陣列式led照明燈具中心區域溫度動態控制方法
2023-10-12 00:20:39
專利名稱：陣列式led照明燈具中心區域溫度動態控制方法
技術領域：
本發明涉及一種陣列式LED照明燈具中心區域溫度動態控制方法，屬於LED照明技術領域。
背景技術：
LED照明是近年來迅速發展的一種照明技術，與傳統照明光源相比，LED照明技術具有工作電壓低、耗電少、發光效率高、 壽命長等優勢。目前已有的LED照明燈具比白熾燈省電80%以上，比螢光節能燈省電50%以上。在國家節能減排的大背景下，LED照明的低能耗的特性，必將使其成為照明技術發展的主流，在我國照明市場將具有廣闊的發展空間。LED發光管大多體積較小，為增加照明亮度，其照明器具多採用LED發光管陣列的形式。大功率LED等的發熱較為嚴重，尤其是在LED發光管陣列的中心區域，由於燈具照明陣列的熱島效應，中心區域的溫度會顯著高於外圍區域。溫度過熱將會導致LED發光管迅速老化，使用壽命降低，因此必須保證LED照明燈具在工作時本身不能過熱。此外，若LED燈具發熱嚴重，其發光效率將會大大降低，能耗增加，為此不光要從提高燈具的散熱能力方面解決過熱問題，還要從源頭上降低LED燈的發熱情況。現有的降低LED照明燈具發熱方法大多是採用散熱片、風扇等外部散熱措施來降低溫度，利用熱電阻、熱電偶燈溫度傳感器來檢測LED發光管的溫度。對於這類方法有如下缺點
O增加了外部的機械結構，燈具的體積也隨之增加，且影響美觀；
2)風扇散熱的方式不僅增加了燈具的電能損耗，且增加了燈具損壞的概率；
3)不論是散熱片還是風扇散熱，都是在LED照明燈具已發熱的情況下對其進行輔助散熱，此時電能已經有很大部分由於發熱損耗，發光效率大大降低，降低了 LED照明低能耗優勢；
4)溫度檢測採用外接傳感器，增加成本，且容易因傳感器安裝不當造成傳熱不良問
題；
對全部LED發光管陣列進行散熱，而不是對發熱嚴重的重點區域進行控制，加大了散熱措施作用範圍和成本。
發明內容
本發明的目的是為了解決LED照明燈具中心區域溫度過熱的問題，同時克服傳統降溫方式中機械結構複雜、增加能耗、需要外接溫度傳感器的缺點，提出一種以不同佔空比動態控制LED照明燈具中間區域LED發光管通斷的方法，實現LED發光管陣列高溫區域溫度控制，在最小程度影響燈具整體亮度的情況下使LED發光管陣列中心區域溫度顯著降低。本發明採用的技術方案為一種陣列式LED照明燈具中心區域溫度動態控制方法，該方法依據LED發光管PN結正向壓降隨溫度升高而近似線性下降的特性曲線，通過實時測量和採集LED發光管PN結壓降來獲得LED發光管陣列從外圍到中心不同層次區域LED的溫度；微處理器通過PID算法分別對LED發光管陣列中心不同層次區域溫度進行PWM(脈寬調製輸出)閉環控制，以200-500HZ頻率、經功率放大模塊驅動控制LED發光管陣列中心各層次區域LED發光管的導通與截止時間。進一步的，本發明陣列式LED照明燈具中心區域溫度動態控制方法，所述LED發光管陣列的溫度獲取方法是將LED發光管陣列的中心行列中每個LED發光管設置為測溫LED發光管，每個測溫LED發光管壓降經過過壓過流保護電路後接入微處理器，中心行列從外至內每個測溫LED發光管對應位置所在的同一層LED發光管電氣上連接在一起。該分區方式及電氣連接方式適用矩形LED發光管陣列、圓形LED發光管陣列和其他形狀LED發光管陣列。所述微處理器包含若干路AD輸入口和若干路PWM輸出口，所述功率放大模塊包括若干MOSFET管，通過微處理器的AD輸入接口獲取中心行列各個LED發光管的PN結壓降進而得到各層LED燈溫度；通過PWM輸出口輸出PWM信號控制功率放大模塊的通斷，從而控制中心各不同層次區域LED發光管間歇導通。具體步驟為
步驟A，將LED發光管陣列中心行列的每個測溫LED發光管壓降經過過壓過流保護電路後接入微處理器的若干對應AD輸入口 ；
步驟B，將中心區域從外至內每層的測溫LED發光管所對應在的同一層LED發光管連接在一起，將若干大功率MOSFET分別接入中心區域各層LED發光管的供電迴路中，用以控制每層LED發光管供電的通斷，微處理器的PWM信號輸出端經過隔離後接至MOSFET的門極；步驟C，陣列式LED照明燈具開啟後，微處理器首先保持PWM輸出口滿佔空比輸出，使MOSFET處於一直導通狀態，在工作的第一分鐘，溫度分布均勻，中心區域溫度未顯著上升時，對中心行列的測溫LED發光管的PN結初始壓降進行始採集、存儲；
步驟D，微處理器通過AD轉換器連續獲取LED發光管陣列中心行列每個測溫LED發光管的壓降，根據PN結壓降隨溫度升高而近似線性下降的特性，結合步驟C中所獲取的PN結初始壓降，計算出中心區域的各層次LED發光管溫度與最外圍低溫區域LED發光管的溫度差;
步驟E，利用步驟D中所得到的溫度差，通過增量式PID算法，分別控制中心區域各層LED發光管溫度在最外層區域LED發光管溫度的(120 ± 5 ) %範圍內，計算出中心區域各層新的PWM信號輸出佔空比Dn;
當計算得到的新佔空比D1JS於不影響亮度的最低佔空比Dmin，則按照最低佔空比Dmin,以200-500HZ的頻率控制MOSFET導通，返回步驟D開始下一控制周期。當計算得到的新佔空比Dn高於不影響亮度的最低佔空比Dmin，則按照新計算的佔空比Dn，以200-500HZ的頻率控制MOSFET導通，返回步驟D開始下一控制周期。進一步的，本發明陣列式LED照明燈具中心區域溫度動態控制方法，所述PWM功率放大模塊為大功率M0SFET，其最大電流約為中心不同層次區域LED發光管在完全導通時所需電流的I. 5倍。本發明的有益效果
1)結構簡單，不佔用過多燈具的體積，不影響燈具美觀；
2)此方法所需要的信號採集電路、微處理器電路、功率放大模塊功耗都很低，相對於LED照明燈具的功耗幾乎可以忽略不計，不增加燈具的額外能耗；3)方法從發熱源LED發光管本身的控制方法為切入點，以減少導通時間的方式來降低LED發光管陣列中心區域的發熱，不僅可達到降溫的目的，而且可提高LED照明燈具的發光效率，減少熱損耗，充分發揮LED照明低能耗的優勢；
4)方法無需外接溫度傳感器，降低成本，並可避免因傳感器安裝不當造成傳熱不良、溫度檢測不準確的問題；
5)方法分別控制中心分不同層次LED發光管的導通時間，各層次細化控制，使各個層次溫度均保持在在外圍溫度的(120±5) %範圍內，可最低程度的影響燈具亮度。
圖I為本發明所適用的矩形LED發光管陣列示意圖。圖2為本發明所適用的圓形LED發光管陣列示意圖。 圖3為本發明所用測溫方法PN結壓降隨溫度升高而近似線性下降示意圖。圖4為本發明的整體結構示意圖。圖5為本發明的PID閉環控制示意圖。其中1_測溫LED發光管，2-LED發光管陣列最外層區域，3- LED發光管陣列最內層區域。
具體實施例方式下面結合附圖和具體實施方式
對本發明做進一步說明。實施例如圖I、圖2、圖3、圖4和圖5所示所示，實施例提供一種陣列式LED照明燈具中心區域溫度動態控制方法。控制對象是LED照明燈具發熱嚴重的的LED發光管陣列中心不同層次區域。如圖I和圖2所示，溫度檢測方法是通過獲取中心行列每個測溫LED發光管I (圖1，圖2中的中間行列虛線LED發光管)的PN結壓降，利用如圖3所示的PN結壓降隨溫度升高而近似線性下降的特性，得到LED發光管陣列中各個層次LED發光管的溫度(包括LED發光管陣列最外層區域2和LED發光管陣列最內層區域3)。如圖4和圖5所示，微處理器通過AD輸入口實時測量和採集中間行列測溫LED發光管PN結壓降來獲得LED發光管陣列從外圍到中心不同層次區域LED發光管的溫度，通過PID算法分別對LED陣列中心不同層次區域溫度進行閉環控制，以200-500HZ頻率輸出PWM控制信號，經功率放大模塊MOSFET管驅動控制LED陣列中心各層次區域LED發光管的通斷時間，調整其平均工作電流，進而控制其溫度，使中心各層LED發光管溫度均保持在最外層區域LED發光管溫度的(120±5)%範圍內。所述LED發光管陣列中心不同層次區域的LED發光管的電氣連接方式為中心區域外至內每個測溫LED發光管對應位置所在的同一層LED發光管，該層LED發光管電氣上連接在一起。本實施例的分區方式及電氣連接方式適用於矩形LED發光管陣列(如圖I所示)，也是用於圓形LED發光管陣列(如圖2所示)和其他形狀LED發光管陣列。本實施例陣列式LED照明燈具中心區域溫度動態控制方法具體工作過程包括以下步驟
步驟A，將LED發光管陣列中心行列的每個測溫LED發光管壓降經過過壓過流保護電路後接入微處理器的若干對應AD輸入口 ；步驟B，將中心區域從外至內每層的測溫LED發光管所對應在的同一層LED發光管連接在一起，將若干大功率MOSFET分別接入中心區域各層LED發光管的供電迴路中，用以控制每層LED發光管供電的通斷，微處理器的PWM信號輸出端經過隔離後接至MOSFET的門極；步驟C，陣列式LED照明燈具開啟後，微處理器首先保持PWM輸出口滿佔空比輸出，使MOSFET處於一直導通狀態，在工作的第一分鐘，溫度分布均勻，中心區域溫度未顯著上升時，對中心行列的測溫LED發光管的PN結初始壓降進行始採集、存儲；
步驟D，微處理器通過AD轉換器連續獲取LED發光管陣列中心行列每個測溫LED發光管的壓降，根據PN結壓降隨溫度升高而近似線性下降的特性，結合步驟C中所獲取的PN結初始壓降，計算出中心區域的各層次LED發光管溫度與最外圍低溫區域LED發光管的溫度差;
步驟E，利用步驟D中所得到的溫度差，通過增量式PID算法，分別控制中心區域各層LED發光管溫度在最外層區域LED發光管溫度的(120±5) %範圍內，計算出中心區域各層新的PWM信號輸出佔空比Dn;
當計算得到的新佔空比D1JS於不影響亮度的最低佔空比Dmin，則按照最低佔空比Dmin,以200-500HZ的頻率控制MOSFET導通，返回步驟D開始下一控制周期。當計算得到的新佔空比Dn高於不影響亮度的最低佔空比Dmin，則按照新計算的佔空比Dn，以200-500HZ的頻率控制MOSFET導通，返回步驟D開始下一控制周期。本實施例的有益效果是實現了對LED照明燈具中心區域溫度動態控制，可有效控制LED發光管陣列中心區域發熱情況，並最小程度的影響整體照明亮度；系統結構簡單，不存在活動部件，便於安裝，不影響燈具外形美觀，可靠性高，壽命長；不增加燈具的額外能耗，並可有效提高發光效率，充分發揮LED照明低能耗優勢；不需要溫度傳感器，可降低成本，並可避免因傳感器安裝不當造成傳熱不良、溫度檢測不準確的問題；控制區域少，只控制發熱嚴重的中心區域，成本低，複雜度低，性價比高，適合大批量生產。應當指出，對於本技術領域的普通技術人員來說，在不脫離本發明原理的前提下，還可以做出若干改進和潤飾，這些改進和潤飾也應視為本發明的保護範圍。本實施例中未明確的各組成部分均可用現有技術加以實現。
權利要求
1.一種陣列式LED照明燈具中心區域溫度動態控制方法，其特徵在於該方法依據LED發光管PN結正向壓降隨溫度升高而近似線性下降的特性曲線，通過實時測量和採集LED發光管PN結壓降來獲得LED發光管陣列從外圍到中心不同層次區域LED的溫度；微處理器通過PID算法分別對LED發光管陣列中心不同層次區域溫度進行PWM閉環控制，以200-500HZ頻率、經功率放大模塊驅動控制LED發光管陣列中心各層次區域LED發光管的導通與截止時間。
2.根據權利要求I所述陣列式LED照明燈具中心區域溫度動態控制方法，其特徵在於所述LED發光管陣列的溫度獲取方法是將LED發光管陣列的中心行列中每個LED發光管設置為測溫LED發光管，每個測溫LED發光管壓降經過過壓過流保護電路後接入微處理器，中心行列從外至內每個測溫LED發光管對應位置所在的同一層LED發光管電氣上連接在一起；所述微處理器包含若干路AD輸入口和若干路PWM輸出口，所述功率放大模塊包括若干MOSFET管，通過微處理器的AD輸入接口獲取中心行列各個LED發光管的PN結壓降進而得到各層LED燈溫度；通過PWM輸出口輸出PWM信號控制功率放大模塊的通斷，從而控制中心各不同層次區域LED發光管間歇導通，具體步驟為 步驟A，將LED發光管陣列中心行列的每個測溫LED發光管壓降經過過壓過流保護電路後接入微處理器的若干對應AD輸入口 ； 步驟B，將中心區域從外至內每層的測溫LED發光管所對應在的同一層LED發光管連接在一起，將若干大功率MOSFET分別接入中心區域各層LED發光管的供電迴路中，用以控制每層LED發光管供電的通斷，微處理器的PWM信號輸出端經過隔離後接至MOSFET的門極； 步驟C，陣列式LED照明燈具開啟後，微處理器首先保持PWM輸出口滿佔空比輸出，使MOSFET處於一直導通狀態，在工作的第一分鐘，溫度分布均勻，中心區域溫度未顯著上升時，對中心行列的測溫LED發光管的PN結初始壓降進行始採集、存儲； 步驟D，微處理器通過AD轉換器連續獲取LED發光管陣列中心行列每個測溫LED發光管的壓降，根據PN結壓降隨溫度升高而近似線性下降的特性，結合步驟C中所獲取的PN結初始壓降，計算出中心區域的各層次LED發光管溫度與最外圍低溫區域LED發光管的溫度差; 步驟E，利用步驟D中所得到的溫度差，通過增量式PID算法，分別控制中心區域各層LED發光管溫度在最外層區域LED發光管溫度的(120 ± 5 ) %範圍內，計算出中心區域各層新的PWM信號輸出佔空比Dn; 當計算得到的新佔空比D1JS於不影響亮度的最低佔空比Dmin，則按照最低佔空比Dmin,以200-500HZ的頻率控制MOSFET導通，返回步驟D開始下一控制周期。
當計算得到的新佔空比Dn高於不影響亮度的最低佔空比Dmin，則按照新計算的佔空比Dn,以200-500HZ的頻率控制MOSFET導通，返回步驟D開始下一控制周期。
3.根據權利要求2所述陣列式LED照明燈具中心區域溫度動態控制方法，其特徵在於所述PWM功率放大模塊為大功率M0SFET，其最大電流約為中心不同層次區域LED發光管在完全導通時所需電流的I. 5倍。
全文摘要
本發明公開一種陣列式LED照明燈具中心區域溫度動態控制方法，該方法利用LED發光管PN結正向壓降隨溫度升高線性下降的特性，對LED照明陣列的溫度進行檢測，微處理器獲取到各個區域的溫度後，通過PWM方式來調節LED發光管陣列中心區域各層次LED發光管的導通時間，調整其平均工作電流，從而對中心不同層次區域的LED的溫度進行動態控制，使其保持在最外圍低溫區域LED燈溫度的(120±5)%範圍內。本發明可實現基本不影響整體亮度的情況下，有效降低LED發光管陣列中心區域的溫度、提高LED發光管發光效率、節省LED燈電耗，並可延長中心區域LED發光管和整個LED燈具的使用壽命。
文檔編號H05B37/02GK102883506SQ201210356239
公開日2013年1月16日 申請日期2012年9月21日 優先權日2012年9月21日
發明者周杏鵬, 孫凱, 王褘 申請人:東南大學