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运用温度监控 智能型LED灯安全性提升

作者:时间:2011-10-10来源:网络收藏

  对传统灯丝型灯泡而言,由灯丝产生的热温被适当隔离,不会因直接接触而进行传导。就照明灯具而言,是光源,产生的热,直接接触到LED灯泡而产生热传导。直接接触是因LED须装到驱动电路,为移除热度,须透过散热或热管理来将热温从LED与驱动电路上排散出去。热管理或散热是必要的工作,如此才能让灯具持续运作数个小时。

  举例来说,将一般灯座上的灯具换成LED灯,例如壁灯或嵌入式吸顶灯,此灯具由一个墙壁上的开关来控制。这种应用的散热效率不理想,因为大多数标准灯具所发出的热,是透过热对流或气流来排散灯具所发出的热温,而壁灯或嵌入式吸顶灯原本的散热机制是针对一般灯泡所设计。

  若没有足够的热管理可能导致必须更换故障的LED灯,甚至是整栋建筑物着火的严重灾难。运用智能型LED灯光控制技术来监视LED灯具的温度,能让热管理的工作大幅简化,同时因温度上升时灯具会降低其功率,LED灯具也会更安全。

  NTC监视温度 维持LED灯安全

  NTC电路的目的,是藉由监视LED灯具温度来提升LED灯具的安全性,并降低设计的复杂度。温度上升时,控制器会降低亮度,让LED灯维持在安全范围。也就是说,当温度上升时就降低亮度,温度下降时则提高亮度。

  为量测LED灯具的温度变化,可量测随着NTC改变的电压,测得电压与NTC的温度间有直接关系,当NTC及周围电路的温度上升时,NTC的电阻会降低,有两种基本方法可透过NTC来测出温度。 第一种方法是把NTC当成电压分压电路,系统连上一个已知的电压,然后量测NTC节点的电压。当NTC温度提高时,电阻会下降。电阻下降会导致电压-分压比产生变化,NTC节点的电压也会随着温度上升而下降。

  第二种方法是强制一个已知电流经过NTC,然后量测NTC的电压。当NTC的温度提高时,电阻会下降。根据奥姆定律,下降的电阻会造成NTC节点电压产生变化。当电阻下降且电流维持不变时,NTC节点的电压也会下降。

  利用这两种方法来监视LED灯具的温度,既简单且容易实作,藉此可改进运作效率与安全性。图1显示两种方法,利用LED灯作为提高温度的热源。


运用温度监控 智能型LED灯安全性提升
图1 两种监视LED灯具温度的方法。

  判别温度过高/LED灯故障 指示器有妙招

  当LED灯的亮度降低时,必须确知LED灯的输出亮度下降,究竟是因为温度过高还是LED灯故障,可运用一个指示器反映亮度下滑的状况来解决这个问题(图2)。


  在这个系统中,亮度下降指示器是一个低功耗的红光LED灯。当运作中的系统达到最高亮度输出时,红光LED灯会关闭。LED灯的温度上升时,输出亮度会降低,当输出亮度下降时,红光LED灯即开启。输出亮度持续下降,红光LED灯的强度则会相对提高,当输出亮度下降到最低的强度值,红光LED灯就会开至最大亮度。

  当亮度在最低强度且LED灯温度维持高档,红光LED灯可当成警报装置,以指示系统内发生严重问题。在警报模式中,红光LED灯会持续开启-关闭-开启-关闭,而白光LED灯则维持关闭。

  图3显示一个原生LED驱动器及LED控制器,连结一个NTC与上述提及的警报指示。原生LED灯内含一个LED驱动器,用来提供经过LED灯的电流。驱动器本身无法依据温度来降低亮度,其所提供的任何温度监视功能仅能用来保护自己,当温度过高时会完全关闭。

运用温度监控 智能型LED灯安全性提升

图3 连结NTC与警报指示的原生LED驱动器及LED控制器

  LED控制器内含原生型LED驱动器的所有控制功能,并加入智能判断机制,开发出额外的智能功能,如温度监视器、通讯及调光控制等。图中的LED控制器内含多个基本模块与标示为蓝色底的组件,红色组件对基本运作而言是非必要的,但为配合讨论本文的NTC与警报功能,故亦列出。

  在基本LED灯中加入一个NTC,当温度达到默认上限时,可在控制的次序下关闭灯光。LED控制器右侧的两个标示为红色组件--电阻与NTC,在NTC的运作中以第一种方法进行设定。控制器向电阻组件提供精准的电压,NTC节点的电压由控制器进行量测,然后转换成相对系统温度值。

  警报组件在LED灯指示温度正在上升,或已升至一定的上限时,安全机制会指示该灯关闭。LED控制器左侧的两个红色组件--电阻与LED,设定成基本的指示器LED组态。LED的亮度是由一个脉冲调变(PWM)讯号加以控制,当PWM工作周期提高时,LED灯的亮度亦会随之提高。


图2 运用指示器反映亮度下滑状况,以判别是温度过高还是LED灯故障。

  上述的智能型LED灯当显示“警示”时,作用就像另一个LED灯号。智能型LED灯可利用许多种类的通讯接口,LED“警示”仅是其中之一。其他通讯接口包括电力线通讯(PLC)、数字多任务(DMX)及数字可寻址灯光接口(DALI)等。

  温度决定LED灯亮度

  图4显示一个简单算法,用来监视LED灯的温度,以及当温度处在安全范围时,将亮度调至一个特定值。流程图中最上方的区块“开启电源–启动系统(Power On–Initialize The System)”,是微控制器启动的区块。当所有开关被打开时,电源会导至LED灯,这个区块会设定LED灯的基本运作、亮度输出与温度量测等功能。

运用温度监控 智能型LED灯安全性提升
图4 监视LED灯温度的简单算法

  “灯光是否开启”区块负责测试灯光是否被关闭,方法是根据一个过温条件来判断。测试过程包括判断开启的灯光是否正进行简单位测试。若已设定灯光位,灯光也已开启,且尚未设定灯光位,则可判断灯光处在关闭状态。当首次导通电源,预设状态下灯光会开启,位也会被设定。

  “警示”控制区块,当达到温度超高状态时,该区块负责控制“开启-关闭-开启-关闭”程序,且控制器会关闭LED灯。下个“灯光是否开启”区块则会再次启动测试程序,要离开警示状态的唯一方法,就是使用墙壁开关切断电源,然后再次开启电源。

  下个区块“量测温度”,负责量测NTC节点的电压。由于NTC通常会随着温度呈现非线性的变化,因此测得温度可与查表中相对应的温度数据进行比对,这个温度值会用在下面两个区块。

  “安全温度”区块负责判断LED灯的温度是否处在安全范围内,若温度已达设定的最大值,系统会关闭灯光;若温度低于允许的最大值,系统会进行测试,分析温度的稳定度。

  “关闭灯光”区块,负责在LED灯温度超出安全范围时关闭灯光。下个区块“灯光是否开启”则负责重新启动测试程序。 “温度改变”区块负责判断从上一次亮度调整后,温度改变的幅度是否足够,以确保灯光输出的上升或下降幅度确实足够;“温度提高”区块则负责判断温度是否已提高或降低,这两个区块是唯一的选择。

  “最大亮度”区块负责判断LED灯是否设定在最大亮度输出值,若亮度输出已达到最大值,“灯光是否

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关键词: LED LED照明 温度监控

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