紅外自控LED節(jié)能燈具設(shè)計(jì)方案探索
2011-12-31 00:00:00顏重光
電子產(chǎn)品世界 2011年10期
摘要：簡(jiǎn)介由熱釋電紅外傳感器、菲涅爾透鏡、信號(hào)放大處理和控制集電路組成的紅外自控LED節(jié)能燈具系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案。
關(guān)鍵詞：熱釋電紅外傳感器；菲涅爾透鏡；信號(hào)放大處理和控制
LED照明燈具的節(jié)能如今已是路人皆知了。LED照明燈具加上紅外線(xiàn)傳感器作自動(dòng)控制，可實(shí)現(xiàn)無(wú)人時(shí)燈具自動(dòng)關(guān)閉，有人時(shí)燈具自動(dòng)照亮，人走后燈具自動(dòng)熄滅，可以真正做到照明的節(jié)電。由此，紅外傳感器將大舉進(jìn)入LED照明領(lǐng)域。自《LED照明燈具與傳感器技術(shù)》一文發(fā)表以來(lái)，不少讀者詢(xún)問(wèn)如何使用紅外傳感器設(shè)計(jì)LED節(jié)能燈具。今就此紅外自控LED節(jié)能燈具設(shè)計(jì)方案進(jìn)行探索。
紅外自控LED節(jié)能燈具系統(tǒng)方案
紅外傳感器輸出的信號(hào)很小，必須加以放大才能使用，因此紅外自控LED節(jié)能燈具系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)思路如圖1所示，將紅外傳感器的微弱信號(hào)通過(guò)一個(gè)四運(yùn)放(LP2902M)的儀表放大器放大和比較，經(jīng)CD4538多諧振蕩器組成的計(jì)時(shí)器電路，再經(jīng)一大功率三極管驅(qū)動(dòng)繼電器實(shí)現(xiàn)LED電源的開(kāi)閉，由LED驅(qū)動(dòng)電源去點(diǎn)亮燈具中的LED光源或LED光源陣列。原理圖如圖2所示。
紅外傳感器
紅外傳感器是一種熱釋電紅外傳感器，它是用具有熱電性能材料做成的熱探測(cè)器，可能是業(yè)界用得比較多的紅外傳感器之一。
紅外熱釋電傳感器信號(hào)產(chǎn)生原理如圖3，傳感器表層溫度無(wú)變化時(shí)敏感元電荷保持平衡T[K]，當(dāng)接收外界紅外輻射，表層溫度即發(fā)生變化，敏感元隨之變化，T+△T[K]。也即由于外界的紅外輻射而引起傳感器敏感元表層溫度變化時(shí)，紅外傳感器才釋放出電荷(電流)；當(dāng)溫度變化趨于穩(wěn)定，內(nèi)部電荷就趨于平衡，敏感元就沒(méi)有電荷(電流)產(chǎn)生、對(duì)靜止的熱源體沒(méi)有電流輸出。利用紅外傳感器這一特性，可以及時(shí)檢測(cè)運(yùn)動(dòng)的紅外熱源，如人類(lèi)的走動(dòng)。紅外傳感器是一種被動(dòng)型溫度敏感器件，對(duì)應(yīng)用環(huán)境溫度不苛求，靈敏度高，光譜響應(yīng)寬。可廣泛用于各種紅外入侵探測(cè)器、照明燈具的自動(dòng)感應(yīng)開(kāi)關(guān)。
紅外熱釋電傳感器的外形如圖4－1所示，圖4－2是傳感器的電原理圖，圖4－3是傳感器的典型應(yīng)用圖。紅外傳感器可選用上海尼賽拉傳感器有限公司產(chǎn)品。
菲涅爾透鏡
紅外熱釋電傳感器的成功應(yīng)用需借助于菲涅爾透鏡，菲涅爾透鏡在紅外熱釋電傳感器前具有聚焦和視角調(diào)制的作用，菲涅爾透鏡可擴(kuò)大紅外熱釋電傳感器接收紅外信號(hào)源的視角和探測(cè)區(qū)域，因此可以監(jiān)視運(yùn)動(dòng)中的紅外源或移動(dòng)熱源(圖5)。菲涅爾透鏡一般種類(lèi)有：水平多分割式(或稱(chēng)水平幕簾式、特殊應(yīng)用)、垂直多分割式(或稱(chēng)垂直幕簾式、特殊應(yīng)用)、水平垂直分割式(常用)、圓錐多區(qū)分割式(頂視式、常用)等數(shù)種，應(yīng)按不同燈具的產(chǎn)品功能需要來(lái)選用。菲涅爾透鏡是由專(zhuān)業(yè)廠(chǎng)家制作的，有專(zhuān)門(mén)的光學(xué)設(shè)計(jì)，經(jīng)專(zhuān)用模具壓制的特種塑料零件。
信號(hào)放大處理和控制功能集成化
信號(hào)放大處理和控制功能集成化對(duì)于紅外自控LED節(jié)能燈具系統(tǒng)方案的普遍推廣有特殊意義，只有應(yīng)用電路簡(jiǎn)化了，應(yīng)用成本低了，有了好的性?xún)r(jià)比，才有可能被廣泛應(yīng)用。圖6是熱釋電紅外傳感器專(zhuān)用信號(hào)處理電路BISS0001(上海京西電子信息系統(tǒng)有限公司產(chǎn)品)的實(shí)際應(yīng)用圖。由于它的電路元器件少，組裝工藝簡(jiǎn)單，可靠性好，因而被大量使用。圖中R3為光敏電阻或光敏傳感器，主要用作晝夜開(kāi)關(guān)，以保證系統(tǒng)白天或在明亮光線(xiàn)下不工作。
BISS0001是由運(yùn)算放大器、電壓比較器和狀態(tài)控制器、延遲時(shí)間定時(shí)器、封鎖時(shí)間定時(shí)器及參考電壓源等構(gòu)成的數(shù)模混合專(zhuān)用集成電路。可廣泛應(yīng)用于多種傳感器和延時(shí)控制器。圖7是BISS0001的原理框圖。
首先，以圖8所示的不可重復(fù)觸發(fā)工作方式下的各點(diǎn)波形，來(lái)說(shuō)明BISS0001的工作過(guò)程。
根據(jù)實(shí)際需要，從圖7可見(jiàn)，利用運(yùn)算放大器OP1組成傳感信號(hào)預(yù)處理電路，將信號(hào)放大。然后耦合給運(yùn)算放大器OP2，再進(jìn)行第二級(jí)放大，同時(shí)將直流電位抬高為VM(≈0.5VDD)后，送到由比較器COP1和COP2組成的雙向鑒幅器，檢出有效觸發(fā)信號(hào)Vs。由于VH≈0.7VDD、VL≈0.3 VDD，所以，當(dāng)VDD=5V時(shí)，可有效地抑制±1V的噪聲干擾，提高系統(tǒng)的可靠性。COP3是一個(gè)條件比較器。輸入電壓VC
其次，如圖9所示可重復(fù)觸發(fā)工作方式下各點(diǎn)的波形，來(lái)說(shuō)明BISS0001在此狀態(tài)下的工作過(guò)程。
在Vc=“0”、A=“0”期間，Vs不能觸發(fā)Vo為有效狀態(tài)。在Vc=“1”、A=“1”時(shí)，Vs可重復(fù)觸發(fā)Vo為有效狀態(tài)，并在Tx周期內(nèi)一直保持有效狀態(tài)。在Tx時(shí)間內(nèi)，只要有Vs得上跳變，則Vo將從Vs上跳變時(shí)刻算起繼續(xù)延長(zhǎng)一個(gè)Tx周期：若Vs保持為“1”狀態(tài)，則Vo一直保持有效狀態(tài)；若vs保持為“0”狀態(tài)，則在Tx周期結(jié)束后Vo恢復(fù)為無(wú)效狀態(tài)，并且在封鎖時(shí)間Ti時(shí)間內(nèi)，任何Vs的變化都不能觸發(fā)Vo為有效狀態(tài)。
信號(hào)放大處理和控制芯片期待新一代
雖然BISS0001能滿(mǎn)足紅外自控LED節(jié)能燈具市場(chǎng)的一部分需要，但是更多功能的變化和燈具廠(chǎng)需要生產(chǎn)個(gè)性化的燈具產(chǎn)品還是要應(yīng)用當(dāng)代先進(jìn)的MCU，因此開(kāi)發(fā)新一代的適合紅外傳感器信號(hào)放大處理、帶MCU功能的新一代芯片是當(dāng)今市場(chǎng)和時(shí)代賦予芯片設(shè)計(jì)公司的重任、期望和海量市場(chǎng)的召喚。
目前的結(jié)合MCU的紅外自控LED節(jié)能燈具系統(tǒng)方案如圖10所示。使用Microchip公司的PIC12C508，應(yīng)當(dāng)說(shuō)是比較老一代的MCU。
PIC12C508 MCU與LP2902M四運(yùn)放的配合，對(duì)來(lái)自熱釋電紅外傳感器的微弱電信號(hào)進(jìn)行放大處理，加上生產(chǎn)廠(chǎng)商賦予MCU的編程，可實(shí)現(xiàn)對(duì)繼電器開(kāi)關(guān)的特殊動(dòng)作，控制LED燈具開(kāi)關(guān)、延遲或其它變化，實(shí)現(xiàn)既定的紅外自控LED節(jié)能燈具的各種功能。
結(jié)語(yǔ)
謹(jǐn)以此與我們廣大的LED燈具設(shè)計(jì)師探討。我們期待有更多、更好的新一代紅外傳感器和信號(hào)處理控制集成電路可供我們的產(chǎn)品設(shè)計(jì)師選用，創(chuàng)造更新一代的LED節(jié)能燈具。
