基于單火線的LED照明燈調光方法

羅樹英，凌 云，李 勇，李 飛

（湖南工業大學 電氣與信息工程學院，湖南 株洲 412007）

基于單火線的LED照明燈調光方法

羅樹英，凌 云，李 勇，李 飛

（湖南工業大學 電氣與信息工程學院，湖南 株洲 412007）

針對開關通斷控制技術的單火線調光方法，只能提供4檔LED照明燈的調節亮度，且對開關動作有時間要求的弊端，提出一種用單火線亮度控制電路、亮度信號接收電路和亮度控制驅動電路來實現的LED照明燈調光方法。該方法采用控制雙向晶閘管正負半波是否移相觸發，以單火線方式給出LED照明燈亮度增加控制信號或者亮度減小控制信號，由MCU對亮度控制信號進行識別，微控制器輸出占空比可調節PWM信號來控制LED照明燈亮度在0～100%之間以1%的步進值改變。

LED照明燈；單火線；調光；亮度控制信號

1 研究背景

由于LED照明燈的非線性特性[1-3]，LED照明燈的亮度不能采用調節電壓[4]的方式來實現。采用可控恒流源來調節LED照明燈的亮度時，工作電流的改變會帶來LED照明燈的色譜偏移；同時，低亮度下LED照明燈負載電流很低，會使可控恒流源效率降低及溫升增高，損耗在驅動芯片上比較大，從而會影響恒流源及LED光源的壽命。采用脈寬調制（pulse width modulation，PWM）調光方式[5]控制LED照明燈亮度，可以避免調壓方式和調電流方式帶來的問題。目前常用的LED照明燈調光方法有3種：

一是采用遙控器控制[6-7]。王寧等認為PWM調光方法效率高，電流控制較精準，且不會產生色譜偏差，從而提出了一種采用PWM的遙控調光設計方案。LED照明燈控制電路裝有遙控器接收裝置，可以通過遙控器對LED照明燈進行有級調光或者無級調光。然而該方案的缺點是，一個LED照明燈需要配備一個遙控器，造成遙控器數量多，管理麻煩，成本也偏高。

二是采用數字信號控制。例如，采用數字可尋址的照明接口（digital addressable lighting interface，DALI）技術[8-9]。張玲等根據DALI系統軟件可對同一強電回路或不同回路上的單個或多個LED照明燈具進行獨立尋址，通過DALI系統軟件對單燈或任意的燈組進行精確的調光及開關控制，從而提出了隧道照明燈的控制方案。該方案技術先進，但成本高，系統除需要布設電力線外，還需要布設控制線。

三是采用單火線開關通斷控制。例如，采用NU102, CX5816等專用芯片，即可利用普通墻面開關在規定的時間內的開關動作，實現LED照明燈的亮度調節。但該方法只能提供4檔LED照明燈的調節亮度，且開關動作有時間要求。

綜合目前常用的3種LED調光控制方法，本文提出一種可以解決成本高、管理麻煩等問題的方案，即單火線控制的調光方案。該方案只需使用普通墻面開關控制燈光變化，不需要重新布線；該方案LED的亮度調節不再是只有4種，而是以1%的步進值進行改變，亮度可選擇性更多。這也就大大的節約了成本，減少了安裝時的工作量。

2 亮度控制單火線給定電路

實現單火線LED照明燈調光方法的電路包括單火線亮度控制電路、亮度信號接收電路和亮度控制驅動電路。亮度控制單火線給定電路主要是用于LED燈亮度的調節，按下S-可實現亮度減小，當按下S+即可增加亮度。電路如圖1所示。

圖1 單火線亮度控制電路Fig.1 Single power line brightness control circuit

圖1中，亮度增加開關S+、亮度減小開關S-都是動斷開關。該電路在亮度控制上有3種不同的工作模式，具體操作如下：

當亮度增加開關S+、亮度減小開關S-都沒有按下時，在交流電源正半波周期時，二極管D1導通；在交流電源負半波周期時，二極管D2導通， U1端的電壓波形和輸入端L的電壓波形一致，為正弦波。

當按下亮度增加開關S+時，在交流電源負半波周期時，二極管D2導通，交流電源正半波只能通過由雙向晶閘管VT、雙向觸發二極管DB、電阻R1組成的雙向晶閘管觸發電路構成回路，單火線輸出端U1的電壓波形如圖2a所示。該信號為亮度增加控制信號。

當按下亮度減小開關S-時，在交流電源正半波D1導通，交流電源負半波通過VT, DB, R1構成回路，單火線輸出端U1的電壓波形如圖2b所示。該信號為亮度減小控制信號。

雙向觸發二極管DB的轉折電壓大小控制雙向晶閘管VT的移相角，其轉折電壓小，則VT的移相角小；其轉折電壓大，則VT的移相角大。移相角的典型值是18°。

圖2 亮度控制信號波形Fig.2 Brightness control signal waveform

3 亮度信號接收電路

亮度信號接收電路主要用于接收亮度信號，并將亮度信號轉化為數字信號輸入單片機（microcontroller unit，MCU）收集、存儲并加以處理輸送給亮度驅動控制電路。具體亮度信號接收電路如圖3所示。

圖3 亮度信號接收電路Fig.3 Luminance signal receiving circuit

亮度信號接收電路的核心是MCU，MCU選擇低功耗器件MSP430G2553。

二極管D3, D4和電容C1、電阻R2、穩壓管DW1組成整流濾波穩壓電路，并將該電路的輸出提供給MCU直流電源VCC。

二極管D5、電阻R3、穩壓管DW2組成負半波整流和限幅電路。在交流電源正半波，零線輸入端N為公共地，二極管D5截止。在交流電源負半波周期，火線輸入端U1為公共地，當亮度減小開關S-未被按下時，零線輸入端N電位高于公共地，二極管D5導通，穩壓管DW2陰極得到寬度接近10 ms的高電平脈沖信號；當亮度減小開關S-被按下后，火線輸入端U1負半波導通角后移，此時在穩壓管DW2陰極得到的高電平脈沖信號寬度變窄為9 ms，該脈沖被送至MCU的P2.0。

二極管D6、電阻R4、穩壓管DW3組成正半波整流和限幅電路。在交流電源負半波周期，二極管D6截止。在交流電源正半波周期，亮度增加開關S+沒有被按下時，二極管D5導通，穩壓管DW3陰極得到寬度接近10 ms的高電平脈沖信號；當亮度增加開關S+被按下后，穩壓管DW3陰極得到的高電平脈沖信號寬度變窄為9 ms，該脈沖被送至MCU的P2.1。

MCU測量出P2.0輸入脈沖寬度小于9.5 ms時，判斷有亮度減小控制信號。P2.0每出現一個寬度小于9.5 ms的脈沖，MCU控制PWM亮度控制信號占空比減小1%，占空比的下限值是0。

MCU測量出P2.1輸入脈沖寬度小于9.5 ms時，判斷有亮度增加控制信號。P2.1每出現一個寬度小于9.5 ms的脈沖，MCU控制PWM亮度控制信號占空比增加1%，占空比的上限值是100%。

控制LED照明燈亮度從0增加到100%最快需要2 s。按下亮度增加開關S+并保持時，亮度增加控制信號出現的時間間隔是20 ms，從0到100%需要2 s時間。同樣，控制LED照明燈亮度從100%減小到0最快也需要2 s時間。

4 亮度控制驅動電路

亮度控制驅動電路主要用于將亮度接收信號電路輸送過來的信號加以處理，控制亮度的調節并驅動LED照明燈顯示相對應的亮度。具體的亮度控制驅動電路如圖4所示。

亮度控制驅動電路的核心是LED驅動器HV9910。二極管D7, D8, D9,D10，電容C2、電容C3組成驅動電源電路，給HV9910和LED照明燈提供電源。電容C4，電感L，快恢復二極管D11，開關管VD，電阻R5, R6為HV9910的外圍元件。HV9910的使能控制端PWM_D連接至MCU的PWM亮度控制信號輸出端。MCU改變PWM亮度控制信號的占空比，HV9910依據PWM亮度控制信號的占空比控制LED照明燈的亮度[10]。

亮度控制驅動電路可以增加功率因數校正（power factor correction，PFC）電路，對亮度信號接收電路的工作沒有影響。

圖4 亮度控制驅動電路Fig. 4 Brightness control drive circuit

5 實驗測試

通過S+和S-兩個開關將LED燈的亮度調節至不同的檔位，利用照度計測試LED照明燈的光照強度，以及由光生伏特效應所產生的電壓，其結果如表1和圖5所示。

表1 LED燈光照強度調節測試結果Table 1 The test results of LED light intensity adjustment

圖5 電壓與光照度的關系Fig.5 Voltage-illumination relationship

由表1和圖5可知，本文所設計的對于LED照明燈亮度的調節方法，可以有較多的檔位選擇，改變了通常只有4個檔位選擇的情況。事實上，在實際應用時，可以在0～100%之間以1%的步進值調節檔位。

6 結語

本文設計的單火線LED照明燈調光方法具有如下特點[11]：

1）采用單火線方式控制LED照明燈亮度，無需遙控器，也不用重新鋪設電源線，不僅節約了成本，而且方便管理。

2）LED照明燈亮度可以在0～100%之間，以1%的步進值改變，這相當于具有無級調光功能，從而使用戶可根據需要調節LED照明燈的亮度。

3）單火線上的調光控制信號僅在調光時發送，18°的移相角和短時間發送過程對LED照明燈的供電不會造成影響，對功率因數的影響極低。這表明，利用單火線控制LED照明燈的亮度調節比傳統的3種調節方式更節能。

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（責任編輯：鄧光輝）

LED Lamp Dimming Method Based on Single Power Line

Luo Shuying，Ling Yun，Li Yong，Li Fei
（School of Electrical and Information Engineering，Hunan University of Technology，Zhuzhou Hunan 412007，China）

As the dimming method of single power line based on the switch on-off control technology only provides 4-grade brightness adjusting for LED lights and has requirement for the switching operation time, proposes a method of the single power line brightness control circuit, the luminance signal receiving circuit and the brightness control drive circuit to achieve LED dimming. The method adopts the bidirectional thyristor positive and negative half wave to control phase-shift trigger, gives the LED lamp control signals of increasing or decreasing brightness by single power line and identifies the brightness control signals by MCU. The micro controller output duty ratio can adjust the PWM signals to control LED lamp brightness changing between 0 and 100% with 1% step value.

LED lamp；single power line；dimming；brightness control signal

TM923.3

A

1673-9833(2015)03-0063-04

10.3969/j.issn.1673-9833.2015.03.012

2015-04-03

湖南省自然科學基金資助項目（13JJ9016）

羅樹英（1988-），女，湖南瀏陽人，湖南工業大學碩士生，主要研究方向為復雜機電系統的信息集成和協調控制，E-mail：lsywolf@163.com