基于LED的通用型智能開(kāi)關(guān)的設計方案

1.引言

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

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

　?。?）調光電路大多由單片機等芯片組成，成本較高，不利于安裝和取代原有的電路；

　?。?）節能電路比較復雜，安裝相關(guān)設備時(shí)需要對室內或其他應用場(chǎng)所原有的照明系統做較大改造，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照明設備，采用模擬和數字電路中常用的簡(jiǎn)單元器件，設計并實(shí)現了一種低成本、小型化、環(huán)保節能、易安裝維修的通用型智能開(kāi)關(guān)。

　　2.系統電路及工作原理

　　2.1 工作原理

　　本文設計的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接入的是可以根據光照強度控制開(kāi)與關(guān)的控制電路，控制主要由晶閘管D1、D2完成；智能調光電路接口A(yíng)、B接入的是可以隨光照強度改變晶閘管導通角的控制電路。智能開(kāi)關(guān)的工作原理見(jiàn)圖2所示。

　　2.2 智能控制電路

　　智能控制電路能夠根據使用者所設定的亮度自動(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構成，具體如圖3所示。

　　其中，R6的阻值大小可以根據不同環(huán)境設置開(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)控制晶閘管的導通、關(guān)斷；調節調節旋鈕1可以設定連續的開(kāi)、關(guān)燈所達到的亮度界限。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）的導通和截止來(lái)控制照明設備變亮和熄滅，其工作原理如圖4所示。

　　2.3 智能調光電路

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

　　用戶(hù)借助調節旋鈕2來(lái)連續設定環(huán)境需要保持的亮度；智能開(kāi)關(guān)根據所設定的亮度并結合環(huán)境實(shí)際光照強度的變化，自動(dòng)地改變LED照明設備的亮度，以維持所設定的亮度要求，起到節能的作用。

　　智能調光電路的工作原理如圖6所示，其中R19阻值的改變導致振蕩器頻率變化，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的導通角，進(jìn)而控制燈具兩端的有效電壓，以達到控制燈具亮度變化的目的。

　　3.工作性能測試及分析

　　為了檢測本文設計的智能開(kāi)關(guān)的實(shí)際工作性能，筆者在室內搭建了一個(gè)測試環(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)入室內的光線(xiàn)來(lái)模擬室外亮度的改變。室內需要維持的光線(xiàn)亮度設定為40lx~50lx之間。模擬的室外環(huán)境亮度、室內的實(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(xiàn)是在相同的配置環(huán)境下重復20多次實(shí)驗的平均結果。

　　圖7所示曲線(xiàn)表明，當室外環(huán)境光線(xiàn)亮度逐漸變弱時(shí)，本文的智能開(kāi)關(guān)能夠自動(dòng)調節LED燈的亮度，使其逐漸變亮，從而使得室內的光線(xiàn)亮度保持在預先設定的范圍之內。同理，當室外光線(xiàn)亮度逐漸變強時(shí)，智能開(kāi)關(guān)能夠控制LED燈的亮度逐漸變暗，以維持預先設定好的室內亮度。由此可見(jiàn)，在保持室內亮度的前提下，使用本文設計的智能開(kāi)關(guān)可以節省LED燈的耗電量。

　　4.結論

　　本文提出了一種基于LED照明設備的的通用型智能開(kāi)關(guān)的設計方案，該方案集成簡(jiǎn)單的模擬電路和電子電路的基本元器件，設計并實(shí)現了一個(gè)適用于LED照明設備的智能開(kāi)關(guān)，并對該智能開(kāi)關(guān)的工作性能進(jìn)行了實(shí)驗測試。與基于單片機的智能開(kāi)關(guān)不同，本文的智能開(kāi)關(guān)具有以下特點(diǎn)：①純硬件電路實(shí)現，制造和使用過(guò)程不需要軟件編程和設置；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。