解析LED照明燈具與傳感器技術(shù)

LED照明燈具與傳統(tǒng)的照明燈具最大的區(qū)別，LED照明燈具是一個(gè)完全的電子產(chǎn)品，而傳統(tǒng)的照明燈具僅是一個(gè)電器產(chǎn)品。因此LED燈具可以很方便地與各種類型的傳感器關(guān)聯(lián)，從而實(shí)現(xiàn)光控、紅外控制等多種自動(dòng)控制功能。如LED路燈的自動(dòng)開(kāi)關(guān)，用一個(gè)光敏傳感器就可簡(jiǎn)單實(shí)現(xiàn)；社區(qū)夜間走道和庭院照明，可以用紅外傳感器采集人類活動(dòng)信息，自動(dòng)開(kāi)閉照明燈具……

　　LED照明燈具開(kāi)關(guān)自動(dòng)控制

　　傳感器作為信號(hào)采集和機(jī)電轉(zhuǎn)換的器件，其機(jī)電技術(shù)都已相當(dāng)成熟，近幾年MEMS技術(shù)興起又將傳感器技術(shù)向小型化、智能化、多功能化、低成本化大踏步邁進(jìn)。光敏傳感器、紅外傳感器等各種類型的傳感器都可與LED照明燈具組成一個(gè)智能控制系統(tǒng)，傳感器將采集來(lái)的各種物理量信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，可以經(jīng)由集成電路化的AD轉(zhuǎn)換器、MCU、DA轉(zhuǎn)換器對(duì)所采集的信號(hào)進(jìn)行智能化處理，從而控制LED照明燈具開(kāi)啟和關(guān)閉。人類可以籍此在MCU上設(shè)定各種控制要求，控制LED燈的開(kāi)關(guān)時(shí)間、亮度、顯色、多彩變幻，從而達(dá)到省電節(jié)能的目標(biāo)。傳感器與LED燈具組成的系統(tǒng)框圖如圖1所示。目前的集成電路制造技術(shù)已經(jīng)可以將AD、DA、MCU集成在一個(gè)5X5mm或更小的封裝內(nèi)，安裝在燈具內(nèi)既不占面積而且十分方便。

圖1：傳感器與LED燈具系統(tǒng)框圖

　　光敏傳感器與LED燈具組合

　　風(fēng)光電LED路燈是一種高度智能化和無(wú)人值守的道路照明燈具，利用風(fēng)力、陽(yáng)光發(fā)電，用蓄電池儲(chǔ)能，因此能源的自動(dòng)管理是十分重要的。光敏傳感器是比較理想的因天亮、天暗（日出、日落）時(shí)照度變化而能控制電路自動(dòng)開(kāi)關(guān)的電子傳感器。圖2所示是一種光敏傳感器的外貌。圖3是光敏傳感器的光敏電阻板，它對(duì)光線的明暗亮度十分敏感。圖4是光電轉(zhuǎn)換的基本原理圖。光控LED燈具照明系統(tǒng)工作原理如圖1所示。

圖2 一種光敏傳感器的外貌

圖3 光敏傳感器的光敏電阻板

圖4 光電轉(zhuǎn)換的基本原理圖

　　光敏傳感器，可根據(jù)天氣、時(shí)間段和地區(qū)自動(dòng)控制商場(chǎng)LED照明燈具開(kāi)閉。在明亮的白天通過(guò)減少其輸出功率來(lái)降低耗電量，與使用熒光燈時(shí)相比，店鋪面積為200m2的便利店最大可降低53％的耗電量。壽命也長(zhǎng)達(dá)約5--10萬(wàn)小時(shí)。一般情況下，LED照明燈具的壽命為4萬(wàn)小時(shí)左右；發(fā)光的顏色也可采用RGB多彩變幻的方式，使商場(chǎng)燈光更多彩，氣氛更活躍；與配套使用$熒光體的原藍(lán)色LED相比，配套使用紅、綠、藍(lán)三色熒光體的紫色LED的演色性更高。[!--empirenews.page--]

　　紅外傳感器與LED燈具組合

　　紅外傳感器是靠探測(cè)人體發(fā)射的紅外線而工作的。主要原理是：人體發(fā)射的10um左右的紅外線通過(guò)菲涅爾濾光透鏡增強(qiáng)后*到熱釋電元件PIR上，當(dāng)人活動(dòng)時(shí)紅外輻射的發(fā)射位置就會(huì)發(fā)生變化，該元件就會(huì)失去電荷平衡，發(fā)生熱釋電效應(yīng)向外釋放電荷，紅外傳感器（PIR）將透過(guò)菲涅爾濾光透鏡的紅外輻射能量的變化轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，即熱電轉(zhuǎn)換。在被動(dòng)紅外探測(cè)器的探測(cè)區(qū)內(nèi)無(wú)人體移動(dòng)時(shí)，紅外感應(yīng)器感應(yīng)到的只是背景溫度，當(dāng)人體進(jìn)人探測(cè)區(qū)，通過(guò)菲涅爾透鏡，熱釋電紅外感應(yīng)器感應(yīng)到的是人體溫度與背景溫度的差異，信號(hào)被采集后與系統(tǒng)中已存在的探測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行比較以判斷是否真的有人等紅外線源進(jìn)入探測(cè)區(qū)域。

　　被動(dòng)式紅外傳感器有三個(gè)關(guān)鍵性的元件：菲涅爾濾光透鏡，熱釋電紅外傳感器（PIR）和匹配低噪放大器。菲涅爾透鏡有兩個(gè)作用：一是聚焦作用，即將熱釋紅外信號(hào)折射在PIR上：二是將探測(cè)區(qū)內(nèi)分為若干個(gè)明區(qū)和暗區(qū)，使進(jìn)入探測(cè)區(qū)的移動(dòng)物體（人）能以溫度變化的形式在PIR上產(chǎn)生變化的熱釋紅外信號(hào)。一般還會(huì)匹配低噪放大器，當(dāng)探測(cè)器上的環(huán)境溫度上升，尤其是接近人體正常體溫（37℃）時(shí)，傳感器的靈敏度下降，經(jīng)由它對(duì)增益進(jìn)行補(bǔ)償，增加其靈敏度。輸出信號(hào)可用來(lái)驅(qū)動(dòng)電子開(kāi)關(guān)，實(shí)現(xiàn)LED照明電路的開(kāi)關(guān)控制。圖5是紅外傳感器外貌，圖6 是紅外傳感器內(nèi)部結(jié)構(gòu)與內(nèi)部電路圖。圖7 是帶紅外傳感器的LED照明燈具，這是一款E27標(biāo)準(zhǔn)螺口燈頭的燈具，它的電源適用范圍是 AC180V-250V （50/60Hz）， 紅外傳感器檢測(cè)范圍大約在3M—15M，它的標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品 IFS-Bulb 3W燈具達(dá)80 lm ，5W燈具達(dá)140 lm 。在LED光源模塊的中央部分嵌入紅外線傳感器。一旦紅外傳感器檢測(cè)到人的體溫，LED電燈泡將會(huì)在50秒內(nèi)自動(dòng)開(kāi)啟與關(guān)閉。適用于任何一種室內(nèi)應(yīng)用，如走廊、儲(chǔ)藏室、樓梯和大廳入口處。

圖5：紅外傳感器外貌

圖6：紅外傳感器內(nèi)部結(jié)構(gòu)與內(nèi)部電路圖

圖7：帶紅外傳感器的LED照明燈具

　　與紅外傳感器應(yīng)用相仿的超聲波傳感器近年在自動(dòng)探測(cè)移動(dòng)物體中得到更多的應(yīng)用。超聲波傳感器主要利用多普勒原理，通過(guò)晶振向外發(fā)射超過(guò)人體能感知的高頻超聲波，一般典型的選用25～40kHz波，然后控制模塊檢測(cè)反射回來(lái)波的頻率，如果區(qū)域內(nèi)有物體運(yùn)動(dòng)，反射波頻率就會(huì)有輕微的波動(dòng)，即多普勒效應(yīng)，以此來(lái)判斷照明區(qū)域的物體移動(dòng)，從而達(dá)到控制開(kāi)關(guān)的目的。圖8是超聲波傳感器和微處理器組合的應(yīng)用方案。

　　超聲波的縱向振蕩特性，可以在氣體、液體及固體中傳播且其傳播速度不同；它還有折射和反射現(xiàn)象，在空氣中傳播其頻率較低，衰減較快，而在固體、液體中則衰減較小，傳播較遠(yuǎn)。超聲波傳感器正是利用超聲波的這些特性。超聲波傳感器有敏感范圍大，無(wú)視覺(jué)盲區(qū)，不受障礙物干擾等特點(diǎn)，這項(xiàng)技術(shù)已經(jīng)在商業(yè)和安全領(lǐng)域被使用25年多了，已經(jīng)被證明是檢測(cè)小物體運(yùn)動(dòng)最有效的方法。因此與LED燈具組成系統(tǒng)可靈敏控制開(kāi)關(guān)。

圖8：超聲波傳感器和微處理器的應(yīng)用方案

　　由于超聲波傳感器靈敏度高，空氣振動(dòng)、通風(fēng)采暖制冷系統(tǒng)及周?chē)徑臻g的運(yùn)動(dòng)都會(huì)引起超聲波傳感器產(chǎn)生誤觸發(fā)，所以超聲波傳感器需要及時(shí)校準(zhǔn)。表1是關(guān)于紅外PIR傳感器和超聲波傳感器的性能比較。[!--empirenews.page--]

表1：被動(dòng)紅外傳感器和超聲波傳感器性能比較

　　溫度傳感器做LED燈具的過(guò)溫保護(hù)

　　溫度傳感器NTC做LED燈具的過(guò)溫保護(hù)被比較早的廣泛應(yīng)用。LED燈具如采用大功率LED光源，就必須采用多翼的鋁散熱器，由于室內(nèi)照明用的LED燈具本身空間很小，散熱問(wèn)題到目前還是最大的技術(shù)瓶頸之一。LED燈具散熱不爽的話，會(huì)導(dǎo)致LED光源因過(guò)熱而早期光衰。LED燈具開(kāi)啟后熱量還會(huì)因熱空氣自動(dòng)上升而向燈頭富集，影響電源的壽命（圖9）。因此在設(shè)計(jì)LED燈具時(shí)可以在鋁散熱器靠近LED光源方緊貼一個(gè)NTC，以便實(shí)時(shí)采集燈具的溫度，當(dāng)燈杯鋁散熱器溫度升高時(shí)可利用此電路自動(dòng)降低恒流源輸出電流，使燈具降溫；當(dāng)燈杯鋁散熱器溫度升高到限用設(shè)定值時(shí)自動(dòng)關(guān)斷LED電源，實(shí)現(xiàn)燈具過(guò)溫保護(hù)，當(dāng)溫度降低后，自動(dòng)再將燈開(kāi)啟（圖10）。

圖9：LED燈具熱量富集現(xiàn)象

圖10：NTC過(guò)溫保護(hù)方案

　　結(jié)語(yǔ)

　　正因?yàn)長(zhǎng)ED燈具是一個(gè)完整的電子產(chǎn)品，隨著LED燈具結(jié)構(gòu)多樣化、應(yīng)用擴(kuò)大化，隨著LED照明燈具設(shè)計(jì)的更多的創(chuàng)意、創(chuàng)新，將有更多的傳感器被結(jié)合應(yīng)用在LED照明和亮化工程的系統(tǒng)中去。一個(gè)智能化的LED照明新時(shí)代正在到來(lái)，人類的照明生活將越來(lái)越亮堂和舒適。