一种数字调光装置和数字调光方法.pdf

本发明公开了一种数字调光装置，包括开关元件(100)，开关元件(100)与限幅电路(104)相耦接，限幅电路(104)的输出与译码电路(105)相耦接，译码电路(105)与光源驱动电路(106)相耦接，光源驱动电路(106)与光源相连。本发明还同时提供了利用该调光装置所进行的数字调光方法：以开关组件(100)与供电电源相串联，产生调光脉冲；开关元件(100)产生的脉冲信号通过限幅电路(104)转化为幅值适合译码电路(105)的脉冲调光信号；译码电路(105)将上述脉冲调光信号进行去抖动处理后按照约定协议进行分析、解码，然后控制光源驱动电路(106)对光源进行调光。本发明可以在不改变传统布线的前提下实现调光。

1.  一种调光装置，其特征是：包括作为调光脉冲发生组件的开关元件(100)，开关元件(100)与限幅电路(104)相耦接，限幅电路(104)的输出与译码电路(105)相耦接，所述译码电路(105)与光源驱动电路(106)相耦接，光源驱动电路(106)与光源相连。

2.  根据权利要求1所述的调光装置，其特征是：开关元件(100)为旋钮开关、不带锁定的开关或带锁定的开关。

3.  根据权利要求1所述的调光装置，其特征是：调光装置还包括一辅助供电电路(112)，用于给限幅电路(104)和译码电路(105)供电。

4.  根据权利要求1所述的调光装置，其特征是：辅助供电电路(112)可以为外加电源。

5.  根据权利要求1所述的调光装置，其特征是：该调光装置在使用时外部需提供一个供电电源，该供电电源可以是直流电源或交流电源。

6.  利用如权利要求1～5中任意一种调光装置所进行的调光方法，其特征是包括以下步骤：
外部提供一供电电源；
以开关组件(100)与供电电源相串联，产生调光脉冲；
开关元件(100)产生的脉冲信号通过限幅电路(104)转化为幅值适合译码电路(105)的脉冲调光信号；
译码电路(105)将上述脉冲调光信号进行去抖动处理后按照约定协议进行分析、解码，然后控制光源驱动电路(106)对光源进行调光；所述约定协议为关于调整光源亮度方式的协议。

一种数字调光装置和数字调光方法
技术领域
本发明涉及照明领域的调光技术，特别涉及一种采用数字方法进行调光的装置和方法。
背景技术
目前，国内外广泛使用的调光器主要是采用可控硅斩波技术。可控硅调光设备的主要优点是：操作简单、灵活、使用方便，寿命长、布线方便(仅需要2根电源线，可以直接将调光器取代开关)。然而，当可控硅调光设备在导通时，电源的每半个工频周波对输入进行切相，波形畸变大，含有丰富的高次谐波，对电网污染严重，而且还会通过辐射和电传导干扰其它设备，同时使灯泡产生“丝丝”声，效率低、负载适应能力差。
在商用办公楼、大型会议厅、剧场、电视演播厅、舞台等场所，管理人员需要对照明器具进行实时监控，有时要实现灯具根据环境光线自动进行调光，同时调光系统要具备很好的可扩展性和柔性，使照明设备既可以实现本地分散、集中控制，还可以实现远程控制。为了顺应这种需要，许多数字调光协议应运而生，如数字可寻址照明接口(DALI)协议。但是，在较小的应用场合里，并不需要对所有的灯光进行集中、远程控制，若采用由这些协议控制的数字调光系统未免会造成浪费。
目前其他的调光方式都是采用多线控制，除却2根电源线以外，还需要还专门的调光控制信号，这样会使系统布线变得复杂。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种数字调光装置及相应的数字调光方法，本发明可以在不改变传统布线的前提下实现调光，并具有系统简单、操作方便等特点。
为了解决上述技术问题，本发明提供一种数字调光装置，包括作为调光脉冲发生组件的开关元件，开关元件与限幅电路相耦接，限幅电路的输出与译码电路相耦接，译码电路与光源驱动电路相耦接，光源驱动电路与光源相连。
作为本发明的调光装置的改进：开关元件为旋钮开关、不带锁定的开关或带锁定的开关。
作为本发明的调光装置的进一步改进：调光装置还包括一辅助供电电路，用于给限幅电路和译码电路供电。
作为本发明的调光装置的进一步改进：辅助供电电路可以为外加电源。
作为本发明的调光装置的进一步改进：该调光装置在使用时外部需提供一个供电电源，该供电电源可以是直流电源或交流电源。
本发明还同时提供了利用上述调光装置所进行的调光方法，包括以下步骤
外部提供一供电电源；
以开关组件与供电电源相串联，产生调光脉冲；
开关元件产生的脉冲信号通过限幅电路转化为幅值适合译码电路的脉冲调光信号；
译码电路将上述脉冲调光信号进行去抖动处理后按照约定协议进行分析、解码，然后控制光源驱动电路对光源进行调光；所述约定协议为关于调整光源亮度方式的协议。
上述约定协议实际工作时，可由开发人员根据实际应用的需要按照常规理论自行设定。
本发明的重点在于开关与调光合并，不采用SCR(晶闸管)等元件，通过一线制方式实现调光。
本发明提出了一种新型的数字式调光装置，该装置采用一线制的通信方式，将开关与调光器结合为一体，组成调光脉冲发生部分。该光源为LED。
本发明采用了一线制的通信方式，将开关和调光器结合在一起，通信线与功率线相结合，使得装置布线简单，体积小，控制方便。可以在不改变传统布线的前提下实现调光。相对于采用可控硅斩波技术的调光器来说，本发明未采用可控硅等功率器件，具有谐波少、对电网污染小等优点。相对于采用较复杂的数字调光协议的数字调光系统来说，本发明更适用于较小的应用场合，整个系统比较简单，操作方便。
附图说明
下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细说明。
图1是本发明实施例1所示的新型数字调光装置电路示意图；
图2为辅助供电电路112的一种实施方法；
图3为辅助供电电路112的另一种实施方法；
图4为限幅电路104的一种实施方法；
图5为图4所示电路的主要工作波形；
图6为降低光源亮度的示意图；
图7为循环调暗光源亮度的示意图；
图8为更换调光方向的示意图；
图9为循环调亮光源亮度的示意图；
图10为双方向调光的示意图；
图11为更改调光方向无效的示意图；
图12为采用实施例2协议调整光源亮度的示意图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明做详细的描述。通过对本发明具体实施例的描述，可以更加易于理解本发明的特征和细节。
实施例1、图1给出了一种新型数字调光装置的电路示意图。本实施例中，输入端为IN1及IN2，输入电源(供电电源)可以是直流也可以是交流。调光脉冲发生组件为一个开关元件100，可以是旋钮开关、普通带锁定的开关或者不带锁定的开关。
开关元件100的一端与一个输入端IN1相连，开关元件100的另一端分别通过光源驱动电路输入线101与光源驱动电路106相连、以及与限幅电路104的输入端109和辅助供电电路112的一个输入端110相连。
以旋钮开关为例，常态下，旋钮开关处于接通位置，当外力(如人的手)旋动开关时候，旋钮开关处于断开位置；在没有外力的情况下(或者松开)，旋钮开关会自动恢复到初始接通状态。因此，当外力旋动开关时，每旋动一次，其输出会缺失一段时间，即限幅电路104输入端109会出现悬浮状态。限幅电路104根据输入109的有电还是悬浮，输出相应的高低电平信号，如在本实施例中，悬浮状态输出低电平，有电的状态输出高电平。
如开关为不带锁定的开关(即只能处于单个位置)，通常，开关平时处于接通状态。当外力(如人的手)按动开关时候，开关处于断开位置；其工作与旋钮开关完全一致。
如开关元件为普通的带锁定的开关，当开关合上时，输入被接通。随后，每次断开开关，其输出会缺失一段时间，即限幅电路104输入端109会出现悬浮状态。限幅电路104根据输入109的有电还是悬浮，输出相应的高低电平信号，如在本实施例中，悬浮状态输出低电平，有电的状态输出高电平。其工作原理与旋钮开关一致。最后只要保证开关处于闭合位置。
辅助供电电路112的另一个输入端111与电源输入端IN2相连，辅助供电电路112分别与译码电路105、限幅电路104相连，为其供电。限幅电路104的输出端102与译码电路105相连，译码电路105的输出端103与光源驱动电路106相连接，光源驱动电路106与光源相连；光源驱动电路106还与电源输入端IN2相连。
辅助供电电路112可以是线性电源，例如图2和图3所示的两个电路，但不仅限于这两个电路拓扑。此外，辅助供电电路112也可以是各类DC/DC电路，如非隔离型的BUCK电路等，隔离型的(带高频变压器的)反激、正激变流器等形式，对本领域的技术人员而言，这是显而易见的，这里不做详细描述。同样，如需要更加简单，辅助供电电路可以是单独施加的外部电源，不接收开关元件100的输出110及111作为输入而产生辅助供电，而将110或者111单独接到外部的其他较为稳定的供电电源。
限幅电路104的实现方法有很多种。当输入端IN1和IN2输入交流电压时，限幅电路104的一种实施方法如图4所示，其主要工作波形如图5所示。输入端信号109通过整流桥整流后得到Vrec。稳压管Z3可以用来限幅，但不是必须的。可以用R1/R2的分压实现限幅。如采用Z3进行限幅，R2也可以不要。采用Z3进行限幅的好处是过零点的灵敏度高。将限幅的交流整流信号与0电平用一个比较器比较，可以得到开关的状态指示信号，即限幅电路的输出信号102。在这个例子中，限幅电路104的输出高电平代表开关闭合，低电平代表开关断开。比较器可以用辅助供电电路112供电。
在比较中，为了防止在0电平附近(交流过零点附近)出现高低电平的跳变，可以采用一个较小的电容进行滤波，提高整流信号在交流过零点附近的幅值(其产生的延时一般远小于一个工频周期，及交流信号周期，因此对几乎检测没有影响)，可以方便的实现。对本领域技术人员而言，其他类似的方法也是显而易见的，例如在比较器输出加入适当的RC滤波电路，去除过零点附近的抖动等方法。
当输入电压为直流电压时，限幅电路104可以直接将输入信号109与0电平接至比较器进行比较，即可得到开关的状态指示信号(限幅电路的输出信号102)。具体的实施过程对于本领域的技术人员而言也是显而易见的，这里不做详细描述。
译码电路105可根据本说明书中的协议，以单片机编程的方式，判断开关发出的调光指示信号并进行译码，产生相应的控制信号103控制光源驱动电路106进行调光。具体的实施过程也是本领域技术人员熟知的。
辅助供电电路112(或者辅助供电单元)的一个输入端111连接一个电源输入端IN2，另一个输入端110连接开关元件100(或简称开关)的输出端。在开关元件100接通的情况下，辅助供电电路112从输入端110和111两端获取能量并保存在内部的储能元件(如传统的电容)中，在较长的一段时间内对限幅电路104以及译码电路105提供电源，即图1中的供电信号107及108，保证其正常工作。
通过改变开关元件100的接通和断开的状态，在109信号线上会产生一系列有电和悬浮的信号，经过限幅电路104的限幅处理后，输出信号102已经是能够表示开关状态的数字信号，其幅度已经变为与输入电源的电压幅度无关的标准高低电平信号，如高电平5V，低电平0V(表示开关处于断开的状态)。译码电路105接收102信号，根据本说明书中的协议，通过对开关发出的调光指示信号的判断，产生相应的控制信号103用于控制光源驱动电路106，控制信号103可以是PWM信号或者是一个模拟信号，表征灯的亮度。光源驱动电路106可以是常用的隔离式的电源(如反激、正激电路)或者非隔离式电源，这些均是业界常用知识，这里不再阐述。如控制信号103是PWM模式的，即业界常用的PWM调光(也称数字调光)，通过调节PWM信号的占空比来调节光源的亮度，占空比增大则光源亮度增大，反之，占空比减小则光源亮度减小。如控制信号103是模拟信号，通常电压高表示亮度高，电压低表示亮度低。从上面的阐述可知，开关接通时输出端产生高电平，开关断开时输出端产生低电平。调光脉冲为一系列负脉冲(或者低电平)。译码电路105通过约定的协议，分析出有用的调光信号，然后通过改变输出PWM信号的占空比或模拟电平的高低进行调光。
在本实施例中，译码电路105通过改变输出PWM信号的占空比控制光源驱动电路106进行调光。译码电路105根据接收到的信号102的低电平(负脉冲)的时间长短来区分信号的含义。本实施例中的调光协议规定如下：调节亮度的负脉冲时间(t_亮度)必须大于300ms，小于1s。若采集到的负脉冲小于300ms则认为是拨动开关时抖动所致，而非有用信号；调节调光方向的负脉冲时间(t_方向)必须在1s～5s之间。译码电路105设有超时保护机制，会将长于5s的负脉冲看作错误操作信号，而不进行任何操作；最长等待时间(t_max)为15s，即向译码电路105发出了更改调光方向的脉冲后，若在15s内未进行调光操作，则系统认为这次更改调光方向无效，调光方向仍旧与上一次调光时相同。
在本实施例中，光源的亮度被分为20级，光源熄灭为0级，最大亮度为第20级。每接收到一个调节亮度脉冲，光源亮度调整5％。其他的亮度等级对本领域技术人员来讲也是显而易见的。
系统上电后，初始亮度最亮，初始调光方向是下调，即亮度调暗。假设初始光源亮度为n级，改变开关状态(拨动开关)输出一串调节亮度的负脉冲至译码电路105后，译码电路105控制光源的亮度一级一级的下调。图6为降低光源亮度的示意图。
假设光源的初始亮度为6级，若连续调暗光源亮度至0级(即熄灭)后，继续拨动开关进行亮度调节，则光源亮度会重新恢复至最大值(20级)，然后再一级一级的调暗。图7为循环调暗光源亮度的示意图。
在实际应用中仅能单方向调整光源亮度是远远不够的。在本实施例中，当需要改变调光方向时，需要适当长时间拨动开关(即开关处于断开状态一个较长的时间)，向译码电路105发出调节调光方向脉冲，按照上述协议，其低电平的时间t_方向必须在1s～5s之间。译码电路105接收到该脉冲后会更改调光方向。之后再进行的调光操作则是按照新的调光方向来调整光源亮度。图8为更换调光方向的示意图。
假设系统上电后，光源的初始亮度为16级，初始调光方向为下调。按照上述方法，适当的长时间拨动开关将调光方向更改为调亮。在调光过程中若连续调亮光源亮度至20级后，继续旋转调光旋钮进行亮度调节，则光源亮度会重新变回0级，然后再一级一级的调亮。图9为循环调亮光源亮度的示意图。
图10为双方向调光的示意图。图中光源的初始亮度为n级，初始调光方向为调暗。拨动开关将光源亮度调暗至n-2级后，按照协议约定的时间内适当的长时间拨动开关(使之处于断开位置)，译码电路105将调光方向更改为调亮。随后再拨动开关发出四个调节亮度的脉冲，光源亮度会被调亮至n+2级。
每当长时间拨动开关一次(使之处于断开位置)，发出更改调光方向脉冲后，译码电路105将改变调光的方向。但是若在此后的t_max时间内未进行调节光源亮度的操作，则译码电路105认为此次更改调光方向无效，调光方向仍旧与上一次调光时相同。图11为更改调光方向无效的示意图。
实施例2、采用实施例1所示的数字调光装置，约定的协议改成如下内容：
在本实施例中，对调节亮度的负脉冲时间(t_亮度)、调节调光方向的负脉冲时间(t_方向)、由抖动产生的脉冲时间以及光源亮度等级的设定均与实施例1中相同。系统上电后，初始的调光方向是下调。拨动开关输出一串调节亮度的负脉冲至译码电路105，译码电路105对脉冲信号进行去抖动处理后，暂时先不调整光源亮度，而是把有效调光脉冲的个数记录下来。直至在收到前一个脉冲后的t_等待时间内未再收到下一个脉冲为止，译码电路105根据记录下的脉冲个数和光源亮度的初始等级，计算得出现在应调至的亮度等级，然后直接将光源亮度调至该等级。在计算当前的亮度等级时，若发现调光脉冲的个数大于光源亮度的初始等级数，则当光源亮度等级减至0后，重新恢复至最大值(20级)继续进行运算。与实施例1中的循环调光相似。本实施例设定t_等待为5s。
图12为采用实施例2协议调整光源亮度的示意图。假设光源的初始亮度为2级，初始调光方向为下调。拨动开关向译码电路105发送6个调节亮度的负脉冲后，等待t_等待时间，光源亮度被直接调整至17级。
上述具体实施例只是为了说明本发明的技术构思和应用特点，其目的在于让熟悉此领域的工程设计人员能够了解本发明的内涵实质并加以应用，但并不能因此而限制本发明的保护范围。无论在上文中出现了如何详细的说明，也可以许多方式实施本发明。上述电路结构及其控制方式的细节在其执行细节中可以进行相当多的变化，然而其仍然包含在这里所公开的本发明中。凡根据本发明精神实质所做的等效变换或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。