光控照明.docx

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光控照明

目录

引言…………………………………………………………………………………………1

1光控照明装置……………………………………………………………………………4

1.1电路基本结构…………………………………………………………………………4

1.1.1电源电路的结构计……………………………………………………………………4

1.1.2电源结构设计的原理说明……………………………………………………………4

1.1.3材料选择用……………………………………………………………………………4

1.2光控电路的基本结构……………………………………………………………………5

1.2.1控制电路设计图………………………………………………………………………5

1.2.2控制原理………………………………………………………………………………5

1.2.3材料的选择及运用……………………………………………………………………6

1.2.4光控电路的特点………………………………………………………………………7

2光控LED照明装置………………………………………………………………………8

2.1光控电路的基本原理……………………………………………………………………8

2.2照明控制电路图……………………………………………………………………8

2.3元器件的选择与制作调试……………………………………………………………8

2.4白光LED工作原理……………………………………………………………………10

2.5白光LED的缺点与前景………………………………………………………………10

3照明灯自动控制装置…………………………………………………………………11

3.1照明自控装置的应用……………………………………………………………………11

3.2照明自控装置的工作原理………………………………………………………………11

3.3照明控制设计图………………………………………………………………………12

3.4元器件的选择清单……………………………………………………………………12

4参考文献…………………………………………………………………………………14

引言

Ⅰ照明是人类永恒的课题

照明随人类文明的启蒙同步启蒙、同步发展，同时它也是人类掌握的最早一种科学技术。

众所周知火是人类文明起源的重要标志，也是最早的人造光源。

由于有了篝火，所以人们可以利用夜晚的时间从事更多的劳作，因此加速了文明的发展和生产力的提高。

由于人类生产力的不断提高，人们对照明技术的要求也就不断的提高，从初人的篝火到以后的动物或植物的油灯、到汉代普遍使用蜂蜡蜡烛以及随现代石油工业的发展而出现的石蜡蜡烛、煤油灯和汽灯（马灯）等诸多照明装置发展的实例证明，随着人类文明的发展，照明总是走在前沿，并且将最新科技成果即时应用到照明领域。

随着第二次工业革命的产生，人类社会进入电气时代，首先就是电气化的照明，1879年爱迪生发明了人类第一只电气照明工具——碳丝白炽灯，就此开拓了人类社会的电气照明新时代，同时启动了一项庞大的最为普及也最为重要的电气照明产业，照明控制也成了新生的电力工业部门的第一个大客户，支持并带动了整个电力工业的快速发展。

电气照明的诞生使得人类活动的时域、空域大为延伸，人类的才华和潜能得到更大程度的发挥，促进人类文明进程的加速发展，不能想象如果没有电气照明如今的人类社会将是怎样一种状态，人类的科学技术、工农业生产、文化艺术、医疗卫生……将会是怎样的水平。

照明控制技术是如此重要，人类文明、人类的一切活动已经再也离不开电气照明控制技术，凡有人类活动的地方必定有照明装置的出现，照明太普及了，因为他的无处不在以至使得人们身在其中根本感觉不到照明的重要性。

正是因为电气照明过分普及、加以人类的过度奢侈、过量的照明不仅大量消耗了能源，加重了能源的浪费，而且给环境污染雪上加霜。

据统计世界各发达国家照明用电占总发电量的比例已从顶盛时的14%降低到约12%。

目前我国照明用电占总发电量比例也在相似范围。

节能环保是当今世界的一个普遍话题和课题，照明用电在总能耗中占有如此大的份额，自然首当其冲成为节能减排的重要目标。

为了减少过度的商业照明、标志照明和景观照明是减少光污染、降低照明能耗的一项重要措施，而研发和普及高效照明自控装置及及配套电器，开发可再生能源的利用则是一项更根本、更积极也更有效的节能措施，因而绿色照明、节能灯（CFL）、发光二极管（LED）、固态照明（SSL）、半导体照明（SCL）、光伏照明以及各种时髦名词术语应运而生，其中不少是值得我们注意并深入研究、努力实施的观念和方向。

然而泥沙具下，其中也混入了不少未深入了解就望文生义的决策和更大量的不符科学规律、乘机进行的商业炒作，有些貌似积极的谬论或歪风实际是对绿色照明的误解甚或破坏。

Ⅱ我国的照明自控装置产业正在向世界顶峰挺进

一套优良的照明自控装置是多种不同功能的部件的组合，照明自控装置对人类太重要了，自从人类文明发展以来尽管过去并未意识，但是人们一直自发地在寻找新的照明自控技术，寻找照明效果更好、更环保、更方便、更廉价的照明自控装置，从篝火到电气光源，人类花费了数万年的时间逐步演进。

而在进入电气照明时代以后，在短短120年的时间中，电光源则以无与论比的速度快速发展，人类科技的各种有关的最新成果都会立即应用到照明领域并将照明科技推向前进。

电光源是多学科科技成果的结晶，举如光学、电子学、热力学、材料科学、半导体物理学、化学和机械等的很多学科的最新成果都很快应用到光源中以提高其性能，因为照明是人们最基本、最关键的需要之一。

作为一个产业门类，电光源有着最为广阔的持续发展、永不衰退的市场，其本身孕育着无限的商机，这也是各行各业人们竞相关注的原因。

古代我国的照明产业一直领先于世界，至今还留存着大量精美绝伦的自远古至近代的油灯、烛台或是灯笼等器具。

世界进入工业化以后我国的科学技术落后了，但即使如此我国电光源工业的发展一贯紧跟国际的步伐，其发展历程充分证明了此点，例如：

1879年爱迪生发明了世界上第一只碳丝白炽灯，随后建立了美国GE公司成立了世界上第一间灯泡厂，在29年后的1908年GE就来到煤油灯、汽灯遍布并且大量使用着洋蜡烛的中国沈阳建立了中国第一家电灯厂，1918年又在上海建立了灯泡厂，迅速将这种新型电气光源普及到凡有电力供应的中国城市，5年以后即1923年中国人也在上海建立了自己的灯泡厂“亚浦尔”（1966年更名亚明灯泡厂）以满足供不应求的灯泡市场的需要。

1939年~1940年二次大战期间美国作为全球战场的后方供应基地，全国均成为日夜开工的工厂，各种物资和电力极度紧张，为节约电力美国采取了两大措施：

即将全国电网换用银缆以减少电路损耗、同时将铜置换出来制造武器，并且在所有工厂中大力推广当时刚刚研发成功的最新照明光源——荧光灯。

当时荧光灯光效为40lm/W，为传统白炽灯10lm/W的4倍，这对缓解当时极度紧张的电力供应产生了巨大作用。

抗战胜利后的第二年即1946年重庆电照厂首先制成了中国最早的电工牌荧光灯，以后电照厂迁南京分为南京电子管厂和南京灯泡厂、后来南京灯泡厂改名为华东电子管厂。

20世纪前期照明科技人员注意到了钠（Na）原子的谐振辐射波长为589.0和589.6nm，在人眼视见函数峰值（550nm）附近，利用钠的放电，理论发光效率可达250~300lm/W，但是由于钠原子很易渗入玻璃或石英中泄出，灯性能不稳定，寿命很短；另一问题是单靠钠原子发出的589nm黄光无法分辨物体的颜色和特征，照明效果极差，因此无实用价值，直到20世纪50年代后期发明了抗钠侵蚀的多晶半透明氧化铝陶瓷，并解决了铌管与陶瓷匹配封接的问题，从此研发成功了有实用价值的高光效高压钠灯。

在高压钠灯中陶瓷电弧管壳温度达700℃以上，钠蒸汽分压力达200Torr，钠原子光谱展宽，覆盖了大部分可见光谱区，使其显色性大有改进。

1965年出现了高压钠灯的构想，1967年则出现了最早的高压钠灯商品，虽然这种灯显色指数较低，但光效高达120lm/W，至今仍是光效最高的实用灯种。

1974年南京电子管厂和上海亚明灯泡厂开始研发高压钠灯，1980年南京电子管厂、上海亚明灯泡厂以及随后沈阳灯泡厂全面引进高压钠灯及陶瓷管生产线，从此高压钠灯在中国大面积发展。

20世纪70年代后期、80年代前期飞利浦成功研发成功紧凑型荧光灯，光效达60~80lm/W，显色指数约60~80，与镇流器集成一体后体积小巧，轮廓与白炽灯相近可以方便地取代白炽灯插入灯具中直接使用，极为方便。

但这种灯比白炽灯光效高了6~8倍，寿命长约5倍。

当时这种紧凑型荧光灯被视为用以取代白炽灯、卤素灯的第三代光源，但事实证明这一过程是曲折而漫长的。

紧凑型荧光灯一经问世立即引起中国光源科技工作者的注意，1981年江苏、上海立即开始研发，随后浙江、广东以及全国各地均开始仿制，至今中国生产的紧凑型荧光灯已覆盖全球。

中国照明自控装置的开发水平目前虽仍落后于大型跨国照明自控装置公司，但中国照明自控装置产业的发展十分迅速，其进展是惊人的，目前除智能型和全自动型之外，中国各类照明自控装置的发展在全世界已占主导地位，中国生产了2/3以上各类高质量照明自控装置供应世界各地，并且中国的开发水平和科技实力也正在向国际最高水平逼近，若干年后将会处于主导地位，数年后无论是中国的智能型或是全自动型，将与其它照明自控装置产品一样令世界瞠目。

1光控照明电路的原理与设计

采用光敏电阻和照明控制继电器为基本元件组成的照明光控制电路。

这种照明光控制电路的特点是可以根据光线的亮度自动控制照明,与人工操作比较,开关及时,具有好的节能效果。

　光控照明电路的制作主要是利用半导体光电器件———光敏电阻的特性制作而成的,光敏电阻器是利用半导体的光电效应制成的一种电阻值岁入射光的强弱而改变的电阻器。

它利用光线的强弱来控制照明开关的动作,动作点可根据实际光线的强弱调节。

运行时无须人员操作,避免了人工操作开关不及时等不利因素,因而有效地节约了电能。

1.1　电源电路的基本结构

1.1.1　电源电路的结构设计

提供稳定的15V直流电压。

电源电路结构设计图见图（1-1）[2,3]

图（1-1）　电源电路结构设计图

1.1.2　电源结构设计的原理说明

接通电源,220V交流电经变压器T降压、

VD1—VD4桥式整流、7812三端集成稳压为控制电路提供稳定的15V直流电压。

1.1.3　材料选择及运用

T选用220V/15V,8W小型优质电源变压器,在电源电路中起到变压的作用,为控制电路提供稳定的15V电压。

由于该变压器要长久处于通电状态,所以要求该变压器长时间通电不发热并耐用。

VD1—VD4选用4001型硅整流二极管,在电源电路中起到桥式整流的作用,使电路得到12V直流电压。

C1起稳压作用,为电路提供12V稳定直流电压。

C2选用220F电容,起滤波作用。

选用7812三端集成稳压器,在电源电路上起稳压作用,为电路提供12V稳定直流电压。

L可按照安装环境及工程需要来选择。

在它的选择上要求降低能耗、节约能源、注重环保,高能耗且会加剧温室效应的白炽灯越来越不受欢迎。

继公布“欧盟封杀白炽灯”的时间表后,世界各地陆续抛弃白炽灯已成定局,环保型节能荧光灯是白炽灯的替代者,因此本设计选择节能荧光灯。

而在其功率的选择上,根据它所运用的场合,用户可以任意选择合适型号安装。

1.2　光控电路的基本结构

1.2.1　控制电路设计图（见图2-2）[4]

图（2-2）　控制电路图

1.2.2　控制电路原理

U1,R2,R3,R4,Dz构成滞回电压比较器,+15V通过R5,Rp2分压为U的同相输入端提供一个参考电压Uref,

Uref=15/（R3+R4）×Rp2……………………………………………（2-1）

则U1同相输入端的电位Up为：

Up=R3/（R3+R4）×Uref±R4/（R3+R4）×Uz…………………（2-2）

因为：

Un=Up…………………………………………………………………（2-3）

求出的U1就是滞回电压比较器的阈值电压,分别为：

Ut1=R3/（R3+R4）×Uref–R3/（R3+R4）×Uz………………………（2-4）

Ut2=R3/（R3+R4）×Uref+R3/（R3+R4）×Uz……………………（2-5）

RL为光敏电阻器,在外界照明度强时光敏电阻呈低电阻,+15V通过RL,Rp1分压,使U1较大,当：

U1>Ut1………………………………………………………………（2-6）

U1输出低电平,VT截止,继电器K不动作,灯L不亮;

当外界照明昏暗时,RL的阻值开始变大,U1下降,当：

U1

U1输出高电平,VT饱和导通,K得电吸合,其常开触点K1闭合,灯L点亮发光。

为了提高抗干扰能中除了滞回电压比较器有很强的抗干扰能力外,还接了R1,C3,用以吸收雷电等的瞬间光线通过RP1,RP2都可调节灯在合适的光线下点亮和关闭。

VD起保护作用。

1.2.3　材料选择及运用

RL选用MG45213塑封树脂封装光敏电阻器,由光敏材料制造。

该元件受光线影响,当照射光线强时呈低电阻,受光线照射弱时呈高电阻。

RP1,RP2可用WSW型有机实心微调电位器,可起到调节电路电阻调试电路的作用。

VT选用8050型硅中功率晶体管,要求电流放大系数β≥100,在该电路中起控制作用。

VD用IN4148型硅开关二极管,该二极管单向导通起保护作用。

K可用工作电压为15V的JZC-22F小型中功率电磁电器,其触点容量有5A与7A两种,可根据被控灯的功率容量选择。

如果要驱动足够数量的路灯,可用继电器K的触点K1去控制220V交流电的中间继电器（如JTX型）,以解决整个小区所有路灯的自动控制。

编号

名称

型号

数量

R1

电阻

480K

1

R2

电阻

100K

1

R3

电阻

100K

1

R4

电阻

100K

1

R5

电阻

10K

1

R6

电阻

30K

1

RP1

实心微调电位器

WSW型

1

RP2

实心微调电位器

WSW型

1

RL

光敏电阻器

MG45213

1

VD1

整流二极管

IN4001

1

VD2

整流二极管

IN4001

1

VD3

整流二级管

IN4001

1

VD4

整流二极管

IN4001

1

VD

开关二极管

IN4148

1

DZ

稳压二极管

2W/12V

1

C1

电容

22uF

1

C2

电容

220uF

1

T

电源变压器

220V/15V8W

1

K

电磁电器

JZC-22F

1

VT

晶体三极管

8050型中功率

1

IC

三端集成稳压器

7812型

1

L

照明灯

任意型

1

1.2.4　光控电路特点

1）功耗低,在亮环境下几乎不通电,白天整个电路理论消耗的最大功率为0.73W,实际消耗的功率在0.50W以下;

2）抗干扰能力强,由于采用滞回电压比较器,对短暂的干扰不会有反应,如黑夜里的闪电、车辆的灯光;3设计了稳压电路,适合于各种照明电路;

4）极小的体积，节省成本投资，便于装载运输，利于安装。

2光控LED照明装置

这是一款具有光控功能的LED照明灯，它白天不工作，晚上自动点亮。

该灯共用42个高亮白光发光二极管，每3支串联，然后再相互并联后接于电源两瑞，适用于楼梯、过道等作照明。

 2.1光控电路的基本原理

 　　220V交流电经电容限流、桥式整流、滤波、稳压，在A、B两端获得稳定的12V直流电。

在白天由于光敏电阻RG受到自然光的照射呈现低阻值，三极管VT的基极电位低，而被反偏置，因此VT截止，单向可控硅VS门极为低电平被关断，LED不亮。

到天黑后光敏电阻RG因无光照呈现高阻值，VT导通，VS的门极即有正向触发电压而导通，LED通电发光。

开关K为手动控制开关，只要K闭合，不管白天黑夜，LED均能发光。

 2.2照明控制电路图

光控照明灯电路图（3-1）

2.3元器件选择与制作调试

 　　C1选用耐压400V以上的涤纶电容，可用电风扇电容代替。

R1～R4选用1／2W金属膜电阻，RP选用小型可变电阻。

整流二极管D1～D4选用1N4007，电解电容C2选用耐压25V铝电解电容。

RG选用MC45型光敏电阻器（亮阻不大于5kΩ，暗阻不小于lMΩ）。

DW选用1W／12V稳压二极管，VS采用1A单向可控硅，型号任选。

由于人眼被发光二极管照射会产生眩目，因此要对LED光源进行改造，使其光线产生漫反射，即将组装好的LED灯装入废弃的圆形吸顶灯罩内，RG放置在有自然光照射到的地方、同时是月光照不到的地方即可。

接上220V交流电，慢慢调节RP，使得在白天LED不亮，晚上LED亮即可。

发光二极管的伏安特性与普通二极管类似，但它的正向压降较大，并在正向压降达到一定值时发光。

发光颜色和构成PN结的材料有关，通常有红、黄、绿、蓝和紫等颜色。

发光亮度近似和工作电流密度成正比，但掺杂ZnO和GaP的发光二极管，其发光亮度随电流密度的增加会很快趋向饱和。

另外，随结温的升高，LED的发光亮度将会减弱。

由于发光二极管的响应时间（光信号对电信号的延迟时间）一般小于100ns，故直流信号、交流信号或脉冲信号均可作为它的驱动信号。

国产LED器件用FG×1×2×3×4×5×6命名，其中×1表示材料，×1取值1，2，3分别对应LED的材料为GaAsP，GaAsAl和GaP。

×2表示发光颜色，×2取1~6时表示发光颜色为红、橙、黄、绿、蓝和复色，×3表示封装形式。

×4表示外形，取0~6各整数时，分别指发光二极管的外形为圆形、长方形、符号形、三角形、正方形、组合形和特殊形。

×5×6为序号。

使用发光二极管时，若用电压源驱动，则应在电路中串接限流电阻，以防止LED中电流过大而损坏。

用交流信号驱动时，为防止LED被反向击穿，可在两端反极性并连整流二极管。

几种红色发光二极管的参数见表1。

几种红色发光二极管的参数

编号

名称

型号

数量

R1

电阻

470K1／2W金属膜电阻

1

R2

电阻

100K1／2W金属膜电阻

1

R3

电阻

100K1／2W金属膜电阻

1

R4

电阻

1K1／2W金属膜电阻

1

RP

电位器

30K

1

RG

光敏电阻

MG45-32等非密封型

1

D1

整流二极管

IN4007

1

D2

整流二极管

IN4007

1

D3

整流二极管

IN4007

1

D4

整流二极管

IN4007

1

D5

整流二极管

IN4148

1

LED

发光二极管

42

C1

涤纶电容

1uF耐压≥400V

1

C2

铝电解电容

2200uF/25V

1

VS

晶闸管

1A/200V

1

VT

晶体三极管

9013

1

DW

稳压二极管

1W/12V

1

K

手动开关

1

2.4白光发光二极管（白光LED）工作原理

当前的LED是利用GaN半导体中P-N极处载流子复合释放能量而发光的，目前的LED都是单能级载流子复合，因而只能辐射单色光，一种方法是将辐射红、绿、蓝三色光的三个芯片组装成一只发光二极管中以获得白光，但是由于三个芯片各有自己的发光角，在一定距离以后三色光将分束而呈现各自的颜色，目前制造白光LED的成功的方法是在蓝光发光二极管的芯片上涂敷黄色荧光粉，从而获得了白光LED。

目前白光LED产品的最大功率为1W、3W，再大功率的白光LED市场上很难找到，此类大功率LED的指标为70lm/W甚至100lm/W，寿命50000hr或100000hr。

然而这些数据是不可靠的，因为这些数据是在测试条件下并保持P-N结在正常测试温度下测量的，这一条件与实际工作条件相去很远。

目前的LED只有约30%的输入功率转化为可见光输出，而70%以上的功率转化为热能，这些热能仅靠传导散失，如果不能即时导走，将会造成发光中心（P-N结）和基底较大的温升，使得半导体性能下降（这是半导体材料的本性）。

对于大功率LED这一问题十分严重，在这样状态下不仅LED的发光效率大幅下降，而且长期的超温工作会造成不可恢复的光衰，使得LED的寿命大幅缩短。

至于LED的50000或100000小时的寿命更是不真实的，该寿命指标是LED问世初期对小功率单色LED测试的，此类LED的功率<0.1W，即使70%的功率也是微乎其微，不足以使P-N结明显升温，因此也不影响其参数和寿命。

而大功率白光LED的芯片则是在过负荷的情况下运转，温度在100℃甚至200℃以上，在如此条件下运转不仅芯片自身性能下降，同时荧光粉也将受到严酷灼伤，发光效率和寿命比上述数据低得多。

这两方面的因素使得大功率白光LED的实际寿命远低于10000小时，用于照明工程时，目前的实际寿命常常只有2000~3000小时或更短，而光效通常也不超过50~60lm/W。

2.5白光二极管LED的缺点以及前景

一个例子就可以说明问题，一只10W直径约4mm的放电灯，运转时其中6W以上的能量通过紫外、可见和红外线辐射出去，仅仅不足4W的能量用于加热直径约4mm的电弧管，但其泡壳温度高达800℃以上，而电弧中心温度则高达5000℃。

设想一下一只10W的白光LED即使有40%的能量成为可见光辐射出去，其余6W的能量将如何散失出去，而又不使如此之小的芯片温升过高。

所以如果没有有效降温手段就很难做出功率10W的单芯片LED，即使制成也将很快烧毁或寿命很短。

有适用价值的照明光源其辐射光通量不应小于500lm，否则意义不大。

就目前水平而言，单粒白光LED一时难以达到这一指标，多粒芯片组装在一起时也存在二次光学设计问题，虽然杭州聚光科技在大功率组合白光LED的光学设计和降低荧光粉运转温度方面取得了一些成绩，但仍有待考验。

作为一种普通照明光源，白光LED有很光明的前景，但是还有很多工作要做。

可控硅最主要的作用之一就是稳压稳流。

可控硅在自动控制控制，机电领域，工业电气及家电等方面都有广泛的应用。

可控硅是一种有源开关元件，平时它保持在非道通状态，直到由一个较少的控制信号对其触发或称“点火”使其道通，一旦被点火就算撤离触发信号它也保持道通状态，要使其截止可在其阳极与阴极间加上反向电压或将流过可控硅二极管的电流减少到某一个值以下。

MCR100-6单向可控硅特点,先进的玻璃钝化芯片、具有灵敏的控制极触发电流，通态压降低。

用途广泛应用于各种万能开关器、小型马达控制器、彩灯控制器、漏电保护器、灯具继电器激励器、逻辑集成电路驱动、大功率可控硅门极驱动、摩托车点火器等线路功率制。

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