LED 作為第三代半導(dǎo)體照明光源,具有工作電壓低,耗電量小,發(fā)光效率高、壽命長等優(yōu)點。與傳統(tǒng)的白熾燈、熒光燈相比,節(jié)電達(dá)到90%以上。被認(rèn)為是21世紀(jì)的照明光源。
用 LED 替代白熾燈或熒光燈,環(huán)保無污染,使用安全可靠,便于維護(hù)。 LED 是一個非線性器件,當(dāng) LED 導(dǎo)通時,只要 LED 上的電壓稍微變大,電流就會增加很多。因此,即使電壓發(fā)生微小變化也會大大影響 LED 器件的工作,使電流過大甚至導(dǎo)致發(fā)熱損壞。恒流源驅(qū)動是最佳的 LED 驅(qū)動方式。采用恒流源驅(qū)動, LED 上流過的電流將不受電壓變化、環(huán)境溫度變化,以及 LED 參數(shù)離散性的影響,從而能保持電流恒定,充分發(fā)揮 LED 的各種優(yōu)良特性。目前廣泛采用的恒流源有兩種形式：一種是線性電源改進(jìn)型恒流源,另一種是開關(guān)電源式恒流源。線性電源改進(jìn)型恒流源的線性損耗大,適用范圍小;開關(guān)電源式恒流源的可靠性較差,適應(yīng)范圍小,而且成本高。為克服這兩種電源的缺點,我們采用了深圳光華源公司的新型恒流源器件HA22004P作為其驅(qū)動元件。目前公共建筑的照明燈具控制大多仍采用手動開關(guān),有些使用光控和聲控開關(guān),其故障率較高,只適應(yīng)于白熾燈,不適合于路燈的照明使用。從節(jié)能和提高照明效果的角度,本文闡述了一套 LED 智能照明 和恒流驅(qū)動控制系統(tǒng)設(shè)計方案,可以根據(jù)不同的工作環(huán)境的要求亮度來自動控制照明的開關(guān)和亮度。特別是在大功率 LED 照明系統(tǒng)上采用恒流源驅(qū)動,具有提高用電效率,節(jié)約電能的效果。
系統(tǒng)硬件設(shè)計
基于μPD78F0034為主控器件設(shè)計的 LED 智能照明 控制系統(tǒng)的框圖如圖1所示,其主要由 傳感器 單元、控制器單元、 LED 驅(qū)動電路 和照明系統(tǒng)四部分組成。μPD78F0034芯片用于對來自于熱紅外 傳感器 、強(qiáng)光 傳感器 、聲控 傳感器 檢測到的信號經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換得到的信號數(shù)據(jù)進(jìn)行計算處理,將處理過的信號經(jīng)D/A轉(zhuǎn)換,運(yùn)算放大去驅(qū)動 LED 驅(qū)動電路 和顯示電路。
熱紅外 傳感器
熱紅外 傳感器 有三個關(guān)鍵性的元件：菲涅爾濾光透鏡,熱釋電紅外 傳感器 (PIR),匹配低噪放大器。菲涅爾透鏡一是聚焦作用,即將熱紅外信號折射在PIR(熱釋電紅外 傳感器 )上,第二個作用是探測警戒區(qū)內(nèi)紅外線能量的變化,并由系統(tǒng)內(nèi)固化軟件對所采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行運(yùn)算加工,由控制系統(tǒng)內(nèi)的控制軟件通過控制邏輯來決定是否發(fā)出開燈信號。熱釋電紅外 傳感器 (PIR) 將透過濾光晶片的紅外輻射能量的變化轉(zhuǎn)換成電信號,即熱電轉(zhuǎn)換。因此在被動紅外探測器的警戒區(qū)內(nèi),當(dāng)無人體移動時,熱釋電紅外感應(yīng)器感應(yīng)到的只是背景溫度,當(dāng)人體進(jìn)人警戒區(qū),通過菲涅爾透鏡,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,信號被采集到伺服系統(tǒng)以后,由軟件對該新采集的數(shù)據(jù)與系統(tǒng)內(nèi)存中已經(jīng)存在的前期探測數(shù)據(jù)進(jìn)行延時比較,以判斷是否真的有人等紅外線源進(jìn)入警戒區(qū),還是只是環(huán)境波動,甚至是元件自身內(nèi)部噪聲的影響,以免發(fā)生誤判斷。 匹配低噪放大器的作用是當(dāng)探測器上的環(huán)境溫度上升,尤其是接近人體正常體溫(37℃)時, 傳感器 的靈敏度下降,經(jīng)由它對放大器的增益進(jìn)行補(bǔ)償,增加其靈敏度。另外由于距離等衰減因素的存在,溫度 傳感器 和內(nèi)部軟件的初始數(shù)據(jù)并不需要定在37℃這個點上,而是要綜合環(huán)境因素,元件靈敏度、最近線性區(qū)段來定初始值。環(huán)境噪聲探測,主要是通過探測環(huán)境中人類日常活動所產(chǎn)生的噪聲,并與紅外線部分的數(shù)據(jù)在系統(tǒng)內(nèi)部進(jìn)行或運(yùn)算,以補(bǔ)償在環(huán)境溫度非常接近人體時紅外探測不敏感而無法判定是否有人進(jìn)入需要照明的區(qū)域。
強(qiáng)光 傳感器
光敏電阻的光譜響應(yīng)峰值比較接近人視覺敏感區(qū)的波長。并且當(dāng)光照強(qiáng)度減弱時,它的響應(yīng)時間相對增加,裝置在光照強(qiáng)度變化時,輸出狀態(tài)保持相對穩(wěn)定。所以在多種光電探測器中選擇了光敏電阻。考慮到光敏電阻對溫度變化較為敏感,偏置電路中的電阻可以采用與探測元件溫變系數(shù)相近的光敏電阻,以防止工作點漂移。
聲控 傳感器
聲控 傳感器 部分由聲控 傳感器 、音頻放大器、選頻電路、延時開啟電路和可控硅電路組成。利用聲音的相對比較,判斷是否啟動控制電路的開啟,使用調(diào)節(jié)器可以調(diào)節(jié)給定聲控 傳感器 的初始值,聲控 傳感器 不斷地把外界聲音的強(qiáng)度與給定強(qiáng)度比較,超過給定的強(qiáng)度時,向主機(jī)發(fā)送“有聲音”信號,否則發(fā)送“沒有聲音”的信號。
控制單元
控制單元采用單片機(jī)作為照明系統(tǒng)的控制核心,選用日本NEC公司的μPD78F0034芯片作為主控模塊,該芯片具有8位無符號乘法指令及16位除法指令,給軟件編程帶來了很大的方便。
根據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)民用建筑照明設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)(GBJl33-90),我們控制室內(nèi)亮度在2001x左右。
本控制器設(shè)置了3套傳感系統(tǒng)和嚴(yán)密的軟件控制,其工作方法如下所述。
首先通過被動熱釋電紅外探測器和環(huán)境噪聲探測是否有人,并探測環(huán)境亮度。如果沒人,所有 LED 燈均不開。如果有人,分成兩種情況：
若需要照明的環(huán)境的照度X>200 lx時, LED 照明燈具處于關(guān)閉狀態(tài);
若需要照明的環(huán)境的照度X<200 lx時, LED 照明燈具處于開啟狀態(tài),并且隨著環(huán)境照度調(diào)節(jié) LED 燈具的照度。
根據(jù)聲音的大小判斷是否需要啟動 驅(qū)動電路 。
驅(qū)動電路
我們選用AP-28320發(fā)光二極管驅(qū)動器,制作一體化半導(dǎo)體燈的專用電源變換器,用于安裝在半導(dǎo)體燈內(nèi)部,串聯(lián)驅(qū)動1串10～40支1瓦大功率發(fā)光二極管工作,220V交流市電供電,輸出320mA穩(wěn)定的單向脈動恒定電流。驅(qū)動器使用高頻脈寬調(diào)制開關(guān)變換電路實現(xiàn)恒流控制,變換效率高,可達(dá)85%以上,工作穩(wěn)定。驅(qū)動器為全密閉模塊封裝結(jié)構(gòu),適合在高濕度,高粉塵,強(qiáng)震動,對防爆有一定要求等環(huán)境下使用,非常適合室內(nèi)使用,經(jīng)過軟件升級也可用于建筑物公共區(qū)間照明使用。
目前成熟應(yīng)用的都是單粒1W的 LED ,很顯然,做這樣一個半導(dǎo)體燈要用50只發(fā)光管。50只 LED 全部串聯(lián),或者并聯(lián)都存在一些問題。如果全部串聯(lián)連接,如果有一粒 LED 開路損壞,則整燈不亮,而且50支 LED 全部串聯(lián),其驅(qū)動電壓至少要150V,安全性減低。如果全部并聯(lián)連接,有一路開或短路,則電流不均衡,影響燈具使用壽命。
從驅(qū)動技術(shù)和發(fā)光管的特性來看,多只發(fā)光管組應(yīng)該優(yōu)先使用串聯(lián)方案。這樣,只要驅(qū)動器給的電流合適,所有發(fā)光管的電流都是一樣的。發(fā)光管串聯(lián)使用大家常常擔(dān)心一個問題,就是一個發(fā)光管開路整串都不亮了。我們對樣燈打過高壓,也作了突波實驗。從應(yīng)用實踐上看,只要驅(qū)動不失控,給發(fā)光管的電流合適,發(fā)光管很少見到開路的情況,即使發(fā)光管本身質(zhì)量不好出故障,一般就是自己不亮,但還是保持通路,其他管照樣亮。而且發(fā)光管都有很強(qiáng)的過電流的能力,比如300mA的1 瓦發(fā)光管短時間加600mA的電流也不會壞。所以,使用發(fā)光管時應(yīng)以串聯(lián)為主,這樣發(fā)光管才有穩(wěn)定、一致的電流,對提高燈的壽命有利。由于管數(shù)太多,全部串聯(lián)其驅(qū)動電壓太高,不得不連串帶并,混聯(lián)。專用的 LED 驅(qū)動器一般是電流源,既然 LED 驅(qū)動器提供的是一個恒定的電流,多串并聯(lián)時就必須輔以外部均流措施,均衡地把驅(qū)動器提供的總電流分配給每一串,最簡單的辦法就是每一串里串一個電阻均流。多串并聯(lián)時首先是要使各串發(fā)光管的總管壓降盡可能地保持一致,然后再串入電阻牽制電流的偏移。電阻上的壓降太大功耗增加,壓降太小均流效果不好,一般可以取串連管總管壓降的5%左右。 驅(qū)動電路 如圖2所示,C1為平滑電容,R1為電流整定電阻,R2為靈敏度整定電阻,R3為限流電阻;VF為每個 LED 正向壓降,ΣVF≤0.9Vin。
顯示電路
我們將400個 LED 分10組,每組40個。每組采用一個AP-28320作為電流源,用單片機(jī)控制可控硅的輸出來調(diào)節(jié) LED 的發(fā)光亮度。可在可控硅兩端并聯(lián)阻容吸收回路,用來吸收AP-28320與可控硅產(chǎn)生的諧波干擾。連接方式如圖3。我們采用1W的白光 LED ,發(fā)光效率601m/W,預(yù)計室內(nèi)亮度在2001x左右。
