亮度时提供全波电源电压， 并且在需要调暗的亮度时提供半波整流电源电压。利用典型的现有技术的白炽信号灯，这 种方法提供了在施加全波功率时提供全亮度，并且施加半波整流功率时提供大约70%的亮 度。
[0006] 取代白炽信号灯的发光二极管（LED)光源，也被称为LED灯光或LED灯，可在交通 信号应用中显著减少所消耗的电力量。除了改进的功耗，LED信号灯提供更好的可靠性，更 低的发热量，改进的耐振性，和更长的使用寿命。LED替换灯通常包括布置成圆形图案单独 的LED元件的阵列，结果该单元与白炽信号灯大小相同。
[0007] 利用设计用于同LED灯具一起使用的信号系统来替换整个信号系统、包括控制 器、布线和灯具是昂贵的，并需要长的时间。一个有吸引力的替换整个系统的备选方案是建 立LED替换信号灯，其在物理和电气上与目前的白炽信号灯标准兼容，从而允许更高效、更 可靠的LED替换灯直接在旧系统进行改造而不进行任何对旧系统的其他更改。这也允许每 次旧系统的旧白炽灯灯泡烧坏时，安装LED替换灯来逐步升级。这些替换信号灯中采用的 LED光元件需要低级别直流电源，通常大约12伏直流电。因此，小开关电源通常包括在LED 的替换信号灯组件中，以通过现有交通控制系统所提供的交流电源电压转换成由LED光元 件所需的低电平DC电压。不幸的是，在LED替换灯中使用的开关电源只需要少量的输入功 率，因此从两个全波和半波整流供电电源产生相同的光级。因此，现有的街道交通控制器的 调光功能对LED替换灯无效。因此，存在着需要一种提供类似于白炽灯的调光功能的LED 信号灯。
[0008] 因此，人们希望提供一种系统，它解决了至少一些上述问题。
【发明内容】
[0009] 如本文所述，示例性实施例克服了现有技术中已知的一个或多个上述或其他缺 点。
[0010] 示例性实施例的一个方面涉及一种LED灯组件。在一个实施例中，该LED灯组件 包括：电源，被配置为接收输入功率信号以及提供DC灯电流；调光控制器，耦合到电源并且 配置成调整DC灯电流；和LED灯，耦合到电源DC灯电流。调光控制器被配置成至少部分地 基于所述输入功率信号来确定是需要全亮度还是调暗的亮度。DC灯电流保持在当需要全亮 度时第一电平或量，并在需要调暗的亮度时在第二电平。
[0011] 所公开的实施例的另一个方面涉及一种控制LED灯的亮度的方法。在一个实施方 案中，该方法包括采样输入功率信号，确定输入功率信号中是否包含半波信号，测量输入功 率信号的零电平持续时间，比较零电平持续时间与预定阈值持续时间值，并且如果零电平 持续时间不大于阈值持续时间，或输入功率信号中不包含半波信号，则将LED灯保持在全 亮度。
[0012] 所公开实施例的另一个方面是针对用可调光节能LED信号灯来改造包含白炽信 号灯的交通控制信号的方法。在一个实施方案中，所述方法包括创建可调光LED灯组件，其 中所述的可调光LED灯组件被配置当施加全波功率信号时产生全亮度，并且当施加半波整 流的功率信号时产生调暗的亮度，封装所述的可调光LED灯组件，使得其与白炽信号灯物 理和电气兼容，并且用封装的可调光LED灯组件替换各个白炽信号灯。
【专利附图】
【附图说明】
[0013] 在附图中：
[0014] 图1示出了结合本发明的各方面的具有LED信号灯的交通照明控制系统的框图。
[0015] 图2示出了显示结合本发明的各方面的可用于交通照明控制系统的全波和半波 功率的信号曲线图。
[0016] 图3示出了可以用于检测结合本发明的各方面的交通照明控制系统的全波或半 波功率信号的示例性方法。
[0017] 图4示出了可以用于在结合本发明的各方面的交通照明控制系统中设置信号灯 为全亮度或调暗的亮度的示例性方法。 具体实施例
[0018] 参考图1，示出了根据所公开的实施例的各方面的示例性交通照明或信号系统 100的框图。所公开的实施例的方面涉及一种LED信号灯单元，其具有与现有标准的白炽 信号灯兼容的电特性，并提供改造到现有的交通信号系统中时的可调光操作，现有的交通 信号系统使用全波或半波整流功率控制灯的亮度。具有浪涌限制器110和调光控制器109 的LED灯单元106可以检测什么时候需要调暗的亮度，并且相应地调整LED负载112的光 输出。虽然这里所描述的实施例的方面通常关于交通信号灯，所公开的实施例并不仅限于 此，也可有利地使用于其他需要LED灯的调光控制的应用。
[0019] 所公开实施例中的所述LED灯单元组件106通常包括LED负载112、电源单元 108 (其在一个实施例中包括调光控制器109)和浪涌限制器110。所述调光控制器109 - 般包括微控制器、耦合至微控制器或者同微控制器通信，所述微控制器包括处理器和可操 作来检测什么时候由所述负载开关104提供的输入灯功率信号118是半波功率信号或全 波功率的信号，并相应地将选定的调暗的或明亮电平的直流电流电平122应用到LED负载 112。在一个实施例中，调光控制器109包含微控制器和机器可读指令，其由包含在微控制 器中的处理装置执行。微控制器可以包括小型通用计算机，其通常构建在包含处理器、存储 器以及可编程的输入/输出外围设备的单个集成电路或小电路板上。在一些实施例中，微 控制器包括模拟-数字转换器、数字-模拟转换器和/或可以用作频率计数器的板载计数 器等。备选地，调光控制器可包括模拟和/或数字电路，其被构造成进行调暗的或全亮度确 定，并提供信号来控制由电源调节部件提供给LED负载112的DC电流。那些本领域技术人 员将容易地认识到，微控制器、处理设备、模拟电路和数字电路的各种组合可被用来构造调 光控制器109,而不脱离本公开的精神和范围。
[0020] LED负载112通常包括布置在尺寸上类似白炽信号灯的圆形的单个LED光元件的 阵列。示例性灯单元组件106符合白炽信号灯所需要的相同的电气和物理标准，因此可以 直接地改造到包括街道交通控制器102和负载开关104的典型街道交通控制系统中。图1 所示的街道交通控制系统，通过需要全亮度时应用全波功率以及需要减弱亮度时应用半波 整流功率，提供了灯单元的调光控制。示例性LED灯单元组件106检测施加的功率的变化， 并相应地调整LED负载112的亮度。
[0021] 如图1所示，示例性交通信号系统100包括典型的街道交通控制器102以提供调 光指令信号114。调光指令信号114在三种状态之间交替，来将灯单元106关断，在调暗的 亮度操作灯单元106,或在全亮度操作灯单元106。调光控制信号114被施加到负载开关 104,以控制和产生灯功率信号118。负载开关104接收AC输入功率116,并部分根据调光 指令信号114产生灯功率信号118。交流输入功率116通常是由本地电源电网提供，并且可 以包括在美国可用的120伏、60赫兹电源，在许多欧洲国家可用的50赫兹230伏电源，或其 他合适的交流电源。当该调光控制信号114指示断开状态，由负载开关104所产生的灯功 率信号118指示无电源状态。当调光指令信号114指示该灯具单元106应该在调暗的光级 导通，由负载开关104所产生的灯功率信号118是半波整流的交流输入功率，在本文中称为 半波功率信号。当该调光控制信号114指示该灯具单元106应该在全亮度被导通时，负载 开关104不通过整流直接将AC输入功率116应用到灯单元106。这在本文中称为全波功率 信号。典型的交通信号系统包括街道交通控制器102和负载开关104并且产生如上述的灯 功率信号118。通过配置灯单元106在物理上和电气上同典型的交通信号系统兼容，新的、 更有效的和更长寿命的灯单元106可以很容易地改造到现有的交通信号系统中。
[0022] 灯单元组件106从信号负载开关104接收灯功率信号118,并使用该灯的功率信号 118驱动其内部组件，比如电源单元108和调光控制器109以及LED功率负载112。调光控 制器109监控灯的功率信号118,以确定所需的灯的亮度级。灯单元106还检测灯功率信号 118是包括半波整流AC功率信号还是全波AC功率信号，并操作以相应地控制LED负载112 的亮度。
[0023] 灯功率信号118通过浪涌限制器110接收至灯单元106中。该浪涌限制器110耦 合在灯功率信号118和电源单元108之间并且控制和限制电流进入电源108，来保护灯单元 106的内部组件免受损害。电源单元108可以包括储能部件，当功率首次施加到它们时，吸 取大电流。这些大电流被称为浪涌电流。初始浪涌电流的大小可以超过各部件的安全限制， 并且降低灯单元106的寿命。浪涌限制器110被配置为限制浪涌电流和任何其他可能存在 的电流尖峰。通过防止流进或流出电源的电流幅度或量超过预定量，从而避免对电源单元 108中各个部件的损坏。本文使用的电流的量或值是指电流量，比如电流的安培数。该浪 涌限制器110的一个额外的好处是，它也被配置为过滤掉可能包含在灯的功率信号118中 的噪声和高次谐波失真。设计一个负载开关、如负载开关104时，典型负载开关成本通常很 大，并且典型负载开关往往会产生非常嘈杂和失真的灯功率118。浪涌限制器110过滤灯功 率118,从而产生实质上"干净"的功率信号120,即具有相对低噪声和低谐波失真的信号。
[0024] 如图1所示，来自于浪涌限制器的功率信号120被传送到电源单元108。电源单元 108接收功率信号120并产生灯电流122用于点亮LED负载。在一个实施例中，电源单元 108可以包括各种功率调节部件，比如例如桥式整流器、开关稳压器、功率因数控制器、电磁 兼容滤波器、隔离变压器、输出整流器和/或输出滤波器（未示出）。所属领域的技术人员 将很容易认识到，任何能够将功率信号120转换成DC灯电流122的电源单元108都在本公 开的精神和范围内。电源单元108被配置为保持直流灯电流122的至少两个不同级别。灯 电流的第一级别或量，将产生从LED负载112输出的明亮的光，以及灯电流的第二级别或 量，将产生来自于LED负载112的调暗的光输出。
[0025] 调光控制器109可以被包括在电源单元108中或备选地是可耦合到电源单元108 的独立单元。在任一配置中，调光控制器109被配置为控制电源单元108,以使得直流灯电 流122维持在明亮或调暗的量。在一个实施例中，调光控制器109包括微控制器，其被配置 为分析功率信号120,以确定街道交通控制器102是需要全亮度还是调暗的亮度。当街道交 通控制器需要全亮度，其发送指示全亮度的调光控制信号114至负荷开关104。这导致负 载开关104产生全波功率信号118,被提供给电源单元108作为干净的全波功率信号120。 当街道交通控制器102需要调暗的LED的光输出，其产生指示调暗的光输出的调光控制信 号114,从而产生提供给电源单元108的半波功率信号120。调光控制器109监测功率信号 120来确定是需要全亮度还是调暗的亮度，并且调整电源108产生必要的灯电流122以达到 所需的亮度。如下将更详细地描述，调光控制器109监测从功率信号120产生的零电平检 测触发的频率，并且为了确定是需要全亮度还是调暗的亮度，而测量零电平产生的周期和 持续时间。
[0026] 图2示出示例性的功率信号120,显示为全波功率信号202和半波功率信号204。 这些图显示了沿着纵轴的电压和沿着横轴的时间。参照图1和2,功率信号120由电源单元 108接收，其产生负载电流122,并且还被调光控制器109使用，来确定交通控制系统100是 需要全亮度还是调暗的亮度。如上所述，当需要全亮度时，负载开关104提供全波功率信号 120给灯单元106,如全波功率信号202所示。当需要调暗的亮度时，将半波功率信号204 提供给灯单元106。通常供应的全波202功率信号120为大约50赫兹至大约60赫兹（周 期每秒）之间，取决于AC输入116的频率，其典型地连接至本地电网。该全波202功率信 号120产生一系列位于大约100至120赫兹速率的零电平检测触发206。当提供50赫兹电 网时，检测触发206位于大约100赫兹的速率，并且当提供60赫兹电网时，位于大约120赫 兹的速率。半波功率信号204以大约50赫兹至约60赫兹的速率、或全波功率信号生成它 们的速率的大约一半，产生零电平检测触发206。60赫兹到100赫兹之间的阈值频率水平， 比如80赫兹，例如，可用于在全波202和半波204功率信号120二者之间进行区分。通过 测量频率，或备选地测量周期，其中周期是供电电压产生的零电平检测触发206系列的频 率的倒数，如果功率信号120是全波202或半波204功率信号，则其可被预测。另外，测量 功率信号120的瞬时供电电压电平来检测什么时候延长的零电平208存在于每个周期。当 确定亮度时，测量零电平持续时间并且包括这种测量，改进了全波或半波预测的可靠性。
[0027] 在一个实施例中，电源单元108包括电路（未示出），每次当功率信号变为零时，其 产生零电平触发脉冲206。这些零电平触发脉冲206输入到包括在调光控制器109中的微 控制器，其中确定所需的调光级别。在某些实施例中，电路、例如计数器电路用于测量触发 脉冲之间的周期和提供给微控制器的周期，或备选地，该功率信号120可以作为数字化功 率信号比如例如通过模拟-数字转换器直接提供给微控制器，并且微控制器可以被配置为 定位该过零触发206本身，以帮助确定全亮度或调暗的亮度。在一个实施例中，微控制器还 被配置为监视功率信号120保持在零电平208时时间的量。零电平208的持续时间可以通 过在微控制器中执行的指令或由调光控制器109中包括的其他电路来获得，其提供所测量 持续时间给微控制器。如下将更详细地描述，电源单元108使用零电平触发206的产生频 率和零电平208的持续时间来做出关于全亮度或调暗亮度的确定。
[0028] 如以上关于图1所述，当交通信号控制器102需要全亮度时，全波功率信号被施加 到灯单元106,并且当控制器102需要调暗的亮度时，半波功率信号被施加到灯单元106。因 此该示范性灯单元监测所施加的功率信号118,并相应地设置灯的亮度。图3和图4示出了 确定图1中灯单元106是应该被设定为全亮度还是调暗的亮度的方法的示例性实施例。如 图3所示的示例性方法，确定306施加给灯单元106的功率信号118是全波还是半波功率信 号。如图4所示的示例性方法，使用半波/全波确定306的结果连同零电平持续时间316， 来确定灯单元106是应处于全亮度还是调暗的亮度。参照图2和3,接收302零电平触发 206系列以及计数器用于确定304零电平触发206之间的周期。通常情况下，零电平触发系 列中的每对零电平触发之间的时间不是常数。在这样的情况下，一些实施例可进行平均或 使用其他技术来去除噪声和其他来自于周期测量的不稳定性。所测量周期然后同阈值比较 306,来确定关于功率信号是全波或全周期功率信号308、即周期不大于阈值，还是半波功率 信号310、即周期大于阈值。确定功率信号120为全波信号308还是半波信号310,然后用 于确定全亮度/调暗的亮度。通常的电网电源频率为50赫兹或60赫兹，但是任何交流输 入电源频率可通过调整阈值来调节，该阈值用于评估零电平持续时间和零电平触发周期。
[0029] 图4示出了可用于确定全亮度/调暗的亮度的方法的一个实施例。为开始确定， 米样输入电压312。输入电压可以是从负载开关104接收到的模拟输入功率信号118或备 选地它可以是例如使用模拟-数字转换器生成的模拟功率信号的数字表示。采样通常包括 周期性间隔的功率信号的瞬时电压。采样用于测量314零电平持续时间208。参照图2,零 电平持续时间208是功率信号118保持在零伏或接近零伏的时间的量。零电平持续时间 208然后与阈值持续时间比较316。当零电平持续时间208不大于阈值时间，则功率信号很 可能是全波信号并且灯单元106应该处于全亮度326。当零电平持续时间208大于阈值时 间，则功率信号118可能是半波信号并且考虑周期确定306的结果。如果确定为半波310， 那么灯单元106设定为调暗的亮度320,否则灯单元106设定为全亮度322。因此，当触发 的周期和零电平持续时间均大于它们相应的阈值时间306、316、318,那么功率信号很可能 为半波信号，其指示交通控制器需要调暗的亮度并且调光控制器109将灯单元106设置为 调暗的亮度320。
[0030] 在一个实施例中，如图3和图4所示的过程以指令的形式存储在微控制器或其他 计算设备的存储器中，并且由微控制器或其他计算设备的处理器运行。在备选实施例中，图 3和图4的过程可以由模拟和数字电路或模拟和数字电路的一一些组合以及微控制器指令 来执行。
[0031] 因此，虽然已经示出、描述并指出了如应用于其示例性实施例的、本发明的基本新 颖特征，但应理解的是所示出的设备的形式和细节的以及它们的操作各种省略、替代和改 变，可以由本领域技术人员在不脱离本发明的精神的情况下作出。此外，明确预期以基本上 相同的方式执行基本相同的功能而达到相同的结果的那些元件和/或方法步骤的所有的 组合都在本发明的范围之内。此外，应当认识到，作为设计选择的一般问题，与本发明的任 何公开的形式或实施例有关而示出和/或描述的结构和/或元件和/或方法步骤，可以和 任何其他公开的或描述的或建议的形式或实施例结合。因此，其意图仅由所附的权利要求 的范围来限定。
【权利要求】
1. 一种LED灯组件，所述组件包括： 电源，配置为接收输入功率信号并且提供DC灯电流； 调光控制器，耦合至所述电源并且配置为调整所述DC灯电流；和 LED灯，耦合至所述DC灯电流， 其中所述调光控制器配置为至少部分基于所述输入功率信号来确定是需要全亮度还 是调暗的亮度，并且当需要全亮度时将所述DC灯电流保持在第一量并且当需要调暗的亮 度时将所述DC灯电流保持在第二量。
2. 如权利要求1所述的LED灯组件，包括浪涌限制器，耦合在所述输入功率信号和所述 电源之间，其中所述浪涌限制器配置为防止浪涌电流超过预定量。
3. 如权利要求2所述的LED灯组件，其中所述浪涌限制器进一步配置为滤波和清洁所 述输入功率信号。
4. 如权利要求1所述的LED灯组件，其中所述LED灯包括一个或多个LED元件。
5. 如权利要求1所述的LED灯组件，其中所述LED灯组件配置为物理地和电气地同目 前的白炽信号灯兼容。
6. 如权利要求1所述的LED灯组件，其中所述调光控制器进一步配置为： 确定所述输入功率信号是否包含半波信号； 测量所述输入功率信号的零电平持续时间； 当所述零电平持续时间不大于预定阈值时间或者所述输入功率信号不包含半波信号 时，将所述LED灯电流保持在所述第一量；并且 当所述零电平持续时间大于所述预定阈值时间并且所述输入功率信号包含半波信号 时，将所述LED灯电流保持在所述第二量。
7. 如权利要求6所述的LED灯组件，其中确定所述输入功率信号是否包括半波信号包 括： 从所述输入功率信号产生零电平触发序列； 测量所述零电平触发序列中每对零电平触发之间的周期；并且 当所述周期大于阈值时间时，确定所述输入功率信号包括半波信号。
8. 如权利要求1所述的LED灯组件，其中所述调光控制器包括模拟-数字转换器、处理 器和存储器，并且进一步配置为： 通过采用模拟-数字转换器采样所述输入功率信号，从所述输入功率信号提供数字化 功率信号； 测量所述数字化功率信号的零电平持续时间； 如果所述零电平持续时间不大于预定阈值时间或者所述输入功率信号不包含半波信 号，则将所述LED灯电流保持在所述第一量；并且 如果所述零电平持续时间大于所述预定阈值时间并且所述输入功率信号包含半波信 号，则将所述LED灯电流保持在所述第二量。
9. 如权利要求8所述的LED灯组件，其中确定所述输入功率信号是否包括半波信号包 括： 从所述数字化功率信号产生零电平触发序列； 测量所述零电平触发序列中每对零电平触发之间的周期；并且 当所述周期大于阈值时间时，确定所述输入功率信号包括半波信号。
10. -种控制LED灯的亮度的方法，该方法包括： 米样输入功率信号； 确定所述输入功率信号是否包括半波信号； 测量所述输入功率信号的零电平持续时间； 比较所述零电平持续时间和预定阈值持续时间值；并且 如果所述零电平持续时间不大于所述阈值持续时间或者所述输入功率信号不包含半 波信号，则将所述LED灯保持在全亮度。
11. 如权利要求10所述的方法，进一步包括： 如果所述零电平持续时间大于所述阈值持续时间并且所述输入功率信号包含半波信 号，则将所述LED灯保持在调暗的亮度。
12. 如权利要求11所述的方法，其中确定所述输入信号是否包含半波信号包括： 从所述输入功率信号产生零电平触发序列； 测量所述零电平触发序列中每对零电平触发之间的周期；并且 当所述周期大于阈值时间时，确定所述输入功率信号包括半波信号。
13. 如权利要求11所述的方法，其中所述输入功率信号是数字信号并且采样输入功率 信号包括： 接收模拟功率信号； 使用模拟-数字转换器将所述模拟功率信号转变为数字输入功率信号；并且 采样所述数字输入功率信号来产生所述输入功率信号。
14. 一种用可调光节能LED信号灯来改造包含白炽信号灯的交通控制信号的方法，该 方法包括： 提供可调光LED灯组件，其中所述可调光LED灯组件配置为当施加全波功率信号时产 生全亮度并且当施加半波整流功率信号时产生调暗的亮度； 封装所述可调光LED灯组件，使得其与所述白炽信号灯物理地和电气地兼容；并且 用所述封装的可调光LED灯组件替换每个白炽信号灯。
15. 如权利要求14所述的方法，其中所述可调光LED灯组件包括： 电源，配置为接收输入功率信号并且提供DC灯电流； 调光控制器，耦合至所述电源并且配置为调整所述DC灯电流；和 LED灯，耦合至所述DC灯电流， 其中所述调光控制器配置为至少部分基于所述输入功率信号来确定是需要全亮度还 是调暗的亮度，并且当需要全亮度时将所述DC灯电流保持在第一量并且当需要调暗的亮 度时将所述DC灯电流保持在第二量。
【文档编号】H05B33/08GK104106311SQ201280059014
【公开日】2014年10月15日 申请日期:2012年10月22日 优先权日:2011年11月29日
【发明者】M·内泽, L·贝康, T-K·阮, C·波瓦里耶 申请人:通用电气照明解决方案有限责任公司