CN101841962A - 一种led灯无光衰控制的方法与装置 - Google Patents

Abstract

一种LED灯无光衰控制的方法与装置，包括控制器、AC/DC可控恒流电源、LED电压测量、LED电流测量、LED亮度测量、环境温度测量和AC/DC直流稳压电源；AC/DC可控恒流电源将交流电转变成直流后，根据控制器的指令向LED阵列输出恒定的直流电流：LED电压测量、LED电流测量、LED亮度测量将LED阵列的工况实时传输给控制器，控制器再根据预设的控制策略，以及测量获得的环境温度，给AC/DC可控恒流电源发送输出电流值的指令；同时，一旦发现LED阵列的工况发生异常，控制器通过通信接口以有线或无线的方式及时地向监控中心发送报警信息；监控中心也可以有线或无线的方式向控制器发送工作指令。

Description

一种LED灯无光衰控制的方法与装置

技术领域：

本发明涉及照明技术领域，又涉及自动控制和信息技术，特别是一种LED灯无光衰控制的方法与装置。

背景技术：

在当今环境污染日益严重、能源渐趋短缺的态势下，由于LED灯具有节能、环保、高效、长寿命等优点，其应用领域得以不断拓展。

LED是通过电能-光能转换来发光的。当LED的引脚上加上适当的正向电压时，在LED的PN结中，注入的少数载流子与多数载流子复合就会把多余的能量以光的形式释放出来，从而把电能直接转换为光能，而其余的电能则转化为热能。理论上的电能-光能转换系数为683流明/瓦，而目前大功率LED只能达到100～150流明/瓦，亦即有80％左右的电能在LED中变为热能。如果这部分热量不能及时地得以疏导，就会使得LED的结温上升。长此以往，重则会造成LED的永久性损坏，轻则使得LED的发光效率降低、衰减速度加快、使用寿命缩短。

为了降低LED工作时的结温，通常的做法是从加强散热部件着手，但是，这样做一方面增加了设备的重量、体积和制造成本；另一方面在设备的长期运行过程中，由于积灰、锈蚀等原因造成散热部件的散热能力下降，既影响了散热降温的效果，又增加了维护费用。

发明内容：

本发明要解决的技术问题是提供一种LED灯无光衰控制的方法与装置，通过控制LED灯在启动和运行过程中的工作点，使得LED灯不仅在运行的启动阶段，而且在其使用寿命周期内保持在设定的亮度范围内运行，产生无光衰的直接效果，从而达到降低功耗、减缓光衰、延长使用寿命的目的。

本发明解决其技术问题采用的技术方案是：

一种LED灯无光衰控制的装置，包括控制器、AC/DC可控恒流电源、LED电压测量、LED电流测量、LED亮度测量、环境温度测量和AC/DC直流稳压电源；其特征在于，AC/DC可控恒流电源将交流电转变成直流后，根据控制器的指令向LED阵列输出恒定的直流电流；LED电压测量、LED电流测量、LED亮度测量将LED阵列的工况实时传输给控制器，控制器再根据预设的控制策略，以及从环境温度测量获得的环境温度，给AC/DC可控恒流电源发送输出电流值的指令；同时，一旦发现LED阵列的工况发生异常，控制器通过通信接口以有线或无线的方式及时地向监控中心发送报警信息；监控中心也可以有线或无线的方式向控制器发送工作指令；AC/DC直流稳压电源向本发明专利的装置提供所需的电能。

所说的控制器，既可用分立的中央处理器、存储器、输入输出器件、运算放大器、模数转换器、通信接口和驱动器件构成；也可用片上系统(SOC，System onChip)构成，如单片机、DSP、ARM和可嵌入软内核的FPGA。

所说的AC/DC可控恒流电源，除了具有通常的将交流电转变成直流恒流后驱动LED的功能外，还具有可接收控制器的指令来调整输出电流的通断和大小。

所说的LED电压测量，既可简单地用电阻器形成模拟信号提供给控制器，也可用电压测量模块以数字信号提供给控制器。

所说的LED电流测量，既可简单地用电阻器形成模拟信号提供给控制器，也可用电流测量模块以数字信号提供给控制器。

所说的LED亮度测量，既可简单地用光敏器件、光电器件形成模拟信号提供给控制器，也可用亮度测量模块以数字信号提供给控制器。

所说的环境温度测量，既可简单地用热敏器件形成模拟信号提供给控制器，也可用温度测量模块以数字信号提供给控制器。

一种LED灯无光衰控制的方法，包括，通过控制LED灯在启动和运行过程中的工作电流的大小，以及LED的结温、亮度，来达到降低功耗、减缓光衰、延长使用寿命的目的；其特征在于：

①LED运行参数设定：根据LED特性曲线和预期的使用寿命，设定最高结温T_M，正常工作时的结温T_D，亮度上限S_M，亮度下限S_N，最大电流I_M，以及LED灯无光衰时的第一次启动电流值；

②LED启动：步骤1，计算LED结温允许温升T₁＝T_D-Ta；步骤2，计算起始亮度允许降低的百分数ΔS；步骤3，计算LED的启动电流I₁；步骤4，输出电流I₁；步骤5，测量LED的亮度并判断亮度是否下降？若亮度不下降，则记录运行电流值I_D＝I₁，退出启动流程；步骤6，电流I₁增加一个增量ΔI并判断I₁＞I_M？否，则返回步骤4；步骤7，电流I₁＝I_M，并输出I₁；步骤8，发出LED光衰超限、电流超值报警，然后记录运行电流值I_D＝I₁，退出启动流程；

③LED结温测量：步骤1，测量启动时LED电流I₁、端电压V₁、环境温度Ta；步骤2，测量运行中LED电流I₂、端电压V₂；步骤3，计算结温T₂；

④监测与报警：步骤1，等待启动进程结束；步骤2，测量LED电流I₂、结温T₂、亮度S₂；步骤3，判断S₂＞S_M？是，则I₂＝I₂-ΔI，输出I₂并返回步骤2；步骤4，判断S₂＜S_N？是，则I₂＝I₂+ΔI，转到步骤6；步骤5，判断T₂＞T_M？否，则退出监测与报警流程，是，则发出LED结温超限报警并退出监测与报警流程；步骤6，判断I₂＞I_M？否，则输出I₂，返回步骤2；步骤7，I₂＝I_M，输出I₂，发出LED光衰超限、电流超值报警，退出监测与报警流程。

本发明的有益效果在于：

1、本发明在现有LED灯恒流控制技术的基础上，仅增加少量的电子器件(单片机、光敏器件、热敏器件)，就可实现节能、降耗、延长LED灯使用寿命、故障报警，具有较高的性价比，有利于本发明产品的推广应用。

2、本发明通过综合控制LED的驱动电流、亮度、结温，使得LED灯在使用寿命周期内保持在设定的亮度范围内运行，来降低能耗，延长使用寿命，从而降低了照明系统的运行和维护费用；

3、本发明采用智能启动流程点亮LED灯，进一步降低了LED灯的能耗。

4、本发明的装置的监测报警功能，可将LED灯的运行工况、故障信息，通过有线或无线的方式，实时地传送到监控中心，以利于相关部门及时采取应对措施，防止因照明系统故障引发的事故(道路交通事故、厂矿企业工伤事故等)，具有显著的社会效益。

5、本发明有助于LED灯散热系统的改进：由于散热系统设计、制造、装配、使用不当，而引发LED结温超限时，本发明装置会发出报警信号；经长期运行后，由于积灰、锈蚀等原因造成散热部件的散热能力下降，而引发LED结温超限时，本发明装置会发出报警信号；经长期运行后，由于LED光衰造成发光效率下降、发热量上升，当散热部件无力疏散这部分新增的热量，而引发LED结温超限时，本发明装置会发出报警信号。

附图说明：

图1是本发明的一种LED灯无光衰控制的方法与装置的示意图。

图2是美国Cree公司的LED的光衰曲线图。

图3是美国Cree公司的某型号LED的正向电压-正向电流特性曲线图。

图4是美国Cree公司的某型号LED的结温-电压偏移特性曲线图。

图5是美国Cree公司的某型号LED的正向电流-相对亮度特性曲线图。

图6是美国Cree公司的某型号LED的结温-相对亮度特性曲线图。

图7是本发明的一种LED灯无光衰控制的方法的LED灯启动流程框图。

图8是本发明的一种LED灯无光衰控制的方法的LED结温测量流程框图。

图9是本发明的一种LED灯无光衰控制的方法的监测与报警流程框图。

具体实施方式：

下面结合附图对本发明的实施方式作进一步说明。但是，本领域的技术人员应该认识到，下述的实施方式只是示例性的，是为了更好地使本领域的技术人员能够理解本专利，不能理解为是对本专利包括的范围的限制；只要是根据本专利所揭示的精神所作的任何等同变更或修饰而形成的相似结构、方法及其相似变化，均落入本专利包括的范围。

请参阅图1，所说的一种LED灯无光衰控制的装置由控制器1、AC/DC可控恒流电源2、LED电压测量3、LED电流测量4、LED亮度测量5、环境温度测量6和AC/DC直流稳压电源7组成；AC/DC可控恒流电源2将交流电转变成直流后，根据控制器1的指令向LED阵列输出恒定的直流电流：LED电压测量3、LED电流测量4、LED亮度测量5将LED阵列的工况实时传输给控制器1，控制器1再根据预设的控制策略，以及从环境温度测量6获得的环境温度，给AC/DC可控恒流电源2发送输出电流值的指令；同时，一旦发现LED阵列的工况发生异常，控制器1通过通信接口以有线或无线的方式及时地向监控中心发送报警信息；监控中心也可以有线或无线的方式向控制器1发送工作指令；AC/DC直流稳压电源7向本发明专利的装置提供所需的电能。

所说的控制器1，既可用分立的中央处理器、存储器、输入输出器件、运算放大器、模数转换器、通信接口和驱动器件构成；也可用片上系统(SOC，System onChip)构成，如单片机(51系列、PIC系列等)、DSP(TMS320系列、ADSP-21XX系列等)、ARM(S3C24XX系列、ADSP-21XX系列等)和可嵌入软内核的FPGA(Stratix II和Cyclone II FPGA器件、MegaCore IP系列等)。

所说的AC/DC可控恒流电源2，除了具有通常的将交流电转变成直流恒流后驱动LED的功能外，还具有可接收控制器1的指令来调整输出电流的通断和大小。如用IRS2541、AMC7150等器件构成的恒流电源就可通过器件的控制端控制其输出电流值。

所说的LED电压测量3，既可简单地用电阻器形成模拟信号提供给控制器1，也可用电压测量模块以数字信号提供给控制器1。

所说的LED电流测量4，既可简单地用电阻器形成模拟信号提供给控制器1，也可用电流测量模块以数字信号提供给控制器1。

所说的LED亮度测量5，既可简单地用光敏器件(如光敏电阻)、光电器件(如光电二极管、硅光电池等)形成模拟信号提供给控制器1，也可用亮度测量模块以数字信号提供给控制器1。

所说的环境温度测量6，既可简单地用热敏器件(如热敏电阻)形成模拟信号提供给控制器1，也可用温度测量模块以数字信号提供给控制器1。

请参阅图2、图3、图4、图5和图6，它们分别是美国Cree公司生产的某型号的LED的光衰曲线、正向电压-正向电流特性曲线、结温-电压偏移特性曲线图、正向电流-相对亮度特性曲线、结温-相对亮度特性曲线图。由图可见，LED不仅在长期运行过程中由光衰引起的亮度下降，而且在其运行的启动阶段，也会因其结温从环境温度上升到结温的动态平衡点期间的光衰而产生亮度下降。本发明就是要通过控制LED灯在启动和运行过程中的工作电流的大小，以及LED的结温、亮度，来达到降低功耗、减缓光衰、延长使用寿命的目的。

由图2可以看到，LED的光衰是和其结温有关的，结温越高就越早出现光衰，LED的寿命也就越短。从图上还可以看到，假如结温为105℃，亮度降至70％的寿命只有一万多小时，95℃就有2万小时，85℃时有3万小时，而结温降低到75℃，寿命就有5万小时，所以延长LED的寿命的关键除了给LED灯配置精心设计的散热装置外，就是要控制其运行时的结温。如果LED灯每天工作12小时，亮度降至70％的设计使用寿命为5年，亦即设计使用寿命约为2万2千小时，那么，LED阵列的结温必须控制在95℃以下。在本具体实施方式中设定最高结温T_M＝95℃，正常工作时的结温T_D＝85℃。

由图3和图4可知，当LED结温上升时，由于LED的负温度系数(C≈-3.84mV/℃)，其伏安特殊曲线将会左移。据此，可以从LED在运行时伏安特殊曲线的偏移量推算出其实时结温。设室温为Ta，记录LED从通以恒定电流时起的端电压V₁和LED已经达到热平衡时的端电压V₂。对于N串联XM并联的LED阵列，此时LED的结温为T＝Ta+(V₂-V₁)/C/N。例如，LED阵列是10串4并的，测得的电压V₁＝33V，V₂＝30.312V，假定开机前的环境温度是Ta＝25℃，那么，这时候的结温T＝25+(30.312-33)/10/-0.00384＝95℃。

由图5可见，该型号LED的正向直流工作电流为1000mA，取LED的最大电流I_M＝1000mA，设此时LED灯的亮度为最大亮度，相当于最大电流时亮度的70％(其绝对亮度值记为S_D)的电流约为600mA，取此值为第一次启动时的起始工作电流。为了对LED灯的亮度进行控制，假设允许亮度在设定的范围S±δS内变化，即，设最大亮度为S_M＝S_D+δS，最小亮度S_N＝S_D-δS。由于LED的亮度会随着结温的升高而降低，从图6可见，设环境温度Ta＝25℃，当结温从25℃上升到85℃时，亮度会下降大约ΔS＝12％，因此，在LED无光衰的情况下，当LED的结温T＝85℃，亮度为S_D时，LED的运行电流约为I_D＝650mA。随着光衰的增大，LED的运行电流会逐渐增大，当此值达到LED的最大电流I_M＝1000mA，而光强仍小于S_N时，说明LED灯已经到达其使用寿命。

请参阅图7，LED灯启动流程是：11环境温度Ta测量，并LED灯在前一次运行时的工作电流值I_D；12计算LED允许结温温升T₁＝T_D-Ta；13计算起始亮度允许降低的百分数ΔS；14计算LED的启动电流I₁；15恒流电源输出I₁；16测量LED的亮度；17判断亮度是否下降？若亮度不下降，则进入23，否则进入18；18电流I₁增加一个增量ΔI；19判断I₁＞I_M？否，则返回15，是，则进入20；20电流I₁＝I_M；21恒流电源输出I₁；22发出LED光衰超限、电流超值报警，然后进入23；23记录LED灯的运行电流I_D＝I₁，以备下次启动时调用，然后退出启动流程。

请参阅图8，LED结温测量流程是：31测量启动时LED的电流I₁、端电压V₁、环境温度Ta；32测量运行中LED的电流I₂、端电压V₂；33计算结温T2；34判断结温测量是否结束？否，则返回32继续测量结温，是，则退出结温测量流程。

请参阅图9，监测与报警流程是：41判断启动进程是否结束？否，则继续等待，是，则执行后续程序；42测量LED的电流I₂、结温T₂、亮度S₂；43判断S₂＞S_M？否，则进入44，是，则进入47；44判断S₂＜S_N？否，则进入45，是，则进入48；45判断T₂＞T_M？否，则退出监测与报警流程，是，则进入53；46恒流电源输出I₂，返回42；47电流I₂＝I₂-ΔI，进入46；48电流I₂＝I₂+ΔI，49判断I₂＞I_M？否，则进入46，是，则进入50；50电流I₂＝I_M；51恒流电源输出I₂；52LED光衰超限、电流超值报警；53LED结温超限报警。

Claims (8)

1.一种LED灯无光衰控制的装置，由控制器(1)、AC/DC可控恒流电源(2)、LED电压测量(3)、LED电流测量(4)、LED亮度测量(5)、环境温度测量(6)和AC/DC直流稳压电源(7)组成；其特征在于，AC/DC可控恒流电源(2)将交流电转变成直流后，根据控制器(1)的指令向LED阵列输出恒定的直流电流：LED电压测量(3)、LED电流测量(4)、LED亮度测量(5)将LED阵列的工况实时传输给控制器(1)，控制器(1)再根据预设的控制策略，以及从环境温度测量(6)获得的环境温度，给AC/DC可控恒流电源(2)发送输出电流值的指令；同时，一旦发现LED阵列的工况发生异常，控制器(1)通过通信接口以有线或无线的方式及时地向监控中心发送报警信息；监控中心也可以有线或无线的方式向控制器(1)发送工作指令；AC/DC直流稳压电源(7)向本发明专利的装置提供所需的电能。

2.根据权利要求1所述的一种LED灯无光衰控制的装置，其特征在于：所说的控制器(1)，既可用分立的中央处理器、存储器、输入输出器件、运算放大器、模数转换器、通信接口和驱动器件构成；也可用片上系统SOC，Systemon Chip，构成。

3.根据权利要求1所述的一种LED灯无光衰控制的装置，其特征在于：所说的AC/DC可控恒流电源(2)，除了具有通常的将交流电转变成直流恒流后驱动LED的功能外，还具有可接收控制器(1)的指令来调整输出电流的通断和大小。

4.根据权利要求1所述的一种LED灯无光衰控制的装置，其特征在于：所说的LED电压测量(3)，既可简单地用电阻器形成模拟信号提供给控制器(1)，也可用电压测量模块以数字信号提供给控制器(1)。

5.根据权利要求1所述的一种LED灯无光衰控制的装置，其特征在于：所说的LED电流测量(4)，既可简单地用电阻器形成模拟信号提供给控制器(1)，也可用电流测量模块以数字信号提供给控制器(1)。

6.根据权利要求1所述的一种LED灯无光衰控制的装置，其特征在于：所说的LED亮度测量(5)，既可简单地用光敏器件、光电器件形成模拟信号提供给控制器(1)，也可用亮度测量模块以数字信号提供给控制器(1)。

7.根据权利要求1所述的一种LED灯无光衰控制的装置，其特征在于：所说的环境温度测量(6)，既可简单地用热敏器件形成模拟信号提供给控制器(1)，也可用温度测量模块以数字信号提供给控制器(1)。

8.一种LED灯无光衰控制的方法，包括，通过控制LED灯在启动和运行过程中的工作电流的大小，以及LED的结温、亮度来达到降低功耗、减缓光衰、延长使用寿命的目的；其特征在于：

①LED运行参数设定：根据LED特性曲线和预期的使用寿命，设定最高结温T_M，正常工作时的结温T_D，亮度上限S_M，亮度下限S_N，最大电流I_M，以及LED灯无光衰时的第一次启动电流值；

②LED启动：步骤1，计算LED结温允许温升T₁＝T_D-Ta；步骤2，计算起始亮度允许降低的百分数ΔS；步骤3，计算LED的启动电流I₁；步骤4，输出电流I₁；步骤5，测量LED的亮度并判断亮度是否下降？若亮度不下降，则记录运行电流值I_D＝I₁，退出启动流程；步骤6，电流I₁增加一个增量ΔI并判断I₁＞I_M？否，则返回步骤4；步骤7，电流I₁＝I_M，并输出I₁；步骤8，发出LED光衰超限、电流超值报警，然后记录运行电流值I_D＝I₁，退出启动流程；

③LED结温测量：步骤1，测量启动时LED电流I₁、端电压V₁、环境温度Ta；步骤2，测量运行中LED电流I₂、端电压V₂；步骤3，计算结温T₂；

④监测与报警：步骤1，等待启动进程结束；步骤2，测量LED电流I₂、结温T₂、亮度S₂；步骤3，判断S₂＞S_M？是，则I₂＝I₂-ΔI，输出I₂并返回步骤2；步骤4，判断S₂＜S_N？是，则I₂＝I₂+ΔI，转到步骤6；步骤5，判断T₂＞T_M？否，则退出监测与报警流程，是，则发出LED结温超限报警并退出监测与报警流程；步骤6，判断I₂＞I_M？否，则输出I₂，返回步骤2；步骤7，I₂＝I_M，输出I₂，发出LED光衰超限、电流超值报警，退出监测与报警流程。

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