一款純硬件電控制的智能開(kāi)關(guān)設(shè)計(jì)

主流的照明節(jié)能技術(shù)包括節(jié)能照明光源(如LED照明)和節(jié)能電路(如調(diào)光電路、節(jié)能開(kāi)關(guān))兩方面，而將這兩方面技術(shù)綜合應(yīng)用則是照明節(jié)能技術(shù)的新趨勢(shì)。在我國(guó)，LED照明設(shè)備發(fā)展前景良好，但現(xiàn)有的節(jié)能電路技術(shù)普遍存在以下兩個(gè)不足：

(1)調(diào)光電路大多由單片機(jī)等芯片組成，成本較高，不利于安裝和取代原有的電路;

(2)節(jié)能電路比較復(fù)雜，安裝相關(guān)設(shè)備時(shí)需要對(duì)室內(nèi)或其他應(yīng)用場(chǎng)所原有的照明系統(tǒng)做較大改造，安裝及維修成本較高，實(shí)施難度較大。

針對(duì)上述缺點(diǎn)，本文面向LED照明設(shè)備，采用模擬和數(shù)字電路中常用的簡(jiǎn)單元器件，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一種低成本、小型化、環(huán)保節(jié)能、易安裝維修的通用型智能開(kāi)關(guān)。

系統(tǒng)電路及工作原理

1、工作原理

LED智能開(kāi)關(guān)主要包含兩大部分：智能控制電路和智能調(diào)光電路，如圖1所示。

圖1 LED智能開(kāi)關(guān)組成
智能控制電路接口C、D接入的是可以根據(jù)光照強(qiáng)度控制開(kāi)與關(guān)的控制電路，控制主要由晶閘管D1、D2完成;智能調(diào)光電路接口A、B接入的是可以隨光照強(qiáng)度改變晶閘管導(dǎo)通角的控制電路。智能開(kāi)關(guān)的工作原理見(jiàn)圖2所示。

圖2 LED智能開(kāi)關(guān)工作原理

2、智能控制電路

智能控制電路能夠根據(jù)使用者所設(shè)定的亮度自動(dòng)開(kāi)、關(guān)燈，其C、D接口(參見(jiàn)圖1)接入的電路主要由LM339以及74LS02構(gòu)成，具體如圖3所示。

圖3 智能控制電路
其中，R6的阻值大小可以根據(jù)不同環(huán)境設(shè)置開(kāi)關(guān)的靈敏度，而LM339主要比較R5兩端的電壓是否在光敏電阻兩端電壓和R6兩端的電壓之間;74LS02主要將比較的結(jié)果裝換為高低電平，進(jìn)而通過(guò)三極管和繼電器來(lái)控制晶閘管的導(dǎo)通、關(guān)斷;調(diào)節(jié)調(diào)節(jié)旋鈕1可以設(shè)定連續(xù)的開(kāi)、關(guān)燈所達(dá)到的亮度界限。智能控制電路主要是通過(guò)控制晶閘管D1和D2(參見(jiàn)圖1)的導(dǎo)通和截止來(lái)控制照明設(shè)備變亮和熄滅，其工作原理如圖4所示。

圖4 智能控制電路工作原理

3 智能調(diào)光電路

當(dāng)LED照明設(shè)備開(kāi)始工作后，本文設(shè)計(jì)的智能開(kāi)關(guān)會(huì)依據(jù)環(huán)境照明情況的變化，通過(guò)智能調(diào)光電路自動(dòng)地改變照明設(shè)備的亮度。圖1所示的智能調(diào)光電路接口A、B接入的電路如圖5所示。

圖5 智能調(diào)光電路

用戶借助調(diào)節(jié)旋鈕2來(lái)連續(xù)設(shè)定環(huán)境需要保持的亮度;智能開(kāi)關(guān)根據(jù)所設(shè)定的亮度并結(jié)合環(huán)境實(shí)際光照強(qiáng)度的變化，自動(dòng)地改變LED照明設(shè)備的亮度，以維持所設(shè)定的亮度要求，起到節(jié)能的作用。

智能調(diào)光電路的工作原理如圖6所示，其中R19阻值的改變導(dǎo)致振蕩器頻率變化，而這種頻率變化能夠改變電容C3的充電時(shí)間，由此產(chǎn)生的尖脈沖可以控制晶閘管D13的導(dǎo)通角，進(jìn)而控制燈具兩端的有效電壓，以達(dá)到控制燈具亮度變化的目的。

圖6 智能調(diào)光電路工作原理

工作性能測(cè)試及分析

為了檢測(cè)本文設(shè)計(jì)的智能開(kāi)關(guān)的實(shí)際工作性能，筆者在室內(nèi)搭建了一個(gè)測(cè)試環(huán)境。該環(huán)境通過(guò)透明玻璃窗保持與室外亮度一致，通過(guò)人工遮擋進(jìn)入室內(nèi)的光線來(lái)模擬室外亮度的改變。室內(nèi)需要維持的光線亮度設(shè)定為40lx~50lx之間。模擬的室外環(huán)境亮度、室內(nèi)的實(shí)際亮度和LED燈的實(shí)際亮度由光敏傳感器測(cè)得。圖7所示的實(shí)驗(yàn)曲線是在相同的配置環(huán)境下重復(fù)20多次實(shí)驗(yàn)的平均結(jié)果。

圖7 智能開(kāi)關(guān)工作性能

圖7所示曲線表明，當(dāng)室外環(huán)境光線亮度逐漸變?nèi)鯐r(shí)，本文的智能開(kāi)關(guān)能夠自動(dòng)調(diào)節(jié)LED燈的亮度，使其逐漸變亮，從而使得室內(nèi)的光線亮度保持在預(yù)先設(shè)定的范圍之內(nèi)。同理，當(dāng)室外光線亮度逐漸變強(qiáng)時(shí)，智能開(kāi)關(guān)能夠控制LED燈的亮度逐漸變暗，以維持預(yù)先設(shè)定好的室內(nèi)亮度。由此可見(jiàn)，在保持室內(nèi)亮度的前提下，使用本文設(shè)計(jì)的智能開(kāi)關(guān)可以節(jié)省LED燈的耗電量。

結(jié)論

該方案集成簡(jiǎn)單的模擬電路和電子電路的基本元器件，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一個(gè)適用于LED照明設(shè)備的智能開(kāi)關(guān)，并對(duì)該智能開(kāi)關(guān)的工作性能進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)測(cè)試。與基于單片機(jī)的智能開(kāi)關(guān)不同，該智能開(kāi)關(guān)具有以下特點(diǎn)：①純硬件電路實(shí)現(xiàn)，制造和使用過(guò)程不需要軟件編程和設(shè)置;②操作和控制簡(jiǎn)便，安裝簡(jiǎn)單，容易使用;③開(kāi)關(guān)成本低廉，適合于成本控制要求較高的場(chǎng)合。