LED舞台灯具的镜头除雾系统设计

彭颖茹

（广州市浩洋电子有限公司）

LED舞台灯具的镜头除雾系统设计

彭颖茹

（广州市浩洋电子有限公司）

相对于传统舞台灯具，LED舞台灯具内部温度不高，在湿度较大的环境中，易造成镜头表面凝结成雾，严重影响照明效率和光斑清晰度。为此，设计小巧方便的镜头除雾系统，在舞台灯镜头内安装轻巧的铝基板电阻器，由单片机控制加热模块，实现均匀加热，达到消除水雾的目的。实验表明：该除雾系统在温度25℃、湿度90%模拟环境下，8 min内可消除水雾。

LED舞台灯具；除雾；加热电阻

0 前言

LED光源自20世纪60年代诞生以来，经过几十年的不断发展，其性能特点得到很大提升。其具有发光效率高、节能环保、寿命长、安全可靠性高等优点，广泛应用于背光照明、景观照明、汽车照明、通用照明、动植物照明等领域。21世纪初，大功率LED技术逐渐成熟，LED的光效比传统光源成倍提高，同时具有开关快速、调光方便等优点。目前单个LED舞台灯的光通量仍然比传统灯光小，但是新型LED舞台灯具将多个LED组合以提高总光通量，经过近十年的发展已初具规模，使LED舞台灯具得到广泛应用[1]。

但LED光源因其本身的特点在舞台灯应用领域仍存在很多亟待解决的问题。例如LED为冷光源，发热量小，当舞台灯具镜头的温度低于使用环境时，镜头表面容易凝结水雾，极大地影响舞台灯具的光传输效率和图案清晰度。舞台灯通常吊挂在舞台上方，镜头的入射面在灯具内部，手动除水雾既耗费大量人力、物力，也不现实；而采用风扇对着镜头吹的方法消除水雾，不但占用舞台灯具内部有限的空间，使灯具体积变大，而且风扇会加大灯具的噪音，使舞台灯具整体性能受到很大影响。

为了克服现有除雾方法的缺陷，在参考汽车除雾方案的基础上[3]，根据舞台灯结构，设计一种镜头自动除雾系统。镜头增加除雾附加结构，通过检测环境温度和湿度，控制加热电阻，能方便快捷地去除镜头表面凝结的水雾[4]。

1 镜头除雾系统结构设计

舞台灯具结构设计须遵循在功能相同的前提下，外形尽量小，因此，如何在有限空间内布设除雾功能部件是结构设计的难点。大部分舞台灯镜头均安装在圆筒状的镜头框内，为了防止漏光，要求镜头框与镜头之间紧密贴合安装。除雾系统的加热模块采用铝基板，通过镜头框把热量传递到镜头，传热过程须防止镜头因局部受热过高而损坏。

为了保证加热效率和镜头均匀受热，把加热模块环绕在镜头框的外壁贴合安装，加热模块的铝基板加工成圆筒状后套装在镜头框。铝基板部件的加工和安装工艺难度大、成本高，不利于产品批量化生产。改进铝基加热板结构，如图1所示。

图1 加热模块结构示意图

在镜头框底部设计凸缘，凸缘上开安装孔，加热模块的铝基板设计为中心开有与镜头框直径一致或稍大一点的通光孔的平板，平板上分布加热电阻，镜头框通过安装孔与加热模块固定连接，并在接触面涂上导热胶，增强热传导效率。该方案实现工艺简单，成本低，且不增加灯具体积。另外，为了使镜头均匀受热，在铝基板圆圈周围均匀分布多个加热电阻，可把电能转换成均匀的加热镜头热量。

2 除雾系统原理

2.1 控制原理

温度采用单片机闭环控制，调节方便、控制效果好[4]。除雾装置的控制系统采用已有的单片机，组成如图2所示的控制系统。系统包括加热模块、单片机、基准温度模块、环境温度传感模块、镜头温度传感模块、湿度检测模块、驱动模块等。其中单片机自带的基准温度模块产生基准温度信号，用于校准检测的温度；2个温度检测模块传输温度信号给单片机，一个检测环境温度，另一个检测当前镜头表面温度；湿度检测用于检测镜头外表面的湿度。单片机采集各种传感器的信号，并进行信息融合，当镜头温度低于环境温度、湿度大于设定值时，通过PWM输出控制驱动模块，使铝基板电阻器加热，传递到镜头，消除水雾；当镜头温度高于基准温度、湿度小于设定值时，断开加热模块供电。根据舞台灯的实际使用情况，要求除雾系统在灯具预热时启动，除雾时间控制在 10 min以内。被加热镜头、镜头框、铝基板的材料、大小及温差决定加热的电流和时间。

控制电路原理图如图3所示，除雾系统的单片机型号为 STM32F051C8T6X，用于存储程序、收集各种采集电路的数据和对采集到的数据进行判断处理。单片机内部自带基准温度模块，可以通过程序设置基准温度值。温度检测模块主要是利用NTC热敏电阻对温度的敏感特性，当温度发生变化时，热敏电阻的阻值发生变化，热敏电阻在分压电路的电压也会发生变化，从而通过计算电压的变化获得温度值。

图3 控制电路原理图

2.2 加热和驱动电路

加热和驱动电路原理如图4所示，单片机分析温度采集的结果后，采用PWM输出控制电子开关Q1，使电阻工作在相应电流下产生热量。Q2采用场效应管，可以减少功耗，并且采用PWM输出控制，加热功率大小可控，大大减少输出级功耗。

图4 加热和驱动电路原理图

除雾系统的加热模块底板为一铝基板，便于均匀散热，在圆环状铝基板表面均匀分布多个加热电阻，通过电阻电路把电能转换成热量。物体受热吸收热量的公式

其中，c为被控物体材料的比热；m为质量；t为设定的基准温度；t0为初始温度。

根据式(1)可算出在一定温差情况下需要吸收的总热量。如果忽略热辐射，则其中，Q为纯电阻电路产生的热量；W为加热电路的功率；T为除雾时间。

由于加热电路的电压采用灯具原有的风扇电压28 V为已知，由此可算出电阻值R。

根据镜头大小和外径电阻以及加热电阻的阻值，把若干个电阻均匀分布在铝基板上，以便镜头受热均匀。此外为防止镜头因局部受热而损坏和提高系统可靠性，采用串并联的电阻连接方式。有两路并联电路，每路并联电路由若干电阻串联而成，每路电路的电阻分别均匀分布在铝基板上。这样即使分支电路有故障，也不影响其他分支的正常工作。但如果局部损坏的电阻过多，则会造成镜头的加热不均匀，甚至损坏镜头。

3 实验

为了验证系统除雾效果，选用大功率LED聚光电脑摇头灯BLS300L进行实验。该摇头灯在环境温度30℃，湿度45%的情况下，测得其2.5 m时的最大照度为27430 lx。模拟环境采用可程式恒温恒湿实验箱FTH-1000-CC，将实验箱温度设定为与外部环境一致，测试摇头灯的光束透过恒温恒湿箱的玻璃后参考照度为25236 lx。实验过程中，测得的照度值越接近参考照度，说明除雾效果越好。

实验步骤如下：把断开电源的摇头灯放入恒温恒湿箱；把恒温恒湿箱温度设定为 25℃、湿度设定为90% RH；当恒温恒湿箱运行到设定值后继续运行 1小时，摇头灯上的玻璃镜头凝结了大量水汽，此时给摇头灯通电，开启加热除雾系统。

表1 不同时间点温度和照度测试数据

从表1可以看出，开启除雾器5 min后镜头中心温度达到预设温度40℃，此时测得照度输出值仅为参考照度的64%。此后镜头中心温度趋于稳定。开启除雾器8 min后测得摇头灯的最大照度达到24730 lx，为参考照度的98%。灯具继续运行1小时后，对各功能模块进行测试，均能正常使用，说明该除雾系统不影响其他内部元器件的正常使用。

镜头中心温度随时间变化曲线见图5，经过5 min后，加热温度基本保持稳定。照度随时间变化曲线图如图6所示，比温度响应的时间滞后。实验表明：开启除雾系统8 min后灯具可正常使用，除雾效果良好。

图5 镜头中心温度随时间变化曲线图

图6 照度随时间变化曲线图

4 结语

本文设计的LED舞台灯具的镜头除雾系统，结构简单、安装方便、成本较低，不需要额外加大灯具的体积，不影响灯具内部原有的结构设计。该设计已获得中国发明专利[4]，产品已通过CE和ETL认证，销往全球多个国家和地区。通过较长时间跟踪使用验证，在周围环境湿度很大、灯具较长时间待机后等情况重新启动时，都能迅速去除灯具镜头雾气，很好地输出额定光通量，满足舞台灯光亮度和清晰度的要求，得到用户好评，具有良好的实用价值。

[1] 李胜有.LED舞台灯技术及发展前景[J].硅谷,2013,142(22): 88,91.

[2] 中国演艺设备技术协会.中国演艺设备行业发展概览[M].北京:文化艺术出版社,2011.

[3] 赵南,田钧.基于 H2TG3551湿度传感器的汽车自动防雾系统的研究设计[J].传感器世界, 2011(9):37-40.

[4] 彭颖茹,蒋伟楷.一种用于舞台灯镜头的除雾系统: 中国, 201210406696.9 [P]. 2013-02-06.

[5] 关平,刘红,林强,等. 可实现的基于MCS-51单片机的恒温控制系统的设计[J].自动化技术与应用, 2008,27(10): 108-110.

The Lens Demisting System for LED Stage Illumination

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

This paper presents a new compact structure of lens demisting control system used in LED stage illuminations, which has lower internal temperature than the tradition ones, to prevent or eliminate the condensation buildup in lens, which seriously affects the light efficiency and spot definition of illumination devices when there is high humidity. The new structure arranges in the lens evenly heating the lens according to temperature and humidity with lightweight aluminum substrate resistance heaters inside, and controlled by microcomputer. The experimental results show that system can eliminate water mist within 8 minutes when humidity of the environment is 90% and temperature is 25℃.

LED Stage Illumination; Demisting System; Heating Resistor

彭颖茹，女，1971年生，高级工商管理硕士，工程师，研究领域：舞台灯具。E-mail: pengyingru@126.com