運(yùn)用溫度監(jiān)控　智能型LED燈安全性提升

　　對(duì)傳統(tǒng)燈絲型燈泡而言，由燈絲產(chǎn)生的熱溫被適當(dāng)隔離，不會(huì)因直接接觸而進(jìn)行傳導(dǎo)。就LED照明燈具而言，LED是光源，LED產(chǎn)生的熱，直接接觸到LED燈泡而產(chǎn)生熱傳導(dǎo)。直接接觸是因LED須裝到驅(qū)動(dòng)電路，為移除熱度，須透過(guò)散熱或熱管理來(lái)將熱溫從LED與驅(qū)動(dòng)電路上排散出去。熱管理或散熱是必要的工作，如此才能讓LED照明燈具持續(xù)運(yùn)作數(shù)個(gè)小時(shí)。

　　舉例來(lái)說(shuō)，將一般燈座上的燈具換成LED燈，例如壁燈或嵌入式吸頂燈，此燈具由一個(gè)墻壁上的開關(guān)來(lái)控制。這種應(yīng)用的散熱效率不理想，因?yàn)榇蠖鄶?shù)標(biāo)準(zhǔn)燈具所發(fā)出的熱，是透過(guò)熱對(duì)流或氣流來(lái)排散燈具所發(fā)出的熱溫，而壁燈或嵌入式吸頂燈原本的散熱機(jī)制是針對(duì)一般燈泡所設(shè)計(jì)。

　　若沒(méi)有足夠的熱管理可能導(dǎo)致必須更換故障的LED燈，甚至是整棟建筑物著火的嚴(yán)重災(zāi)難。運(yùn)用智能型LED燈光控制技術(shù)來(lái)監(jiān)視LED燈具的溫度，能讓熱管理的工作大幅簡(jiǎn)化，同時(shí)因溫度上升時(shí)燈具會(huì)降低其功率，LED燈具也會(huì)更安全。

　　NTC監(jiān)視溫度　維持LED燈安全

　　NTC電路的目的，是藉由監(jiān)視LED燈具溫度來(lái)提升LED燈具的安全性，并降低設(shè)計(jì)的復(fù)雜度。溫度上升時(shí)，控制器會(huì)降低亮度，讓LED燈維持在安全范圍。也就是說(shuō)，當(dāng)溫度上升時(shí)就降低亮度，溫度下降時(shí)則提高亮度。

　　為量測(cè)LED燈具的溫度變化，可量測(cè)隨著NTC改變的電壓，測(cè)得電壓與NTC的溫度間有直接關(guān)系，當(dāng)NTC及周圍電路的溫度上升時(shí)，NTC的電阻會(huì)降低，有兩種基本方法可透過(guò)NTC來(lái)測(cè)出溫度。 第一種方法是把NTC當(dāng)成電壓分壓電路，系統(tǒng)連上一個(gè)已知的電壓，然后量測(cè)NTC節(jié)點(diǎn)的電壓。當(dāng)NTC溫度提高時(shí)，電阻會(huì)下降。電阻下降會(huì)導(dǎo)致電壓-分壓比產(chǎn)生變化，NTC節(jié)點(diǎn)的電壓也會(huì)隨著溫度上升而下降。

　　第二種方法是強(qiáng)制一個(gè)已知電流經(jīng)過(guò)NTC，然后量測(cè)NTC的電壓。當(dāng)NTC的溫度提高時(shí)，電阻會(huì)下降。根據(jù)奧姆定律，下降的電阻會(huì)造成NTC節(jié)點(diǎn)電壓產(chǎn)生變化。當(dāng)電阻下降且電流維持不變時(shí)，NTC節(jié)點(diǎn)的電壓也會(huì)下降。

　　利用這兩種方法來(lái)監(jiān)視LED燈具的溫度，既簡(jiǎn)單且容易實(shí)作，藉此可改進(jìn)運(yùn)作效率與安全性。圖1顯示兩種方法，利用LED燈作為提高溫度的熱源。

圖1 兩種監(jiān)視LED燈具溫度的方法。

　　判別溫度過(guò)高/LED燈故障　指示器有妙招

　　當(dāng)LED燈的亮度降低時(shí)，必須確知LED燈的輸出亮度下降，究竟是因?yàn)闇囟冗^(guò)高還是LED燈故障，可運(yùn)用一個(gè)指示器反映亮度下滑的狀況來(lái)解決這個(gè)問(wèn)題(圖2)。

　　在這個(gè)系統(tǒng)中，亮度下降指示器是一個(gè)低功耗的紅光LED燈。當(dāng)運(yùn)作中的系統(tǒng)達(dá)到最高亮度輸出時(shí)，紅光LED燈會(huì)關(guān)閉。LED燈的溫度上升時(shí)，輸出亮度會(huì)降低，當(dāng)輸出亮度下降時(shí)，紅光LED燈即開啟。輸出亮度持續(xù)下降，紅光LED燈的強(qiáng)度則會(huì)相對(duì)提高，當(dāng)輸出亮度下降到最低的強(qiáng)度值，紅光LED燈就會(huì)開至最大亮度。

　　當(dāng)亮度在最低強(qiáng)度且LED燈溫度維持高檔，紅光LED燈可當(dāng)成警報(bào)裝置，以指示系統(tǒng)內(nèi)發(fā)生嚴(yán)重問(wèn)題。在警報(bào)模式中，紅光LED燈會(huì)持續(xù)開啟-關(guān)閉-開啟-關(guān)閉，而白光LED燈則維持關(guān)閉。

　　圖3顯示一個(gè)原生LED驅(qū)動(dòng)器及LED控制器，連結(jié)一個(gè)NTC與上述提及的警報(bào)指示。原生LED燈內(nèi)含一個(gè)LED驅(qū)動(dòng)器，用來(lái)提供經(jīng)過(guò)LED燈的電流。驅(qū)動(dòng)器本身無(wú)法依據(jù)溫度來(lái)降低亮度，其所提供的任何溫度監(jiān)視功能僅能用來(lái)保護(hù)自己，當(dāng)溫度過(guò)高時(shí)會(huì)完全關(guān)閉。

圖3 連結(jié)NTC與警報(bào)指示的原生LED驅(qū)動(dòng)器及LED控制器

　　LED控制器內(nèi)含原生型LED驅(qū)動(dòng)器的所有控制功能，并加入智能判斷機(jī)制，開發(fā)出額外的智能功能，如溫度監(jiān)視器、通訊及調(diào)光控制等。圖中的LED控制器內(nèi)含多個(gè)基本模塊與標(biāo)示為藍(lán)色底的組件，紅色組件對(duì)基本運(yùn)作而言是非必要的，但為配合討論本文的NTC與警報(bào)功能，故亦列出。

　　在基本LED燈中加入一個(gè)NTC，當(dāng)溫度達(dá)到默認(rèn)上限時(shí)，可在控制的次序下關(guān)閉燈光。LED控制器右側(cè)的兩個(gè)標(biāo)示為紅色組件--電阻與NTC，在NTC的運(yùn)作中以第一種方法進(jìn)行設(shè)定?？刂破飨螂娮杞M件提供精準(zhǔn)的電壓，NTC節(jié)點(diǎn)的電壓由控制器進(jìn)行量測(cè)，然后轉(zhuǎn)換成相對(duì)系統(tǒng)溫度值。

　　警報(bào)組件在LED燈指示溫度正在上升，或已升至一定的上限時(shí)，安全機(jī)制會(huì)指示該燈關(guān)閉。LED控制器左側(cè)的兩個(gè)紅色組件--電阻與LED，設(shè)定成基本的指示器LED組態(tài)。LED的亮度是由一個(gè)脈沖調(diào)變(PWM)訊號(hào)加以控制，當(dāng)PWM工作周期提高時(shí)，LED燈的亮度亦會(huì)隨之提高。

圖2 運(yùn)用指示器反映亮度下滑狀況，以判別是溫度過(guò)高還是LED燈故障。

　　上述的智能型LED燈當(dāng)顯示“警示”時(shí)，作用就像另一個(gè)LED燈號(hào)。智能型LED燈可利用許多種類的通訊接口，LED“警示”僅是其中之一。其他通訊接口包括電力線通訊(PLC)、數(shù)字多任務(wù)(DMX)及數(shù)字可尋址燈光接口(DALI)等。

　　溫度決定LED燈亮度

　　圖4顯示一個(gè)簡(jiǎn)單算法，用來(lái)監(jiān)視LED燈的溫度，以及當(dāng)溫度處在安全范圍時(shí)，將亮度調(diào)至一個(gè)特定值。流程圖中最上方的區(qū)塊“開啟電源–啟動(dòng)系統(tǒng)(Power On–Initialize The System)”，是微控制器啟動(dòng)的區(qū)塊。當(dāng)所有開關(guān)被打開時(shí)，電源會(huì)導(dǎo)至LED燈，這個(gè)區(qū)塊會(huì)設(shè)定LED燈的基本運(yùn)作、亮度輸出與溫度量測(cè)等功能。

圖4 監(jiān)視LED燈溫度的簡(jiǎn)單算法

　　“燈光是否開啟”區(qū)塊負(fù)責(zé)測(cè)試燈光是否被關(guān)閉，方法是根據(jù)一個(gè)過(guò)溫條件來(lái)判斷。測(cè)試過(guò)程包括判斷開啟的燈光是否正進(jìn)行簡(jiǎn)單位測(cè)試。若已設(shè)定燈光位，燈光也已開啟，且尚未設(shè)定燈光位，則可判斷燈光處在關(guān)閉狀態(tài)。當(dāng)首次導(dǎo)通電源，預(yù)設(shè)狀態(tài)下燈光會(huì)開啟，位也會(huì)被設(shè)定。

　　“警示”控制區(qū)塊，當(dāng)達(dá)到溫度超高狀態(tài)時(shí)，該區(qū)塊負(fù)責(zé)控制“開啟-關(guān)閉-開啟-關(guān)閉”程序，且控制器會(huì)關(guān)閉LED燈。下個(gè)“燈光是否開啟”區(qū)塊則會(huì)再次啟動(dòng)測(cè)試程序，要離開警示狀態(tài)的唯一方法，就是使用墻壁開關(guān)切斷電源，然后再次開啟電源。

　　下個(gè)區(qū)塊“量測(cè)溫度”，負(fù)責(zé)量測(cè)NTC節(jié)點(diǎn)的電壓。由于NTC通常會(huì)隨著溫度呈現(xiàn)非線性的變化，因此測(cè)得溫度可與查表中相對(duì)應(yīng)的溫度數(shù)據(jù)進(jìn)行比對(duì)，這個(gè)溫度值會(huì)用在下面兩個(gè)區(qū)塊。

　　“安全溫度”區(qū)塊負(fù)責(zé)判斷LED燈的溫度是否處在安全范圍內(nèi)，若溫度已達(dá)設(shè)定的最大值，系統(tǒng)會(huì)關(guān)閉燈光；若溫度低于允許的最大值，系統(tǒng)會(huì)進(jìn)行測(cè)試，分析溫度的穩(wěn)定度。

　　“關(guān)閉燈光”區(qū)塊，負(fù)責(zé)在LED燈溫度超出安全范圍時(shí)關(guān)閉燈光。下個(gè)區(qū)塊“燈光是否開啟”則負(fù)責(zé)重新啟動(dòng)測(cè)試程序。 “溫度改變”區(qū)塊負(fù)責(zé)判斷從上一次亮度調(diào)整后，溫度改變的幅度是否足夠，以確保燈光輸出的上升或下降幅度確實(shí)足夠；“溫度提高”區(qū)塊則負(fù)責(zé)判斷溫度是否已提高或降低，這兩個(gè)區(qū)塊是唯一的選擇。

　　“最大亮度”區(qū)塊負(fù)責(zé)判斷LED燈是否設(shè)定在最大亮度輸出值，若亮度輸出已達(dá)到最大值，“燈光是否