LED照明与传感器技术探讨

中心议题：
    *  LED照明灯具开关自动控制
    *  光敏传感器与LED灯具组合
    *  红外传感器与LED灯具组合
    *  温度传感器做LED灯具的过温保护
解决方案：
    *  超声波传感器和微处理器的应用方案
    *  NTC过温保护方案
 
LED照明灯具开关自动控制
　　
传感器作为信号采集和机电转换的器件，其机电技术都已相当成熟，近几年MEMS技术兴起又将传感器技术向小型化、智能化、多功能化、低成本化大踏步迈进。光敏传感器、红外传感器等各种类型的传感器都可与LED照明灯具组成一个智能控制系统，传感器将采集来的各种物理量信号转换成电信号，可以经由集成电路化的AD转换器、MCU、DA转换器对所采集的信号进行智能化处理，从而控制LED照明灯具开启和关闭。人类可以籍此在MCU上设定各种控制要求，控制LED灯的开关时间、亮度、显色、多彩变幻，从而达到省电节能的目标。传感器与LED灯具组成的系统框图如图1所示。目前的集成电路制造技术已经可以将AD、DA、MCU集成在一个5X5mm或更小的封装内，安装在灯具内既不占面积而且十分方便。

图1 传感器与LED灯具系统框图
　　
光敏传感器与LED灯具组合
　　
风光电LED路灯是一种高度智能化和无人值守的道路照明灯具，利用风力、阳光发电，用蓄电池储能，因此能源的自动管理是十分重要的。光敏传感器是比较理想的因天亮、天暗（日出、日落）时照度变化而能控制电路自动开关的电子传感器。图2所示是一种光敏传感器的外貌。图3是光敏传感器的光敏电阻板，它对光线的明暗亮度十分敏感。图4是光电转换的基本原理图。光控LED灯具照明系统工作原理如图1所示。

           图4  光电转换的基本原理图
　

　
光敏传感器，可根据天气、时间段和地区自动控制商场LED照明灯具开闭。在明亮的白天通过减少其输出功率来降低耗电量，与使用荧光灯时相比，店铺面积为200m2的便利店最大可降低53％的耗电量。寿命也长达约5--10万小时。一般情况下，LED照明灯具的寿命为4万小时左右；发光的颜色也可采用RGB多彩变幻的方式，使商场灯光更多彩，气氛更活跃；与配套使用$荧光体的原蓝色LED相比，配套使用红、绿、蓝三色荧光体的紫色LED的演色性更高。
　　
红外传感器与LED灯具组合
　　
红外传感器是靠探测人体发射的红外线而工作的。主要原理是：人体发射的10um左右的红外线通过菲涅尔滤光透镜增强后*到热释电元件PIR上，当人活动时红外辐射的发射位置就会发生变化，该元件就会失去电荷平衡，发生热释电效应向外释放电荷，红外传感器（PIR）将透过菲涅尔滤光透镜的红外辐射能量的变化转换成电信号，即热电转换。在被动红外探测器的探测区内无人体移动时，红外感应器感应到的只是背景温度，当人体进人探测区，通过菲涅尔透镜，热释电红外感应器感应到的是人体温度与背景温度的差异，信号被采集后与系统中已存在的探测数据进行比较以判断是否真的有人等红外线源进入探测区域。
　　
被动式红外传感器有三个关键性的元件：菲涅尔滤光透镜，热释电红外传感器（PIR）和匹配低噪放大器。菲涅尔透镜有两个作用：一是聚焦作用，即将热释红外信号折射在PIR上：二是将探测区内分为若干个明区和暗区，使进入探测区的移动物体（人）能以温度变化的形式在PIR上产生变化的热释红外信号。一般还会匹配低噪放大器，当探测器上的环境温度上升，尤其是接近人体正常体温（37℃）时，传感器的灵敏度下降，经由它对增益进行补偿，增加其灵敏度。输出信号可用来驱动电子开关，实现LED照明电路的开关控制。图5是红外传感器外貌，图6 是红外传感器内部结构与内部电路图。图7 是带红外传感器的LED照明灯具，这是一款E27标准螺口灯头的灯具，它的电源适用范围是 AC180V-250V （50/60Hz）， 红外传感器检测范围大约在3M—15M，它的标准产品 IFS-Bulb 3W灯具达80 lm ，5W灯具达140 lm 。在LED光源模块的中央部分嵌入红外线传感器。一旦红外传感器检测到人的体温，LED电灯泡将会在50秒内自动开启与关闭。适用于任何一种室内应用，如走廊、储藏室、楼梯和大厅入口处。

                                           图6 红外传感器内部结构与内部电路图

图7 带红外传感器的LED照明灯具
 

　　
与红外传感器应用相仿的超声波传感器近年在自动探测移动物体中得到更多的应用。超声波传感器主要利用多普勒原理，通过晶振向外发射超过人体能感知的高频超声波，一般典型的选用25～40kHz波，然后控制模块检测反射回来波的频率，如果区域内有物体运动，反射波频率就会有轻微的波动，即多普勒效应，以此来判断照明区域的物体移动，从而达到控制开关的目的。图8是超声波传感器和微处理器组合的应用方案。
　　
超声波的纵向振荡特性，可以在气体、液体及固体中传播且其传播速度不同；它还有折射和反射现象，在空气中传播其频率较低，衰减较快，而在固体、液体中则衰减较小，传播较远。超声波传感器正是利用超声波的这些特性。超声波传感器有敏感范围大，无视觉盲区，不受障碍物干扰等特点，这项技术已经在商业和安全领域被使用25年多了，已经被证明是检测小物体运动最有效的方法。因此与LED灯具组成系统可灵敏控制开关。

图8 超声波传感器和微处理器的应用方案
　　
由于超声波传感器灵敏度高，空气振动、通风采暖制冷系统及周围邻近空间的运动都会引起超声波传感器产生误触发，所以超声波传感器需要及时校准。表1是关于红外PIR传感器和超声波传感器的性能比较。

表1 被动红外传感器和超声波传感器性能比较

　　
温度传感器做LED灯具的过温保护
　　
温度传感器NTC做LED灯具的过温保护被比较早的广泛应用。LED灯具如采用大功率LED光源，就必须采用多翼的铝散热器，由于室内照明用的LED灯具本身空间很小，散热问题到目前还是最大的技术瓶颈之一。LED灯具散热不爽的话，会导致LED光源因过热而早期光衰。LED灯具开启后热量还会因热空气自动上升而向灯头富集，影响电源的寿命（图9）。因此在设计LED灯具时可以在铝散热器靠近LED光源方紧贴一个NTC，以便实时采集灯具的温度，当灯杯铝散热器温度升高时可利用此电路自动降低恒流源输出电流，使灯具降温；当灯杯铝散热器温度升高到限用设定值时自动关断LED电源，实现灯具过温保护，当温度降低后，自动再将灯开启（图10）。

                                  图10 NTC过温保护方案
   
结语
　　
正因为LED灯具是一个完整的电子产品，随着LED灯具结构多样化、应用扩大化，随着LED照明灯具设计的更多的创意、创新，将有更多的传感器被结合应用在LED照明和亮化工程的系统中去。一个智能化的LED照明新时代正在到来，人类的照明生活将越来越亮堂和舒适。