專利名稱：冷色暖色led色溫可調恒照度智能led平面照明器的制作方法
技術領域：
本實用新型涉及LED照明裝置，具體涉及一種通過冷色暖色LED混合實現的色溫可調、恒照度的智能LED平面照明器。
背景技術：
色溫是表示光源光譜質量最通用的指標。色溫是按絕對黑體來定義的。低色溫光源的特征是能量分布中紅光輻射相對說要多些，通常稱為“暖色光”;色溫提高后，能量分布中藍光輻射的比例增加，通常稱為“冷色光”。由于白光LED是通過發射藍光的發光半導體，激發黃色熒光物質(有時也加入其它顏色的熒光物質)，組合成白光的。通過不同熒光物質和控制熒光物質的多少，來實現白光LED的相關色溫。對于單個白光LED來說，其色溫是固定不變的(不考慮長時間的色溫漂移)。現有色溫可調的照明器具有以下特點:1.現有色溫可調LED平面燈或其他照明器，沒有考慮色溫變化時，燈發出總的光通量可能發生變化，以至于會出現從一個色溫變化到另一色溫時，由于燈的總的光通量發生變化太大，人眼可以感覺得到光通量的變化而覺得不舒適；2.現有色溫可調LED平面燈或其他照明器，在改變色溫時，由于對LED光源的特性研究不充分，沒有采用色溫補償的機制，實際混色得到的白光色溫，和設計的值有較大偏差;3.現有的燈沒有監測外界環境光照的變化，不能依據外界環境光的強弱，實時調整燈發出的光通量。在外界光照較強時，室內只需少量照明就可以滿足使用要求時，依然以發出最大光通量的狀態工作，造成能源浪費。另外，傳統的LED驅動電源雖然可以實現LED亮度調節，但是不能實現功率因數校正，輸入功率因數比較低，諧波比較大。
實用新型內容本實用新型所要解決的技術問題是，提供一種冷色暖色LED色溫可調恒照度智能LED平面照明器，通過照度傳感器和微處理器的配合，依據外界環境光的強弱，實時調整燈發出的光通量，同時采用色溫補償的機制，以解決現有技術中色溫可調同時節約能源的問題。另外，為了使LED驅動電源的輸入電流諧波滿足要求，必須加功率因數校正，采用單級PFC反激式的LED驅動電源，解決了現有技術中LED驅動電源的質量問題。為了解決上述技術問題，本實用新型的一種冷色暖色LED色溫可調恒照度智能LED平面照明器，包括照度傳感器、微處理器MCU、LED驅動電源、LED光源和勻光裝置，所述照度傳感器、微處理器MCU、LED驅動電源、LED光源和勻光裝置順次電連接。其中，所述LED驅動電源采取單級反激式拓撲結構，具體的，所述LED驅動電源包括EMI濾波模塊、全波整流電路、單級PFC (Power Factor Correction，功率因數校正)隔離轉換模塊、輸出整流濾波電路、誤差反饋電路和PWM控制模塊，所述EMI濾波模塊、全波整流電路、單級PFC隔離轉換模塊、輸出整流濾波電路、誤差反饋電路和PWM控制模塊順次電性連接，所述PWM控制模塊的輸入端還連接至微處理器MCU的輸出端，所述PWM控制模塊的輸出端還連接至單級PFC隔離轉換模塊的輸入端。所述輸出整流濾波電路的輸出端連接LED光源。進一步的，所述單級PFC隔離轉換模塊的原理方框概圖如圖2所示，其包括PFC級(PFC轉換器)和DC/DC級(DC-DC控制器)。該單級PFC隔離轉換模塊只有一個開關管和一套控制電路，需要實現輸出電壓的快速調節和輸入電流整形，PFC級和DC/DC級之間的瞬間不等的能量由儲能電容Cl來平衡。實際的控制電路可以對輸出電壓或電流快速地調節，因此單級PFC隔離轉換模塊工作在穩態時，半個交流周期里的占空比D基本不變。因此在固定D條件下，要求電感自動能實現輸入電流波形的整形。在所有的PFC轉換器中，一個交流周期里瞬態輸入功率是脈動變化的，而后接DC-DC控制器的輸出功率是恒定的。因此，PFC轉換器的電路必須有一個儲能電容存儲不平衡的能量。同時單級PFC隔離轉換模塊為滿足保持時間的要求，需要大電容量電解電容。進一步的，所述PWM控制模塊采用型號為FAN7527B的有源功率因數校正控制芯片實現。該有源功率因數校正控制芯片FAN7527B的內部乘法器電路的優異性能，可以用于寬交流市電輸入電壓范圍的應用場合(85 265VAC)。并使所構成電路的THD值很小，從而獲得良好的有源功率因數校正控制功能。它的啟動工作電流只有幾十微安，利用它的零電流檢測FAN7527B的5腳可以實現電路的關斷控制功能。進一步的，所述照度傳感器為光敏三極管，感受照明器的表面照度變化并轉換成可用輸出信號。本實用新型的色溫可調可采用如下方案實現:由多顆暖白LED和冷白LED混色，也即所述LED光源包括若干顆暖白LED和冷白LED，實現色溫可調。其中，一般相關色溫(CCT)在區間2000-5000內的都屬于暖白，色溫區間為5000-7000的屬于正白，色溫大于7000以上的屬于冷白。另外，所述LED光源優選使用LED面光源。本實用新型的色溫可調恒照度LED平面照明器(平面燈)，與現有技術相比，具有如下優點:I采用照度傳感器、微處理器MCU和PWM控制模塊配合，依據外界環境光的強弱，實時調整燈發出的光通量；依據CIE表色系統三原色理論、顏色混合定律及均勻混色技術，采用色溫補償的機制，解決了現有技術中色溫可調同時節約能源的問題；2采用單級PFC反激式的LED驅動電源，具體是通過EMI濾波模塊、全波整流電路、單級PFC隔離轉換模塊、輸出整流濾波電路、誤差反饋電路和PWM控制模塊的配合，使該LED驅動電源具有較高的傳輸效率，較低的EMI和溫升，提高了 LED驅動電源的可靠性；且采用單級PFC反激式的LED驅動電源，所用器件少，損耗低，具有較高的功率因數和效率；3本實用新型不僅具有LED平面燈節能、環保、平面發光、照度均勻性好、光線柔和、舒適而不失明亮的優點，而且進一步滿足了人們對照明環境的光品質和舒適性的要求，可廣泛應用于酒店賓館、商業廣場、會議室、工廠或辦公室、醫院、學校等公共場所，未來還可進入家居場所。
圖1是本實用新型的系統原理圖；[0019]圖2是本實用新型的單級PFC隔離轉換模塊原理方框概圖。
具體實施方式
現結合附圖和具體實施方式
對本實用新型進一步說明。本項目開發一種色溫可調恒照度LED平面照明器(平面燈)，在繼承現有LED平面燈優點的基礎上，可根據環境狀況實現色溫可調和光通量變化，進一步優化平面燈的結構，提高平面燈照度均勻性和出光效率，使工作面光照基本恒定，滿足人們對照明環境舒適性和照明光品質的需求。如圖1所示，一種冷色暖色LED色溫可調恒照度智能LED平面照明器，包括照度傳感器、微處理器MCU、LED驅動電源、LED光源和勻光裝置，所述照度傳感器、微處理器MCU、LED驅動電源、LED光源和勻光裝置順次電連接。考慮到成本和效果，所述照度傳感器為光敏三極管，感受照明器的表面照度變化并轉換成可用輸出信號。其中，所述LED驅動電源采取單級反激式拓撲結構,具體的,所述LED驅動電源包括EMI (Electro-Magnetic Interference,電磁干擾)濾波模塊、全波整流電路、單級PFC(Power Factor Correction,功率因數校正)隔離轉換模塊、輸出整流濾波電路、誤差反饋電路和PWM控制模塊，所述EMI濾波模塊、全波整流電路、單級PFC隔離轉換模塊、輸出整流濾波電路、誤差反饋電路和PWM控制模塊順次電性連接，所述PWM控制模塊的輸入端還連接至微處理器MCU的輸出端，所述PWM控制模塊的輸出端還連接至單級PFC隔離轉換模塊的輸入端。所述輸出整流濾波電路的輸出端連接LED光源。一般LED對其驅動的要求:高效率、高可靠免維護、安全隔離、低成本、精確控制、高功率因數等。根據現有技術對各種LED驅動電源方案的研究，得出單級PFC更適合作為高功率LED驅動。因此，本實用新型采用單級PFC反激降壓模塊。并通過EMI濾波模塊、全波整流電路、單級PFC隔離轉換模塊、輸出整流濾波電路、誤差反饋電路和PWM控制模塊的配合，使該LED驅動電源具有較高的傳輸效率，較低的EMI和溫升，提高了 LED驅動電源的可靠性。其中，所述PWM控制模塊優選采用型號為FAN7527B的有源功率因數校正控制芯片實現。該有源功率因數校正控制芯片FAN7527B的內部乘法器電路的優異性能，可以用于寬交流市電輸入電壓范圍的應用場合(85 265VAC)。并使所構成電路的THD值很小，從而獲得良好的有源功率因數校正控制功能。它的啟動工作電流只有幾十微安，利用它的零電流檢測FAN7527B的5腳可以實現電路的關斷控制功能。單級PFC隔離轉換模塊的原理方框概圖如圖2所示，其包括PFC級(PFC轉換器)和DC/DC級(DC-DC控制器)。該單級PFC隔離轉換模塊只有一個開關管和一套控制電路，需要實現輸出電壓的快速調節和輸入電流整形，PFC級和DC/DC級之間的瞬間不等的能量由儲能電容Cl來平衡。實際的控制電路可以對輸出電壓或電流快速地調節，因此單級PFC隔離轉換模塊工作在穩態時，半個交流周期里的占空比D基本不變。因此在固定D條件下，要求電感自動能實現輸入電流波形的整形。在所有的PFC轉換器中，一個交流周期里瞬態輸入功率是脈動變化的，而后接DC-DC控制器的輸出功率是恒定的。因此，PFC轉換器的電路必須有一個儲能電容存儲不平衡的能量。同時單級PFC隔離轉換模塊為滿足保持時間的要求，需要大電容量電解電容。本實用新型采用微處理器(MCU)控制和脈沖寬度調制(PWM)技術，依據CIE表色系統三原色理論、顏色混合定律及均勻混色技術，研制色溫可調照度均勻恒定平面照明器，使人們根據環境狀況的合理選擇光源色溫，既節能環保，又滿足人們對照明品質及光環境的追求。其中，本實用新型的色溫可調可采用如下方案實現:由多顆暖白LED和冷白LED混色，也即所述LED光源包括若干顆暖白LED和冷白LED，實現色溫可調。其中，一般相關色溫(CCT)在區間2000-5000內的都屬于暖白，色溫區間為5000-7000的屬于正白，色溫大于7000以上的屬于冷白。另外，所述LED光源優選使用LED面光源。具體的，通過若干顆暖白LED和冷白LED進行混色，是根據暖白和冷白色光的顏色混合理論，應用相關計算機編程語言編制軟件，計算混合任意色溫白光所需的給定暖白LED和冷白LED的亮度系數。由于單顆暖白LED和冷白LED的亮度差別也很大，必須研究實現亮度系數比例的暖白LED和冷白LED的數量，再通過PWM控制模塊利用一種簡單的數字脈沖反復開關光源驅動器的調光技術一脈沖寬度調制(PWM)調光技術，根據計算出的亮度系數產生控制三原色亮度的脈沖信號，從而根據需要復現相應色溫。實驗證明，盡管暖白LED和冷白LED混色白光色溫結果相對理論計算值偏差較小，在對色溫要求較高的環境中，依然要采用色溫補償技術。最后，采用勻光技術，通過勻光裝置使平面燈均勻發光與高效率出光。均勻發光從兩個方面考慮:一是從光源的角度考慮，測試分析表明LED面光源比LED點光源的發光均勻性高，在成本許可的情況下，優選考慮采用LED面光源；一是從導光結構上考慮，研究新的導光結構，并用光學仿真軟件模擬，以提高發光的均勻性。出光的效率也與導光結構有關，所以考慮導光結構同時，導光材料的選擇也至關重要；決定出光效率的最后一個環節平面燈出光表面的材料，亦必須通過測試不同材料的透過率來選擇。另外，恒照度技術是保證工作面光照度按照依據國家標準《建筑照明設計規范》GB50034-2004設定的值，在環境自然光照發生變化時，通過自動調整光源的發射光通量來保持基本不變(起伏小于±10%)的技術。對于平面照明器，為了便于傳感器的安置于照明器內部，一般會把工作面的照度設定值依據照明器的安裝空間折算到其出光平面上。通過多LED的混光(白光)的均勻性技術(前面已述)和工作面環境照度的監測技術，實現恒照度技術。工作面環境照度的監測，可用光敏三極管作為照度傳感器，利用微處理器MCU作為控制管理單元，通過照度傳感器對平面燈出光表面的照度進行探測，讓測量的照度值與設定的值進行比較，當測量值小于設定值時，控制光源的光通量增大；當測量值大于設定值時，控制光源的光通量減小。采用PID算法實現控制，通過PWM控制模塊控制LED光源，實現照度恒定。由于要滿足調光過程中色溫基本不變，所以在調光過程中，要保持多LED的亮度系數比不發生變化。因此色溫的調節和照度的恒定需要結合起來綜合考慮，并保證LED光源長時間使用后出現光衰后，照明器燈具系統能自動補償。本實用新型通過上述機構，采用微處理器MCU和PWM控制模塊配合，依據CIE表色系統三原色理論、顏色混合定律及均勻混色技術，實現色溫可調照度均勻恒定平面照明器，使人們根據環境狀況的合理選擇光源色溫，既節能環保，又滿足人們對照明品質及光環境的追求。盡管結合優選實施方案具體展示和介紹了本實用新型，但所屬領域的技術人員應該明白，在不脫離所附權利要求書所限定的本實用新型的精神和范圍內，在形式上和細節上可以對本實用新型做出各種變化，均為本實用新型的保護范圍。
權利要求1.一種冷色暖色LED色溫可調恒照度智能LED平面照明器，其特征在于:包括照度傳感器、微處理器MCU、LED驅動電源、LED光源和勻光裝置，所述照度傳感器、微處理器MCU、LED驅動電源、LED光源和勻光裝置順次電連接。
2.根據權利要求1所述的一種冷色暖色LED色溫可調恒照度智能LED平面照明器，其特征在于:所述LED光源包括若干顆暖白LED和冷白LED。
3.根據權利要求1所述的 一種冷色暖色LED色溫可調恒照度智能LED平面照明器，其特征在于:所述LED驅動電源包括EMI濾波模塊、全波整流電路、單級PFC隔離轉換模塊、輸出整流濾波電路、誤差反饋電路和PWM控制模塊，所述EMI濾波模塊、全波整流電路、單級PFC隔離轉換模塊、輸出整流濾波電路、誤差反饋電路和PWM控制模塊順次電性連接，所述PWM控制模塊的輸入端還連接至微處理器MCU的輸出端，所述PWM控制模塊的輸出端還連接至單級PFC隔離轉換模塊的輸入端；所述輸出整流濾波電路的輸出端連接LED光源。
4.根據權利要求3所述的一種冷色暖色LED色溫可調恒照度智能LED平面照明器，其特征在于:所述PWM控制模塊采用型號為FAN7527B的有源功率因數校正控制芯片實現。
5.根據權利要求1所述的一種冷色暖色LED色溫可調恒照度智能LED平面照明器，其特征在于:所述照度傳感器為光敏三極管。
專利摘要本實用新型涉及LED照明裝置，具體涉及一種冷色暖色LED色溫可調恒照度智能LED平面照明器，其包括照度傳感器、微處理器MCU、LED驅動電源、LED光源和勻光裝置，所述照度傳感器、微處理器MCU、LED驅動電源、LED光源和勻光裝置順次電連接。其中，所述LED光源包括若干顆暖白LED和冷白LED。本實用新型應用于LED照明裝置的色溫可調。
文檔編號H05B37/02GK203086809SQ201320024580
公開日2013年7月24日 申請日期2013年1月17日 優先權日2013年1月17日
發明者徐代升, 朱翔, 陳偉藝, 陳曉, 鄭黎華, 王陽 申請人:廈門理工學院