舞台灯大功率LED调光与温度自适应控制系统

彭颖茹 匡昕

（广州市浩洋电子有限公司）

舞台灯大功率LED调光与温度自适应控制系统

彭颖茹 匡昕

（广州市浩洋电子有限公司）

LED光源的舞台灯具有节能、长寿、安全、体积小巧等优点，但LED在温度接近120℃时，光效低、寿命缩短，因此控温十分重要。根据LED分布，设计一种调光与温度自适应控制系统，采用32位MCU控制，通过热敏电阻检测LED温度，采用多种散热方式，并在过热时采取调节发光功率、增大风扇转速等措施，降低LED光源温度、提高发光质量、延长LED光源寿命。经过实际运行测试，使用效果良好。

LED；舞台灯具；温度控制；自适应

0 前言

LED光源的舞台灯具有节能、寿命长、环保、响应速度快和容易调整等特点，其理论耗能是白炽灯的10%，荧光灯的50%；寿命是荧光灯的10倍[1]。同时，LED白光光源无紫外光、红外光等辐射，采用树脂硅胶封装，具有结构坚固可回收利用等优点。此外，因为光色多、单色性好、发热小等特点，LED光源深受舞台照明行业青睐，目前广泛应用于大型舞台、歌剧院、体育场馆等演出现场。

舞台照明多采用大功率LED光源，当环境温度高于安全工作点温度时，LED内部正向电流会超出安全区，大大降低LED寿命甚至损坏；且温度也会影响其峰值波长、辐射通量、色温等光谱特性[2]，降低发光质量；LED多以透明环氧树脂封装，若结温超过固相转变温度（通常为125℃），封装材料会向橡胶状转变并热膨胀系数骤升，从而导致LED开路和失效，影响LED舞台灯的正常使用和缩短LED的使用寿命[3]。

为了解决上述温升问题，提高舞台灯对不同环境温度的适应性，本文根据舞台照明灯具的特点，设计一种LED调光与温度自适应控制系统，采用多种散热方式，通过控制系统和结构设计相互配合，达到良好的控温效果。

1 系统原理

1.1 光学特性及温度影响

LED光源寿命通常用芯片的光通量衰减（以下简称光衰）定义，LED发光强度衰减到初始发光强度一半的时间为其寿命[4]。光通量F表征LED总光输出的辐射能量，即LED向各个方向发光的能量之和，它与工作电流有关。工作电流增加，LED光通量随之增大[5]，但电流增加会导致温度升高，使LED芯片电板及其材料内部杂质引入发光区，PN结发光复合的几率逐渐降低，从而降低发光效率；封装材料随高温逐渐变质，降低透光性；同时荧光粉的高温衰减十分严重，而荧光粉的衰减会造成LED光衰。

发光效率是LED重要性能指标，温度升高，发光效率下降，原因主要有[6]：

1) 温度升高，电子和空穴浓度升高，禁带宽度减小，禁带宽度是被束缚的电子成为自由电子所要获得能量的最小值，导致电子迁移率减小，并产生热量，降低LED内量子效率；

2) 温度升高，使芯片发射波长中的蓝光波峰发生偏移，导致芯片的发射波长与突光粉的激发波长不匹配，造成白光LED发光效率降低；

3) 温度升高，突光粉涂层易发生猝灭和老化，降低突光粉量子效率，且硅胶内部的热应力加大，导致硅胶折射率降低、出光减少，LED发光效率降低。

大功率LED光输出与结温的关系可表示为

其中，FV(tj1)是结温为tj1时的光通量的输出；FV(tj2)是结温为tj2时的光通量的输出；K为温度系数，其值与发光材料有关。

由式(1)可知，随着结温升高，LED发光效率呈指数下降，其温度与输入电流成正比关系，图1为 Xlamp XP-C LED器件典型发光效率与输入电流幅值之间的关系，该LED测试时暂载率为50%，工作频率为1000 Hz，图1中垂直虚线处为最大额定连续电流500 mA。

图1 XLamp XP-C LED的发光效率与输入电流曲线

发光波长也受温度影响，当LED为非单色光时，主要单色光的波长为其主波长。主波长随着LED温度的升高会发生偏移，偏向长波。波长随结温变化可表示为

其中，λ0（tj1）、λ0（tj2）是结温为tj1、tj2时的光的波长，单位为nm；K是一个常系数，数值范围一般在0.1 nm/K～0.3 nm/K之间。

综上所述，LED的光学特性与温度紧密相关，大功率LED需采用多种散热方法，目前主要散热途径有LED芯片、粘合剂热沉、导热硅胶、金属电路板、散热器和对流空气。

1.2 控制策略

根据舞台灯大功率LED结构，通常采用4种方式散热：1) 采用合适散热器及时传导LED芯片热量；2) 利用驱动芯片的过电流保护关断LED驱动器的输出电流；3) 给LED驱动器增加温度补偿功能；4) 设计LED照明用温度测控系统[7]。本设计综合4种散热方式，并主动进行调光，保证LED工作温度的稳定，使舞台灯处于良好的工作状态。

大功率LED光源镶嵌在一个与PCB板相连的导热基板中间；PCB板上装有3个温度传感器，通过A/D转换器，将检测的温度数据传输到单片机；单片机根据温度数据控制散热风扇，同时控制LED供电回路功率，以控制LED模块温度。测试PCB板与散热器附近的温度为实测温度，对于最高温度至少预留30℃的余量，以免影响使用寿命。控制系统设有3个温度阈值，分别为最小温度值Ta、中间温度值Tb和最大温度值Tc。系统运行时，由A/D转换器在间隔一段固定时间后读取一次温度传感器的数据，MCU控制端接收数据后，将读取的温度值Tr与设定的最小Ta、中间Tb和最大Tc温度值进行比较，其控制策略为：

1) 温度小于最小值Tr＜Ta，不需冷却，LED功率保持额定值，保护电路不工作；

2) 温度在最小值与中间值之间Ta＜Tr＜Tb，LED温度适宜，冷却风扇转速为慢速，LED光源功率保持额定值，补偿电路工作在恒流区，保护电路不工作；

3) 温度在中间值与最大值间Tb＜Tr＜Tc，灯具运行温度环境良好，冷却风扇转速为高速，LED光源功率为额定值，保护电路不工作；

4) 温度超过安全工作温度Tr＞Tc，灯具温度环境较差，冷却风扇转速为高速，MCU根据温升调低LED输出功率，LED驱动器进入温度补偿区，通过电阻分压器与内部补偿电路，使输出峰值电流与平均值电流减小，降低LED光源功率，保护电路不工作；

5) 温度继续上升，温度失控，Tr值达到某一极限值时，MCU控制端启动保护电路，关断LED驱动器的输出，达到保护目的。

其中策略4)降低LED光源功率后，需要与新的温度数据重新对比，直到LED温度在安全范围内才会调整系统工作状态，恢复额定功率运行。

2 LED结构与硬件电路设计

2.1 电路设计

LED温度自适应控制系统原理框图如图2所示，系统MCU控制端主控制芯片采用32位MCU STM32F051，运行频率72 MHz，运行速度提高使温度曲线更加平滑，波动小。

2.1.1 温度采集与光源功率控制

LED温度采集与光源功率控制电路如图3所示，MCU控制端通过U2芯片即温度传感控制芯片控制3个热敏电阻轮换选通，并将热敏电阻采集的温度模拟数据送入A/D转换器，A/D转换器将温度值转换成数字信号输入MCU，完成一次采集过程。采集完成后，根据所得数值确定温控方案，控制3路大功率LED驱动输出功率，实现光功率调节。

图2 LED温度自适应控制系统原理图

图3 LED温度采集与光源功率控制电路

2.1.2 风扇控制电路

风扇控制电路包括驱动电路、通讯电路、电源电路、磁敏感应电路和功放电路，整个电路通过STM32系列芯片进行控制。其中，磁敏感应电路用于检测电机位置；通讯电路实现风扇控制电路与其他控制电路之间的参数传送，以实现整体的协调控制；功放电路采用晶体管放大信号，控制电路电流，使风扇转速随电流强弱变化而变化。风扇转速控制电路如图4所示。

图4 风扇转速控制电路

2.2 结构设计

LED灯PCB板结构示意图如图5所示，多颗大功率LED集成染色灯均匀布设在LED光源的PCB板上，在LED光源之间设有若干个热敏电阻，用以检测PCB板不同位置的温度。PCB板的中心位置即LED光源越集中的地方温度越高，越靠近圆周则温度越低。LED光源焊接到铝基板上，该铝基板与散热器的黄铜壳体通过螺钉紧固连接，并涂抹导热胶。热量通过传导方式从LED接合点流经铝基板，到达散热器，壳体再通过对流和辐射方式将热量散发到外部环境中去。另外，在中心位置设置功率比较大的风扇，将外部冷空气抽入灯体内部，使热量向四周扩散；在周围均匀布设若干功率较小的风扇，将灯体内部热空气通过散热孔向外部排出，同时加速灯体内部冷热空气的对流。

图5 LED灯PCB板结构示意图

3 控制软件设计

为保证系统运作效率与数据准确性，温度读取的时间间隔预设为1 s，取3次数据的平均值为温度数据。由于不同环境、不同功率的LED，对温度检测的实时要求不同，所以时间间隔预设值可以调整。MCU控制端读取LED模组温度后，根据LED功率和温度曲线关系图，决定LED电流驱动端驱动电流，从而控制LED模组功率。如果温度偏高，降低LED功率，同时打开风扇，温度就会降低。根据韦伯费希纳定律，此时降低LED光源功率即降低亮度，并不会造成太大影响。其曲线关系示意图如图6所示。

图6 LED温度补偿区功率和温度曲线

LED舞台灯控制软件涉及运动控制、图案选择、调光、圈控和点控等功能，这里不一一说明，重点介绍温度控制软件。温控控制系统软件工作流程如图7所示。

图7 温度控制系统软件流程图

系统完成初始化后，开始读取A/D转换器的数据，根据读取温度值的判定，选择相对应的处理方式，包括风扇是否运行、运行时转速快慢、LED光源功率是否保持恒定、驱动器工作区域以及是否启动保护电路等。一旦启动保护电路，整个系统将停止运行，须等待温度冷却后才可手动启动系统。

4 测试实验

该系统已应用于某公司BLS400L型号舞台灯具，并进行温度测试实验。

8:00～14:00的测试时间内，环境温度为45℃，LED满功率运行，将温度测试探头放在靠近灯珠的PCB板上对称两点，对灯具进行高温老化实验，以20 min为一时间节点取值。实验结果表明，8:00～8:20时，LED温度在46℃及以下，风扇不转动；8:40～10:20时，LED温度在46℃～54℃之间，风扇低速转动；10:40～14:00时，风扇高速转动，LED降功率运行，直到温度降到54℃以下，完成系统温度自动控制。其中一段舞台灯LED温度测试实验数据如表1所示。

实验表明，大功率LED温度自适应控制系统能够保证BLS400L型号舞台灯具在使用过程中，其光源温度保持在一个良好的数值范围内。

表1 舞台灯LED温度测试实验数据

5 结论

由于大功率LED工作温度远小于气泡灯等常规光源灯具，环境温度对LED灯具的影响很大，尤其是大功率LED在满负荷运行时产生的热量较大，加重了光源散热的负担。本设计研究的大功率LED调光与温度自适应控制系统，采用多种方式、针对不同工况，对LED灯具各个阶段的温度进行综合控制，使系统LED的PCB板温控效率大大提高，保证大功率LED的发光效率和寿命，同时也降低了舞台灯运行噪声，具有良好的实用价值。

本设计在结构、方法上可以进一步改进，考虑增加半导体制冷技术，以进一步提高大功率LED散热系统效率。

[1]张少锋.LED产品温度与寿命相互关系[EB/OL]. http://www.runlite.cn/cn/news-detail-875.html, 2012-09-24.

[2] 丁天平,郭伟玲,崔碧峰,等.温度对功率LED光谱特性的影响[J].光谱学与光谱分析,2011,31(6):1450-1453.

[3] 王本龙,张希艳,邹军.大功率LED封装散热方式[J].中国照明,2008(11):78-80.

[4] 周保军.大功率LED高效散热系统设计及其实验研究[D].北京:北京化工大学,2013.

[5] 李婷.汽车照明用大功率白光LED温度分析及控制的研究[D].武汉:武汉理工大学,2009.

[6] 王健,黄先,刘丽,等.温度和电流对白光LED发光效率的影响[J].发光学报,2008,29(2):358-362.

[7] Cree. Cree® XLamp® ML-C LEDs Product Family Data Sheet[EB/OL]. http://www.cree.com/Ch/Xlamp-app-notes.

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

彭颖茹，女，1971年生，工程师，硕士，主要研究方向：舞台灯具技术研发。E-mail: engineer2@terbly.com