CN104244534B - 一种应用于交流照明系统的相位调光方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种应用于交流照明系统的相位调光方法，系统由相互串联的电源开关、相位调光器和灯具构成，其中灯具包括控制电路和光源。所述应用于交流照明系统的相位调光方法，通过调节相位调光器的导通角来调节光源的亮度，的调节范围是其中调光结束后，相位调光器的导通角切换到灯具中的控制电路比较实测的与若控制电路判定正在调光，保存测得的值，并根据值调节流过光源的平均电流i_L，从而调节光源的亮度，若控制电路判定调光结束，不保存测得的值，流过光源的平均电流i_L、光源的亮度维持在调光结束时的水平。调光结束后，调光器的导通角维持在一个相对高的水平，从而解决了因导通角减小造成的谐波污染加重和功率因数降低的问题。

Description

一种应用于交流照明系统的相位调光方法

技术领域

本发明属于电子、电气技术领域，涉及一种应用于交流照明系统的相位调光方法。

背景技术

相位调光，又称“斩波”式调光，被广泛应用在交流照明中。它是通过调节交流电在半周期内的导通角，来调节光源的亮度。

以白炽灯电路为例，应用现有相位调光方法的交流照明系统由电源开关、相位调光器和灯具三部分串联构成，如图1所示。电源开关K1闭合，系统上电，开始工作。调光信号控制相位调光器的导通角也就是在半周期内，交流电压施加在白炽灯上的时间。导通角增大，交流电压施加在白炽灯上的时间变长，白炽灯消耗的平均功率增加，白炽灯的亮度增大；反之，白炽灯的亮度减小。

系统电压v_AC的波形如图2(a)所示，白炽灯两端的电压v_LAMP的波形如图2(b)所示；流过白炽灯的电流i_LAMP的波形如图2(c)所示。

由图2可见：

1.虽然系统电压v_AC的波形是一个完整的正弦波，但施加在灯具两端的电压v_LAMP的波形是一个经“斩波”后的正弦波；

2.系统中各个部件都是串联在一起，所以流过白炽灯的电流i_LAMP就是系统电流i_AC，它的波形也是一个经“斩波”后的正弦波。

现有相位调光方法的这种“斩波”机制带来了诸多缺点，主要体现在以下两个方面：

1.谐波电流污染电网

系统电流i_AC中含有大量的谐波成分，谐波电流会污染电网，造成电网质量下降；总谐波失真(THD，Total Harmonic Distortion)与导通角的关系如图3(a)所示，从图中可见，随着导通角的减小，谐波成分的含量增大。

2.功率因数下降

系统电流i_AC与系统电压v_AC的波形不一致，导致系统的功率因数(PF，Power Factor)下降，从而造成电网的供电效率降低，供电损耗加大。功率因数与导通角的关系如图3(b)所示，从图中可见，随着导通角的减小，功率因数降低。

发明内容

本发明提出了一种应用于交流照明系统的相位调光方法，解决了现有技术中因导通角减小造成谐波污染加重和功率因数降低的问题。

本发明是通过以下技术方案来实现：

一种应用于交流照明系统的相位调光方法，系统由相互串联的电源开关、相位调光器和灯具构成，其中相位调光器的导通角受调光结束信号和调光信号共同控制，灯具包括控制电路和光源，所述应用于交流照明系统的相位调光方法，通过调节相位调光器的导通角来调节光源的亮度，的调节范围是其中调光结束后，相位调光器的导通角切换到光源的亮度维持在调光结束前的水平。

所述的应用于交流照明系统的相位调光方法，包括以下步骤：

a)闭合电源开关K1，相位调光器检测输入的调光结束信号；

b)若输入的调光结束信号无效，表示正在调光，根据调光信号调节相位调光器的导通角 的调节范围是其中若调光结束信号有效，表示调光结束，相位调光器的导通角切换到

c)灯具中的控制电路每半周期测量相位调光器的导通角

d)灯具中的控制电路比较实测的值与值，若则调光结束信号无效，保存并更新测得的值，若则调光结束信号有效，不保存测得的值；

e)灯具中的控制电路根据其保存的值，设定流过光源的平均电流i_L，从而设定光源的亮度。

与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：

本发明提供应用于交流照明系统的相位调光方法，在调光时，调光结束后，调光器的导通角维持在一个相对高的水平，从而解决了因导通角减小造成的谐波污染加重和功率因数降低的问题。

附图说明

图1是应用现有技术的交流照明系统的结构图；

图2是应用现有技术的交流照明系统中主要电参数的波形图；

图3是应用现有技术的交流照明系统中总谐波失真与导通角的关系图3(a)和功率因数与导通角的关系图3(b)；

图4是应用本发明提出的应用于交流照明系统的相位调光方法的交流照明系统的结构图；

图5是应用本发明提出的应用于交流照明系统的相位调光方法的交流照明系统中主要电参数的波形图；

图6是本发明实施例中的相位调光器和其它部件连接的结构图；

图7是本发明实施例中调光结束前后施加在灯具两端电压的实测波形图；

图8是本发明实施例中灯具的控制电路原理图；

图9是本发明实施例中导通角缓存单元的结构图9(a)和工作流程图9(b)；

图10是本发明实施例中主要电参数的波形图；

图11是本发明实施例中调光结束前后实测的系统电压和系统电流的波形图；

图12是本发明提出的应用于交流照明系统的相位调光方法的流程示意图。

具体实施方式

下面结合具体的实施例对本发明做进一步的详细说明，所述是对本发明的解释而不是限定。

本发明一种应用于交流照明系统的相位调光方法，系统由相互串联的电源开关、相位调光器和灯具构成，其中相位调光器的导通角受调光结束信号和调光信号共同控制，灯具包括控制电路和光源，如图4所示。

该应用于交流照明系统的相位调光方法，是通过调节相位调光器的导通角来调节光源的亮度，的调节范围是其中调光结束后，相位调光器的导通角切换到光源的亮度维持在调光结束前的水平。系统电压的波形如图5(a)所示，调光结束前后，施加在灯具两端的电压v_LAMP的波形如图5(b)所示，流过灯具的电流i_LAMP的波形如图5(c)所示。

具体的，参见图12，所述的应用于交流照明系统的相位调光方法，包括以下步骤：

a)闭合电源开关K1，相位调光器检测输入的调光结束信号；

b)若输入的调光结束信号无效，表示正在调光，根据调光信号调节相位调光器的导通角 的调节范围是其中

c)若调光结束信号有效，表示调光结束，相位调光器的导通角切换到

d)灯具中的控制电路每半周期测量相位调光器的导通角

e)灯具中的控制电路比较实测的值与值，若则调光结束信号无效，保存并更新测得的值；

f)若则调光结束信号有效，不保存测得的值；

g)灯具中的控制电路根据其保存的值，设定流过光源的平均电流i_L，从而设定光源的亮度。

具体的，参见图6，所述的相位调光器的硬件结构如下：开关K3与作为电流开关的双向晶闸管T1并联接在输入端和输出端之间。可变电阻VR1、电阻R1、电容C1构成RC充电回路，接在输入端和输出端之间。电容C1的端电压通过双向触发二极管D1接到双向晶闸管T1的控制极。

开关K3断开，表示调光结束信号无效，正在调光。此时，相位调光器的导通角由调光信号，即可变电阻VR1的值控制。具体过程为：在正弦交流电压过零后，RC充电回路启动，电容C1的端电压开始上升。到某一时刻，电容C1的端电压上升到双向触发二极管D1的击穿电压V_BO，D1导通，相当于在双向晶闸管T1的控制极加一触发脉冲，使T1导通。由于晶闸管具有闩锁特性，这一导通过程将维持到半周结束，该导通范围称为导通角通过调光旋钮K2来调节VR1的值，从而改变RC充电回路的时间常数，进而改变触发脉冲施加的时间，最终改变了导通角的大小。

开关K3闭合，表示调光结束信号有效，调光结束。此时，交流电直接通过开关施加在灯具两端，相位调光器的导通角

开关K3闭合前后，即调光结束前后，实测灯具两端电压v_LAMP的波形如图7所示，测试中v_LAMP电压经过10倍衰减。

同时，参见图8，所述灯具的硬件结构如下：灯具包括光源与控制电路，光源是100W白炽灯，控制电路的核心是一片51单片机，型号为AT89S52。

施加在灯具两端的交流电压v_LAMP的波形如图10(a)所示，该电压经过整流后，被转换成脉动直流电压v₁，v₁的波形如图10(b)所示。

v₁经电阻R1、R2分压后，与阈值电压V_TH进行比较。在本实施例中，分压比为10:1，阈值电压V_TH＝2.7V。当v₁＞27V时，比较器(LM393)输出高电平；反之，比较器输出低电平。比较器输出的脉冲信号v₂的波形如图10(c)所示。

单片机对脉冲信号v₂高电平的持续时间T_H进行测量，并将其转换为相位调光器的导通角

单片机通过比较导通角与的大小判定调光是否结束，在本实施例中取当时，判定正在调光；当时，判定调光结束。其中阈值根据系统对总谐波失真、功率因数等指标的要求来确定。值越高，调光结束后，相位调光器的导通角越大，从图3可见，系统的总谐波失真越小，功率因数越高。例如，当时，调光结束后，系统的总谐波失真THD＜0.09，功率因数PF＞0.99。

为了存储调光时输入的导通角，在单片机内建立了一个2个字节的先进先出的缓存区，其结构如图9(a)所示。

单片机对缓冲区的操作流程如图9(b)所示。调光时，单片机对缓冲区内的数据进行更新；调光结束，单片机停止更新缓存区内的信息，并且删除缓存区内最后收到的导通角信息。这样做的目的是清除过渡区产生的无效的导通角信息，如图10(c)中的所示。

当时，控制电路认为正在调光。单片机P1.0口输出低电平，MOS管Q3的控制信号v₃为高电平，Q3恒开。此时，白炽灯消耗的电功率由相位调光器的导通角控制，从而响应调光输入。当相位调光器的导通角为时，光源消耗的功率为

其中，U是正弦波的有效值，R是光源的内阻，是导通角，单位为弧度。

当时，控制电路判定调光结束。单片机1.0口输出频率为50kHz的脉冲宽度调制(PWM)信号，经反向后施加在MOS管的控制极，MOS管处于高速开关状态。施加在MOS管控制极的PWM信号v₃的波形如图10(d)所示。此时，白炽灯消耗的电功率由PWM驱动波形的占空比控制。当PWM信号v₃的占空比为D时，光源消耗的功率为

$p_2=\frac{U^2}{R}\·D$ (式3)

为了保证调光结束后，光源的亮度维持在调光结束前所设定的水平，要求在上述控制状态的切换过程中，光源消耗的平均功率相等，即

p₁＝p₂ (式4)

联立(式2)、(式3)、(式4)，可以得出占空比和导通角的关系为

其中，是在调光时最后输入的，有效的值，如图10(c)中的所示。

调光结束后，MOS管处于高速开关状态，流过光源的电流i₁是高速脉冲电流，其波形如图10(e)所示。为了降低高次谐波电流对电网的影响，在光源前插入了一级缓冲电路，由电阻R3、电感L1和电容C1构成，经缓冲后的电流i₂的波形如图10(f)所示。由于电流i₂是i_LAMP经整流后得到的，所以最终流入灯具的系统电流i_LAMP，也就是系统电流i_AC的波形如图10(g)所示。

调光结束后，实测系统电压v_AC和系统电流i_AC的波形如图11所示，其中CH1为电压v_AC经过10倍衰减后的波形，CH2为电流i_AC流经1Ω电阻，电阻两端电压的波形。从图中可见：在调光结束后，系统电流的波形与系统电压的波形保持一致，为完整的正弦波。实测结果表明：在调光结束后，系统的功率因数PF＞0.9。

本发明中，通过调节相位调光器的导通角来调节光源的亮度，的调节范围是其中调光结束后，相位调光器的导通角切换到维持在一个相对高的水平，从而解决了因导通角减小造成的谐波污染加重和功率因数降低的问题。

以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征以及本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的事实说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的趋利要求书及其等效物界定。

Claims (1)

1.一种应用于交流照明系统的相位调光方法，系统由相互串联的电源开关、相位调光器和灯具构成，其中相位调光器的导通角受调光结束信号和调光信号共同控制，灯具包括控制电路和光源，所述应用于交流照明系统的相位调光方法，其特征在于：通过调节相位调光器的导通角来调节光源的亮度，的调节范围是其中调光结束后，相位调光器的导通角切换到光源的亮度维持在调光结束前的水平；包括以下步骤：

a)闭合电源开关K1，相位调光器检测输入的调光结束信号；

b)若输入的调光结束信号无效，表示正在调光，根据调光信号调节相位调光器的导通角的调节范围是其中若调光结束信号有效，表示调光结束，相位调光器的导通角切换到

c)灯具中的控制电路每半周期测量相位调光器的导通角

d)灯具中的控制电路比较实测的值与值，若则调光结束信号无效，保存并更新测得的值，若则调光结束信号有效，不保存测得的值；

e)灯具中的控制电路根据其保存的值，设定流过光源的平均电流i_L，从而设定光源的亮度。