教室照明光感节电控制器的设计与应用

摘要 基于光敏元件和控制电路技术，阐述了一种光感节电控制器的工作原理，并绘制出电路图。经过实际检验，该控制器可以应用于学校教室和实验室的照明系统中，起到环保节能、延长灯具使用寿命的作用。
关键词 节电控制器；教室照明；光敏元件；光照度

    当前大多数学校教室的照明依然采用手动控制开关，但往往由于人们节电意识淡漠以及疏于管理，即使在自然光充沛的情况下，教室内灯光长明的情况依然随处可见，不仅损耗了电能，同时也减少了灯具的使用寿命，照成资源浪费。为解决这一问题，笔者结合实际情况，经多次试验，设计并制作了针对学校教室灯具电路的光感节电控制器，应用于教室和实验室中，效果良好。

1 功能效果
    根据学校日常教学和自习的情况，在不安装声控和红外探测器的情况下，如果单纯依靠光感控制，则夜间灯光不会自动熄灭。因此可采用光感自动控制电路和手动按钮来配合进行教室灯光的控制。在室内自然光照度达到满足正常教学要求时，灯光自动熄灭；在阴雨天和晚上，室内光照度下降到一定程度后，灯具可以根据需要手动开启。

2 控制器构成
    (1)市电转换。将220 V交流电通过降压、整流和滤波转换为光感控制电路可以使用的12 V直流电源。
    (2)自然光检测组件。使用光敏二极管，将光信号转换为电信号的半导体器件，是控制器中的关键器件。需要注意的是，该组件必须放置于教室内灯光照射范围之外，只用于探测自然光线的强弱；由于一些专业课程的授课对光线有特殊要求，这就需要该组件可以根据实际需求进行调整其自然光照度的敏感性。
    (3)抗干扰电路：控制器的没计还必须考虑到浮云或者外部强光如车灯、雷电等外界因素对自然光硷测组件的干扰，需要加入输出延迟电路防止干扰，在收到外界干扰时，保证触发器电路在瞬时干扰的情况下不会翻转。
    (4)时基电路NE555。NE555是555系列计时元件的一种，价格便宜且性能稳定，作为控制元件，光敏二极管由于光照度的变化会产生内阻变化而造成时基电路NE555触发电压的改变，当降低或升高至一定阈值时，时基电路会输出相应的高、低电平，开启或关闭照明指示灯以及使继电器吸合或释放。
    (5)继电器组件。因大部分学校教室都是用日光灯灯管照明而非白炽灯，日光灯管开启时的负电感效应会导致过冲电压较高，会烧坏可控硅器件，因此需要使用继电器控制照明电源。

3 电路设计与工作原理
    光感节电控制器电路如图1所示。

    首先需要对市电进行T降压、IC1桥式整流和C1滤波，将220 V交流电转换为12V直流电压，用发光二极管D1作为电源通断指示灯。12V直流电通过光敏二极管D2和电阻R2、R3分压后加在时基电路NE555的2、6脚。当室内自然光照度下降时，光敏二极管D2的内阻慢慢变大，加在时基电路NE555的2、6脚电压会逐渐下降，当降至1／3VCC的时候，时基电路IC2输出状态反转，其3脚将输出高电平，使三极管V1和V2饱和导通，发光二极管D4通电发光，发光二极管D4在电路中的作用为照明指示灯，发光后，即表明室内光线暗，允许开启灯光；此时按下开关N1，电源将加在三极管V3的基极，使V3和V4饱和导通，同时，V4集电极电压经电阻反馈给V3基极，是V3和V4维持导通状态，保证继电器J吸合并自保，接通教室内照明电路，灯光开启；在需要关灯时按下开关N2，三极管V3和V4截止，继电器J释放，切断照明电路，灯光熄灭。
    当室内自然光照度逐渐变强时，光敏二极管D2的内阻逐渐变小，加在时基电路NE555的2、6脚电压逐渐上升，直到升至2／3VCC时，其3脚就会输出低电平，使三极管V1和V2截止，后级电路断电，继电器J释放，教室内光源电路断开，灯光自动熄灭。
    为防止夜晚闪电、车灯等瞬间强光照射光敏二极管D2使教室内照明电路断开，C2应使用容量较大的电容；同时为提高电路的可靠性，加入电容C3防止外界干扰；室内电路由通到断和由断到通的过程，会存在一定的滞后时间，在电路中加入电阻R5和R6，适当减小其阻值，滞后时间也就越短。

4 制作、调试与安装
    (1)制作。将元器件焊接在电路板上，通过实际制作发现6 cm×9 cm的电路板较合适。焊接完成后将电路板放置于大小合适的机壳中，机壳最好采用价格低廉并易于购买和改制的塑料盒。需要注意的是，要把电源指示灯D1和照明指示灯D4露在塑料盒外面，便于通过指示灯进行开关操作。
    (2)调试。主要对电路中可调电阻R2和R6进行调整，调整时需要照度测量计精确测量光照度：当室内自然光照度下降至需要照明(150 LUX)时，由下向上调整R6，直至照明指示灯D4发光；当室内自然光照度达到教学要求(200 LUX)时，由下向上调整R2，直到继电器J刚好释放，照明指示灯D4熄灭。
    (3)安装。在实际安装使用时，需要注意以下两点：
    1)光感控制元件安装位置：首先要确保光敏二极管不能被室内灯具光源照射到，因此要将其安装在窗口位置，方向面朝室外自然光照射到的方向，使其有效采集到自然环境下光照度。除此之外，还需考虑到楼宇、树木不同时间段阴影对光敏元器件的影响，调整至最佳位置。
    2)自复位按钮开关N1和N1安装位置：可以利用原有的墙壁开关位置进行改装，在原有墙壁开关面板上钻两个孔进行电路接线安装。当教室内光线不足D4发光时，按下N1，室内灯光开启，晚自习下课后，按下N2，室内灯光熄灭。

5 结束语
    制作好的控制器理论控制功率≤5 kW，实际控制教室内4路共16根日光灯灯管，应用于1座教学楼的24个教室内，通过近半年的使用，光感节电控制器的各项性能符合设计和使用要求，不仅节省用电量，而且教室内灯具及开关的维修量也大为减少。该控制器不仅可以适用于各类学校教室、实验室的灯光照明电路中，也可以用于办公室、走廊、路灯等场所，具有良好的推广价值。与此同时，如加入声控、红外遥感控制和单片机程序控制等，还可以达到更加智能化的全自动控制的效果。