運用溫度監控　智能型LED燈安全性提升

　　對傳統燈絲型燈泡而言，由燈絲產(chǎn)生的熱溫被適當隔離，不會(huì )因直接接觸而進(jìn)行傳導。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。直接接觸是因LED須裝到驅動(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照明燈具持續運作數個(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(kāi)關(guān)來(lái)控制。這種應用的散熱效率不理想，因為大多數標準燈具所發(fā)出的熱，是透過(guò)熱對流或氣流來(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制是針對一般燈泡所設計。

　　若沒(méi)有足夠的熱管理可能導致必須更換故障的LED燈，甚至是整棟建筑物著(zhù)火的嚴重災難。運用智能型LED燈光控制技術(shù)來(lái)監視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監視溫度　維持LED燈安全

　　NTC電路的目的，是藉由監視LED燈具溫度來(lái)提升LED燈具的安全性，并降低設計的復雜度。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LED燈具的溫度變化，可量測隨著(zhù)NTC改變的電壓，測得電壓與NTC的溫度間有直接關(guān)系，當NTC及周?chē)娐返臏囟壬仙龝r(shí)，NTC的電阻會(huì )降低，有兩種基本方法可透過(guò)NTC來(lái)測出溫度。 第一種方法是把NTC當成電壓分壓電路，系統連上一個(gè)已知的電壓，然后量測NTC節點(diǎn)的電壓。當NTC溫度提高時(shí)，電阻會(huì )下降。電阻下降會(huì )導致電壓-分壓比產(chǎn)生變化，NTC節點(diǎn)的電壓也會(huì )隨著(zhù)溫度上升而下降。

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

　　利用這兩種方法來(lái)監視LED燈具的溫度，既簡(jiǎn)單且容易實(shí)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，究竟是因為溫度過(guò)高還是LED燈故障，可運用一個(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)系統中，亮度下降指示器是一個(gè)低功耗的紅光LED燈。當運作中的系統達到最高亮度輸出時(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，當輸出亮度下降時(shí)，紅光LED燈即開(kāi)啟。輸出亮度持續下降，紅光LED燈的強度則會(huì )相對提高，當輸出亮度下降到最低的強度值，紅光LED燈就會(huì )開(kāi)至最大亮度。

　　當亮度在最低強度且LED燈溫度維持高檔，紅光LED燈可當成警報裝置，以指示系統內發(fā)生嚴重問(wèn)題。在警報模式中，紅光LED燈會(huì )持續開(kāi)啟-關(guān)閉-開(kāi)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驅動(dòng)器及LED控制器，連結一個(gè)NTC與上述提及的警報指示。原生LED燈內含一個(gè)LED驅動(dòng)器，用來(lái)提供經(jīng)過(guò)LED燈的電流。驅動(dòng)器本身無(wú)法依據溫度來(lái)降低亮度，其所提供的任何溫度監視功能僅能用來(lái)保護自己，當溫度過(guò)高時(shí)會(huì )完全關(guān)閉。

圖3 連結NTC與警報指示的原生LED驅動(dòng)器及LED控制器

　　LED控制器內含原生型LED驅動(dòng)器的所有控制功能，并加入智能判斷機制，開(kāi)發(fā)出額外的智能功能，如溫度監視器、通訊及調光控制等。圖中的LED控制器內含多個(gè)基本模塊與標示為藍色底的組件，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(gè)NTC，當溫度達到默認上限時(shí)，可在控制的次序下關(guān)閉燈光。LED控制器右側的兩個(gè)標示為紅色組件--電阻與NTC，在NTC的運作中以第一種方法進(jìn)行設定?？刂破飨螂娮杞M件提供精準的電壓，NTC節點(diǎn)的電壓由控制器進(jìn)行量測，然后轉換成相對系統溫度值。

　　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(shí)，安全機制會(huì )指示該燈關(guān)閉。LED控制器左側的兩個(gè)紅色組件--電阻與LED，設定成基本的指示器LED組態(tài)。LED的亮度是由一個(gè)脈沖調變(PWM)訊號加以控制，當PWM工作周期提高時(shí)，LED燈的亮度亦會(huì )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(guò)高還是LED燈故障。

　　上述的智能型LED燈當顯示“警示”時(shí)，作用就像另一個(gè)LED燈號。智能型LED燈可利用許多種類(lèi)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(xiàn)通訊(PLC)、數字多任務(wù)(DMX)及數字可尋址燈光接口(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)監視LED燈的溫度，以及當溫度處在安全范圍時(shí)，將亮度調至一個(gè)特定值。流程圖中最上方的區塊“開(kāi)啟電源–啟動(dòng)系統(Power On–Initialize The System)”，是微控制器啟動(dòng)的區塊。當所有開(kāi)關(guān)被打開(kāi)時(shí)，電源會(huì )導至LED燈，這個(gè)區塊會(huì )設定LED燈的基本運作、亮度輸出與溫度量測等功能。

圖4 監視LED燈溫度的簡(jiǎn)單算法

　　“燈光是否開(kāi)啟”區塊負責測試燈光是否被關(guān)閉，方法是根據一個(gè)過(guò)溫條件來(lái)判斷。測試過(guò)程包括判斷開(kāi)啟的燈光是否正進(jìn)行簡(jiǎn)單位測試。若已設定燈光位，燈光也已開(kāi)啟，且尚未設定燈光位，則可判斷燈光處在關(guān)閉狀態(tài)。當首次導通電源，預設狀態(tài)下燈光會(huì )開(kāi)啟，位也會(huì )被設定。

　　“警示”控制區塊，當達到溫度超高狀態(tài)時(shí)，該區塊負責控制“開(kāi)啟-關(guān)閉-開(kāi)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(kāi)啟”區塊則會(huì )再次啟動(dòng)測試程序，要離開(kāi)警示狀態(tài)的唯一方法，就是使用墻壁開(kāi)關(guān)切斷電源，然后再次開(kāi)啟電源。

　　下個(gè)區塊“量測溫度”，負責量測NTC節點(diǎn)的電壓。由于NTC通常會(huì )隨著(zhù)溫度呈現非線(xiàn)性的變化，因此測得溫度可與查表中相對應的溫度數據進(jìn)行比對，這個(gè)溫度值會(huì )用在下面兩個(gè)區塊。

　　“安全溫度”區塊負責判斷LED燈的溫度是否處在安全范圍內，若溫度已達設定的最大值，系統會(huì )關(guān)閉燈光；若溫度低于允許的最大值，系統會(huì )進(jìn)行測試，分析溫度的穩定度。

　　“關(guān)閉燈光”區塊，負責在LED燈溫度超出安全范圍時(shí)關(guān)閉燈光。下個(gè)區塊“燈光是否開(kāi)啟”則負責重新啟動(dòng)測試程序。 “溫度改變”區塊負責判斷從上一次亮度調整后，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”區塊則負責判斷溫度是否已提高或降低，這兩個(gè)區塊是唯一的選擇。

　　“最大亮度”區塊負責判斷LED燈是否設定在最大亮度輸出值，若亮度輸出已達到最大值，“燈光是否