大功率LED有源溫控系統(tǒng)的開發(fā)

摘要：由于大功率LED供電時其大部分能量轉(zhuǎn)化為熱能，如果熱量不能有效散出，將嚴(yán)重影響其光照亮度及其使用壽命。為了大功率LED散熱的實(shí)際需要，提出并實(shí)現(xiàn)了一種LED有源溫控系統(tǒng)的開發(fā)，采用熱電制冷效應(yīng)，使用LED驅(qū)動器本身作為制冷器的驅(qū)動電源，同時建立基于半導(dǎo)體傳感器的溫控監(jiān)測電路，通過內(nèi)部數(shù)字PI調(diào)節(jié)器形成一個完整的閉環(huán)控制系統(tǒng)，最后獲得LED有源溫控系統(tǒng)的具體配置方式，并分析測試的數(shù)據(jù)結(jié)果，展示了有源溫控系統(tǒng)的準(zhǔn)確性和可靠性。
關(guān)鍵詞：電力電子；有源溫控；電橋；LED

0 引言
    大功率LED的正向壓降和電流都比較大，其消耗的功率也比較大。目前大功率白光LED的電光轉(zhuǎn)換效率約為15％，剩余的85％則轉(zhuǎn)化為熱能，而一般LED芯片尺寸僅為φ2～φ5 mm，因此其功率密度很大。同時與傳統(tǒng)的照明器件不同，白光LED的發(fā)光光譜基本屬于可見光范圍內(nèi)，不包含紅外部分，所以其熱量不能依靠輻射釋放，如果熱量集中在尺寸很小的管芯內(nèi)部而不能有效散出，就會導(dǎo)致芯片的溫度升高，引起熱應(yīng)力的非均勻分布，同時芯片發(fā)光效率和熒光粉激射效率下降。研究表明，當(dāng)溫度超過一定水平時器件的失效率將呈指數(shù)規(guī)律攀升，元件溫度每上升2℃，LED可靠性將下降10％左右。
    同時，當(dāng)溫度過高時白光LED器件的發(fā)光波長將發(fā)生紅移。據(jù)統(tǒng)計(jì)資料表明，在100℃的溫度下，波長可以紅移2～9 nm。從而導(dǎo)致YAG熒光粉吸收率下降，總的發(fā)光強(qiáng)度會減少，白光色度變差，并且會嚴(yán)重影響LED的使用壽命。在室溫附近，溫度每升高1℃，LED的發(fā)光強(qiáng)度會相應(yīng)減少1％左右，當(dāng)器件從環(huán)境溫度上升到120℃時，亮度下降多達(dá)35％。當(dāng)多個LED密集排列組成白光照明系統(tǒng)時，熱量的耗散問題更加嚴(yán)重，因此解決散熱問題已成為功率型LED應(yīng)用的先決條件，因此，如何提高散熱能力是大功率LED實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化亟待解決的關(guān)鍵技術(shù)難題之一。

1 有源溫控LED的開發(fā)
    目前幾乎所有控制LED溫度的方式都是通過增加散熱面積，改善散熱材料等被動方式散熱，但是這種方法受環(huán)境溫度和LED功率大小限制，其作用效果有限，并且可控性很差，因此改善效果往往不能達(dá)到的要求。于是，這里提出了一種使用熱電致冷器件TEC主動控制LED溫度的方法。這種方法當(dāng)然也要消耗能源來制冷，但在必要時則能強(qiáng)制LED管芯局部降溫，從而仍可能有積極的作用。
1．1 TEC工作原理
    TEC是利用熱電致冷效應(yīng)原理制成。所謂熱電致冷效應(yīng)，是指當(dāng)直流電流通過具有熱電轉(zhuǎn)換特性的導(dǎo)體組成的回路時，具有致冷制熱的功能。半導(dǎo)體制冷是熱電制冷的一種，即直流電通過半導(dǎo)體材料制成的PN結(jié)回路時，在PN結(jié)的接觸面上有熱電能量轉(zhuǎn)換的特性，這種效應(yīng)又稱為帕爾貼效應(yīng)。帕爾貼效應(yīng)是法國物理學(xué)家帕爾貼(Petter)在1834年發(fā)現(xiàn)的。兩種不同導(dǎo)體聯(lián)成的閉合回路，當(dāng)在此環(huán)路中接入電源時，一個焊接點(diǎn)的溫度降低為吸熱端；另一個焊接點(diǎn)的溫度升高為放熱端。這種現(xiàn)象被稱為熱電制冷和制熱。又由于半導(dǎo)體材料是一種較好的熱電能量轉(zhuǎn)換材料，在國際上熱電制冷器件普遍采用半導(dǎo)體材料制成，因此稱為半導(dǎo)體制冷器。
    當(dāng)有外加直流電流I流過2種不同的金屬組成的閉合回路時，在一個接頭上會有熱量Q的吸收，而在另一個接頭上會有熱量Q放出，這種吸收或放出的熱量稱為帕爾貼熱。帕爾貼熱和通過該導(dǎo)體的電流關(guān)系為：
    Q=πI     (1)
    式中：π為帕爾貼系數(shù)，與材料的溫差電動勢率α和接頭溫度T1有關(guān)，π=αT1。帕爾貼熱只與2種導(dǎo)體的性質(zhì)及接頭的溫度有關(guān)，而與導(dǎo)體其他部分的情況無關(guān)，且這種效應(yīng)是可逆的。

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    半導(dǎo)體制冷器的基本致冷單元，是把P型半導(dǎo)體和N型半導(dǎo)體用金屬連接片焊接起來組成的電偶，如圖1(a)所示。載流子通過結(jié)點(diǎn)時，必然與周圍環(huán)境進(jìn)行能量交換，能級的改變是現(xiàn)象的本質(zhì)。N型半導(dǎo)體有多余的電子，具有負(fù)溫差電勢，P型半導(dǎo)體多數(shù)載流子子是空穴，電子不足，具有正溫差電勢，當(dāng)電子從P型半導(dǎo)體穿過結(jié)點(diǎn)到N型半導(dǎo)體時，其能量必然增加，而且增加的能量相當(dāng)于結(jié)點(diǎn)所消耗的能量，結(jié)點(diǎn)溫度降低。相反，當(dāng)電子從N型半導(dǎo)體流至P型半導(dǎo)體時，結(jié)點(diǎn)的溫度就升高。由于單個電偶產(chǎn)生的熱效應(yīng)較小，所以實(shí)際應(yīng)用的半導(dǎo)體制冷器，是將多個這樣的電偶對一起串聯(lián)使用，如圖1(b)所示，這樣才能夠同時吸收或者釋放更多的熱量。通過改變TEC兩端的電流流向就能夠控制熱量吸收和釋放，同時控制電流的大小，就能控制TEC發(fā)熱或者制冷的功率，從而實(shí)現(xiàn)對LED溫度的控制。由于對于LED來說主要是控制其溫度不能超過其允許范圍，因此只需控制電流的大小而不必控制方向。
1．2 溫度測量方法
    控制溫度需要溫度檢測裝置，這里采用熱敏電阻元件作為溫度的傳感器，通過測量其電阻值的大小來判斷溫度的大小。這樣希望溫度控制在某個值就有了溫度的給定，到溫度執(zhí)行機(jī)構(gòu)，再到溫度的檢測作為反饋就構(gòu)成了溫度的閉環(huán)自動控制系統(tǒng)。
    溫度信號首先要變成比較容易處理的電信號，這里采用溫度傳感器將溫度信號轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?。常見的溫度傳感器有熱電偶、熱敏電阻、RTD和集成溫度傳感器。熱敏電阻主要用于點(diǎn)溫度、小溫差的測量，遠(yuǎn)距離多點(diǎn)測量與控制，溫度的補(bǔ)償和電路的自動調(diào)節(jié)等。測溫范圍為-50～+450℃。與其他溫度傳感器相比，熱敏電阻溫度系數(shù)大、靈敏度高、響應(yīng)迅速、測量線路簡單，體積小、壽命長、價格便宜，由于本身電阻值很大，因此可以不考慮引線長度帶來的誤差，適于遠(yuǎn)距離的測量和控制。
    熱敏電阻的溫度系數(shù)有正有負(fù)，大概可分為NTC，PTC和CTR。NTC是一種具有負(fù)溫度系數(shù)的熱敏電阻，PTC是正溫度系數(shù)熱敏電阻，CTR是臨界溫度熱敏電阻。NTC主要用于溫度測量和補(bǔ)償。本課題采用的是NTC型熱敏電阻。它的主要參數(shù)指標(biāo)有標(biāo)稱電阻值Rt、額定功率、電阻溫度系數(shù)α、測量功率、時間常數(shù)、耗散系數(shù)、穩(wěn)壓范圍等。
    一般而言，溫度的測量由溫度傳感器和電橋2部分組成。本課題研究的LED溫度的測量利用熱敏電阻和差分輸入電橋兩部分組成。采用單電橋的測溫電路如圖2所示。

    圖中RX為熱敏電阻；UR為參考基準(zhǔn)電壓，要求參考電壓輸出必須精確穩(wěn)定，一旦紋波過大，則會影響電橋的測量精度。橋臂上其余電阻也采用高精度的精密電阻，以保證精確測量的需要。根據(jù)電路以及運(yùn)算放大器的原理可以得到UO與UR的關(guān)系式：
   
    通過電路仿真得到UO與RX的關(guān)系曲線如圖3所示。圖中UR選取5 V，經(jīng)過合理配置R1=1 kΩ，R2=R3，當(dāng)RX大約在0．33～3 kΩ之間變化時，UO的輸出在范圍為0～5 V。本論文中0～5 V作為計(jì)算機(jī)信號代表LED的溫度信號變化范圍為-20～+200℃。因此通過熱敏電阻將溫度信號反饋到320單片機(jī)的A／D，再通過單片機(jī)控制TEC的電流就可以形成LED的溫度反饋控制。

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2 LED有源溫控系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)
    首先介紹LED有源溫控系統(tǒng)的配置方式，然后通過對溫升數(shù)據(jù)的分析，指出LED有源溫控系統(tǒng)的可行性。
2．1 LED有源溫控系統(tǒng)的配置方式
    首先通過智能LED驅(qū)動器給LED負(fù)載進(jìn)行供電，上位機(jī)通過CAN或RS 485總線將控制信號傳遞給LED驅(qū)動器來控制LED輸出電流的大小，即控制LED發(fā)光亮度的大小，而隨著發(fā)光亮度的不同，LED的熱量也有很大的變化，亮度越高，其表面越熱，然后溫度傳感器將其溫度信號轉(zhuǎn)化為電壓信號，傳遞到LED驅(qū)動器的微處理控制模塊，經(jīng)過A／D采樣轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號，再由CAN／485總線將數(shù)據(jù)發(fā)送到上位機(jī)上，上位機(jī)根據(jù)所傳輸數(shù)據(jù)的大小通過內(nèi)部數(shù)字PI控制器計(jì)算并輸出到微處理器控制模塊，再由微處理器控制模塊將相應(yīng)的控制電壓給到驅(qū)動器上，由驅(qū)動器對LED制冷器進(jìn)行供電，而微處理器供給的控制電壓的大小直接控制制冷器電流的大小，即制冷器制冷強(qiáng)度的大小，整個過程是一個完整的閉環(huán)系統(tǒng)，不需人為調(diào)節(jié)，由傳感器，驅(qū)動器電路，總線，上位機(jī)，制冷器自動控制。
    本系統(tǒng)以C8051F340單片機(jī)為核心，與外部監(jiān)控單元和接收機(jī)單元均采用串行口通信；單片機(jī)采集輸出電流反饋信號；環(huán)路校正采用數(shù)字PI校正，用軟件編程實(shí)現(xiàn)；校正輸出的信號送至F340內(nèi)部產(chǎn)生的數(shù)字脈寬調(diào)制信號(PWM)，通過PWM加載到驅(qū)動電路的輸入端，從而改變負(fù)載輸出功率系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖4所示。

    對于數(shù)字校正來說，環(huán)路的控制是按照一定的采樣周期進(jìn)行的。本系統(tǒng)中采樣周期選為20 ms。系統(tǒng)反饋控制單元采用數(shù)字PI校正，用軟件編程來實(shí)現(xiàn)。相對于模擬環(huán)路校正來講，數(shù)字PI調(diào)節(jié)器具有調(diào)試方便、可靠性高等優(yōu)點(diǎn)。下面對本系統(tǒng)所采用的數(shù)字PI控制器進(jìn)行詳細(xì)的介紹。[!--empirenews.page--]
    PI調(diào)節(jié)器的傳遞函數(shù)為，其中，τ為積分時間常數(shù)；kp為比例系數(shù)，這里τ=0．03，kp=1。該調(diào)節(jié)器的模擬輸出為：

2．2 LED的溫升實(shí)驗(yàn)測量數(shù)據(jù)分析
    表1為不加TEC制冷而測試出的輸出電壓，溫度與熱敏電阻阻值的關(guān)系。由表中數(shù)據(jù)可以看出，其熱敏電阻值與輸出電壓的關(guān)系與圖3模擬仿真結(jié)果基本一致，誤差不超過1％。

    而當(dāng)加入TEC制冷器以后，無論發(fā)光亮度有多大，LED表面溫度都迅速降溫為25℃左右，達(dá)到了預(yù)期制冷的效果。表2為加入TEC制冷器后輸出電壓，溫度與熱敏電阻阻值的關(guān)系。

3 結(jié)語
    本文給出了一種新型的LED有源溫控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，使用降壓型LED驅(qū)動器作為TEC制冷器的驅(qū)動電源，同時建立基于半導(dǎo)體傳感器的溫控監(jiān)測電路，形成一個完整的閉環(huán)控制系統(tǒng)，通過主動散熱的方式為大功率LED高效可靠的工作提供保證，此系統(tǒng)的設(shè)計(jì)經(jīng)過實(shí)驗(yàn)論證，證實(shí)此方法準(zhǔn)確，有效，具有開發(fā)的價值。