运用温度监控 智能型LED灯安全性提升

　　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LED照明灯具而言，LED是光源，LED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LED照明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。 

 
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。 

 
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。 

 
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，“灯光是否开启”区块会再次重新启动测试程序。 

　　当前一个区块判断亮度输出未达到最大值时，“提高灯光亮度，降低指示灯亮度”区块就会启动。这个区块会降低输出亮度，在引导块块执行时进行设定，同时也会降低指示LED灯的亮度。输出亮度增加多少幅度，LED指示灯号的亮度就会降低同样幅度，然后再重新启动测试程序。 

　　当“温度提高”区块判断温度已增加，“最小亮度”区块就会启动。若亮度未达到设定的最小值时，执行流程会导向“降低亮度，提高指示灯亮度”区块；若亮度输出达到预设的最小值时，“灯光是否开启”区块就会再次重新启动测试程序。 

　　“降低亮度，提高指示灯亮度”区块会降低输出亮度，在引导块块执行时进行设定，此区也会提高指示LED灯号的亮度，灯光亮度降低多少幅度，指示灯亮度就会增加同样的幅度，然后再重新启动测试程序。 

　　在此流程图的程序中，LED灯会被关闭并维持关闭状态，直到输入电源重新完成循环为止，因此小幅度的改变即会启动一个程序，而当灯光被关闭后，温度会被监视，一但温度下降到安全门坎时，LED灯就会再次被开启。