基于LED的通用型智能開關(guān)的設(shè)計方案

1.引言

　　隨著中國經(jīng)濟(jì)和社會的發(fā)展，照明用電量已占總用電量的10%~12%，照明節(jié)能已經(jīng)成為當(dāng)今節(jié)能環(huán)保的重要方面。照明節(jié)能的目的是在保證照明尺度和照明質(zhì)量的前提下，力求減少照明系統(tǒng)中的能量損失，最有效地利用電能。

　　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。在我國，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)普遍存在以下兩個不足：

　?。?）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；

　?。?）節(jié)能電路比較復(fù)雜，安裝相關(guān)設(shè)備時需要對室內(nèi)或其他應(yīng)用場所原有的照明系統(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)字電路中常用的簡單元器件，設(shè)計并實(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關(guān)。

　　2.系統(tǒng)電路及工作原理

　　2.1 工作原理

　　本文設(shè)計的LED智能開關(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。

　　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。智能開關(guān)的工作原理見圖2所示。

　　2.2 智能控制電路

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

　　其中，R6的阻值大小可以根據(jù)不同環(huán)境設(shè)置開關(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)而通過三極管和繼電器來控制晶閘管的導(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、關(guān)燈所達(dá)到的亮度界限。智能控制電路主要是通過控制晶閘管D1和D2（參見圖1）的導(dǎo)通和截止來控制照明設(shè)備變亮和熄滅，其工作原理如圖4所示。

　　2.3 智能調(diào)光電路

　　當(dāng)LED照明設(shè)備開始工作后，本文設(shè)計的智能開關(guān)會依據(jù)環(huán)境照明情況的變化，通過智能調(diào)光電路自動地改變照明設(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。

　　用戶借助調(diào)節(jié)旋鈕2來連續(xù)設(shè)定環(huán)境需要保持的亮度；智能開關(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。

　　3.工作性能測試及分析

　　為了檢測本文設(shè)計的智能開關(guān)的實(shí)際工作性能，筆者在室內(nèi)搭建了一個測試環(huán)境。

　　該環(huán)境通過透明玻璃窗保持與室外亮度一致，通過人工遮擋進(jìn)入室內(nèi)的光線來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得。圖7所示的實(shí)驗曲線是在相同的配置環(huán)境下重復(fù)20多次實(shí)驗的平均結(jié)果。

　　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，本文的智能開關(guān)能夠自動調(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，智能開關(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，在保持室內(nèi)亮度的前提下，使用本文設(shè)計的智能開關(guān)可以節(jié)省LED燈的耗電量。

　　4.結(jié)論

　　本文提出了一種基于LED照明設(shè)備的的通用型智能開關(guān)的設(shè)計方案，該方案集成簡單的模擬電路和電子電路的基本元器件，設(shè)計并實(shí)現(xiàn)了一個適用于LED照明設(shè)備的智能開關(guān)，并對該智能開關(guān)的工作性能進(jìn)行了實(shí)驗測試。與基于單片機(jī)的智能開關(guān)不同，本文的智能開關(guān)具有以下特點(diǎn)：①純硬件電路實(shí)現(xiàn)，制造和使用過程不需要軟件編程和設(shè)置；②操作和控制簡便，安裝簡單，容易使用；③開關(guān)成本低廉，適合于成本控制要求較高的場合。