教室照明光感節(jié)電控制器的設(shè)計(jì)

當(dāng)前大多數(shù)學(xué)校教室的照明依然采用手動(dòng)控制開關(guān)，但往往由于人們節(jié)電意識(shí)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(zhǎng)明的情況依然隨處可見，不僅損耗了電能，同時(shí)也減少了燈具的使用壽命，照成資源浪費(fèi)。為解決這一問題，筆者結(jié)合實(shí)際情況，經(jīng)多次試驗(yàn)，設(shè)計(jì)并制作了針對(duì)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(shí)驗(yàn)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(cè)器的情況下，如果單純依靠光感控制，則夜間燈光不會(huì)自動(dòng)熄滅。因此可采用光感自動(dòng)控制電路和手動(dòng)按鈕來配合進(jìn)行教室燈光的控制。在室內(nèi)自然光照度達(dá)到滿足正常教學(xué)要求時(shí)，燈光自動(dòng)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(dòng)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(cè)組件。使用光敏二極管，將光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)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(cè)自然光線的強(qiáng)弱； 由于一些專業(yè)課程的授課對(duì)光線有特殊要求，這就需要該組件可以根據(jù)實(shí)際需求進(jìn)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(jì)還必須考慮到浮云或者外部強(qiáng)光如車燈、雷電等外界因素對(duì)自然光檢測(cè)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(shí)，保證觸發(fā)器電路在瞬時(shí)干擾的情況下不會(huì)翻轉(zhuǎn)。

　　（ 4） 時(shí)基電路NE555.NE555 是555 系列計(jì)時(shí)元件的一種，價(jià)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(huì)產(chǎn)生內(nèi)阻變化而造成時(shí)基電路NE555 觸發(fā)電壓的改變，當(dāng)降低或升高至一定閾值時(shí)，時(shí)基電路會(huì)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(shí)的負(fù)電感效應(yīng)會(huì)導(dǎo)致過沖電壓較高，會(huì)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(jì)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(duì)市電進(jìn)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(shí)基電路NE555 的2、6 腳。當(dāng)室內(nèi)自然光照度下降時(shí)，光敏二極管D2的內(nèi)阻慢慢變大，加在時(shí)基電路NE555 的2、6 腳電壓會(huì)逐漸下降，當(dāng)降至1 /3 VCC的時(shí)候，時(shí)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(shí)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(shí)，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(shí)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(dāng)室內(nèi)自然光照度逐漸變強(qiáng)時(shí)，光敏二極管D2的內(nèi)阻逐漸變小，加在時(shí)基電路NE555 的2、6 腳電壓逐漸上升，直到升至2 /3VCC時(shí)，其3 腳就會(huì)輸出低電平，使三極管V1和V2截止，后級(jí)電路斷電，繼電器J 釋放，教室內(nèi)光源電路斷開，燈光自動(dòng)熄滅。

　　為防止夜晚閃電、車燈等瞬間強(qiáng)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(shí)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(huì)存在一定的滯后時(shí)間，在電路中加入電阻R5和R6，適當(dāng)減小其阻值，滯后時(shí)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(shí)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(jī)殼中，機(jī)殼最好采用價(jià)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(jìn)行開關(guān)操作。

　?。?2） 調(diào)試。主要對(duì)電路中可調(diào)電阻R2和R6進(jìn)行調(diào)整，調(diào)整時(shí)需要照度測(cè)量計(jì)精確測(cè)量光照度： 當(dāng)室內(nèi)自然光照度下降至需要照明（ 150 LUX） 時(shí)，由下向上調(diào)整R6，直至照明指示燈D4發(fā)光； 當(dāng)室內(nèi)自然光照度達(dá)到教學(xué)要求（ 200 LUX） 時(shí)，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(shí)際安裝使用時(shí)，需要注意以下兩點(diǎn)：

　　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(shí)間段陰影對(duì)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(jìn)行改裝，在原有墻壁開關(guān)面板上鉆兩個(gè)孔進(jìn)行電路接線安裝。當(dāng)教室內(nèi)光線不足D4發(fā)光時(shí)，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(shí)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(gè)教室內(nèi)，通過近半年的使用，光感節(jié)電控制器的各項(xiàng)性能符合設(shè)計(jì)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(shí)驗(yàn)室的燈光照明電路中，也可以用于辦公室、走廊、路燈等場(chǎng)所，具有良好的推廣價(jià)值。與此同時(shí)，如加入聲控、紅外遙感控制和單片機(jī)程序控制等，還可以達(dá)到更加智能化的全自動(dòng)控制的效果。