原创 LED 照明灯具与传感器技术

   LED 照明灯具作为第四代新型灯具，节能低碳和无污染是其显著的优点。LED 照明以其高节能、长寿命、利环保的特点成为大家广为关注的焦点。这几年高亮度的LED 光源因其制造技术突飞猛进，而其生产成本又节节下降，销售价格连续几年年降率达30-35% 。如今使用LED 光源作为高亮度、高效率而又
省电、无碳排放的节能照明光源已成为全球的海量需求，一个以制造LED 照明灯具的新兴行业正在崛起，产业链正在日益完善，技术正在日趋成熟。

    LED 照明灯具与传统的照明灯具最大的区别，LED 照明灯具是一个完全的电子产品，而传统的照明灯具仅是一个电器产品。因此LED 灯具可以很方便地与各种类型的传感器关联，从而实现光控、红外控制等多种自动控制功能。如LED 路灯的自动开关，用一个光敏传感器就可简单实现；社区夜间走道和庭院
照明，可以用红外传感器采集人类活动信息，自动开闭照明灯具。。。

LED 照明灯具开关自动控制

    传感器作为信号采集和机电转换的器件，其机电技术都已相当成熟，近几年MEMS 技术兴起又将传感器技术向小型化、智能化、多功能化、低成本化大踏步迈进。光敏传感器、红外传感器等各种类型的传感器都可与LED 照明灯具组成一个智能控制系统，传感器将采集来的各种物理量信号转换成电信号，可以经由集成电路化的AD 转换器、MCU、DA 转换器对所采集的信号进行智能化处理，从而控制LED 照明灯具开启和关闭。人类可以籍此在MCU 上设定各种控制要求，控制LED 灯的开关时间、亮度、显色、多彩变幻，从而达到省电节能的目标。传感器与LED 灯具组成的系统框图如图1 所示。目前的集成电路制造技术已经可以将AD、DA、MCU 集成在一个5X5mm 或更小的封装内，安装在灯具内既不占面积而且十分方便。

光敏传感器与LED 灯具组合
    风光电 LED 路灯是一种高度智能化和无人值守的道路照明灯具，利用风力、阳光发电，用蓄电池储能，因此能源的自动管理是十分重要的。光敏传感器是比较理想的因天亮、天暗（日出、日落）时照度变化而能控制电路自动开关的电子传感器。图2 所示是一种光敏传感器的外貌。图3 是光敏传感器的光敏电阻板，它对光线的明暗亮度十分敏感。图4 是光电转换的基本原理图。光控LED 灯具照明系统工作原理如图1 所示。

    光敏传感器，可根据天气、时间段和地区自动控制商场LED 照明灯具开闭。在明亮的白天通过减少其输出功率来降低耗电量，与使用荧光灯时相比，店铺面积为200m2 的便利店最大可降低53％的耗电量。寿命也长达约5--10 万小时。一般情况下，LED 照明灯具的寿命为4 万小时左右；发光的颜色也可采用RGB多彩变幻的方式，使商场灯光更多彩，气氛更活跃；与配套使用黄色荧光体的原蓝色LED 相比，配套使用红、绿、蓝三色荧光体的紫色LED 的演色性更高。

红外传感器与 LED 灯具组合
    红外传感器是靠探测人体发射的红外线而工作的。主要原理是：人体发射的10um 左右的红外线通过菲涅尔滤光透镜增强后聚集到热释电元件PIR 上，当人活动时红外辐射的发射位置就会发生变化，该元件就会失去电荷平衡，发生热释电效应向外释放电荷，红外传感器(PIR)将透过菲涅尔滤光透镜的红外辐射能量的变化转换成电信号，即热电转换。在被动红外探测器的探测区内无人体移动时，红外感应器感应到的只是背景温度，当人体进人探测区，通过菲涅尔透镜，热释电红外感应器感应到的是人体温度与背景温度的差异，信号被采集后与系统中已存在的探测数据进行比较以判断是否真的有人等红外线源进入探测区域。

    被动式红外传感器有三个关键性的元件：菲涅尔滤光透镜，热释电红外传感器(PIR)和匹配低噪放大器。菲涅尔透镜有两个作用：一是聚焦作用，即将热释红外信号折射在PIR 上：二是将探测区内分为若干个明区和暗区，使进入探测区的移动物体（人）能以温度变化的形式在PIR 上产生变化的热释红外信号。一般还会匹配低噪放大器，当探测器上的环境温度上升，尤其是接近人体正常体温(37℃)时，传感器的灵敏度下降，经由它对增益进行补偿，增加其灵敏度。输出信号可用来驱动电子开关，实现LED 照明电路的开关控制。图5 是红外传感器外貌，图6 是红外传感器内部结构与内部电路图。图7 是带红外传感器的LED照明灯具，这是一款E27 标准螺口灯头的灯具，它的电源适用范围是AC180V-250V (50/60Hz)， 红外传感器检测范围大约在 3M—15M，它的标准产品 IFS-Bulb 3W 灯具达80 lm ，5W 灯具达140 lm 。在LED 光源模块的中央部分嵌入红外线传感器。一旦红外传感器检测到人的体温，LED 电灯泡将会在50秒内自动开启与关闭。适用于任何一种室内应用，如走廊、储藏室、楼梯和大厅入口处。

    与红外传感器应用相仿的超声波传感器近年在自动探测移动物体中得到更多的应用。超声波传感器主要利用多普勒原理，通过晶振向外发射超过人体能感知的高频超声波，一般典型的选用25～40kHz 波，然后控制模块检测反射回来波的频率，如果区域内有物体运动，反射波频率就会有轻微的波动，即多普勒效
应，以此来判断照明区域的物体移动，从而达到控制开关的目的。图8 是超声波传感器和微处理器组合的应用方案。
    超声波的纵向振荡特性，可以在气体、液体及固体中传播且其传播速度不同；它还有折射和反射现象，在空气中传播其频率较低，衰减较快，而在固体、液体中则衰减较小，传播较远。超声波传感器正是利用超声波的这些特性。超声波传感器有敏感范围大，无视觉盲区，不受障碍物干扰等特点，这项技术已经在商业和安全领域被使用25 年多了，已经被证明是检测小物体运动最有效的方法。因此与LED 灯具组成系统可灵敏控制开关。

    由于超声波传感器灵敏度高，空气振动、通风采暖制冷系统及周围邻近空间的运动都会引起超声波传感器产生误触发，所以超声波传感器需要及时校准。表1 是关于红外PIR 传感器和超声波传感器的性能比较。

温度传感器做LED 灯具的过温保护
    温度传感器 NTC 做LED 灯具的过温保护被比较早的广泛应用。LED 灯具如采用大功率LED 光源，就必须采用多翼的铝散热器，由于室内照明用的LED灯具本身空间很小，散热问题到目前还是最大的技术瓶颈之一。LED 灯具散热不爽的话，会导致LED 光源因过热而早期光衰。LED 灯具开启后热量还会因热
空气自动上升而向灯头富集，影响电源的寿命（图9）。因此在设计LED 灯具时可以在铝散热器靠近LED 光源方紧贴一个NTC，以便实时采集灯具的温度，当灯杯铝散热器温度升高时可利用此电路自动降低恒流源输出电流，使灯具降温；当灯杯铝散热器温度升高到限用设定值时自动关断LED 电源，实现灯具过温保护，当温度降低后，自动再将灯开启（图10）。

结语
     正因为 LED 灯具是一个完整的电子产品，随着LED 灯具结构多样化、应用扩大化，随着LED 照明灯具设计的更多的创意、创新，将有更多的传感器被结合应用在LED 照明和亮化工程的系统中去。一个智能化的LED 照明新时代正在到来，人类的照明生活将越来越亮堂和舒适。
Alec 2010-11-10
参考资料
《新型实用传感器应用指南》 颜重光等主编电子工业出版社 1998/04
《TPMS 专用传感器模块技术剖析》 颜重光 2006-8-28
《绿色照明LED 灯具驱动技术》 颜重光 2008-9-16
《LED 灯具低压驱动技术》 颜重光 2008-9-18
《LED 照明系统中的智能占用有传感器》 罗佳明《中国电源博览》110 期（2010）