適用于LED照明的智能開關

【摘要】為LED照明設備配置節能開關是當今照明節能技術的一種發展趨勢。有別于傳統的基于單片機的節能開關，本文采用模擬和數字電路中常用的簡單元器件，設計并實現了一種純硬件電路控制的智能開關，具有體積小巧、成本低廉、安裝方便、使用簡單等特點。

【關鍵詞】照明節能；智能開關；LED照明；節能開關

Abstract：One of the techniques of energy-saving lighting is to equip intelligent switches for LED lights.Instead of adopting single-chip systems，this paper designs and implements a kind of energy-conservation switch with the help of the common components in analog and digital electronic circuits.The main features of the proposed switch include tiny size，low cost，convenient installation，easy operation，and etc.

Keywords：Energy-saving lighting；Intelligent switch；LED lightinh；Energy-saving switch

1.引言

隨著中國經濟和社會的發展，照明用電量已占總用電量的10%～12%，照明節能已經成為當今節能環保的重要方面[1]。照明節能的目的是在保證照明尺度和照明質量的前提下，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、節能開關）兩方面，而將這兩方面技術綜合應用則是照明節能技術的新趨勢。在我國，LED照明設備發展前景良好[2]，但現有的節能電路技術普遍存在以下兩個不足[3]：

1）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；

2）節能電路比較復雜，安裝相關設備時需要對室內或其他應用場所原有的照明系統做較大改造，安裝及維修成本較高，實施難度較大。

針對上述缺點，本文面向LED照明設備，采用模擬和數字電路中常用的簡單元器件[4-6]，設計并實現了一種低成本、小型化、環保節能、易安裝維修的通用型智能開關。

2.系統電路及工作原理

2.1 工作原理

本文設計的LED智能開關主要包含兩大部分：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與關的控制電路，控制主要由晶閘管D1、D2完成；智能調光電路接口A、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。智能開關的工作原理見圖2所示。

2.2 智能控制電路

智能控制電路能夠根據使用者所設定的亮度自動開、關燈，其C、D接口（參見圖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境設置開關的靈敏度，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，進而通過三極管和繼電器來控制晶閘管的導通、關斷；調節調節旋鈕1可以設定連續的開、關燈所達到的亮度界限。智能控制電路主要是通過控制晶閘管D1和D2（參見圖1）的導通和截止來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照明設備開始工作后，本文設計的智能開關會依據環境照明情況的變化，通過智能調光電路自動地改變照明設備的亮度。圖1所示的智能調光電路接口A、B接入的電路如圖5所示。用戶借助調節旋鈕2來連續設定環境需要保持的亮度；智能開關根據所設定的亮度并結合環境實際光照強度的變化，自動地改變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的充電時間，由此產生的尖脈沖可以控制晶閘管D13的導通角，進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.工作性能分析

為了檢測本文設計的智能開關的實際工作性能，筆者在室內搭建了一個測試環境。該環境通過透明玻璃窗保持與室外亮度一致，通過人工遮擋進入室內的光線來模擬室外亮度的改變。室內需要維持的光線亮度設定為40lx～50lx之間。模擬的室外環境亮度、室內的實際亮度和LED燈的實際亮度由光敏傳感器測得。圖7所示的實驗曲線是在相同的配置環境下重復20多次實驗的平均結果。

圖7所示曲線表明，當室外環境光線亮度逐漸變弱時，本文的智能開關能夠自動調節LED燈的亮度，使其逐漸變亮，從而使得室內的光線亮度保持在預先設定的范圍之內。同理，當室外光線亮度逐漸變強時，智能開關能夠控制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，在保持室內亮度的前提下，使用本文設計的智能開關可以節省LED燈的耗電量。

4.結論

本文集成簡單的模擬電路和電子電路的基本元器件，設計并實現了一個適用于LED照明設備的智能開關，并對該智能開關的工作性能進行了實驗測試。與基于單片機的智能開關不同，本文的智能開關具有以下特點：

（1）純硬件電路實現，制造和使用過程不需要軟件編程和設置；

（2）操作和控制簡便，安裝簡單，容易使用；

（3）開關成本低廉，適合于成本控制要求較高的場合。

參考文獻

[1]照明節能分析及節能空間[EB/OL].中國節能在線， http：//www.cecol.com.cn/a/20120111/27253138.html.2012.

[2]王瑩.LED照明開始起飛[J].電子產品世界，2012（6）：11-14.

[3]洪麗華.關于節能照明開關的探討[J].節能，2009（8）：48-50.

[4]童詩白，華成英.模擬電子技術基礎（第四版）[M].高等教育出版社，2009.

[5]閻石.數字電子技術基礎（第五版）[M].高等教育出版社，2009.

[6]龔華生.元器件易學通——常用器件分冊[M].電子工業出版社，2012.

注：本文系廣東省科技計劃項目（編號：2012B0506 00028）。

作者簡介：

徐一森（1992—），男，大學本科，研究方向：自動化。

徐彥忠（1991—），男，大學本科，研究方向：自動化。

邢延（1968—），女，博士，副教授，研究方向：控制科學與控制工程。

蔡延光（1963—），男，博士，教授，研究方向：控制科學與控制工程。