一种无线供电的自适应LED台灯装置的制作方法

一种无线供电的自适应led台灯装置
技术领域
1.本实用新型涉及led光源照明领域，特别涉及一种无线供电的自适应led台灯装置。


背景技术：

2.led灯具作为新一代的照明光源广泛应用于现代社会各个领域，现有技术中传统的led灯具没有调光功能，不论使用环境的光线明亮与否，led灯具皆为满载输出，这在一定程度上造成了能源浪费；而可调光的led灯具均采用按钮手动调节，发光亮度不能连续自动调节；当突然停电或电源发生故障时，台灯无法正常发光。同时现在的台灯多是直接连接电源使用，台灯的放置范围存在较大的局限性，移动中因电源连线而带来不变。另外，现在的led台灯采用手动接通和断开电源来开灯和关灯，在很多场合给使用者造成不变。因此，有必要设计一种可以感知周围光线亮度进行自动调光、不需供电连线、移动时亮度不变、人来灯亮人离灯灭的无线供电led台灯，以解决上述问题。


技术实现要素：

3.针对背景技术中提出的缺点和不足，本实用新型提出了一种无线供电的自适应led台灯装置，通过集成无线电能发送接收电路、控制电路、检测电路、驱动电流调节电路，实现led台灯不断电无线供电、根据环境光自动调光、移动时亮度不变、人来灯亮人离灯灭，并可适用于不同型号led台灯。
4.本实用新型的上述技术目的是通过以下技术方案得以实现的：一种无线供电的自适应led台灯装置，包括有固定部分和可移动部分；
5.所述的固定部分包括有电源电路及由其供电的主电路，所述的主电路包括有第一亮度检测电路、人体红外监测电路、高频全控逆变电路、第一补偿网络电路、相控电容调整电路和无线电能发射电路；
6.所述的可移动部分包括有与无线电能发射电路构成无线电能传输的无线电能接收线电路以及由其进行供电的第二补偿网络电路、高频桥式整流电路、第二亮度检测电路、led亮度调整电路和led光源电路。
7.进一步设置是：所述的电源电路由工频整流滤波电路、储能单元和电源选取电路构成；
8.所述的工频整流滤波电路由整流二极管d
p1
、整流二极管d
p2
、整流二极管d
p3
、整流二极管d
p4
和滤波电容c1组成，所述的整流二极管d
p1
的正极和整流二极管d
p3
的负极相连，该端同时连接在供电源的一端，供电源的另一端连接在整流二极管d
p2
的正极和整流二极管dp4的负极，所述的整流二极管d
p1
的负极和整流二极管d
p2
的负极相连，所述的整流二极管d
p3
的正极和整流二极管d
p4
的正极相连，所述的滤波电容c1的一端连接在整流二极管d
p2
的负极、另一端连接在整流二极管d
p4
的正极；
9.所述的电源选取电路包括有开关k2和开关k3，所述的开关k2和开关k3均采用单刀
双掷开关，所述的开关k2和开关k3的公共端连接在主电路、第一连接端接在工频整流滤波电路的输出端、第二连接端接在所述的储能单元的两端。
10.进一步设置是：所述的第一亮度检测电路包括有电阻r1和光敏电阻r
gp
，两者相串联后接在主电路的两端；所述的人体红外监测电路包括有电阻r2和人体红外探测器g
r
，两者相串联后接在主电路的两端。
11.进一步设置是：所述的高频全控逆变电路包括有由四个全控电力开关器件构成的桥式dc/ac逆变电路。
12.进一步设置是：所述的第一补偿网络电路、相控电容调整电路和无线电能发射电路由电感l1、补偿电容c
p
和发射线圈l
p
组成，
13.所述的发射线圈l
p
与补偿电容c
p
并联，再与电感l1串联后接在高频全控逆变电路的输出端；
14.所述的补偿电容c
p
由固定电容c
p1
和相控电容并联构成，所述的相控电容由电容c
p2
与两个反向开关管p5和p6串联组成。
15.进一步设置是：所述的无线电能接收线电路和第二补偿网络电路包括有接收线圈l
s
和与其并联的电容c
s
。
16.进一步设置是：所述的高频桥式整流电路由整流二极管d1、整流二极管d2、整流二极管d3、整流二极管d4和滤波电容c2组成，所述的整流二极管d1的正极和整流二极管d3的负极相连，该端同时连接在接收线圈l
s
的一端，接收线圈l
s
的另一端连接在整流二极管d2的正极和整流二极管d4的负极，所述的整流二极管d1的负极和整流二极管d2的负极相连，所述的整流二极管d3的正极和整流二极管d4的正极相连，所述的滤波电容c2的一端连接在整流二极管d2的负极、另一端连接在整流二极管d4的正极。
17.进一步设置是：所述的第二亮度检测电路包括有电阻r
s
和光敏电阻r
gs
，两者相串联后接在滤波电容c2的两端。
18.进一步设置是：所述的led亮度调整电路和led光源电路包括有相连的电力开关管q
s
、led光源和稳流电控器。
19.本实用新型的有益效果：
20.本实用新型提出的一种无线供电的自适应led台灯装置，通过集成无线电能发送接收电路、控制电路、检测电路、驱动电流调节电路，实现led台灯不断电无线供电、根据环境光自动调光、移动时亮度不变、人来灯亮人离灯灭，并可适用于不同型号led台灯。
21.以下结合实施例来进一步的阐述有益效果。
附图说明
22.图1为实施例中固定部分的结构图；
23.图2为实施例中可移动部分的结构图；
24.图3为实施例中固定部分的电路图；
25.图4为实施例中可移动部分的电路图；
26.图5为实施例中补偿电容c
p
的电路图；
27.图6为实施例中固定部分与台灯亮灭自动控制的流程图；
28.图7为实施例中可移动部分与发光亮度自动调整控制的流程图；
29.图8为实施例中相控电容调整电路工作波形图；
30.图9为实施例中相位角与等效电容和谐振角频率之间的关系；
31.图10为实施例中led发光亮度与自动调整参数α关系曲线。
32.图中：11、工频整流滤波电路；12、储能单元；13、电源选取电路；14、第一亮度检测电路；15、人体红外监测电路；16、高频全控逆变电路；17、第一补偿网络电路；18、相控电容调整电路；19、无线电能发射电路；21、无线电能接收线电路；22、第二补偿网络电路；23、高频桥式整流电路；24、第二亮度检测电路；25、led亮度调整电路；26、led光源电路。
具体实施方式
33.以下结合附图对本实用新型作进一步详细说明。
34.如附图1至附图5所示，一种无线供电的自适应led台灯装置，包括有固定部分和可移动部分；
35.固定部分包括有电源电路及由其供电的主电路，主电路包括有第一亮度检测电路14、人体红外监测电路15、高频全控逆变电路16、第一补偿网络电路17、相控电容调整电路18和无线电能发射电路19；
36.可移动部分包括有与无线电能发射电路19构成无线电能传输的无线电能接收线电路21以及由其进行供电的第二补偿网络电路22、高频桥式整流电路23、第二亮度检测电路24、led亮度调整电路25和led光源电路26。
37.其中，电源电路由工频整流滤波电路11、储能单元12和电源选取电路13构成；
38.工频整流滤波电路11由整流二极管d
p1
、整流二极管d
p2
、整流二极管d
p3
、整流二极管d
p4
和滤波电容c1组成，所述的整流二极管d
p1
的正极和整流二极管d
p3
的负极相连，该端同时连接在供电源的一端，供电源的另一端连接在整流二极管d
p2
的正极和整流二极管d
p4
的负极，所述的整流二极管d
p1
的负极和整流二极管d
p2
的负极相连，所述的整流二极管d
p3
的正极和整流二极管d
p4
的正极相连，所述的滤波电容c1的一端连接在整流二极管d
p2
的负极、另一端连接在整流二极管d
p4
的正极；
39.电源选取电路13包括有开关k2和开关k3，开关k2和开关k3均采用单刀双掷开关，开关k2和开关k3的公共端连接在主电路、第一连接端接在工频整流滤波电路11的输出端、第二连接端接在所述的储能单元12的两端。
40.需要说明的是，通过拨动开关k2和开关k3可以实现供电源与储能单元12供电的切换；供电源为外界的交流电。
41.第一亮度检测电路14包括有电阻r1和光敏电阻r
gp
，两者相串联后接在主电路的两端；人体红外监测电路15包括有电阻r2和人体红外探测器g
r
，两者相串联后接在主电路的两端。光敏电阻r
gp
和人体红外探测器g
r
作为市售元件可从市场上直接购买。
42.高频全控逆变电路16包括有由四个全控电力开关器件构成的桥式dc/ac逆变电路。在附图中3中，四个全控电力开关器件分别对应p1、p2、p3和p4。
43.其中，第一补偿网络电路17、相控电容调整电路18和无线电能发射电路19由电感l1、补偿电容c
p
和发射线圈l
p
组成，
44.发射线圈l
p
与补偿电容c
p
并联，再与电感l1串联后接在高频全控逆变电路16的输出端；
45.补偿电容c
p
由固定电容c
p1
和相控电容并联构成，所述的相控电容由电容c
p2
与两个反向开关管p5和p6串联组成。
46.其中，无线电能接收线电路21和第二补偿网络电路22包括有接收线圈l
s
和与其并联的电容c
s
。
47.需要说明的是，在本实施中设置了第一补偿网络电路17和第二补偿网络电路22能提高无线电能传输系统的传输功率和传输效率；第一补偿网络电路17和第二补偿网络电路22均为谐振补偿网络。台灯在正常使用中，当可移动部分远离固定部分位置时，相当于系统的等效负载电阻变得很大，为了保证系统的运行安全，本实施例中固定部分的第一补偿网络电路17采用lcl型结构，而led光源要求恒定电流驱动，可移动部分的第二补偿网络电路22采用p型结构，构成lcl
‑
p型拓扑结构。发射线圈(等效为电感l
p
和较小电阻串联)与补偿电容c
p
并联，再与谐振补偿电感l1串联。接收线圈(等效为电感l
s
和较小电阻串联)与补偿电容c
s
并联组成。lcl
‑
p拓扑结构在谐振状态下，谐振频率为ω时补偿网络的输出电流为i
o
＝mv
s
/(jωl
s
l
p
)，m为发射线圈与接收线圈之间的互感，取决于两者间的位置，表明采用的lcl
‑
p型谐振补偿电路具有恒流输出特性，适合用于led台灯的恒流驱动。但当发射线圈与接收线圈之间距离发射变化时，即移动led光源时，输出电流io变化，本实施采用可控开关管来自动调整驱动电流，保证led光源移动过程中发光亮度不变。
48.其中，高频桥式整流电路23由整流二极管d1、整流二极管d2、整流二极管d3、整流二极管d4和滤波电容c2组成，整流二极管d1的正极和整流二极管d3的负极相连，该端同时连接在接收线圈l
s
的一端，接收线圈l
s
的另一端连接在整流二极管d2的正极和整流二极管d4的负极，整流二极管d1的负极和整流二极管d2的负极相连，整流二极管d3的正极和整流二极管d4的正极相连，滤波电容c2的一端连接在整流二极管d2的负极、另一端连接在整流二极管d4的正极。
49.第二亮度检测电路24包括有电阻r
s
和光敏电阻r
gs
，两者相串联后接在滤波电容c2的两端。
50.其中，led亮度调整电路25和led光源电路26包括有相连的电力开关管q
s
、led光源和稳流电控器；led光源等效于附图4中的电阻r
l
，稳流电控器为附图4中的l2。
51.以下，详细说明本实施例的控制过程：
52.(1)环境光变化时led自动调光控制方法
53.采用光敏电阻r
gs
配合电力开关管q
s
，来实现led发光亮度的自动调整。光敏电阻r
gs
的电阻值随光强增大和温度升高而减小，采用光敏电阻r
gs
(结合温度系数为正的温度补偿电阻)检测环境光亮度，当环境光线暗到一定程度，并且周围有人存在时，台灯亮起，采用电力开关管q
s
的通断控制来控制led的驱动电流，实现根据环境光亮度自动调节led光源的发光强度。电力开关管q
s
为矩形波信号驱动的电力开关器件，当驱动信号为高电平时，电力开关管q
s
导通，led驱动电流为0；当驱动信号为低电平时，电力开关管q
s
截止，led驱动电流最大。由于光敏电阻r
gs
(含温度补偿电阻)的亮电阻为10kω量级，而led等效电阻为0.1kω量级，谐振补偿网络输出电流io与led输入电流i
d
相当，电力开关管q
s
驱动信号的占空比为α，则led驱动电流i
l
＝(1
‑
α)i
d
，改变α就可以调节led驱动电流，实现led亮度调整。光敏电阻rgs检测出环境光亮，与设置的亮度比较，由外接的控制电路产生出开关管驱动信号矩形波，根据环境光的变化自动调整α，调整led的驱动电流，从而实现对led的自动调光。通过测
量光敏电阻r
gs
的流过电流和两端电压，可以得到光敏电阻r
gs
的电阻值r
gs
，从而得到环境光强。环境光强越大，光敏电阻r
gs
值越小。如果电阻值r
gs
大于设定值r
o
，表明环境光亮度低于设定的亮度，如果电阻值r
gs
小于设定值r
o
，表明环境光亮度高于设定的亮度。
54.(2)led光源移动时自动调光的控制方法
55.在台灯系统其它参数不变，仅移动led光源位置时，发射线圈与接收线圈的互感m减小，而移动侧谐振补偿电路输出电流io将减小，可以通过减小电力开关管q
s
的驱动信号占空比α，来增大led的驱动电流i
l
，调整led发光亮度。根据电阻rgs的电阻值，与设定亮度对应的电阻值进行比较，得到电力开关管q
s
驱动信号的占空比α，led发光亮度随光源移动而自动调整，实现led光源移动时使用者获得的总亮度保持不变。为了减小驱动电流的波动，在led上串接一个内阻很小而自感较大的稳流电控器l2，保证自动调光过程中led发光亮度稳定。
56.(3)台灯自动亮灭控制电路与控制方法
57.本自适应台灯采用人体红外探测器g
r
监测电路来实现自动亮灭。如图3所示，人体红外探测器g
r
是热释电红外传感器件，对特定波长的红外线有极强的感应能力。人体辐射的红外线中心波长为9～10μm，热释电红外传感器件顶端的滤光镜片可通过光的波长范围为7～10μm，正好适合于人体红外辐射的探测，而对其他波长的红外线由滤光片予以吸收。感应角度＜100度锥角，感应距离在3m～7m可调。当人走近时，热释电红外传感器件检测到人体辐射的红外光谱时，输出高电平信号，固定部分控制电路控制k1接通，使得灯自动点亮。当人离开，或者环境光足够强的时候，热释电红外传感器件输出低电平，控制开关k1断开，led灯关闭，实现人来灯亮、人走灯灭的功能。
58.(4)led台灯的测量电路与控制过程
59.测量电路包括固定部分的光敏电阻r
gp
电压电流、发射线圈电流、移动部分的光敏电阻r
gs
电压电流、接收线圈电流、led驱动电流等的测量。采用固定部分与移动部分分别控制，避免两部分之间无线通信造成误码和信息延迟。在实现工作频率与发射接收两部分固有谐振频率相等的过程中，先根据接收线圈的电感l
s
和补偿电容c
s
，计算出理论谐振频率ωs，固定部分的高频逆变电路保持输出电压不变而工作频率在ωs附近微调，直到接收线圈测得的电流值最大，即为接收电路的固有谐振频率。此后，保持工作频率不变，调整相控电容，直到发射线圈测得的电流最大，实现两侧补偿电路达到谐振。基于无线供电的电能发送和led的自动亮灭控制过程如图6所示，无线电能的接收、led发光亮度的自动调整控制过程如图7所示。
60.另，附图8为实施例中相控电容调整电路工作波形图；图9为实施例中相位角与等效电容和谐振角频率之间的关系；图10为实施例中led发光亮度与自动调整参数α关系曲线。
61.应用实施例
62.一、台灯固定部分
‑
无线电能发送、环境光亮度检测和台灯自动亮灭控制的实施
63.本实施例中固定部分中的k1采用继电器与手动开关串接而成，光敏电阻r
gp
(包含串接正温度系数热敏电阻进行温度补偿)，逆变桥臂的全控电力开关器件采用mosfet管。使用者走近本台灯时，手动接通市电交流电源开关k1，k1为带手动开关的继电器。市电交流电经过四个电力二极管构成的桥式整流电路和滤波电容c1，得到稳定直流电压。直流输出端
a、a
‵
与电源转换用的开关k2和k3连接。由光敏电阻的端电压/电流得到其电阻值rgp，取不需要点亮led要求的环境光亮度对应的光敏电阻值为r
0p
，如果r
gp
<r
0p
，表明当前环境光足够满足亮度要求，控制电路驱动继电器k1断开。如果r
gp
>r
0p
，表明当前环境光亮度不能满足要求，继电器处于接通。选用四个可控桥臂构成的桥式逆变电路，每个桥臂由mosfet管与二极管反向并联组成。稳定直流电压经过逆变电路，产生高频矩形交流电压，再经过由l1、c
p
和l
p
构成的lcl型拓扑结构的谐振补偿网络，得到高频正弦交流电流，由发射线圈l
p
产生高频电磁场发射出去，为led台灯提供无线电能。
64.工作频率取80khz左右，并满足ω
‑2＝l
p
c
p
＝l
s
c
s
且l1＝l
p
，可调补偿电容c
p
依据工作led台灯移动部分的无线电能接收端的l
s
和c
s
的值，采用相控电容可以调整c
p
满足。
65.选用人体红外探测器g
r
来监控led台灯的亮灭。在led台灯工作过程中，如果使用者离开，人体红外探测器g
r
输出低电平，控制电路驱动继电器k1延迟动作，如果离开时间不超过设定时间，使用者走近时人体红外探测器g
r
输出高电平，ki继续接通。如果离开时间超过设定时间，k1断开，实现人走灯灭。
66.如果led台灯点亮过程中突然停电，或工频交流电出现故障，电源转换开关k2/k3与备用储能直流电源eg的bb
‵
端连接，可以为led台灯提供不间断的无线电能。
67.桥型逆变电路p1
‑
p4产生的交变方波电压经过lcl滤波后，ef两端电压成为峰值为u
ef
的正弦电压u
ef
，也是发射线圈l
p
发射高频电磁场的电压，决定了本专利系统的无线电能传输功率，也是台灯可移动部分能获得的电能决定因素之一(另一决定因素是发射线圈与接收线圈之间的互感程度)。在u
ef
的正半周期，当u
ef
大于某一电压u
dc
时p6关断；而在u
ef
的负半周期，当u
ef
小于
‑
u
dc
时p5关断，根据需要的u
dc
大小，就可以确定控制开关管p5、p6的相位角θ＝sin
‑1(u
dc
/u
ef
)。
68.对不同led台灯装置，对应的l
p
、c
p1
、c
p2
、l
s
和c
s
不同，调整p5和p6的相位角θ，当满足ω
‑2＝l
s
c
s
＝l
p
c
p
＝l
p
c
p1
l
p
c
p2
[1
‑
cosθ (π/2
‑
θ)sinθ]时，实现led台灯无线供电系统的谐振，系统的无线电能传输功率和传输效率得到最大化。相控电容调谐电路工作波形图如图8所示，图中工作频率取80khz。相位角与等效电容和谐振角频率之间的关系曲线入图9所示，图中取c
p1
＝c
p2
，谐振频率ω0对应的谐振电容c
p0
＝1.5c
p1
。
[0069]
二、台灯可移动部分
‑
无线电能接收、台灯自动调光的实施
[0070]
由接收线圈l
s
和电容c
s
并联构成无线电能感应接收电路，得到高频交流感应电压，经过d1‑
d4和c2构成的桥式高频整流滤波电路，得到稳定直流电流。选用光敏电阻传感器r
gs
检测在led开灯情况下的亮度，电力开关管q
s
与稳流电感l2构成电流调整电路，用于调整led的驱动电流i
l
，i
l
＝(1
‑
α)i
d
，改变电力开关管q
s
驱动信号的占空比为α就可以调节led驱动电流，实现led亮度调整。
[0071]
取led台灯点亮时要求总光亮度对应的光敏电阻值为r
0s
，如果r
gs
>r
0s
，表明当前亮度低于要求值，控制电路减小占空比α，驱动电流i
l
增大，led发光亮度增强。如果r
gs
<r
0s
，当前亮度高于要求值，控制电路增大占空比α，驱动电流i
l
减小，led发光亮度减弱。直到r
gs
＝r
0s
，占空比α不变，驱动电流i
l
不变，led发光亮度不变。取人眼适宜的亮度为500lux，不同环境亮度下要求led发光亮度及其对应的驱动信号的占空比α关系如图10所示。由于电力开关管q
s
驱动信号的频率为80khz左右，并串接有稳流电控器，所以在自动调光过程中led不会出现闪烁现象。
[0072]
本具体实施例仅仅是对本实用新型的解释，其并不是对本实用新型的限制，本领域技术人员在阅读完本说明书后可以根据需要对本实施例做出没有创造性贡献的修改，但只要在本实用新型的权利要求范围内都受到专利法的保护。