TWI577234B

TWI577234B - An adjustable lighting fixture

Info

Publication number: TWI577234B
Application number: TW103133674A
Authority: TW
Inventors: Hu Yu Jie Chang
Original assignee: Hu Yu Jie Chang
Priority date: 2014-09-29
Filing date: 2014-09-29
Publication date: 2017-04-01
Also published as: TW201613418A; US20160095176A1; CN106211498A; CN106211498B; US9398652B2

Description

一種可調式發光色彩的照明裝置

本發明為有關一種可調式發光色彩的照明裝置，尤指一種利用燈具電源開關控制可調式發光色彩的照明裝置。

習知的LED彩光燈的色彩控制是通過操作外部控制器，設定彩光色彩的輸出，例如：彩光燈在設定任意色彩時，每一次的設定，都需要使用控制器，傳送訊號到燈體內的電路，改變LED彩光燈輸出的色彩。運用這樣的方法，設定任意彩色光的輸出。

上述例中的控制方式，彩光燈必需要在正常供電的狀態下，通過訊號傳輸網路控制，才可以設定輸出任意彩色光，其控制系統及操作方式，都比通用LED照明燈複雜，此因此衍生出下列一些問題。

需要有特殊控制開關，而不能與日光燈白熱燈等燈具共用電源開關。

需要特殊控制器材，例如遙控器，個人電腦，手機等等。

使用手機或個人電腦控制者，還需要安裝軟體，對電腦或智慧型手機操作不熟悉的人而言，其操作性也不具備普遍性。

需要做燈具連線控制，無論是通過無線或有線網路控制燈具，都需要增加設備成本，而通過有線網路控制者，又增加了配線施工成本。

本發明是一種可調式發光色彩的照明裝置，平時可以做為日常照明用，需要改變室內照明色彩氣氛時，也可以是一個調色的彩光燈，組合數種發光功能，僅通過”燈具電源開關”的操作，這樣一個簡單方式，就能夠設定出任意色彩的彩色光，還可以避免去爬屋頂切換燈開關，或是找遙控器，找手機，開電腦等種種不便利。

當”燈具電源開關”在關斷狀態時，電源中斷，當”燈具電源開關”開啟時，電源供電，使用人通過控制斷電到通電的間隔時間，去控制燈具的工作模式，這是一種人工操作方式，電源關斷時間很長且關斷時間不定，如何在電源開啟後，去判斷電源中斷時間多久是一個難題，如何識別使用人的操作，執行正確的工作項目，是另一個難題，這兩者都需要有智慧型的特殊設計。這就需要一種”智慧型調色燈”，具備人工智能，能夠識別外部電源的操作，並執行出正確工作模式，運用微處理器做為電路核心，除建立了人工智能，還提供了三大控制功能，1.控制色彩輸出狀態，2.識別外部電源狀態，選擇工作模式，3.直接驅動功率元器件，執行電源轉換功能。

微處理器驅動電源轉換：運用微處理器做為電源轉換控制核心，通過直接驅動功率元器件，執行電源轉換功能。這種控制方式有很多優點，1.由於省卻了專用於電源轉換的集成電子電路，因此電路簡化了，成本降低了，零件減少了，電路板也比較容易塞入狹小的燈體空間，2.微處理器實施直接驅動方式，相比自激驅動電源，在性能上有所提高，3.通過軟體控制可以在同一個驅動載體中執行多種控制功能，因此運用上可以很靈活。4.可以直接通過數位介面與外部連線。

自激電源電路：自激電源電路是利用電晶體，變壓器，電阻，電容，組成的電源轉換電路，利用自激反饋達成電源轉換功能，在自激電源電路中，引出兩個微處理器控制點，一是反饋中斷點，微處理器在這個點上做第一個連接，當微處理器端口實施高阻抗時，不影響反饋訊號，當微處理器實施拉高(Pull high)或拉低(Pull low)的動作時，將中斷自激反饋，進而中斷自激電源電路運行，二是驅動輸入點，微處理器在這個點上做第二個連接，當自激電源電路停止運作後，微處理器由這個點輸出0V~5V的驅動訊號(PWM)，取代自激電源電路反饋訊號直接驅動功率元器件，執行電源轉換功能。當電源開啟後，自激電源電路將自動運行，直到輸出電能啟動微處理後，微處理器通過上述兩個控制點，先中斷自激反饋，再輸出驅動訊號，執行電源轉換功能。

燈具電源開關操作識別方法：排除任何電子操作設備，僅用人工以手動方式來操作燈具電源開關，並以開通電源以及關斷電源的方式來表達使用人的”操作指令”，其中識別使用人的操作指令，主要方法是通過自電源中斷到開啟的這段”間隔時間”與”識別時間”的比較，如果從斷電到開啟這段間隔時間小於識別時間，微處理器則執行”切換功能”，若間隔時間大於識別時間，微處理器則執行”初始設定”功能。微處理器執行”切換功能”的方法：首先微處理器在正常供電時，每當工作參數發生一次改變，微處理器立即將工作參數訊息，存入暫存記憶體，當外部電源發生中斷時，微處理器偵測到電源中斷後，就在暫存記憶體儲存下一個工作模式的標記，當供電恢復以後，微處理器依照暫存記憶體存放的工作模式標記資訊以及工作參數，執行下一個工作項目。

微處理器執行”初始設定”的方法：微處理器將”工作參數”及”工作模式”設定於初始狀態(Default)，也就是“白色光”工作模式。例如，本發明的照明裝置在執行”漸變彩光”輸出時，紅，藍，綠，三個色彩的亮度是不斷的在變動，因此三個色彩的亮度資料每變動一次，就記錄一次，當電源發生關斷再開通時，如果從斷電到開啟這段間隔時間小於識別時間，微處理器將依照”選色彩光”的工作標記，以及暫存記憶體存放的三個色彩亮度資料，做固定彩色光的輸出，如果從斷電到開啟這段間隔時間大於識別時間，微處理器將重新設定工作模式於，初始狀態的“白色光”工作模式。

所謂”識別時間”，具體有下列三種方法可以實施。

A：大電容釋放存儲電能方式，由於微處理器的記憶體，是一種暫時的記憶體(RAM)，當電源中斷以後，如果沒有足夠電能維持微處理器運作時，存儲的資料都將消失，一旦存儲資料消失，再度開啟電源後，微處理器將重新設定於初始工作模式，這就是所謂”初始設定”。由於微處理器是一種低耗能元件，當外部電源中斷後，由電容釋放儲存電能並供應至微處理器以維持運行，直到電源再度開啟時，這段期間暫存記憶體仍保持了資料的記錄，當電源再度開啟後，微處理器依照暫存記憶體存放的工作模式標記以及工作參數，執行下一個工作項目，這就是”功能切換”，而自電容器電能開始釋放後直到微處理器停止工作的這段時間，可視為”識別時間”。

B：使用電池供應微處理器電源，電池不受外部電源中斷影響，因此微處理器可在斷電期間可通過電池供電而持續運作，暫存記憶體資料保存不受影響，微處理器通過對電源變化的連續監測，因此可以判斷出，如果自電源中斷到電源開啟的這段”間隔時間”大於”識別時間”，微處理器將執行”初始設定”，如相反，則執行”切換功能”，所謂的”識別時間”則是微處理器通過內存所設定的時間。

C：資料存入唯讀記憶體方式，唯獨記憶體(Flash ROM，EEPROM)存入資料後，資料保存不受外部電源中斷影響，阻容時間常數電路(10)儲存的電能在斷電後就開始釋放，當電源恢復後，微處理器自記憶體取出資料，再通過檢測阻容時間常數電路(10)的剩餘電壓，如果仍在可偵測範圍內，就可以判斷電源關斷到開啟的”間隔時間”小於”識別時間”，阻容時間常數電路(10)的”時間常數”就是”識別時間。

調色方法：在一般家庭應用環境，白光LED燈可以提供照明，彩色光可以調節居家照明氣氛，“調色”可以使用調整的方式去選擇喜愛燈光顏色，由於只通過燈具電源開關進行調色，則要使用非常特殊的方法，先要讓燈能產生各種顏色的彩色光，然後再從中挑選一個顏色做固定輸出，這個挑選彩光色方法，則是通過操作燈具電源開關做關斷再開啟的動作來完成選擇，例如：操作人觀察漸變彩光的變化，當出現所希望固定下來的欲選光色時，做出切換功能操作，調色燈將呈現出關斷電源當下色彩的光線。當調色燈與居家照明燈混用，由於居家照明燈最常用的是白色光，因此調色燈也要能發出”白色光”，這樣與居家照明燈混用時才不會顯得突兀，因此避免斷電後再急開電源時，同時出現白色光以及彩色光的情形。

(1)‧‧‧整流電路

(2)‧‧‧自激電源電路

(3)‧‧‧穩壓電路

(4)‧‧‧輸入電壓檢測電路

(5)‧‧‧微處理器

(6)‧‧‧發光單元

(7)、(8)、(9)‧‧‧恆流電子開關

(10)‧‧‧阻容時間常數電路

(11)‧‧‧唯讀記憶體

(R1)~(R5)、(R7)~(R10)、(RA)、(RB)、(RC)‧‧‧電阻

(C1)、(C2)‧‧‧電容

(C3)‧‧‧檢測電容

(Q1)~(Q3)、(QA)、(QB)、(QC)‧‧‧開關

(D1)、(D2)‧‧‧二極體

(T1)‧‧‧變壓器

(N2)‧‧‧繞組

圖一，為本發明發光裝置的一個實施例的電路圖。

圖二，本發明第二實施例，利用電池儲能方式判斷識別時間的電路圖。

圖三，本發明第三實施例，利用唯讀記憶體及阻容時間常數電路方式判斷識別時間的電路圖。

圖四，為本發明恆流電子開關的電路圖。

圖五，為本發明調色操作步驟流程圖。

圖六，為本發明三原色亮度變化圖。

以下結合附圖對本發明的具體實施方式與工作原理作進一步說明。

如圖一所示，是本發明發光裝置的一個實施例的電路圖，電路分成9個區塊，以下是每個區塊的原理及功能的說明。標示(1)的區塊是整流電路，是由多個二極體與電容並聯組合的電路，功能是將外部輸入的交流市電整流成高壓直流電(VB)。標示(2)的區塊是自激電源電路，當高壓直流電輸入時，高壓電流通過電阻(R4)到開關(Q1)的閘極，令開關(Q1)因閘電位上升而導通，導通的電流由高壓直流電(VB)通過變壓器(T1)而對變壓器(T1)儲能，再通過電阻(R5)到接地端，當電流經過電阻(R5)時，產生與電流成正比的電壓(電流x電阻=電壓)，當這個電壓足夠高時，通過電阻(R9)以令開關(Q3)導通，截斷了開關(Q1)導通電流，這個變化令變壓器(T1)開始釋放電能，繞組(N2)釋放的電能經二極體(D1)到輸出端的電容(C1)，並產生輸出電壓(VO)，繞組(N3)釋放反饋電壓，經電阻(R1)、(R2)反饋至開關(Q3)的基極，使開關(Q3)進入深度導通，直到變壓器(T1)儲能完全釋放後，繞組(N3)反饋電壓消失，開關(Q3)截止開關(Q1)再導通，反復循環而轉換輸出電壓(VO)。標示(3)的區塊是穩壓電路，通過穩壓電路可以提供微處理器(5)工作穩定電壓。標示(4)的區塊是輸入電壓檢測電路，通過電阻(R7)、(R8)的分壓後，與微處理器(5)的端口(C)連接，當外部電源中斷時，微處理器(5)可通過端口(C)偵測到高壓直流電(VB)的變化。標示(5)的區塊是微處理器，標示A、B、C、D、E、F以及VCC端口分別與各個電路連接並執行各不相同的功能，另外，端口(VCC)與電容(C2)連接，當外部電源中斷後，電容(C2)釋出的電能可提供微處理器(5)持續運作。標示(6)的區塊是發光單元，由三原色紅色，藍色，綠色(R，B，G)多顆發光二極體(LED)串聯而成，且是主要發光元件。標示(7)、(8)、(9)是恆流電子開關，是一種受控制的電子開關電子電路，當受控制關斷時電流量為零，當受控制導通時可以自動限制導通電流量在一固定規格範圍內的電子電路。如圖四所示，恆流輸入端口與LED陰極連接，當LED陽極電壓足夠高時，端口(VCC)的電壓通過電阻(RB)以令開關(QB)導通而點亮LED，當導通電流經電阻(RA)時產生反饋電壓，並經電阻(RC)令開關(QA)導通，使開關(QB)導通電流量減少，因此LED的電流量將因反饋而穩定在一固定值，當由控制端口(k)輸入高電位時，開關(QA)進入深度導通而開關(QB)截流，且恆流電子開關(7)、(8)、(9)將進入關斷狀態，目前市場上也有多種類似功能的集成電路產品。

微處理器自激起動原理說明，續如圖一所示，自激電源電路工作原理已經在標示(2)中說明，由於微處理器(5)的端口(A)與自激電源電路(2)的電阻(R1)、(R2)連接，當端口(A)設定於高阻抗狀態時，不影響自激電源電路(2)運行，當端口(A)設定於輸出低電位狀態時，將會中斷自激電源電路(2)的反饋，中斷自激電路運行。微處理器(5)的端口(B)通過電阻(R3)與開關(Q3)的基極連接，當微處理器(5)輸出低電位(0V)時，開關(Q2)、(Q1)導通，變壓器(T1)開始儲能，當微處理器輸出高電位(5V)時，開關(Q3)導通，開關(Q2)、(Q1)截止，變壓器(T1)釋放電能並通過二極體(D1)提供輸出電壓(VO)至輸出端。這說明微處理器(5)可通過端口(B)對高功率元器件的控制，執行電源轉換功能。

當外部電源開始供電後，交流市電經過整流電路(1)而輸出高壓直流電(VB)，自激電源電路(2)在高壓直流電(VB)足夠高時，開始電源轉換運作，在輸出端開始輸出電能，並通過穩壓電路(3)提供微處理器(5)的工作電壓，當電壓足夠高時，微處理器(5)開始起動運行。當微處理器(5)進入穩態運行後，在端口(A)輸出低電位，中斷自激電源電路(2)的運行後，通過端口(B)輸出連續變化的高低電位訊號，持續控制開關(Q1)以保持輸出電壓(VO)的電位穩定，執行電源轉換功能。

微處理器執行電源轉換功能：微處理器(5)的端口(B)輸出脈衝寬度調變(PWM)訊號做驅動控制，這是一種它激式驅動方式，週期固定，調整脈衝占空比，做為控制輸出的方式，對比自激電源的效率、功率因數及性能都有所提升。效率方面是因為自激式的開關(Q1)，雖然同樣是通過開關(Q3)轉態後再改變開關(Q1)狀態，所不同的是微處理器(5)輸出的是一快速變化的電壓電流，直接令開關(Q3)、(Q1)深度轉態，而自激電源反饋方式則是一種逐漸上升的電壓電流通過開關(Q3)工作截止點以後，令開關(Q1)產生小幅度轉態再經變壓器反饋並加速轉態，兩者之間反饋驅動開關(Q1)時間比較長，這將導致開關(Q1)電流變化率(di/dt)比較小，交換損失比較大以及效率比較低。功率因數方面：當輸入電壓與輸入電流比成純電阻性負載時，功率因數=1，由於R=V/I，因此當R為一定值時，I與V的關係同樣為一定值，微處理器(5)通過輸入電壓檢測電路(4)偵測輸入電壓的變化，並依據這個檢測，調整輸出對應的脈衝寬度，也因此可獲得功率因數的改善。

LED調色控制：發光單元(6)與恆流電子開關(7)、(8)、(9)連接，微處理器(5)輸出脈衝寬度調變(PWM)訊號以控制恆流電子開關(7)、(8)、(9)的開跟關，改變通電的時間比例就能改變LED的亮度，例如LED燈光通電時間為50%，就可以控制LED讓它只有50%的亮度，如果把通電時間比例改為25%，就可以控制LED讓它只有25%的亮度。微處理器(5)通過端口(D)、(E)、(F)分別與三個恆流電子開關(7)、(8)、(9)的控制端口(k)連接，微處理器(5)分別在端口(D)、(E)、(F)輸出不同通電時間比例的控制訊號，令三種顏色LED燈分別輸出三種亮度以及三種顏色，將這三種不同亮度的彩色光，再加以混合就可以產生各種顏色的彩光，再對端口(D)、(E)、(F)的控制比例做變化，理論上可以產生數百種彩光，同樣也能產生白色光，照明裝置利用這原理，發出各種顏色彩光以及白色光。

本發明第一實施例，利用電容器儲能方式判斷”識別時間”，續如圖一所示，當外部電源中斷後任何電子器件都不能正常工作，這也是諸多調色燈產品遇到的困難之處，因此各種調色燈的控制方式，都是在不中斷外部電源的條件下進行，本發明反其道而行，是在外部電源中斷後進行下一功能之設定，本發明利用了電容(C2)儲能與放電作用，當外部電源中斷時，藉由電容(C2)放電維持了微處理器(5)短暫時間的運行，這段時間為”識別時間”，當微處理器(5)通過輸入電壓檢測電路(4)偵測到整流電路(1)輸出的高壓直流電(VB)快速降低後，微處理器(5)設定了下一個工作模式，並利用暫存記憶體(RAM)記錄了，下一個工作參數，如果電容(C2)釋放電能仍可以維持微處理器(5)的運作直到外部電源恢復供電，微處理器(5)將依據存儲於暫存記憶體(RAM)的記錄與設定並切換到下一工作模式，如果因等待時間過長而超過了”識別時間”，電容(C2)的電能將釋放殆盡，使微處理器(5)斷電並停止工作，同時所有設定與記錄自然消失，當電源恢復後，微處理器(5)則執行初始設定的工作參數，通常狀況下是發出白色光。

本發明第二實施例，利用電池儲能方式判斷”識別時間”，如圖二所示，電容(C2)被電池(B1)所取代，當外部電源中斷後由電池(B1)提供微處理器(5)電能，微處理器(5)的運行不受電源中斷影響，因此”識別時間”是通過內存所設定的時間參數，當微處理器(5)在通過輸入電壓檢測電路(4)偵測到整流電路(1)輸出的高壓直流電快速降低後，微處理器(5)記錄了下一個工作參數，並開始計數斷電間隔時間，直到供電恢復正常後，檢查所設定的”識別時間”，再比對斷電到恢復供電的間隔時間，當”識別時間”小於間隔時間，執行”初始設定”工作參數，當”識別時間”大於間隔時間，則執行下一功能工作參數。

本發明第三實施例，利用唯讀記憶體(11)及阻容時間常數電路(10)方式判斷”識別時間”，如圖三所示，在外部供電工作狀態下微處理器(5)通過端口(G)經二極體(D2)向檢測電容(C3)充電，當外部電源中斷後，微處理器(5)的端口(G)呈現低電位，檢測電容(C3)通過電阻(R10)與端口(G)的內阻放電，同時檢測電容(C3)兩端電壓也呈現出線性下降，當電壓下降至37%時所需要的時間，等於檢測電容(C3)的電容量乘以(電阻(R10)+端口(G)的內阻)，這也稱為”阻容時間常數”，當供電恢復以後，端口(G)將被設定為高輸入阻抗的輸入狀態，微處理器(5)的端口(G)呈現檢測電容(C3)的電位，微處理器(5)可通過端口(G)讀取檢測電容(C3)的電位數值。由於唯獨記憶體(11)存入資料後，資料保存不受外部電源中斷影響，因此當電源恢復後，微處理器(5)可自唯讀記憶體(11)取出資料，再通過偵測檢測電容(C3)的剩餘電壓，如果仍在可偵測範圍內，就可以判斷電源關斷到開啟的”間隔時間”小於”識別時間”，阻容時間常數電路(10)的”阻容時間常數”就是”識別時間。

如圖五所示，為本發調色操作步驟流程圖。步驟(1)為無光，為初始狀態或電源關斷時燈熄滅後所呈現出的狀態。電源操作步驟(2)、(4)、(6)、(8)是指操控”燈具電源開關”控制電源的動作，除了步驟(2)只是操作開與關的動作外，其他步驟(4)、(6)、(8)都是做斷電後再開啟電源的動作，這個操作動作有三個結果，分別為電源開啟、電源關斷及切換功能。其中，電源開啟為電源關斷後超過”識別時間”以後再開啟電源，電源關斷為電源關斷後不再開啟電源，切換功能為電源關斷後在”識別時間”結束前，再次開啟電源。步驟(5)為漸變彩色光，為了要豐富選色範圍，包括將，紅色光(R)，藍色光(B)，綠色光(G)，分成100個以上的亮度比例並交互混合以呈現出逐漸變化之彩色光線，例如淡紅=>深紅=>淡紫=>淺藍=>深藍=>青=> 淡綠=>深綠=>黃=>淡紅等循環變化的彩色光輸出，三原色亮度變化如圖六。步驟(7)為選色彩色光，自漸變彩色光中選擇斷電當下的色彩，並固定彩色光。例如，調色執行到漸變彩色光的步驟(5)時，在輸出紅、藍及綠三色燈光通電時間比例，分別是，紅色50%，藍色50%，綠色100%，隔0.1秒後，三色燈光通電比例自動變更為，紅色49%，藍色51%，綠色99%，這時微處理器(5)偵測到外部電源中斷，微處理器(5)將紅49%，藍51%，綠99%資料存入暫存記憶體，同時將工作標示”漸變彩色光”變更為”選色彩色光”後一併存入暫存記憶體，當電源供電正常後，微處理器(5)由暫存記憶體中取出標示為”選色彩色光”的工作標示，以及紅49%，藍51%，綠99%的三種色彩通電比例資料，並依據資料輸出，紅49%，藍51%，綠99%的三色通電時間比例，做固定色彩的輸出，從外部看”選色彩色光”所選擇彩光色彩，就是斷電當下的彩色光。步驟(3)、(8)為白色光，由紅、藍及綠三種色彩的光線以等比例的光階投射到燈罩上三原色彩光在燈罩上混合而呈現出白色光效。

調色操作步驟流程圖的說明，如圖五所示，無光(1)是初始狀態，首次電源操作(2)開啟電源後，令LED燈進入白色光(3)輸出模式，執行電源操作(4)如果是切換功能，光效輸出模式就進入漸變彩色光(5)輸出模式，執行電源操作(6)如果是切換功能，光效輸出模式就進入選色彩色光(7)輸出模式，亦即，發光單元顯示並固定為欲選光色，執行電源操作(8)不論是否是切換功能光效輸出模式都將進入白色光(8)輸出模式。上述流程中，每一次電源操作如果只是斷電，則將回到無光(1)的初始狀態，如果不是切換功能，而是電源開啟則LED燈都將工作於白色光(8)輸出模式。