基于LED照明的通用型智能开关设计方案

1.前言

随着中国经济和社会的发展，照明用电量已占总用电量的10%~12%,照明节能已经成为当今节能环保的重要方面。照明节能的目的是在保证照明尺度和照明质量的前提下，力求减少照明系统中的能量损失，有效地利用电能。

主流的照明节能技术包括节能照明光源（如LED照明）和节能电路（如调光电路、节能开关）两方面，而将这两方面技术综合应用则是照明节能技术的新趋势。在我国，LED照明设备发展前景良好，但现有的节能电路技术普遍存在以下两个不足：

（1）调光电路大多由单片机等芯片组成，成本较高，不利于安装和取代原有的电路；

（2）节能电路比较复杂，安装相关设备时需要对室内或其他应用场所原有的照明系统做较大改造，安装及维修成本较高，实施难度较大。

针对上述缺点，本文面向LED照明设备，采用模拟和数字电路中常用的简单元器件，设计并实现了一种低成本、小型化、环保节能、易安装维修的通用型智能开关。

2.系统电路及工作原理

2.1 工作原理

本文设计的LED智能开关主要包含两大部分：智能控制电路和智能调光电路，如图1所示。

智能控制电路接口C、D接入的是可以根据光照强度控制开与关的控制电路，控制主要由晶闸管D1、D2完成；智能调光电路接口A、B接入的是可以随光照强度改变晶闸管导通角的控制电路。智能开关的工作原理见图2所示。

2.2 智能控制电路

智能控制电路能够根据使用者所设定的亮度自动开、关灯，其C、D接口（参见图1）接入的电路主要由LM339以及74LS02构成，具体如图3所示。

其中，R6的阻值大小可以根据不同环境设置开关的灵敏度，而LM339主要比较R5两端的电压是否在光敏电阻两端电压和R6两端的电压之间；74LS02主要将比较的结果装换为高低电平，进而通过三极管和继电器来控制晶闸管的导通、关断；调节调节旋钮1可以设定连续的开、关灯所达到的亮度界限。智能控制电路主要是通过控制晶闸管D1和D2（参见图1）的导通和截止来控制照明设备变亮和熄灭，其工作原理如图4所示。

2.3 智能调光电路

当LED照明设备开始工作后，本文设计的智能开关会依据环境照明情况的变化，通过智能调光电路自动地改变照明设备的亮度。图1所示的智能调光电路接口A、B接入的电路如图5所示。

用户借助调节旋钮2来连续设定环境需要保持的亮度；智能开关根据所设定的亮度并结合环境实际光照强度的变化，自动地改变LED照明设备的亮度，以维持所设定的亮度要求，起到节能的作用。

智能调光电路的工作原理如图6所示，其中R19阻值的改变导致振荡器频率变化，而这种频率变化能够改变电容C3的充电时间，由此产生的尖脉冲可以控制晶闸管D13的导通角，进而控制灯具两端的有效电压，以达到控制灯具亮度变化的目的。

3.工作性能测试及分析

为了检测本文设计的智能开关的实际工作性能，笔者在室内搭建了一个测试环境。

该环境通过透明玻璃窗保持与室外亮度一致，通过人工遮挡进入室内的光线来模拟室外亮度的改变。室内需要维持的光线亮度设定为40lx~50lx之间。模拟的室外环境亮度、室内的实际亮度和LED灯的实际亮度由光敏传感器测得。图7所示的实验曲线是在相同的配置环境下重复20多次实验的平均结果。

图7所示曲线表明，当室外环境光线亮度逐渐变弱时，本文的智能开关能够自动调节LED灯的亮度，使其逐渐变亮，从而使得室内的光线亮度保持在预先设定的范围之内。同理，当室外光线亮度逐渐变强时，智能开关能够控制LED灯的亮度逐渐变暗，以维持预先设定好的室内亮度。由此可见，在保持室内亮度的前提下，使用本文设计的智能开关可以节省LED灯的耗电量。

4.结论

本文的智能开关具有以下特点：①纯硬件电路实现，制造和使用过程不需要软件编程和设置；②操作和控制简便，安装简单，容易使用；③开关成本低廉，适合于成本控制要求较高的场合。

本方案集成简单的模拟电路和电子电路的基本元器件，设计并实现了一个适用于LED照明设备的智能开关，并对该智能开关的工作性能进行了实验测试。