舞臺燈大功率LED調光與溫度自適應控制系統

彭穎茹 匡昕

（廣州市浩洋電子有限公司）

舞臺燈大功率LED調光與溫度自適應控制系統

彭穎茹 匡昕

（廣州市浩洋電子有限公司）

LED光源的舞臺燈具有節能、長壽、安全、體積小巧等優點，但LED在溫度接近120℃時，光效低、壽命縮短，因此控溫十分重要。根據LED分布，設計一種調光與溫度自適應控制系統，采用32位MCU控制，通過熱敏電阻檢測LED溫度，采用多種散熱方式，并在過熱時采取調節發光功率、增大風扇轉速等措施，降低LED光源溫度、提高發光質量、延長LED光源壽命。經過實際運行測試，使用效果良好。

LED；舞臺燈具；溫度控制；自適應

0 前言

LED光源的舞臺燈具有節能、壽命長、環保、響應速度快和容易調整等特點，其理論耗能是白熾燈的10%，熒光燈的50%；壽命是熒光燈的10倍[1]。同時，LED白光光源無紫外光、紅外光等輻射，采用樹脂硅膠封裝，具有結構堅固可回收利用等優點。此外，因為光色多、單色性好、發熱小等特點，LED光源深受舞臺照明行業青睞，目前廣泛應用于大型舞臺、歌劇院、體育場館等演出現場。

舞臺照明多采用大功率LED光源，當環境溫度高于安全工作點溫度時，LED內部正向電流會超出安全區，大大降低LED壽命甚至損壞；且溫度也會影響其峰值波長、輻射通量、色溫等光譜特性[2]，降低發光質量；LED多以透明環氧樹脂封裝，若結溫超過固相轉變溫度（通常為125℃），封裝材料會向橡膠狀轉變并熱膨脹系數驟升，從而導致LED開路和失效，影響LED舞臺燈的正常使用和縮短LED的使用壽命[3]。

為了解決上述溫升問題，提高舞臺燈對不同環境溫度的適應性，本文根據舞臺照明燈具的特點，設計一種LED調光與溫度自適應控制系統，采用多種散熱方式，通過控制系統和結構設計相互配合，達到良好的控溫效果。

1 系統原理

1.1 光學特性及溫度影響

LED光源壽命通常用芯片的光通量衰減（以下簡稱光衰）定義，LED發光強度衰減到初始發光強度一半的時間為其壽命[4]。光通量F表征LED總光輸出的輻射能量，即LED向各個方向發光的能量之和，它與工作電流有關。工作電流增加，LED光通量隨之增大[5]，但電流增加會導致溫度升高，使LED芯片電板及其材料內部雜質引入發光區，PN結發光復合的幾率逐漸降低，從而降低發光效率；封裝材料隨高溫逐漸變質，降低透光性；同時熒光粉的高溫衰減十分嚴重，而熒光粉的衰減會造成LED光衰。

發光效率是LED重要性能指標，溫度升高，發光效率下降，原因主要有[6]：

1) 溫度升高，電子和空穴濃度升高，禁帶寬度減小，禁帶寬度是被束縛的電子成為自由電子所要獲得能量的最小值，導致電子遷移率減小，并產生熱量，降低LED內量子效率；

2) 溫度升高，使芯片發射波長中的藍光波峰發生偏移，導致芯片的發射波長與突光粉的激發波長不匹配，造成白光LED發光效率降低；

3) 溫度升高，突光粉涂層易發生猝滅和老化，降低突光粉量子效率，且硅膠內部的熱應力加大，導致硅膠折射率降低、出光減少，LED發光效率降低。

大功率LED光輸出與結溫的關系可表示為

其中，FV(tj1)是結溫為tj1時的光通量的輸出；FV(tj2)是結溫為tj2時的光通量的輸出；K為溫度系數，其值與發光材料有關。

由式(1)可知，隨著結溫升高，LED發光效率呈指數下降，其溫度與輸入電流成正比關系，圖1為 Xlamp XP-C LED器件典型發光效率與輸入電流幅值之間的關系，該LED測試時暫載率為50%，工作頻率為1000 Hz，圖1中垂直虛線處為最大額定連續電流500 mA。

圖1 XLamp XP-C LED的發光效率與輸入電流曲線

發光波長也受溫度影響，當LED為非單色光時，主要單色光的波長為其主波長。主波長隨著LED溫度的升高會發生偏移，偏向長波。波長隨結溫變化可表示為

其中，λ0（tj1）、λ0（tj2）是結溫為tj1、tj2時的光的波長，單位為nm；K是一個常系數，數值范圍一般在0.1 nm/K～0.3 nm/K之間。

綜上所述，LED的光學特性與溫度緊密相關，大功率LED需采用多種散熱方法，目前主要散熱途徑有LED芯片、粘合劑熱沉、導熱硅膠、金屬電路板、散熱器和對流空氣。

1.2 控制策略

根據舞臺燈大功率LED結構，通常采用4種方式散熱：1) 采用合適散熱器及時傳導LED芯片熱量；2) 利用驅動芯片的過電流保護關斷LED驅動器的輸出電流；3) 給LED驅動器增加溫度補償功能；4) 設計LED照明用溫度測控系統[7]。本設計綜合4種散熱方式，并主動進行調光，保證LED工作溫度的穩定，使舞臺燈處于良好的工作狀態。

大功率LED光源鑲嵌在一個與PCB板相連的導熱基板中間；PCB板上裝有3個溫度傳感器，通過A/D轉換器，將檢測的溫度數據傳輸到單片機；單片機根據溫度數據控制散熱風扇，同時控制LED供電回路功率，以控制LED模塊溫度。測試PCB板與散熱器附近的溫度為實測溫度，對于最高溫度至少預留30℃的余量，以免影響使用壽命。控制系統設有3個溫度閾值，分別為最小溫度值Ta、中間溫度值Tb和最大溫度值Tc。系統運行時，由A/D轉換器在間隔一段固定時間后讀取一次溫度傳感器的數據，MCU控制端接收數據后，將讀取的溫度值Tr與設定的最小Ta、中間Tb和最大Tc溫度值進行比較，其控制策略為：

1) 溫度小于最小值Tr＜Ta，不需冷卻，LED功率保持額定值，保護電路不工作；

2) 溫度在最小值與中間值之間Ta＜Tr＜Tb，LED溫度適宜，冷卻風扇轉速為慢速，LED光源功率保持額定值，補償電路工作在恒流區，保護電路不工作；

3) 溫度在中間值與最大值間Tb＜Tr＜Tc，燈具運行溫度環境良好，冷卻風扇轉速為高速，LED光源功率為額定值，保護電路不工作；

4) 溫度超過安全工作溫度Tr＞Tc，燈具溫度環境較差，冷卻風扇轉速為高速，MCU根據溫升調低LED輸出功率，LED驅動器進入溫度補償區，通過電阻分壓器與內部補償電路，使輸出峰值電流與平均值電流減小，降低LED光源功率，保護電路不工作；

5) 溫度繼續上升，溫度失控，Tr值達到某一極限值時，MCU控制端啟動保護電路，關斷LED驅動器的輸出，達到保護目的。

其中策略4)降低LED光源功率后，需要與新的溫度數據重新對比，直到LED溫度在安全范圍內才會調整系統工作狀態，恢復額定功率運行。

2 LED結構與硬件電路設計

2.1 電路設計

LED溫度自適應控制系統原理框圖如圖2所示，系統MCU控制端主控制芯片采用32位MCU STM32F051，運行頻率72 MHz，運行速度提高使溫度曲線更加平滑，波動小。

2.1.1 溫度采集與光源功率控制

LED溫度采集與光源功率控制電路如圖3所示，MCU控制端通過U2芯片即溫度傳感控制芯片控制3個熱敏電阻輪換選通，并將熱敏電阻采集的溫度模擬數據送入A/D轉換器，A/D轉換器將溫度值轉換成數字信號輸入MCU，完成一次采集過程。采集完成后，根據所得數值確定溫控方案，控制3路大功率LED驅動輸出功率，實現光功率調節。

圖2 LED溫度自適應控制系統原理圖

圖3 LED溫度采集與光源功率控制電路

2.1.2 風扇控制電路

風扇控制電路包括驅動電路、通訊電路、電源電路、磁敏感應電路和功放電路，整個電路通過STM32系列芯片進行控制。其中，磁敏感應電路用于檢測電機位置；通訊電路實現風扇控制電路與其他控制電路之間的參數傳送，以實現整體的協調控制；功放電路采用晶體管放大信號，控制電路電流，使風扇轉速隨電流強弱變化而變化。風扇轉速控制電路如圖4所示。

圖4 風扇轉速控制電路

2.2 結構設計

LED燈PCB板結構示意圖如圖5所示，多顆大功率LED集成染色燈均勻布設在LED光源的PCB板上，在LED光源之間設有若干個熱敏電阻，用以檢測PCB板不同位置的溫度。PCB板的中心位置即LED光源越集中的地方溫度越高，越靠近圓周則溫度越低。LED光源焊接到鋁基板上，該鋁基板與散熱器的黃銅殼體通過螺釘緊固連接，并涂抹導熱膠。熱量通過傳導方式從LED接合點流經鋁基板，到達散熱器，殼體再通過對流和輻射方式將熱量散發到外部環境中去。另外，在中心位置設置功率比較大的風扇，將外部冷空氣抽入燈體內部，使熱量向四周擴散；在周圍均勻布設若干功率較小的風扇，將燈體內部熱空氣通過散熱孔向外部排出，同時加速燈體內部冷熱空氣的對流。

圖5 LED燈PCB板結構示意圖

3 控制軟件設計

為保證系統運作效率與數據準確性，溫度讀取的時間間隔預設為1 s，取3次數據的平均值為溫度數據。由于不同環境、不同功率的LED，對溫度檢測的實時要求不同，所以時間間隔預設值可以調整。MCU控制端讀取LED模組溫度后，根據LED功率和溫度曲線關系圖，決定LED電流驅動端驅動電流，從而控制LED模組功率。如果溫度偏高，降低LED功率，同時打開風扇，溫度就會降低。根據韋伯費希納定律，此時降低LED光源功率即降低亮度，并不會造成太大影響。其曲線關系示意圖如圖6所示。

圖6 LED溫度補償區功率和溫度曲線

LED舞臺燈控制軟件涉及運動控制、圖案選擇、調光、圈控和點控等功能，這里不一一說明，重點介紹溫度控制軟件。溫控控制系統軟件工作流程如圖7所示。

圖7 溫度控制系統軟件流程圖

系統完成初始化后，開始讀取A/D轉換器的數據，根據讀取溫度值的判定，選擇相對應的處理方式，包括風扇是否運行、運行時轉速快慢、LED光源功率是否保持恒定、驅動器工作區域以及是否啟動保護電路等。一旦啟動保護電路，整個系統將停止運行，須等待溫度冷卻后才可手動啟動系統。

4 測試實驗

該系統已應用于某公司BLS400L型號舞臺燈具，并進行溫度測試實驗。

8:00～14:00的測試時間內，環境溫度為45℃，LED滿功率運行，將溫度測試探頭放在靠近燈珠的PCB板上對稱兩點，對燈具進行高溫老化實驗，以20 min為一時間節點取值。實驗結果表明，8:00～8:20時，LED溫度在46℃及以下，風扇不轉動；8:40～10:20時，LED溫度在46℃～54℃之間，風扇低速轉動；10:40～14:00時，風扇高速轉動，LED降功率運行，直到溫度降到54℃以下，完成系統溫度自動控制。其中一段舞臺燈LED溫度測試實驗數據如表1所示。

實驗表明，大功率LED溫度自適應控制系統能夠保證BLS400L型號舞臺燈具在使用過程中，其光源溫度保持在一個良好的數值范圍內。

表1 舞臺燈LED溫度測試實驗數據

5 結論

由于大功率LED工作溫度遠小于氣泡燈等常規光源燈具，環境溫度對LED燈具的影響很大，尤其是大功率LED在滿負荷運行時產生的熱量較大，加重了光源散熱的負擔。本設計研究的大功率LED調光與溫度自適應控制系統，采用多種方式、針對不同工況，對LED燈具各個階段的溫度進行綜合控制，使系統LED的PCB板溫控效率大大提高，保證大功率LED的發光效率和壽命，同時也降低了舞臺燈運行噪聲，具有良好的實用價值。

本設計在結構、方法上可以進一步改進，考慮增加半導體制冷技術，以進一步提高大功率LED散熱系統效率。

[1]張少鋒.LED產品溫度與壽命相互關系[EB/OL]. http://www.runlite.cn/cn/news-detail-875.html, 2012-09-24.

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[4] 周保軍.大功率LED高效散熱系統設計及其實驗研究[D].北京:北京化工大學,2013.

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Adaptable Temperature Control and Dimming System of High Power LED for Stage Lighting

Peng Yingru Kuang Xin
(Guangzhou Haoyang Electronic Co., Ltd.)

This paper presents an adaptable temperature control system according to the distribution of LED light source. It could avoid reducing the light efficiency and shortening the lamp life when the temperature of LED is close to its limit temperature about 120oC. The operation of the system is based on 32 bit MCU that measures LED temperature by thermostat and extends the life of LED light source by use of cooling modes, reducing light power and increasing fan speed when the system is overheated.

LED; Stage Illumination; Temperature Control; Adaptable

彭穎茹，女，1971年生，工程師，碩士，主要研究方向：舞臺燈具技術研發。E-mail: engineer2@terbly.com