CN101636024B - 智能光控开关器 - Google Patents

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Abstract

一种智能光控开关器，电源模块、光敏传感模块、信号放大逻辑模块、电子开关、手动开关和照明灯具，其中：电源模块的火线输入端点依次与照明灯具和手动开关串联后连接至交流市电火线，电源模块的地线输入端点与交流市电地线连接，电源模块的输出端点连接至信号放大逻辑模块的输入端。本发明技术能够根据人造灯光与自然光强度的相对关系来确定开关器供电和断电的最优控制，在提供人性化技术服务的同时，节能效果达到65％以上，本发明处于待机状态时的功耗小于0.5W。

Description

智能光控开关器
技术领域
本发明涉及的是一种电源开关技术领域的器件，具体是一种智能光控开关器。
背景技术
众所周知，许多公共场所的照明装置晚上开启后，时常到了白天仍旧“灯火通明”，尤其是办公大楼里的公共盥洗室和走道的灯光。要克服这种公共场所长期存在的“长明灯”现象，除了需要增强每个人的节能意识外，最根本而且最有效的办法是采用先进的技术予以解决。
有关自动节能开关器的技术，至今已经种类繁多，但是，概括地说，几乎是因为，或结构复杂、或售价高(技术成本高)、或工作环境要求苛刻、安装不方便，而造成自动节能开关器没有得到广泛普及，这从当前诸多新盖大楼的公共盥洗室和走道灯光没有安装自动节能开关器可以得到证实。
经对现有技术文献的检索发现，专利申请号92107340.2，授权公告号CN1020839C，记载了一种“全自动电子节能开关”，采用微波传感器作为探头，其输出经采样比较器接一个延时电路，由光敏元件构成的光接收器接门电路组成的光比较器的一输入端，光比较器的输出和延时电路的输出分别接逻辑比较电路的两个输入端，逻辑比较电路的输出接照明灯的开关控制电路，同时反馈接光比较器的另一输入端。该发明装置能使所控的照明灯白天不亮，夜晚无人时不亮，人来灯亮，人离后自动关灭，适用于任何公共场所的照明灯的控制。该技术工作有效性值得肯定，但是其结构复杂、造价高、现场安装繁琐也是无法回避的事实，因此难以被推广应用。更为要紧的是，大部分情况下并不允许在人进入公共场所之前，先让人忍受“黑灯瞎火”的疑惑乃至恐惧，这也是该技术缺乏“以人为本”的先天不足。
另经检索发现，曹胜男等题目为“光控照明电路的原理与设计”的文章(《河北工业科技》2009年第26卷第3期)介绍了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，并介绍了其电路组成、工作原理和参数设计。但是该技术的主要不足之处在于：(1)在运行中参考电压固定不变，因此，在环境光强度随机变化的情况下，它不具备开关阈值的自调整能力；(2)该项技术要求开关必须安装于能够直接接收自然光的环境下，因此无法实现其开关功能与常规开关的一体化。
发明内容
本发明针对现有技术存在的上述不足，提供一种智能光控开关器，不仅实现夜间开启、白天关闭电源的基本功能，而且能够做到自动开关与常规开关的一体化，同时，更为重要的是该开关器能够安装在室内的任何合适位置，并不强求一定要安装在能够直接接收自然光的地方，因此，该项技术是一种节能而且富有人性化的开关技术。
本发明是通过以下技术方案实现的，本发明包括：电源模块、光敏传感模块、信号放大逻辑模块、电子开关、手动开关和照明灯具，其中：电源模块的火线输入端点依次与照明灯具和手动开关串联后连接至交流市电火线，电源模块的地线输入端点与交流市电地线连接，电源模块的输出端点连接至信号放大逻辑模块的输入端。
所述的电源模块，包括：全桥整流器、降压电阻器和稳压二极管，其中：全桥整流器由四个整流二极管构成桥式整流电路，其输入端通过照明灯具和手动开关串联后连接交流市电，其输出端的正极与电子开关的源极及降压电阻器的输入端点连接，降压电阻器的输出端点与稳压二极管的正极连接，同时连接信号放大逻辑模块的电源正极，电子开关的漏极与全桥整流器的输出端负极连接。降压电阻器的输出端点与全桥整流器的输出端负极之间构成了直流低电压输出电源供给信号放大逻辑模块。
所述的光敏传感模块，包括：人造灯光敏传感器和自然光敏传感器，其中：人造灯光敏传感器的受光平面的水平仰角为135°，用于接收人造灯光强度转换为电信号输出，称之为第一光电信号输出；自然光敏传感器的受光平面与水平面成90°角且面向窗户或通透自然光的方向，用于接收自然光强度转换为电信号输出，称之为第二光电信号输出。
所述的信号放大逻辑模块，包括：偏置电阻器、差动运算放大器、非门电路、或门电路、射极跟随器和射极电阻器，其中：偏置电阻器与自然光敏传感器串联后并接于稳压二极管的两端点，偏置电阻器与自然光敏传感器的正极输出端点连接点跟非门电路的输入端连接、同时连接至差动运算放大器的负极输入端点，非门电路的输出端点连至或门电路的第一输入端点，人造灯光敏传感器的正极输出端点连接至差动运算放大器的正极输入端点，差动运算放大器的输出端点连至或门电路的第二输入端点，或门电路的输出端点与射极跟随器的基极连接，射极跟随器的发射极通过射极电阻器串联后接至全桥整流器的输出端负极，射极跟随器的发射极与电子开关的控制极连接，射极跟随器的集电极连至降压电阻器的输出端点。
所述的射极跟随器，是晶体管放大电路的一种形式，具有低输出阻抗特性。
所述的电子开关由双向晶闸管构成，在手动开关闭合的情况下，当其控制极接收到射极跟随器输出的持续触发信号时，晶闸管维持导通，220V市电通过低阻通路降电压加在照明灯具的两端使其正常发光、照明；一旦射极跟随器无触发信号输出，双向晶闸管即刻截止，即双向晶闸管的源、漏极之间不导通，此时照明灯具因失去低阻通路而不能获得正常的照明电压；当电子开关不导通的情况下，整个电路仅存在很小的电流维持着信号放大逻辑模块的待机工作状态。这也正是本发明技术能够大幅度节电的原理和依据之所在。
所述的照明灯具，是指公共场所的照明灯具，通常安装于屋顶天花板或垂直于地面的上方。
本发明开关器工作过程如下：
人造灯光敏传感器和自然光敏传感器分别在人造灯光和自然光的照射下生成各自的电势输出；自然光敏传感器生成的光电势同时输送至非门电路的输入端和差动放大器的负极输入端点；人造灯光敏传感器生成的光电势输送至差动放大器的正极输入端点；
在手动开关处于闭合的情况下，当环境处于相对黑暗状态，如夜间且尚未打开照明灯具时，自然光敏传感器没有光电势输出，通过非门电路的转换(倒相)以高电平加在或门电路的第一输入端点，使得或门电路输出高电平，导致射极跟随器有功率信号由射极输出至电子开关的控制极，使电子开关导通，照明灯具被“点亮”；这就是说，夜间只要手动开关处于闭合状态，灯具自动“点亮”；夜间灯具“点亮”后，因为自然光敏传感器缺乏相对强烈的自然光的辐射，仅受人造灯光微弱反射所输出的光电势小于人造灯光敏传感器输出的光电势，因此人造灯光敏传感器输出的光电势与自然光敏传感器输出的光电势差通过差动运算放大器后仍然维持着高电平输出，作用于或门电路的第二输入端点时，使得或门电路继续输出高电平，因此继续触发电子开关保持导通，致使照明灯具连续“点亮”；当白天自然光透过窗户照亮当前环境时，由于自然光敏传感器输出高电势而且高于人造灯光敏传感器输出的光电势输出的电势值，使得差动运算放大器输出低电平，同时自然光敏传感器输出的高电势经非门电路后被转换成低电平，致使或门电路的两个输入端点均处于低电平，导致或门电路的输出低电平，射极跟随器被截止，维持电子开关导通的控制极触发信号丢失，电子开关关闭，照明灯具“熄灭”，因此获得良好的节能效果。
本发明结构简单、现场安装维护方便，不必要求将光敏传感器安装于室外或容易接收自然光照的地方，而且具有智能化节能的技术特点，与现有技术相比，本发明技术能够根据人造灯光与自然光强度的相对关系来确定开关器供电或断电的最优控制，在提供人性化技术服务的同时，节能效果达到65％以上，本发明处于待机状态时的功耗小于0.5W。
附图说明
图1为本发明电气结构框图。
图2为实施例电路图。
图3为实施例机械结构示意图；
其中：(a)为正视图，(b)为左视图，(c)为右视图。
图4为实施示范举例图。
具体实施方式
下面对本发明的实施例作详细说明：本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
如图1所示，本实施例包括：电源模块1、光敏传感模块2、信号放大逻辑模块3、电子开关4、手动开关5和照明灯具6，其中：电源模块1的火线输入端点依次与照明灯具6和手动开关5串联后与交流市电火线连接，电源模块1的地线输入端点与交流市电地线连接，电源模块1的输出端点连接至信号放大逻辑模块3的输入端。
如图2所示，所述的电源模块1包括：全桥整流器11、降压电阻器12和稳压二极管13，其中：全桥整流器11由四个整流二极管构成桥式整流电路，其输入端连接交流市电，其输出端的正极与电子开关5的源极及降压电阻器12的输入端点连接，降压电阻器12的输出端点与稳压二极管13的正极连接，同时连接信号放大逻辑模块3的电源正极，电子开关5的漏极与全桥整流器11的输出端负极连接。降压电阻器12的输出端点与全桥整流器11的输出端负极之间构成了直流低电压输出电源。所述四个整流二极管的型号为1N4007，降压电阻器12电阻值为100kΩ、功耗为1/2W，稳压二极管13型号为2CW55、稳压6.8V。
如图2、图3b和图4所示，所述的光敏传感模块2，包括：人造灯光敏传感器21和自然光敏传感器22，前者的受光平面的水平仰角135°；后者的受光平面与水平面成90°角且面向窗户或通透自然光的方向。人造灯光敏传感器21和自然光敏传感器22均采用单晶或多晶光伏电池片，光电性能参数为：1V、50mA，尺寸：35mm×20mm。
如图2所示，所述的信号放大逻辑模块3，包括：偏置电阻器31、差动运算放大器32、非门电路33、或门电路34、射极跟随器35、射极电阻器36；偏置电阻器31与自然光敏传感器22串联后并接于稳压二极管13的两端点；偏置电阻器31与自然光敏传感器22的正极输出端点连接点跟非门电路33的输入端连接，同时连接至差动运算放大器32的负极输入端点；非门电路33的输出端点连至或门电路34的第一输入端点；人造灯光敏传感器21的正极输出端点连接至差动运算放大器32的正极输入端点；差动运算放大器32的输出端点连至或门电路34的第二输入端点；或门电路34的输出端点与射极跟随器35的基极连接；射极跟随器35的发射极通过射极电阻器35串联后接至全桥整流器11的输出端负极，同时，射极跟随器35的发射极与电子开关4的控制极连接，集电极连至降压电阻器12的输出端点。所述偏置电阻器31电阻值为470kΩ、功耗为1/2W，差动运算放大器32型号为μA709，非门电路33采用芯片74ls02芯片(二输入四或非门电路)，或门电路34采用74ls32(二输入四或门电路)，射极跟随器35型号为9014、射极电阻器36电阻值为4.7kΩ、功耗为1/2W。
如图2所示，所述的电子开关4由双向晶闸管构成，双向晶闸管的源极(阳极)与市电的火线(相线)连接，双向晶闸管的漏极(阴极)与手动开关5的第一端头连接，手动开关的第二端头与照明灯具6的第一端头连接，照明灯具6的第二端头与市电的地线(中线)连接，双向晶闸管的控制极与信号放大逻辑模块3的输出接口连接。双向晶闸管的参数为1A、400V。
如图3a～3c所示，所述的人造灯光敏传感器21、自然光敏传感器22及手动开关5的机械结构布局分为三种类型，其中，图3a为适用本实施例开关器安装位置正好是正对着房屋窗户的墙壁上的结构类型；图3b为适用本实施例开关器安装位置正好是其左侧对着房屋窗户的墙壁上的结构类型；图3c为适用本实施例开关器安装位置正好是其右侧对着房屋窗户的墙壁上的结构类型。在上述类型中，人造灯光敏传感器21的平面位置始终与水平面保持135o仰角。
如图4所示，为实施图3a所示结构时的现场工作状况，其中，因为受光面安装角度的限制，人造灯光敏传感器21主要接收人造灯光辐射，自然光敏传感器22主要接收自然光辐射，加之，自然光所含紫外线成分要大于人造灯光，受这种特定因素的影响，夜间开灯时，自然光敏传感器22的输出光电势明显小于人造灯光敏传感器21的输出光电势，白天则恰恰相反，因此，本实施例的特殊电路、组成与结构达到了一种有效、智能的光控效果。
本实施例达到以下有益效果：在手动开关处于闭合的情况下，当环境处于相对黑暗状态，如夜间且尚未打开照明灯具时，自然光敏传感器没有光电势输出，通过非门电路的转换以高电平加在或门电路的第一输入端点，使得或门电路输出高电平，导致射极跟随器有功率信号由射极输出至电子开关的控制极，使电子开关导通，照明灯具被“点亮”；即，夜间只要手动开关处于闭合状态，灯具自动“点亮”；夜间灯具“点亮”后，因为自然光敏传感器缺乏相对强烈的自然光的辐射，仅受人造灯光微弱反射所输出的光电势小于人造灯光敏传感器输出的光电势，因此人造灯光敏传感器输出的光电势与自然光敏传感器输出的光电势差通过差动运算放大器后仍然维持着高电平输出，作用于或门电路的第二输入端点时，使得或门电路继续输出高电平，电子开关保持导通，照明灯具连续“点亮”；当白天自然光透过窗户照亮当前环境时，由于自然光敏传感器输出高电势而且高于人造灯光敏传感器输出的光电势输出的电势值，使得差动运算放大器输出低电平，同时自然光敏传感器输出的高电势经非门电路后被转换成低电平，致使或门电路的两个输入端点均处于低电平，导致或门电路的输出低电平，射极跟随器被截止，电子开关关闭，照明灯具“熄灭”。
本实施例结构简单、现场安装维护方便且具有智能化节能的技术特点，能够根据人造灯光与自然光强度的相对关系来确定开关器供电和断电的最优控制，在提供人性化技术服务的同时，节能效果达到65％以上，本实施例处于待机状态时的功耗仅为420mW。

Claims (1)

1.一种智能光控开关器，其特征在于，包括：电源模块、光敏传感模块、信号放大逻辑模块、电子开关、手动开关和照明灯具，其中：电源模块的火线输入端点依次与照明灯具和手动开关串联后连接至交流市电火线，电源模块的地线输入端点与交流市电地线连接，电源模块的输出端点连接至信号放大逻辑模块的输入端；
所述的电源模块包括：全桥整流器、降压电阻器和稳压二极管，其中：全桥整流器由四个整流二极管构成桥式整流电路，其输入端通过照明灯具和手动开关串联后连接交流市电，其输出端的正极与电子开关的源极及降压电阻器的输入端点连接，降压电阻器的输出端点与稳压二极管的正极连接，同时连接信号放大逻辑模块的电源正极，电子开关的漏极与全桥整流器的输出端负极连接，降压电阻器的输出端点与全桥整流器的输出端负极之间构成了直流低电压输出电源供给信号放大逻辑模块；
所述的光敏传感模块，包括：人造灯光敏传感器和自然光敏传感器，其中：人造灯光敏传感器的受光平面的水平仰角为135o，用于接收人造灯光强度转换为电信号输出为第一光电信号输出；自然光敏传感器的受光平面与水平面成90o角且面向窗户或通透自然光的方向，用于接收自然光强度转换为电信号输出为第二光电信号输出；
所述的信号放大逻辑模块，包括：偏置电阻器、差动运算放大器、非门电路、或门电路、射极跟随器和射极电阻器，其中：偏置电阻器与自然光敏传感器串联后并接于稳压二极管的两端点，偏置电阻器与自然光敏传感器的正极输出端点连接点跟非门电路的输入端连接、同时连接至差动运算放大器的负极输入端点，非门电路的输出端点连至或门电路的第一输入端点，人造灯光敏传感器的正极输出端点连接至差动运算放大器的正极输入端点，差动运算放大器的输出端点连至或门电路的第二输入端点，或门电路的输出端点与射极跟随器的基极连接，射极跟随器的发射极通过射极电阻器串联后接至全桥整流器的输出端负极，射极跟随器的发射极与电子开关的控制极连接，射极跟随器的集电极连至降压电阻器的输出端点；
所述的电子开关由双向晶闸管构成，在手动开关闭合的情况下，当其控制极接收到射极跟随器输出的持续触发信号时，晶闸管维持导通，220V市电通过低阻通路降电压加在照明灯具的两端使其正常发光、照明；一旦射极跟随器无触发信号输出，双向晶闸管即刻截止，即双向晶闸管的源、漏极之间不导通，此时照明灯具因失去低阻通路而不能获得正常的照明电压；当电子开关不导通的情况下，整个电路仅存在很小的电流维持着信号放大逻辑模块的待机工作状态。
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