傳感器在LED燈具智能控制中的應用

LED照明燈具與傳統(tǒng)的照明燈具最大的區(qū)別，LED照明燈具是一個完全的電子產(chǎn)品，而傳統(tǒng)的照明燈具僅是一個電器產(chǎn)品。因此LED燈具可以很方便地與各種類型的傳感器關聯(lián)，從而實現(xiàn)光控、紅外控制等多種自動控制功能。如LED路燈的自動開關，用一個光敏傳感器就可簡單實現(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信息，自動開閉照明燈具。 　　LED照明燈具開關自動控制 　　傳感器作為信號采集和機電轉換的器件，其機電技術已相當成熟，近幾年MEMS(微機電系統(tǒng))技術興起又將傳感器技術向小型化、智能化、多功能化、低成本化大踏步邁進。光敏傳感器、紅外傳感器等各種類型的傳感器都可與LED照明燈具組成一個智能控制系統(tǒng)，傳感器將采集來的各種物理量信號轉換成電信號，可以經(jīng)由集成電路化的AD(模數(shù))轉換器 、MCU(微控制器)、DA(數(shù)模)轉換器對所采集的信號進行智能化處理，從而控制LED照明燈具開啟和關閉。人類可以籍此在MCU上設定各種控制要求，控制LED燈的開關時間、亮度、顯色、多彩變幻，從而達到省電節(jié)能的目標。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已經(jīng)可以將AD、DA、MCU集成在一個5mm×5mm或更小的封裝內，安裝在燈具內既不占面積而且十分方便。 　　光敏傳感器與LED燈具組合 　　風光電LED路燈是一種高度智能化和無人值守的道路照明燈具，利用風力、陽光發(fā)電，用蓄電池儲能，因此能源的自動管理十分重要。光敏傳感器是比較理想的因天亮、天暗(日出、日落)時照度變化而能控制電路自動開關的電子傳感器。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，它對光線的明暗亮度十分敏感。圖4是光電轉換的基本原理圖。光控LED燈具照明系統(tǒng)工作原理如圖1所示。 　　光敏傳感器可根據(jù)天氣、時間段和地區(qū)自動控制商場LED照明燈具開閉。在明亮的白天通過減少其輸出功率來降低耗電量，與使用熒光燈時相比，店鋪面積為200m2的便利店最大可降低53%的耗電量。壽命也長達約5~10萬小時。一般情況下，LED照明燈具的壽命為4萬小時左右;發(fā)光的顏色也可采用RGB(紅綠藍)多彩變幻的方式，使商場燈光更多彩，氣氛更活躍;與配套使用黃色熒光體的原藍色LED相比，配套使用紅、綠、藍三色熒光體的紫色LED的演色性更高。 　　紅外傳感器與LED燈具組合 　　紅外傳感器是靠探測人體發(fā)射的紅外線而工作的。主要原理是：人體發(fā)射的10μm左右的紅外線通過菲涅爾濾光透鏡增強后聚集到熱釋電元件PIR(被動式紅外)探測器上，當人活動時，紅外輻射的發(fā)射位置就會發(fā)生變化，該元件就會失去電荷平衡，發(fā)生熱釋電效應向外釋放電荷，紅外傳感器將透過菲涅爾濾光透鏡的紅外輻射能量的變化轉換成電信號，即熱電轉換。在被動紅外探測器的探測區(qū)內無人體移動時，紅外感應器感應到的只是背景溫度，當人體進人探測區(qū)，通過菲涅爾透鏡，熱釋電紅外感應器感應到的是人體溫度與背景溫度的差異，信號被采集后與系統(tǒng)中已存在的探測數(shù)據(jù)進行比較以判斷是否真的有人等紅外線源進入探測區(qū)域。 　　被動式紅外傳感器有三個關鍵性的元件：菲涅爾濾光透鏡，熱釋電紅外傳感器和匹配低噪放大器。菲涅爾透鏡有兩個作用：一是聚焦作用，即將熱釋紅外信號折射在PIR上：二是將探測區(qū)內分為若干個明區(qū)和暗區(qū)，使進入探測區(qū)的移動物體/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。一般還會匹配低噪放大器，當探測器上的環(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)由它對增益進行補償，增加其靈敏度。輸出信號可用來驅動電子開關，實現(xiàn)LED照明電路的開關控制。圖5是紅外傳感器外貌，圖6是紅外傳感器內部結構與內部電路圖。圖7是帶紅外傳感器的LED照明燈具，這是一款E27標準螺口燈頭的燈具，其電源適用范圍是AC180V-250V(50/60Hz)，紅外傳感器檢測范圍大約在3m~15m,其標準產(chǎn)品IFS-Bulb3W燈具達80lm,5W燈具達140lm.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到人的體溫，LED電燈泡將會在50s內自動開啟與關閉。適用于任何一種室內應用，如走廊、儲藏室、樓梯和大廳入口處。 　　與紅外傳感器應用相仿的超聲波傳感器近年在自動探測移動物體中得到更多的應用。超聲波傳感器主要利用多普勒原理，通過晶振向外發(fā)射超過人體能感知的高頻超聲波，一般典型的選用25~40kHz波，然后控制模塊檢測反射回來波的頻率，如果區(qū)域內有物體運動，反射波頻率就會有輕微的波動，即多普勒效應，以此來判斷照明區(qū)域的物體移動，從而達到控制開關的目的。圖8是超聲波傳感器和微處理器組合的應用方案。 　　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，在空氣中傳播頻率較低、衰減較快，而在固體、液體中則衰減較小、傳播較遠。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，無視覺盲區(qū)，不受障礙物干擾等特點，這項技術已經(jīng)在商業(yè)和安全領域被使用25年多了，已經(jīng)被證明是檢測小物體運動最有效的方法。因此與LED燈具組成系統(tǒng)可靈敏控制開關。 　　由于超聲波傳感器靈敏度高，空氣振動、通風采暖制冷系統(tǒng)及周圍鄰近空間的運動都會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校準。 　　溫度傳感器做LED燈具的過溫保護 　　溫度傳感器NTC(負溫度系數(shù))做LED燈具的過溫保護被比較早的廣泛應用。LED燈具如采用大功率LED光源，就必須采用多翼的鋁散熱器，由于室內照明用的LED燈具本身空間很小，散熱問題到目前還是最大的技術瓶頸之一。LED燈具散熱不爽的話，會導致LED光源因過熱而早期光衰。LED燈具開啟后熱量還會因熱空氣自動上升而向燈頭富集，影響電源的壽命(圖9)。因此在設計LED燈具時，可以在鋁散熱器靠近LED光源方緊貼一個NTC,以便實時采集燈具的溫度，當燈杯鋁散熱器溫度升高時可利用此電路自動降低恒流源輸出電流，使燈具降溫;當燈杯鋁散熱器溫度升高到限用設定值時自動關斷LED電源，實現(xiàn)燈具過溫保護，當溫度降低后，自動再將燈開啟。 　　結語 　　正因為LED燈具是一個完整的電子產(chǎn)品，隨著LED燈具結構多樣化、應用擴大化，隨著LED照明燈具設計的更多的創(chuàng)意、創(chuàng)新，將有更多的傳感器被結合應用在LED照明和亮化工程的系統(tǒng)中去。一個智能化的LED照明新時代正在到來，人類的照明生活將越來越亮堂和舒適。