教室照明光感節(jié)電控制器的設(shè)計

當前大多數(shù)學(xué)校教室的照明依然采用手動控制開關(guān)，但往往由于人們節(jié)電意識淡漠以及疏于管理，即使在自然光充沛的情況下，教室內(nèi)燈光長明的情況依然隨處可見，不僅損耗了電能，同時也減少了燈具的使用壽命，照成資源浪費。為解決這一問題，筆者結(jié)合實際情況，經(jīng)多次試驗，設(shè)計并制作了針對學(xué)校教室燈具電路的光感節(jié)電控制器，應(yīng)用于教室和實驗室中，效果良好。

　　1 功能效果

　　根據(jù)學(xué)校日常教學(xué)和自習(xí)的情況，在不安裝聲控和紅外探測器的情況下，如果單純依靠光感控制，則夜間燈光不會自動熄滅。因此可采用光感自動控制電路和手動按鈕來配合進行教室燈光的控制。在室內(nèi)自然光照度達到滿足正常教學(xué)要求時，燈光自動熄滅； 在陰雨天和晚上，室內(nèi)光照度下降到一定程度后，燈具可以根據(jù)需要手動開啟。

　　2 控制器構(gòu)成

　?。?1） 市電轉(zhuǎn)換。將220 V 交流電通過降壓、整流和濾波轉(zhuǎn)換為光感控制電路可以使用的12 V 直流電源。

　　（ 2） 自然光檢測組件。使用光敏二極管，將光信號轉(zhuǎn)換為電信號的半導(dǎo)體器件，是控制器中的關(guān)鍵器件。需要注意的是，該組件必須放置于教室內(nèi)燈光照射范圍之外，只用于探測自然光線的強弱； 由于一些專業(yè)課程的授課對光線有特殊要求，這就需要該組件可以根據(jù)實際需求進行調(diào)整其自然光照度的敏感性。

　?。?3） 抗干擾電路： 控制器的設(shè)計還必須考慮到浮云或者外部強光如車燈、雷電等外界因素對自然光檢測組件的干擾，需要加入輸出延遲電路防止干擾，在收到外界干擾時，保證觸發(fā)器電路在瞬時干擾的情況下不會翻轉(zhuǎn)。

　?。?4） 時基電路NE555.NE555 是555 系列計時元件的一種，價格便宜且性能穩(wěn)定，作為控制元件，光敏二極管由于光照度的變化會產(chǎn)生內(nèi)阻變化而造成時基電路NE555 觸發(fā)電壓的改變，當降低或升高至一定閾值時，時基電路會輸出相應(yīng)的高、低電平，開啟或關(guān)閉照明指示燈以及使繼電器吸合或釋放。

　?。?5） 繼電器組件。因大部分學(xué)校教室都是用日光燈燈管照明而非白熾燈，日光燈管開啟時的負電感效應(yīng)會導(dǎo)致過沖電壓較高，會燒壞可控硅器件，因此需要使用繼電器控制照明電源。

　　3 電路設(shè)計與工作原理

　　光感節(jié)電控制器電路如圖1 所示。

　　圖1 光感節(jié)電控制器電路圖

　　首先需要對市電進行T 降壓、IC1橋式整流和C1濾波，將220 V 交流電轉(zhuǎn)換為12 V 直流電壓，用發(fā)光二極管D1作為電源通斷指示燈。12 V 直流電通過光敏二極管D2和電阻R2、R3分壓后加在時基電路NE555 的2、6 腳。當室內(nèi)自然光照度下降時，光敏二極管D2的內(nèi)阻慢慢變大，加在時基電路NE555 的2、6 腳電壓會逐漸下降，當降至1 /3 VCC的時候，時基電路IC2輸出狀態(tài)反轉(zhuǎn)，其3 腳將輸出高電平，使三極管V1和V2飽和導(dǎo)通，發(fā)光二極管D4通電發(fā)光，發(fā)光二極管D4在電路中的作用為照明指示燈，發(fā)光后，即表明室內(nèi)光線暗，允許開啟燈光； 此時按下開關(guān)N1，電源將加在三極管V3的基極，使V3和V4飽和導(dǎo)通，同時，V4集電極電壓經(jīng)電阻反饋給V3基極，是V3和V4維持導(dǎo)通狀態(tài)，保證繼電器J 吸合并自保，接通教室內(nèi)照明電路，燈光開啟； 在需要關(guān)燈時按下開關(guān)N2，三極管V3和V4截止，繼電器J 釋放，切斷照明電路，燈光熄滅。

　　當室內(nèi)自然光照度逐漸變強時，光敏二極管D2的內(nèi)阻逐漸變小，加在時基電路NE555 的2、6 腳電壓逐漸上升，直到升至2 /3VCC時，其3 腳就會輸出低電平，使三極管V1和V2截止，后級電路斷電，繼電器J 釋放，教室內(nèi)光源電路斷開，燈光自動熄滅。

　　為防止夜晚閃電、車燈等瞬間強光照射光敏二極管D2使教室內(nèi)照明電路斷開，C2應(yīng)使用容量較大的電容； 同時為提高電路的可靠性，加入電容C3防止外界干擾； 室內(nèi)電路由通到斷和由斷到通的過程，會存在一定的滯后時間，在電路中加入電阻R5和R6，適當減小其阻值，滯后時間也就越短。

　　4 制作、調(diào)試與安裝

　?。?1） 制作。將元器件焊接在電路板上，通過實際制作發(fā)現(xiàn)6 cm × 9 cm 的電路板較合適。焊接完成后將電路板放置于大小合適的機殼中，機殼最好采用價格低廉并易于購買和改制的塑料盒。需要注意的是，要把電源指示燈D1和照明指示燈D4露在塑料盒外面，便于通過指示燈進行開關(guān)操作。

　?。?2） 調(diào)試。主要對電路中可調(diào)電阻R2和R6進行調(diào)整，調(diào)整時需要照度測量計精確測量光照度： 當室內(nèi)自然光照度下降至需要照明（ 150 LUX） 時，由下向上調(diào)整R6，直至照明指示燈D4發(fā)光； 當室內(nèi)自然光照度達到教學(xué)要求（ 200 LUX） 時，由下向上調(diào)整R2，直到繼電器J 剛好釋放，照明指示燈D4熄滅（3） 安裝。在實際安裝使用時，需要注意以下兩點：

　　1） 光感控制元件安裝位置： 首先要確保光敏二極管不能被室內(nèi)燈具光源照射到，因此要將其安裝在窗口位置，方向面朝室外自然光照射到的方向，使其有效采集到自然環(huán)境下光照度。除此之外，還需考慮到樓宇、樹木不同時間段陰影對光敏元器件的影響，調(diào)整至最佳位置。

　　2） 自復(fù)位按鈕開關(guān)N1和N1安裝位置： 可以利用原有的墻壁開關(guān)位置進行改裝，在原有墻壁開關(guān)面板上鉆兩個孔進行電路接線安裝。當教室內(nèi)光線不足D4發(fā)光時，按下N1，室內(nèi)燈光開啟，晚自習(xí)下課后，按下N2，室內(nèi)燈光熄滅。

　　5 結(jié)束語

　　制作好的控制器理論控制功率≤5 kW，實際控制教室內(nèi)4 路共16 根日光燈燈管，應(yīng)用于1 座教學(xué)樓的24 個教室內(nèi)，通過近半年的使用，光感節(jié)電控制器的各項性能符合設(shè)計和使用要求，不僅節(jié)省用電量，而且教室內(nèi)燈具及開關(guān)的維修量也大為減少。該控制器不僅可以適用于各類學(xué)校教室、實驗室的燈光照明電路中，也可以用于辦公室、走廊、路燈等場所，具有良好的推廣價值。與此同時，如加入聲控、紅外遙感控制和單片機程序控制等，還可以達到更加智能化的全自動控制的效果。