基于ＢＴＳ６２９的自動調光裝置的設計實現

余金棟　巫　莉

摘 要:為了實現自動調光,簡要分析BTS629電路,并采用脈寬調制技術(PWM)對照明燈具及LED的功率進行連續控制以實現自動調光的工作原理。應用該IC芯片和光敏電阻設計了能夠實現燈光自動調節的電路,并通過實測光敏電阻參數給出調光比較電位設計的方法。該裝置可廣泛應用于建筑、街道、汽車等照明應用場合,節能效果顯著。

關鍵詞:節能;交通事故;自動調光;脈寬調制;BTS629

中圖分類號:TP368.1文獻標識碼:B

文章編號:1004-373X(2009)10-156-02

Design and Implementation of Automatic Dimming Device Based on BTS629

YU Jindong,WU Li

(Guangdong Construction Vocational Institute,Guangzhou,510450,China)

Abstract:To achieve automatic dimming,giving a brief analysis of automatic dimming principle of BTS629 by using PWM technology to achieve continuous control for power on lamp or LED lighting,then using this IC chip to design an automatic adjustment device for light by adding a photosensitive resistance to it,and comparing voltage design calculation method for dimming through measuring the photosensitive resistance.The device can be widely used for lighting applications in buildings,streets,and mobiles,which can bring energy-saving effect significantly.

Keywords:energy-saving;traffic accident;automatic dimming;PWM;BTS629

0 引 言

在世界能源越來越匱乏的今天,節能顯得尤為重要。如果建筑物內照明燈具、街道路燈、汽車行駛照明燈等照明系統,能夠根據環境自然光照強度自動調節其功率,則將會帶來巨大的節能效益。例如,當環境自然光強烈時減小燈具的功率;當光強較弱時增大其功率。然而,若依靠人工實現這種調節將會帶來增加人力成本,調節滯后,不夠精確靈敏等諸多不便。另外,在汽車燈光照明應用中,駕駛員在行駛中開關汽車行駛照明燈,容易使注意力分散而造成道路交通事故。為此,在建筑、街道、汽車等的照明系統中采用自動調光技術既能節約大量能源,又可以減少人力投入,快捷靈敏,尤其在汽車上得到應用可使駕駛員集中注意力,從而利于避免交通事故的發生。

1 BTS629集成IC的自動調光工作原理

BTS629是西門子公司研制生產的一款采用脈寬調制(PWM)技術對照明燈具及LED的功率進行連續控制的集成電路,具有欠壓、過壓自動停機,過載及溫度超限自動保護,靜電泄放(ESD)及射頻干擾(RFI)最小化功能特點;控制應用外圍電路簡單容易操作,特別適合于燈光自動調節的應用需求。BTS629的自動調光應用原理框圖如圖1所示。

內部主要包括時鐘發生器、脈寬比較器、邏輯電路、限流電路和電力場效應晶體管(P-MOSFET),輔助部分有過/欠壓檢測(Over/Under Voltage Detection)、過壓保護(Overvoltage Protection)、溫度檢測和用于輸出參考電壓的電壓調節模塊。時鐘波形序列和由IC外部提供的比較電壓V_C(PIN2腳)輸入脈寬比較器,經過脈寬調制產生與輸入比較電壓V_C保持同步變化的等幅不等寬脈沖序列,即PWM波。該PWM波與過/欠壓檢測和溫度傳感信號一起提供給邏輯控制電路,產生控制P-MOSFET門極導通與關斷的開關信號。整個電路的工作過程是:當輸入比較電壓V_C增大時,PWM波的占空比增大,每個開關周期管子的導通時間增加,主電路輸出的平均電壓增大;反之,主電路輸出的平均電壓減小;當發生欠/過壓或過載溫度升高時,由控制邏輯電路自動減小脈寬以保護電路[1]。

PWM調制技術基于采樣控制理論的沖量等效原理:即沖量相等而形狀不同的窄脈沖加在具有慣性的環節上時產生的效果相同,如圖2所示。將圖2(a)中正弦半波在時間上7等分,每一段記為T_PWMi,則每一段正弦脈沖波形的沖量I_i(面積)各不相同,若在T_PWMi段的中心處生成一個幅度相同的矩形脈沖,且使該等幅矩形脈沖序列符合2個條件:

(1) 其每個脈沖與對應的正弦分段脈沖的沖量I_i相等;

(2) 矩形脈沖序列足夠高,以使得各個脈沖在T_PWMi的中心處互不重疊,則可得到圖2(b)所示的等幅矩形脈沖序列,該序列每個脈沖的周期均為T_PWMW,而脈沖寬度各不相同。這種方法稱為脈寬調制技術,該方法得到的脈沖系列稱PWM波。那么根據沖量等效原理可知,該PWM波與正弦半波相同,若以此波的脈沖作為全控型開關管的門極控制信號則可方便地得到所需波形的功率形式。

如圖3所示電路,以鋸齒波和直流電壓信號作為比較器的輸入信號,經過比較輸出PWM波,其脈沖序列的周期T_PWMW與鋸齒波的周期T_SAW相等,而每個脈沖的寬度ton與直流電壓信號的幅值Vin成正比;由于直流信號幅值Vin不變,所以所有的脈沖寬度ton亦保持不變,將寬度與周期的比值記為占空比D=ton/T_PWMW,則有UO=DUIN。由此可見,若增大Vin,則D隨之增大,從而電路輸出電壓UO亦增大。

圖1中系統的開關周期T_PWMW由時鐘發生器電路產生的時鐘波形周期決定,可通過PIN5 腳外接編程電容Ct進行設定,對于BTS629和BTS629A兩種型號的Ct分別取47 nF和68 nF。該開關頻率編程電容一旦選定,則T_PWMW即可確定。從PIN7腳輸出的電壓UOUT由PIN2腳輸入的比較電壓V_C決定,而PIN7的電流則基本保持不變,從而改變系統的輸出功率P,以實現燈具調光作用。

2 基于集成IC BTS629的自動調光電路設計

在實際應用中,可根據控制應用的需求靈活選擇PIN2腳比較電壓V_C的輸入方式。為了實現自動調光功能,該設計中采用光敏電阻RO和固定電阻R1,并接在參考電壓V_ref(PIN3)腳和地之間,以光敏電阻的壓降作為比較電壓V_C輸入PIN2,如圖1所示。光敏電阻是用光電導體制成的光電器件,又稱光導管,其基于光電效應工作,沒有極性,使用時等同于電阻器。工作原理是:當無光照射時,光敏電阻值(暗電流)很大,電路中電流很小;當光敏電阻受到一定波長范圍的光照時,其電阻值(亮電流)急劇減少,因此電路中電流迅速增加。電路中V_ref保持不變,這使得電阻R1上的電壓降隨著光照的強弱變化呈現正特性變化,則取自光敏電阻RO兩端的比較電壓V_C隨著光照的強弱變化呈現出負特性,即當光照度強烈時,RO電阻值減小,比較電壓V_C亦減小

;當光照度變弱時,RO電阻值增大,比較電壓V_C亦增大。由此可使由比較電壓V_C控制的輸出電壓UO隨著光照的強弱變化亦呈現出負特性,從而控制照明燈具獲得隨光照強弱呈反向變化的功率以實現自動調光:即當光照度強烈時照明燈具功率降低,當光照度變弱時照明燈具功率增大[2-4]。

BTS629的工作電壓(PIN4-GND)在5.5~16.9 V之間,負載電流(PIN4~PIN7)理論值最大為14 A,輸出參考電壓V_ref=2.5 V,占空比變化范圍在8%~98%之間。該設計中供電電源為直流12 V,則負載獲得電壓變化范圍在0.96~11.76 V之間變化,也即當完全無光照射和自然光照射時分別輸出0.96 V和11.76 V;而光敏電阻在無光照射和自然光照射時的阻值分別為100 kΩ和100 Ω。為了使V_C在8%V_ref~98%V_ref范圍內變化,確保D<98%,取R1=2.2 kΩ;則當光照度達到最強時,RO=100 Ω,對應的D值為4%由BTS629的自動保護而關閉,此時UO接近于0 V而關閉照明燈具。

3 結 語

利用BTS629構成的PWM自動功率連續控制電路可靈活構成自動調光裝置,該裝置可廣泛應用于建筑、街道、汽車等照明應用場合,控制應用電路簡單可靠,節能效果顯著。

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