CN211656478U

CN211656478U - 基于光敏及定时的小区照明控制系统

Info

Publication number: CN211656478U
Application number: CN202020502477.0U
Authority: CN
Inventors: 崔建国; 宁永香; 崔建峰; 崔燚; 李光序
Original assignee: Shanxi Institute of Technology
Current assignee: Shanxi Institute of Technology
Priority date: 2020-04-08
Filing date: 2020-04-08
Publication date: 2020-10-09
Anticipated expiration: 2030-04-08

Abstract

本实用新型公开了一种基于光敏及定时的小区照明控制系统，其由直流供电电路、光线采样电路、计数/定时电路、电源过零检测电路、光耦触发电路、光隔离电路、以及固态继电器电路组成；直流供电电路由T、D₁、R₁和D₃、C₁组成，直流供电电路提供的+5V输出，作为IC₁、IC₂等低压控制系统电路的供电；光线采样电路的输出作为计数/定时电路工作的触发信号；晶体管Q1构成光耦触发电路，计数/定时电路的输出连接Q1的发射级，电源过零检测电路的输出连接Q₁的基极，Q₁集电极输出连接所述光隔离电路即光耦IC3的非地输入端；IC3的输出连接Q2的栅极G，使光隔离电路的输出控制固态继电器电路导通，照明灯具点亮。

Description

基于光敏及定时的小区照明控制系统

技术领域

本实用新型涉及一种小区或厂区的自动照明控制技术，尤其一种具有光敏以及定时功能的照明控制设备，实际上该设计可以用于基于外界光线的亮度变化的任何长短时间的开关应用。

背景技术

小区或厂区的照明系统一般由专人负责定时开启或关闭，这种运行模式会有很多弊端，比如由于责任人的不尽责，导致该开启路灯的时候，小区却一片漆黑；或者遗忘关闭路灯的时间，让路灯整夜亮着。这种管理模式不但会造成国家资源的浪费，更造成小区居民的生活不便、对居民的生命安全造成威胁。

针对上述现实情况，可以设计一个小区路灯照明控制系统，这个系统在外界光照达到预调的黑暗度时可触发导通照明灯具，并保持该状态在三十分钟到六个小时内连续可调。该设计的基本思想是尽量使电气的电源消耗减至最小。此控制系统主要用来控制小区或厂区的路灯照明系统，但事实上它具有一定的通用性，比如作为“家里有人”防贼系统，防贼系统在控制照明的前提下如果加以声音（比如收音机）控制，效果会更好，这很容易实现。

实际上，该设计可以用于基于外界光线的亮度变化的任何长短时间的开关应用。

发明内容

本实用新型所要解决的技术问题是提供一种结构简单、造价低廉、使用可靠、能自动控制小区或厂区的照明设备工作或停止工作的系统装置。

为实现上述目的，本实用新型提供一种基于光敏元件及定时元件的小区照明控制系统，由一个直流供电电路、一个光线采样电路、一个计数/定时电路、一个电源过零检测电路、一个光耦触发电路、一个光隔离电路、以及一个由双向可控硅组成的固态继电器电路组成；所述直流供电电路由变压器T、整流二极管D₁、电阻R₁和稳压二极管D₃、_、滤波电容C₁组成一个+5V稳压电路，所述直流供电电路提供的+5V直流输出，作为IC₁、IC₂、各个晶体管以及所述光线采样电路等低压控制系统电路的供电；所述光线采样电路的输出作为所述计数/定时电路工作的触发信号；晶体管Q1构成所述光耦触发电路，所述计数/定时电路的输出连接晶体管Q1的发射级，所述电源过零检测电路的输出连接晶体管Q₁的基极，晶体管Q₁集电极输出连接所述光隔离电路即光耦IC3的非地输入端；光电耦合器IC3的输出连接双向可控硅Q2的栅极G，使所述光隔离电路的输出控制固态继电器电路导通，照明灯具点亮。

所述光线采样电路，通过光敏电阻R₁₄与门电路N₁及其外围阻容网络所完成，+5V供电依次通过光敏电阻R₁₄、电阻R10、电位器P2连接工作地，+5v连接门电路N₁的2脚，光敏电阻R₁₄、电阻R10的连接点依次通过电阻R8、R9连接门电路N₁的1脚，电阻R8、R9的连接点通过电容C4连接工作地，门电路N₁的1脚和3脚之间连接电阻R11。

所述电源过零检测电路，由二极管D的正端通过电阻R2连接门电路N₃的8脚，N3的9脚连接工作地，N3的10脚连接N₄的12脚，并且N3的10脚依次连接电阻R5、电容C2到地，电阻R5、电容C2的连接点连接N4的13脚，以上元件共同组成一个简单而有效的交流电源过零检测器。

所述固态继电器电路由一个双向可控硅Q₂组成一个固态继电器，光电耦合器IC₃的初级没有电流通过，光耦次级连接双向可控硅Q₂栅极G，光耦次级没有触发信号输出，双向可控硅Q₂栅极G没有开启电流、处于关闭状态，照明灯具熄灭；光耦IC₃初级有电流，光耦次级有触发信号输出，双向可控硅栅极G出现开启电流，双向可控硅导通，照明灯具点亮。

附图说明

附图1、附图2、附图3用来提供对本实用新型的进一步理解，构成本申请的一部分，附图1 是本实用新型小区照明控制系统电气原理图；附图2是计数器电路CD4060内部电路功能框图；附图3是由N₃和N₄一起组成的交流电源过零检测器过零检测测试点逻辑图。

具体实施方式

附图1是本实用新型设计的小区照明控制系统电气原理图，包括两个强弱电隔离电路、一个直流供电电路、一个光线采样电路、一个计数/定时电路、一个电源过零检测电路、一个触发电路、以及一个由可控硅组成的固态继电器电路。下面详细介绍本实用新型。

强弱电隔离：强弱电隔离电路分前级隔离以及后级隔离，前级由降压变压器实现，后级由光电耦合器实现，强弱电分开不但可以防止电磁感应相互干扰，更可以充分保证人体的安全，对于后期检修极有益处。

直流供电：直流供电采用很普通的设计，变压器T、整流二极管D₁、由电阻R₁和稳压二极管D₃组成稳压电路、滤波电容C₁，以上部分共同构成一个5V直流输出，作为IC₁、IC₂、各个晶体管以及光线采样电路等的供电。

振荡定时电路：本设计核心电路以一只14级串行二进制计数器集成电路CD4060（IC₁）为基础，CD4060内部电路如附图2所示。

由图可知CD4060具有10个计数输出端。其内置了时钟振荡电路，振荡器外接RC元件或石英晶体就可以形成可控多谐振荡，振荡器已在内部连接到计数器的时钟输入端。

此时钟脉冲振荡器在整个电路中起重要作用，振荡器的振荡频率由电容C₃ 、电阻R₆ 、电位器P₁决定，其中P₁作为调节主频率之用，通过调节主频率的大小，4060的10个分频信号输出端皆可输出不同频率的脉冲控制信号,合理利用各种频率的组合，可以得到许多很有趣的电子开关应用。

主振荡频率可以这样计算：

f=

(Hz)

式中单位f为赫兹，电阻为欧姆，电容为法拉。

4060的复位端（12脚）R前接传感器电路，由于环境的变化，传感器输出反转。比如该脚一旦变为高电平，计数器将被清零或复位，这时4060计数器的所有输出端都将被清零，包括本设计将要使用的Q₁₄(3脚)输出将变为低电平，此时振荡器使用将无效；而该脚一旦变为低电平，计数器将开始计数，计时开始一个周期后，各分频输出端即有4分频到10分频，12分频到14分频等10种不同频率脉冲信号输出，只要利用不同的分频输出端即可得到不同周期的开关脉冲控制信号。本文利用14分频（3脚：Q₁₄）信号作为本设计的开关脉冲控制信号，电位器P₁调节主频率，14分频后将会得到30分钟到六个小时不等的开关脉冲控制信号，这是本设计的核心。14分频的信号频率为

f_Q14=

其中f为主频率，故第3管脚的输出信号f_Q14相对应别的分频输出频率最小，相对应周期最长。

光线亮度采样电路:当一个逻辑“0”出现在CD4060（IC₁）的复位输入端R（12脚）时，时钟脉冲电路开始工作，计数器开始计数，这是通过光敏电阻R₁₄与门电路N₁及其阻容网络所完成的。

CD4077(IC₂)为一个四2输入端异或非门，本设计使用的N₁、N₂、N₃、N₄门电路皆属于IC₂，异或非门的逻辑就是：2个数进行异或非运算,相同为1,不同为0，恰好与异或门相反，下面不再赘述。

当外界光线亮度足够时，光敏电阻阻值很小，电容C₄通过电阻R₈充电，门电路N₁之1脚变为高电平，N₁两输入端相同皆为高电平，输出高电平，CD4060（IC₁）12脚高电平，计数器复位，各输出端皆为低电平“0”，振荡器使用无效。

当外界亮度下降时，光敏电阻阻值急剧增加，电容C₄通过电阻R₈、R₁₀、P₂放电，门电路N₁之1脚反转为低电平，N₁两输入端电平相异，输出低电平“0”（其出现的变化点可由P₂调整而定）。如果外界光线不管什么原因影响而增加（比如晚上拿手电筒照射、检修控制电路）时，则在超过10~20秒钟后，计数器才会复位，时钟振荡器将会停止工作。

这是由于门电路N₁输入、输出端加入反馈滞回电阻R₁₁引起的，该电阻的引入会延迟门电路N₁的反转时间，不会由于偶尔的光线亮度变化而使系统马上关断照明供电。就是说手电筒只有连续照射控制系统20秒钟以上，系统才会关断照明供电，否则系统不会马上动作，避免了光线的偶尔变化会导致系统频繁动作的弊端。这是检修控制系统是否正常工作的窍门之一。

接上文，当一个逻辑“0”出现在IC₁的复位输入端（R）时,时钟脉冲电路开始工作，计数器开始计数。

在正常情况下（指外界光线很暗时），由于14分频（3脚：Q₁₄）输出信号周期相应很长，故Q₁₄连续长期输出低电平，门电路N₂两个输入电平相同，输出呈逻辑“1”， 4060连续计数计时。这时的晶体管Q₁由门电路N₄的输出控制。

交流电源过零检测电路：N₃和N₄一起组成一个简单而有效的交流电源过零检测器，其逻辑功能可以这样描述。

门电路N₃的9脚接地，恒为低电平，8脚连接变压器T次级，但不经过整流，当输入的工频信号处于正半轴和负半轴，即非零输入时，门电路N₃两输入电平相异，输出逻辑“0”电平；门电路N₄之12脚低电平，13脚通过电容C₂接地，C₂没有充电，故13脚也为低电平，N₄两输入电平相同，输出逻辑“1”电平，晶体管Q₁基极高电平，上文已知此时的晶体管Q₁发射级为高电平，故这时Q₁截止，光电耦合器IC₃的初级没有电流通过，光耦次级没有触发信号输出，双向可控硅Q₂门极G没有开启电流、处于关闭状态，照明灯具熄灭。

门电路N₃的8脚输入的工频电源信号从正半轴向负半轴（或相反）过零瞬间，N₃两个输入电平相同，输出高电平；由于电容C₂两端电压不能突变，电容C₂下端接地，故过零瞬间N₄的13脚仍为低电平。由于过零时间极短， N₃输出的高电平不易保持，由R₅和C₂ 组成的积分电路作为N₃的负载，其时间常数为R₅* C₂，R₅可以延缓C₂的充电时间，能保证在工频电源过零瞬间N₃输出一个虽窄但有效的高电平，此刻N₄两个输入电平相异，输出逻辑“0”电平，晶体管Q₁导通，光耦IC₃初级有电流，光耦次级有触发信号输出，双向可控硅门极G出现开启电流，双向可控硅导通，照明灯具点亮。

以上交流电源过零检测电路各测试点逻辑图如附图3所示。

总结一下，由N₃和N₄组成的交流电源过零检测器，导致N₄的输出在每周的零交点处提供一个窄脉冲，由于正弦信号在一周内上升沿和下降沿各过零一次，故N₄输出的窄脉冲频率为工频信号频率（50Hz）的两倍（100Hz），周期为10mS,波形如图2。这个窄脉冲在N₂输出为逻辑“1”时，晶体管Q₁导通从而触发双向可控硅导通。也就是说，双向可控硅开关只在交流电源零点处导通——这是最理想的开关。照明灯LAMP也就是在此时被接通。

可控硅的工作原理大家都知道，若希望可控硅导通，一是在它的阳极A与阴极K之间外加正向电压，二是在它的控制极G与阴极K之间输入一个正向触发电压。晶闸管导通后，去掉触发电压，仍然维持导通状态。对应本设计，虽然在非过零时间可控硅没有触发信号，但仍保持导通状态，在工频交流信号电压为零、可能会导致可控硅关断的瞬间，恰好有一窄脉冲触发信号提供开门电流，这样可以保证可控硅在整个定时器工作周期期间导通，保持照明灯具点亮。

定时结束：当IC₁第一个计数周期结束时，其14分频Q₁₄输出端将跳变为逻辑“1”，这个高电平通过二极管D₂使时钟振荡器停振，并使Q₁₄输出端维持高电平。此时门电路N₂的5脚呈逻辑“1”，而6脚呈逻辑“0”，N₂的输出恢复到低电平从而使晶体管Q₁截止，双向可控硅关断，小区照明熄灭。

这里需要重点强调一下，图1电路中的二极管D₂（IN4148）在本设计中不可或缺，如果没有该二极管的存在，计数器IC₁将会不停地振荡下去，结果就是计数器第一个计数周期结束、导致小区照明熄灭后，只要IC₁的复位输入端R（12脚）仍为“0”电平（即天未亮），IC₁将会继续第二个计数周期，小区照明又会再一次亮起，这不是我们所希望的。第一个计数周期结束Q₁₄输出的高电平通过二极管D₂可以使时钟振荡器停振，并使Q₁₄输出端持续维持高电平，即小区照明保持熄灭状态。

第二天天亮照明足够时，光敏电阻R₁₄阻值再次变得很小，门电路N₁输出高电平，计数器4060被复位，输出全部清零（包括Q₁₄），控制系统静静等待再一次黑夜的来临，以便再次开始一次新的计数定时，如此周而复始，循环不停。

实用经典方案：

1）方案1：

由于小区照明灯具众多，总功率很大，本设计电路通过选取合适的功率器件如双向可控硅、以及合适的触发器件如光电耦合器，可以适用于照明电路总电流小于100A以下的小区使用。比如选取双向可控硅型号：“BTA100-800B”：参数如表一

表一方案1可控硅参数

额定正向平均电流	100（A）	控制极触发电流	20-25（mA）
				最大稳定工作电流	100（A）	反向重复峰值电压	800（V）

光电耦合器型号：“moc3063”，这是一种可控硅型光耦，负载能力是100mA，完全可以触发以上双向可控硅。

以上配置的控制系统比较经济、性价比很高，若要全负荷使用，可控硅一定要加足够大的散热器，最安全的使用环境是最大总电流小于80A。

本文的控制系统就是利用以上这套参数设计。

方案2：

若要控制照明电路电流大于100A以上的小区使用，可控硅可以选择工作电流200A左右的可控硅模块如：“MFC200A1600V”，额定电压：1600V；额定电流：200A。

触发电路要用专用的可控硅模块专用触发器，型号如“YJGK-1单相可控硅移相触发器”，参数如表2

表二方案2可控硅触发器参数

以上配置完全可以配合本文设计的低压控制电路，实现定时、光敏、过零控制小区照明系统。造价也不算太贵。

本设计也可以不用由N₃和N₄组成的过零检测器来控制可控硅的导通，而直接使用带过零检测的光电耦合器来直接触发双向可控硅，后者是一种很成熟的过零控制技术，但如果不是采用带过零检测的光耦触发可控硅、如方案2所采用的器件，就无法直接实现过零触发。但使用本文设计的“过零检测技术”却同样可以实现过零触发，故本文设计的过零检测器也是一种比较高效、使用较广泛的过零触发技术，效果是很不错的。

总之该控制系统较好地解决了小区或厂区路灯照明的自动开启和关闭问题，不但解放了人力，更能有效地保证居民生活的安全、节省了电力资源，比某些电脑控制的相关系统更有效、性价比更高、更稳定、更易维护，值得推广。

Claims

1.基于光敏及定时的小区照明控制系统，其特征在于：所述照明控制系统由一个直流供电电路、一个光线采样电路、一个计数/定时电路、一个电源过零检测电路、一个光耦触发电路、一个光隔离电路、以及一个固态继电器电路组成；所述直流供电电路由变压器T、整流二极管D₁、电阻R₁和稳压二极管D₃、滤波电容C₁组成一个+5V稳压电路，所述直流供电电路提供的+5V直流输出，作为IC₁、IC₂、各个晶体管以及所述光线采样电路等低压控制系统电路的供电；所述光线采样电路的输出作为所述计数/定时电路工作的触发信号；晶体管Q1构成所述光耦触发电路，所述计数/定时电路的输出连接晶体管Q1的发射级，所述电源过零检测电路的输出连接晶体管Q₁的基极，晶体管Q₁集电极输出连接所述光隔离电路即光耦IC3的非地输入端；光电耦合器IC3的输出连接双向可控硅Q2的栅极G，使所述光隔离电路的输出控制固态继电器电路导通，照明灯具点亮。

2.根据权利要求1所述的基于光敏及定时的小区照明控制系统，其特征在于：所述光线采样电路，通过光敏电阻R₁₄与门电路N₁及其外围阻容网络所完成，+5V供电依次通过光敏电阻R₁₄、电阻R10、电位器P2连接工作地，+5v连接门电路N₁的2脚，光敏电阻R₁₄、电阻R10的连接点依次通过电阻R8、R9连接门电路N₁的1脚，电阻R8、R9的连接点通过电容C4连接工作地，门电路N₁的1脚和3脚之间连接电阻R11。

3.根据权利要求1所述的基于光敏及定时的小区照明控制系统，其特征在于所述电源过零检测电路，由二极管D的正端通过电阻R2连接门电路N₃的8脚，N3的9脚连接工作地，N3的10脚连接N₄的12脚，并且N3的10脚依次连接电阻R5、电容C2到地，电阻R5、电容C2的连接点连接N4的13脚，以上元件共同组成一个简单而有效的交流电源过零检测器。

4.根据权利要求1所述的基于光敏及定时的小区照明控制系统，其特征在于所述固态继电器电路由一个双向可控硅Q₂组成一个固态继电器，光电耦合器IC₃的初级没有电流通过，光耦次级连接双向可控硅Q₂栅极G，光耦次级没有触发信号输出，双向可控硅Q₂栅极G没有开启电流、处于关闭状态，照明灯具熄灭；光耦IC₃初级有电流，光耦次级有触发信号输出，双向可控硅栅极G出现开启电流，双向可控硅导通，照明灯具点亮。