運用溫度監(jiān)控　智能型LED燈安全性提升

　　對傳統(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)動電路，為移除熱度，須透過散熱或熱管理來將熱溫從LED與驅(qū)動電路上排散出去。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)運作數(shù)個小時。

　　舉例來說，將一般燈座上的燈具換成LED燈，例如壁燈或嵌入式吸頂燈，此燈具由一個墻壁上的開關(guān)來控制。這種應(yīng)用的散熱效率不理想，因為大多數(shù)標(biāo)準(zhǔn)燈具所發(fā)出的熱，是透過熱對流或氣流來排散燈具所發(fā)出的熱溫，而壁燈或嵌入式吸頂燈原本的散熱機制是針對一般燈泡所設(shè)計。

　　若沒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。運用智能型LED燈光控制技術(shù)來監(jiān)視LED燈具的溫度，能讓熱管理的工作大幅簡化，同時因溫度上升時燈具會降低其功率，LED燈具也會更安全。

　　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燈具溫度來提升LED燈具的安全性，并降低設(shè)計的復(fù)雜度。溫度上升時，控制器會降低亮度，讓LED燈維持在安全范圍。也就是說，當(dāng)溫度上升時就降低亮度，溫度下降時則提高亮度。

　　為量測LED燈具的溫度變化，可量測隨著NTC改變的電壓，測得電壓與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，NTC的電阻會降低，有兩種基本方法可透過NTC來測出溫度。 第一種方法是把NTC當(dāng)成電壓分壓電路，系統(tǒng)連上一個已知的電壓，然后量測NTC節(jié)點的電壓。當(dāng)NTC溫度提高時，電阻會下降。電阻下降會導(dǎo)致電壓-分壓比產(chǎn)生變化，NTC節(jié)點的電壓也會隨著溫度上升而下降。

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

　　利用這兩種方法來監(jiān)視LED燈具的溫度，既簡單且容易實作，藉此可改進(jìn)運作效率與安全性。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。

　　判別溫度過高/LED燈故障　指示器有妙招

　　當(dāng)LED燈的亮度降低時，必須確知LED燈的輸出亮度下降，究竟是因為溫度過高還是LED燈故障，可運用一個指示器反映亮度下滑的狀況來解決這個問題(圖2)。

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

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

　　圖3顯示一個原生LED驅(qū)動器及LED控制器，連結(jié)一個NTC與上述提及的警報指示。原生LED燈內(nèi)含一個LED驅(qū)動器，用來提供經(jīng)過LED燈的電流。驅(qū)動器本身無法依據(jù)溫度來降低亮度，其所提供的任何溫度監(jiān)視功能僅能用來保護(hù)自己，當(dāng)溫度過高時會完全關(guān)閉。

圖3 連結(jié)NTC與警報指示的原生LED驅(qū)動器及LED控制器

　　LED控制器內(nèi)含原生型LED驅(qū)動器的所有控制功能，并加入智能判斷機制，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)含多個基本模塊與標(biāo)示為藍(lán)色底的組件，紅色組件對基本運作而言是非必要的，但為配合討論本文的NTC與警報功能，故亦列出。

　　在基本LED燈中加入一個NTC，當(dāng)溫度達(dá)到默認(rèn)上限時，可在控制的次序下關(guān)閉燈光。LED控制器右側(cè)的兩個標(biāo)示為紅色組件--電阻與NTC，在NTC的運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)點的電壓由控制器進(jìn)行量測，然后轉(zhuǎn)換成相對系統(tǒng)溫度值。

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

圖2 運用指示器反映亮度下滑狀況，以判別是溫度過高還是LED燈故障。

　　上述的智能型LED燈當(dāng)顯示“警示”時，作用就像另一個LED燈號。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顯示一個簡單算法，用來監(jiān)視LED燈的溫度，以及當(dāng)溫度處在安全范圍時，將亮度調(diào)至一個特定值。流程圖中最上方的區(qū)塊“開啟電源–啟動系統(tǒng)(Power On–Initialize The System)”，是微控制器啟動的區(qū)塊。當(dāng)所有開關(guān)被打開時，電源會導(dǎo)至LED燈，這個區(qū)塊會設(shè)定LED燈的基本運作、亮度輸出與溫度量測等功能。

圖4 監(jiān)視LED燈溫度的簡單算法

　　“燈光是否開啟”區(qū)塊負(fù)責(zé)測試燈光是否被關(guān)閉，方法是根據(jù)一個過溫條件來判斷。測試過程包括判斷開啟的燈光是否正進(jìn)行簡單位測試。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)下燈光會開啟，位也會被設(shè)定。

　　“警示”控制區(qū)塊，當(dāng)達(dá)到溫度超高狀態(tài)時，該區(qū)塊負(fù)責(zé)控制“開啟-關(guān)閉-開啟-關(guān)閉”程序，且控制器會關(guān)閉LED燈。下個“燈光是否開啟”區(qū)塊則會再次啟動測試程序，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。

　　下個區(qū)塊“量測溫度”，負(fù)責(zé)量測NTC節(jié)點的電壓。由于NTC通常會隨著溫度呈現(xiàn)非線性的變化，因此測得溫度可與查表中相對應(yīng)的溫度數(shù)據(jù)進(jìn)行比對，這個溫度值會用在下面兩個區(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)會關(guān)閉燈光；若溫度低于允許的最大值，系統(tǒng)會進(jìn)行測試，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關(guān)閉燈光。下個區(qū)塊“燈光是否開啟”則負(fù)責(zé)重新啟動測試程序。 “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