CN102939792A - 控制器 - Google Patents

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Abstract

在此披露了一种用于控制至少一个发光二极管的光输出的控制器。这种控制器包括一个控制单元以及一个用于为至少一个发光二极管供电的功率单元。该控制单元被安排为接收第一和第二信号作为输入，这些信号代表该至少一个发光二极管的运行特性，并且该控制单元进一步被安排为根据该第一和第二信号控制从该功率单元到该至少一个发光二极管的功率输出。该第一信号代表该至少一个发光二极管内的电流并且该第二信号代表该至少一个发光二极管的温度，这样使得该至少一个发光二极管的光输出根据该至少一个发光二极管的运行特性可以变化。

Description

控制器
本发明涉及一种控制器并且具体地但不限于一种用于控制至少一个发光二极管的光输出的控制器。
LED的光输出在其有效寿命内将会变化，这样使得光输出的感觉也会变化。
现在我们已经设计了一种用于控制至少一个发光二极管的光输出的控制器。
依照本发明从第一方面来看，提供了一种用于控制至少一个发光二极管的光输出的控制器，该控制器包括一个控制单元以及一个用于向至少一个发光二极管供应功率的功率单元，该控制单元被安排为接收第一和第二信号作为输入，这些信号代表该至少一个发光二极管的运行特性，并且该控制单元进一步被安排为根据该第一和第二信号控制从该功率单元到该至少一个发光二极管的功率输出，
其中该第一信号代表该至少一个发光二极管内的电流并且该第二信号代表该至少一个发光二极管的温度。
两个反馈回路的提供使控制单元能够监测并且调整发光二极管的光输出并且提供节能照明***，而不会损害光输出的视觉感知。
优选地，控制单元进一步接收一个代表时间的第三信号作为输入，该第三信号，以及一个代表环境光照明条件的第四信号作为输入。
第三信号优选地由一个时钟生成，该时钟被安排为对时间进行监测，比如天和/或月份和/或年的时间。第四信号优选地由一个传感器生成，该传感器感应环境光照明条件。
该控制器优选地被安排为控制多个发光二极管的光输出。该控制器优选地由一个交流市电电源供电。该功率单元优选地接收一个整流的直流供电作为输入，该整流的直流供电是从该交流市电电源获得的。
优选地首先调节控制器和功率单元的电源以最小化任何的电压峰值。
依照本发明从第二方面来看，提供了一种如在上述说明书中所示用在附图中展现的具有所展示的自动控制和特征的元素构成并且实现的能量收集器发光二极管(LED)供电***，包括：
一个减少AC电网的电压瞬时峰值的过电压抑制部分；一个用于高效电压AC\DC转换的格雷兹肖特基二极管桥；一个获取稳定DC电压的平滑滤波器；一个用于高效DC\DC转换的高效谐振DC/DC降压变换器；一个高效地调节LED模块上的电压以及电流的功率单元；一个自动地管理其他部分并且进行保护以及节能操作的控制单元；一个将该功率单元供应的电能高效地转换成光能的LED模块。
依照本发明从第三方面来看，提供了一种控制至少一个发光二极管的光输出的方法，该方法包括以下步骤：
向至少一个发光二极管提供电功率以引起该发光二极管产生一个光输出；
产生一个代表通过该至少一个发光二极管的电流的第一信号；
产生一个代表该至少一个发光二极管的温度的第二信号；
根据该第一和第二信号调整到该至少一个发光二极管的电源。
依照本发明从第四方面来看，提供了一种照明***，该照明***包括第一或第二方面的一个发光二极管阵列以及至少一个控制器。
本发明的实施方案将只通过举例以及参照附图进行描述，该附图根据本发明描述的实施方案展示了一种包括控制器的电子电路。
参见此图，展示了包括控制器20的电子电路10，该控制器用于控制一个发光二极管(LED)(未示出)阵列的光输出，该阵列封装在LED模块30内。使用功率单元21对这些LED进行供电，该功率单元从控制单元22接收一个控制信号作为输入并且从功率调制***40接收电源。
功率调制***40包括格雷兹二极管桥41，例如该格雷兹二极管桥从市电电源50接收一个交流输入。然而，供应给二极管桥41的交流电首先通过电压抑制电路42，该电压抑制电路被安排为移除从市电电源42出现的超出一个阈值的任何电压峰值，然后通过保险丝43(比如一个自恢复保险丝)，在市电电源输入电压远超过平均电压的情况下，该保险丝被安排为将功率调制***40从市电电源50隔离。
二极管桥41包括四个肖特基二极管41a-d，这四个肖特基二极管被安排为将通过二极管桥41的电压降最小化，并且从而最小化二极管桥41中的电功耗。
二极管桥41被安排为产生一个整流的电压，该整流的电压随后通过包括一个电容及电阻(未示出)的平滑滤波器44，该电容及电阻以并联配置安排。滤波器44的多个电容(未示出)具有一个低的等效串联电阻(ESR)以经受电流中的任何峰值，并且包括一个工作温度范围，这保证了长的过滤寿命。平滑滤波器44被安排为平滑来自二极管桥41的振荡波形并且生成一个基本恒定的电压，这个电压随后通过降压变换器45。
降压变换器被安排为降低来自滤波器44的直流电压供应变成一个有用的电压，用于为控制器20的功率单元21供电。降压变换器45调节到功率单元21的输出电压从而产生一个稳定的、恒定的电压，并且结合过电流保护、短路保护以及过电压保护电路以保护功率单元21免受来自市电电源50的寄生电压。
功率单元21被安排为给LED模块30的多个LED供电。功率单元21被安排为生成来自谐振变换器45的电压输出的低频脉宽调制，从而调制该能量以传递至LED模块30。为了最小化与变换器45相关联的绕组功率损耗，变换器45运行而不需要平均值电感-电容(L-C)滤波器(未示出)，该电感-电容滤波器通常用于降压变换器中，而不影响LED寿命。这是因为LED模块30的多个LED(未示出)能够经受峰值正向电流浪涌。LED模块30的电压平均值可以描述成：
V M = 1 T ∫ 0 T V ( t ) dt
其中V(t)是具有可变占空比以及具有峰值等于降压变换器45的输出电压的脉冲信号。
来自功率单元21的电压输出是由一个开关(未示出)控制的，比如金属氧化物半导体场效应管(MOSFET)，当安排在接通状态时该开关包括一个低漏极-源极电阻。该MOSFET(未示出)的开关频率必须是最大3-4kHz以确保高效率并且降低LED模块30的多个LED(未示出)上的任何电压应力。
功率调制***40还被安排为控制单元22供电。来自保险丝43以及电压抑制电路42的输出通过电流变压器46并且然后使用电路47整流并且滤波以产生一个基本稳定的均衡电压。电路47的输出随后通过电压调节器48，该电压调节器进一步稳定给控制单元22的电压供应，这样使得控制单元22可以保持控制整个电子电路10并且执行操作比如修改降压变换器45的电源并且在低输出电流下停用该降压变换器45的功率因数校正，从而提高了变换效率。
控制单元22包括一个微处理器(未示出)，或任何其他种类的可编程集成电路(比如现场可编程门阵列(FPGA))，控制单元22能够控制功率单元21以生成一个脉宽调制的(PWM)信号。以此方式，传递到LED模块30的功率量是与功率单元21产生的PWM信号的占空比(D)成比例的。当增大占空比，在每个电压周期将有更多的功率输送至LED模块30内的多个LED(未示出)。
当输出电流的平均值等于LED模块30运行输出电流的标称值时，必须满足条件D＜1。这是因为人眼对光强的峰值比平均值更敏感，而功耗是与所吸收的电流的平均值成比例的。以此方式，使用更少的电功率获取一个更好的视觉感知是可能的。控制单元22被安排为根据一个控制算法设置占空比值，该算法具有多个输入值，这些输入值与由电流传感器23确定的LED模块30的多个LED(未示出)内的电流、由一个温度传感器24确定的多个LED(未示出)的温度、由一个光传感器25确定的环境光强、以及由一个时钟26产生的一个时间信号(比如天的时间和/或年的时间)关联。
电流传感器23的信号对于调节多个LED(未示出)内的电流流量以及功率单元21的短路保护而言是必要的。LED模块30的电流信号进一步通过一个低通滤波器27以产生一个平均电流信号，该平均电流信号通过控制单元22。相应地，当流过LED模块30的电流的平均值偏离到一个预设的范围外时，控制单元22被安排为调整应用到功率单元21的占空比以在电压周期期间改变″ON″时间并且从而改变从其输出的电流。
例如当流过LED模块30的电流的平均值超过一个最大允许的电流值时，控制单元22被安排为产生引起功率单元21切换到断开状态的一个信号。电流传感器23是电磁感应类型以减少与包括安培计电阻分流的传感器相关联的损耗，从而增加电功率转换成来自LED(未示出)的光输出的效率。电流传感器23可以包括一个包括形成于铁磁环(未示出)上的线绕组的转换器(未示出)，线绕组必须由LED模块30的两条线中的一条进行交叉。
将监测多个LED(未示出)的温度的温度传感器24安装在该LED模块30的电路板(未示出)上并且被安排为产生一个信号给控制单元22，该信号代表电路板(未示出)的温度并且从而多个LED(未示出)的温度。当LED模块30的温度偏离出一个预设的范围外时，例如超出60摄氏度，控制单元22减少应用到功率单元21的信号的占空比，该占空比与预设的范围外的LED温度偏离成比例，从而改变功率单元21的输出电流的平均值，并且从而改变LED模块30的温度。需要这种温度控制以延长LED的寿命并且以使多个LED(未示出)在设备效率最大值点附近运行。这是因为LED发光效率是与LED的温度成反比，并且为了使这个温度尽可能低，该LED效率可以保持在其最大值。
当LED模块30的温度超过所采用的LED的最大操作温度时，控制单元22被安排为产生引起功率单元21断开模块30的电源的一个信号，并且从而保护了多个LED(未示出)。
例如当存在降低LED模块30的输出光强的需要时，需要光传感器信号，从而节约了额外的能量。来自光传感器25的输出会对外部指令敏感，例如，像远程控制信号或来自电阻电位计或微调电容器(未示出)的信号。来自光传感器25的信号可以是二进制串联信号或模拟信号，该信号是由控制单元22采样的。来自光传感器25的信号包括与PWM信号的占空比的变化关联的信息，实现模块30的电源减少需要该信号。
实时时钟26被安排为监测电流时间并且被安排为向控制单元22输送时间以及时期信息，从而例如根据天的时间影响光输出。时钟26是由一个电池(未示出)供电的并且产生一个由控制单元22识别的带有接口协议的串行信号，从而使得控制单元22可以提供在输出光强方面逐渐的或阶梯式的变化。
将LED模块30内的多个LED(未示出)以多行LED(未示出)的电并联安排的方式安排，每行LED(未示出)以电串联配置的方式安排。在每行中串联的LED(未示出)的数量必须大于10，以降低由于电阻导电导致的功率损耗并且以提高降压变换器45的效率。这是因为当输出电压更高并且输出电流更低时变换器45提供了增加的效率。
LED模块30包括另一行，该行包括一个电阻(未示出)以及一个齐纳二极管(未示出)的串联安排。包括电阻(未示出)以及齐纳二极管(未示出)的行以与LED(未示出)的这些行并联方式被安排而且该行被连接从而使得齐纳二极管(未示出)的阴极连接到LED的阳极(未示出)上。这种方案作为无源过电压LED保护电路是有帮助的，而且例如当串联的一个或多个LED被中断或焊接不良时，这种方案是必不可少的。

Claims (27)

1.一种用于控制至少一个发光二极管的光输出的控制器，该安排包括一个控制单元以及一个用于向该至少一个发光二极管供应功率的功率单元，
该控制单元被安排为接收第一和第二信号作为输入，这些信号代表该至少一个发光二极管的运行特性，并且该控制单元进一步被安排为根据该第一和第二信号控制从该功率单元到该至少一个发光二极管的功率输出，
其中该第一信号代表该至少一个发光二极管内的电流并且该第二信号代表该至少一个发光二极管的温度。
2.根据权利要求1所述的控制器，其中控制单元进一步接收一个代表时间的第三信号作为输入，以及一个代表环境光照明条件的第四信号作为输入。
3.根据权利要求2所述的控制器，其中该第三信号是由一个时钟产生的，该时钟被安排为对时间进行监测。
4.根据权利要求2或3所述的控制器，其中该第四信号是由一个传感器产生的，该传感器感应环境光照明条件。
5.根据以上任意一项权利要求所述的控制器，其中该控制器被安排为控制多个发光二极管的光输出。
6.根据以上任意一项权利要求所述的控制器，其中该控制器是由一个交流市电电源供电的。
7.根据权利要求6所述的控制器，其中该功率单元接收一个整流的直流供电作为输入，该整流的直流供电是从该交流市电电源获得的。
8.一种如在上述说明书中所示用在附图中展现的具有所展示的自动控制和特征的元素构成并且实现的能量收集器发光二极管(LED)供电***，包括：
一个减少AC电网的电压瞬时峰值的过电压抑制部分；一个用于高效电压AC\DC转换的格雷兹肖特基二极管桥；一个获取稳定DC电压的平滑滤波器；一个用于高效DC\DC转换的高效谐振DC/DC降压变换器；一个高效地调节LED模块上的电压以及电流的功率单元；一个自动地管理其他部分并且进行保护以及节能操作的控制单元；一个将该功率单元供应的电能高效地转换成光能的LED模块。
9.如权利要求8所述的LED供电***，其中用于删除峰值以及过电压的该过电压抑制器被放置在该电源的第一级并且被链接到一根保险丝或自恢复保险丝，如图1所示。
10.如权利要求8所述的LED供电***，其中将该格雷兹肖特基二极管桥链接到该过电压抑制器以及该平滑滤波器以获得AC线路的高效整流，如附图所示。
11.如权利要求8所述的LED供电***，其中该平滑滤波器是用具有低的等效串联电阻以及扩展的温度范围的多个电容器构建的，以保证整个***的稳定性以及长寿命。
12.如权利要求8所述的LED供电***，其中该高效谐振直流/直流(DC/DC)降压变换器将整流的DC高电压变换成具有极高效率以及具有过电流保护、短路保护以及过电压保护的一个更低的DC调节的电压，以保证给该功率单元最佳供电。
13.如权利要求8所述的LED供电***，其中该功率单元用低频脉宽调制对该谐振变换器的输出电压进行调制，以便改变该能量以转移至LED模块而不需要任何LC滤波器，从而消除了绕组的功率损耗。
14.如权利要求8所述的LED供电***，其中该功率单元包括一个沟道Mosfet作为电源开关，以减少这个装置在ON状态的功率损耗。
15.如权利要求1所述的LED供电***，其中该功率单元包括具有低的ESR以及扩展的温度范围的多个电容器，以保证整个***的稳定性以及长寿命。
16.如权利要求8所述的LED供电***，其中该控制单元具有一个单独的低电流变压器，该低电流变压器具有其自己的整流器、滤波器以及稳压调节器，以避免当电源开启时用峰值电流损坏LED的不稳定行为并且允许该控制单元在各种条件下保持控制整个***，在等待模式中进行该谐振变换器的电源状态的关断并且在低输出电流下停用该谐振变换器的功率因数校正，从而提高了变换效率。
17.如权利要求8所述的LED供电***，其中该控制单元包括一个可编程集成电路，该可编程集成电路能够产生一个脉冲宽度调制信号以控制转移到该LED模块的功率量，跟随有一个控制算法，该控制算法包括在前面的说明书中出现的所有输入信号。
18.如权利要求8所述的LED供电***，其中该控制单元产生一个具有可变占空比D的PWM信号，该PWM信号总是遵守条件D＜1，以减少功耗，由于人眼的惯性特征对光强的峰值相比于光强的平均值更敏感，而功耗是与吸收的电流的平均值成比例的。
19.如权利要求8所述的LED供电***，其中用于电流调节及短路保护的该电流转换器信号是由在铁磁环上带有一个绕组的电磁感应类型制成的，从而减少由安培计电阻分流所导致的功率损耗。
20.如权利要求8所述的LED供电***，其中将该LED温度转换器安装在该LED模块的电路板上以将必须调节的板温度的正确值传递至该控制单元。
21.如权利要求8所述的LED供电***，其中为了保护并且延长LED寿命并且还为了使LED在设备效率最大值点附近运行、与剩余的温度成比例，控制单元减少了应用于功率单元的占空比以减少输出电流的平均值并且当该LED模块的温度超过一个极限值因此降低LED的温度并且当LED模块的温度超过所采用的LED的最大操作温度时关闭该LED模块。
22.如权利要求8所述的LED供电***，其中调光器信号可以手动地或通过远程控制减少该LED模块的输出光以减少额外的能量。
23.如权利要求8所述的LED供电***，其中实时时钟跟踪当前时间，并且将时间以及时期信息传送至该控制单元，以减少某一天或一天中的某一小时的输出光流量从而降低功率消耗。
24.如权利要求8所述的LED供电***，其中该LED模块是由多于十个LED的不同系列的并联组成的以降低由于电阻导电导致的功率损耗并且以提高谐振变换器的效率，因为当输出电压更高并且输出电流更低时在同一输出功率下其效率更高。
25.如权利要求8所述的LED供电***，其中该LED模块具有一系列由一个电阻以及一个与每个LED并联的齐纳二极管，该齐纳二极管的负极与LED的正极连接，当一个或多个LED被中断或焊接不良时，以保护每个单一的LED不遭受过电压并且避免该系列的其他LED断电。
26.一种控制至少一个发光二极管的光输出的方法，该方法包括以下步骤：
向该至少一个发光二极管提供电功率以引起该发光二极管产生一个光输出；
产生一个代表通过该至少一个发光二极管的电流的第一信号；
产生一个代表该至少一个发光二极管的温度的第二信号；
根据该第一和第二信号调节该电源以调整该至少一个发光二极管。
27.一种包括根据权利要求1至25中的任一项所述的一个发光二极管阵列以及至少一个控制器的发光***。
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