崔建國(guó)，寧永香

(山西工程技術(shù)學(xué)院，山西 陽(yáng)泉 045000)

0 引言

對(duì)于城市的市政照明系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，其安裝有專用的時(shí)控開(kāi)關(guān)系統(tǒng)，可以根據(jù)當(dāng)?shù)靥旌诤屯砩闲熊嚨那闆r來(lái)設(shè)置開(kāi)啟和關(guān)閉時(shí)間點(diǎn)，但一般居民小區(qū)或中小型廠礦、事業(yè)單位可能由于成本比較昂貴的原因，沒(méi)有安裝這一時(shí)控系統(tǒng)。而采用人工控制路燈照明的方法，導(dǎo)致大白天仍然開(kāi)啟路燈或天已經(jīng)很黑卻沒(méi)有開(kāi)啟路燈的狀況時(shí)常出現(xiàn)，不但浪費(fèi)電力資源，也會(huì)對(duì)居民或單位員工的日常生活造成很大的影響。

可以設(shè)計(jì)一套簡(jiǎn)潔、價(jià)廉但很實(shí)用的定時(shí)、光敏照明開(kāi)關(guān)系統(tǒng)，本系統(tǒng)可以在天逐漸變暗到達(dá)預(yù)調(diào)黑暗度時(shí)自動(dòng)接通室外照明，其維持接通的時(shí)間可以預(yù)先調(diào)好，定時(shí)到達(dá)后關(guān)斷照明電源，只有天又變亮?xí)r，新的工作過(guò)程才能重新開(kāi)始。

實(shí)際上，該設(shè)計(jì)可以應(yīng)用于對(duì)于外界光線的亮度變化的任何長(zhǎng)短時(shí)間的開(kāi)關(guān)應(yīng)用。

1 小區(qū)路燈的定時(shí)、光敏照明開(kāi)關(guān)電氣原理

這款可以用于路燈的定時(shí)、光敏照明開(kāi)關(guān)，電氣原理如圖1所示，圖中可以看到，該款系統(tǒng)包括定時(shí)計(jì)數(shù)器電路、關(guān)停振蕩器電路、光敏電路、定時(shí)器復(fù)位電路、繼電器電路、照明開(kāi)關(guān)電路以及低壓供電電路組成。

圖1 小區(qū)路燈的定時(shí)、光敏照明開(kāi)關(guān)電氣原理圖

1.1 計(jì)數(shù)、定時(shí)器電路

這款智能照明開(kāi)關(guān)系統(tǒng)的核心元件是集成電路IC1(CD4060)，CD4060是一塊14級(jí)CMOS二進(jìn)制計(jì)數(shù)器/振蕩器電路，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 CD4060內(nèi)部電路結(jié)構(gòu)圖

由圖2可知CD4060具有10個(gè)計(jì)數(shù)輸出端。而且其內(nèi)置了振蕩電路，內(nèi)部振蕩器通過(guò)管腳9、10、11外接R、C阻容元件或石英晶體就可以形成可控多諧振蕩，而且內(nèi)部振蕩器已在芯片內(nèi)部連接到計(jì)數(shù)器的時(shí)鐘輸入端[1]。

振蕩頻率可以這樣計(jì)算：

式中單位f為赫茲，R為歐姆，C為法拉。

當(dāng)內(nèi)部計(jì)數(shù)器復(fù)位端R(不是芯片的12腳RES端，見(jiàn)圖2)為高電平時(shí)，計(jì)數(shù)器清零或復(fù)位(Q4～Q14輸出皆為“0”)，且振蕩器使用無(wú)效，注意這時(shí)對(duì)應(yīng)的芯片12腳也為高電平。

當(dāng)內(nèi)部計(jì)數(shù)器復(fù)位端R為低電平時(shí)(芯片12管腳RES端也為低電平)，由于外接的振蕩定時(shí)元件控制產(chǎn)生一定頻率的時(shí)鐘脈沖信號(hào)，由時(shí)鐘脈沖CP下降沿觸發(fā)計(jì)數(shù)(見(jiàn)圖1 的端)，內(nèi)部計(jì)數(shù)器開(kāi)始計(jì)數(shù)，經(jīng)過(guò)一個(gè)周期后在相應(yīng)的管腳就可以輸出4分頻到10分頻、12分頻到14分頻的脈沖信號(hào)，其中Q13中的“13”即為13分頻輸出，對(duì)應(yīng)芯片的第2腳，見(jiàn)圖1，其它類推。

為了熟練應(yīng)用4060的定時(shí)功能，強(qiáng)調(diào)一下芯片IC1的RES端(12腳)高低兩種電平對(duì)應(yīng)的不同功能：URES=1時(shí)，計(jì)數(shù)器復(fù)位，振蕩器無(wú)效，計(jì)數(shù)器輸出皆為0；URES=0時(shí)，計(jì)數(shù)器開(kāi)始計(jì)數(shù)，路燈開(kāi)關(guān)定時(shí)開(kāi)始，定時(shí)時(shí)間由振蕩頻率決定。若干時(shí)間后，計(jì)數(shù)器各輸出端陸續(xù)變?yōu)楦唠娖?，比?3分頻輸出端電壓UQ13=1，路燈將會(huì)關(guān)掉，見(jiàn)圖1相關(guān)部分。

按照?qǐng)D1所示的電路元件參數(shù)，利用電位器P1可以把路燈點(diǎn)亮的時(shí)間調(diào)整為1～8小時(shí)。為了盡可能延長(zhǎng)定時(shí)時(shí)間，可以將IC1的9腳外接的電容調(diào)整為大容量無(wú)極性電容。 但大容量無(wú)極性電容較貴，而電解電容容量大且便宜，但有極性，可以將兩個(gè)容量相等,耐壓相同的大容量電解電容反向串聯(lián)，如圖1中的電解電容C1、C2，這種接法在交流電路中可以減小漏電流，相當(dāng)于無(wú)極性的大容量電容。它的工作狀態(tài)是,當(dāng)有交流電時(shí),其中一個(gè)處于反向狀態(tài),由于它的嚴(yán)重漏電,它兩端的壓降就很小,幾乎全部電壓都落在那個(gè)正向的電容上,而當(dāng)交流電的另外半個(gè)周期,兩個(gè)電容的狀態(tài)就會(huì)互換,所以,這兩個(gè)電容就當(dāng)一個(gè)使用，總電容等于其中任意一個(gè)電容的值，總耐壓值等于任一電容的2倍。

1.2 繼電器電路

參見(jiàn)圖1，繼電器J能否吸合，即路燈是否打開(kāi)，取決于繼電器觸發(fā)信號(hào)放大電路晶體管T4、以及被光敏電路控制的晶體管T5能否同時(shí)導(dǎo)通。

當(dāng)定時(shí)器定時(shí)沒(méi)有結(jié)束時(shí)，UQ13=0，晶體管T4的基-射極產(chǎn)生開(kāi)啟電流，處于導(dǎo)通狀態(tài)；天黑沒(méi)有光線導(dǎo)致光電晶體管T3截止，晶體管T5基-射極產(chǎn)生開(kāi)啟電流，也處于導(dǎo)通狀態(tài)。在這種情況下，繼電器J吸合，照明電路通電，路燈開(kāi)啟。

就是說(shuō)既使定時(shí)器定時(shí)沒(méi)有結(jié)束T1導(dǎo)通，但如果處于白天時(shí)間，光電晶體管T3將導(dǎo)通，晶體管T5處于截止?fàn)顟B(tài)，路燈仍然不會(huì)亮；或者雖然處于晚上時(shí)間，T5處于導(dǎo)通狀態(tài)，但定時(shí)器定時(shí)已到，路燈仍然不會(huì)開(kāi)啟。

1.3 光敏電路及定時(shí)器復(fù)位電路

參見(jiàn)圖1，光敏電路由光電晶體管T3組成，計(jì)數(shù)器復(fù)位電路由晶體管T6、電阻R6、R7組成，當(dāng)時(shí)間處于晚上時(shí)，由于沒(méi)有光照，光電晶體管T3集-射極之間處于截止?fàn)顟B(tài)，T5導(dǎo)通、路燈可能開(kāi)啟；T2導(dǎo)通，計(jì)數(shù)器4060的12腳(RES端)處于低電平，振蕩器工作正常、計(jì)數(shù)器正常計(jì)數(shù)[2]。

當(dāng)時(shí)間處于白天時(shí)，光電晶體管T3由于有光線照射而導(dǎo)通，T5基級(jí)電流減小、將會(huì)截止，路燈關(guān)閉；由于T2的基-射結(jié)與T5的基-射結(jié)是并聯(lián)的，因此白天時(shí)T2同樣截止，計(jì)數(shù)器4060的12腳(RES端)處于高電平，計(jì)數(shù)器清零或復(fù)位(Q4～Q14輸出皆為“0”)，且振蕩器使用無(wú)效，這時(shí)雖然T4導(dǎo)通，但由于T5截止，路燈仍然關(guān)閉。

故只有天黑時(shí)，晶體管T5、T2才有導(dǎo)通的可能。

1.4 關(guān)停振蕩器電路

由于各個(gè)模塊電路相互關(guān)聯(lián)、其電位相互掣肘，故可能有這樣一種情況：天黑時(shí)，電源通過(guò)電阻R7為晶體管T2提供基極電流，T2、T5導(dǎo)通，路燈點(diǎn)亮；與此同時(shí)，計(jì)數(shù)器IC1對(duì)內(nèi)部振蕩器產(chǎn)生的脈沖進(jìn)行計(jì)數(shù)。經(jīng)過(guò)預(yù)置的時(shí)間，計(jì)數(shù)器輸出端Q13變?yōu)楦唠娖剑筎4截止，繼電器J斷開(kāi)，路燈熄滅。

這時(shí)出現(xiàn)一個(gè)問(wèn)題，在整個(gè)夜晚期間，IC1的12腳RES端(復(fù)位腳)由于T2吸合，一直保持低電平，故計(jì)數(shù)器一直處于計(jì)數(shù)狀態(tài)、振蕩器也一直有效，故路燈熄滅以后、再過(guò)一段時(shí)間(輸出脈沖Q13占空比的時(shí)間)又將反轉(zhuǎn)為低電平，IC1將會(huì)繼續(xù)第二個(gè)計(jì)數(shù)周期，路燈又會(huì)再一次亮起，預(yù)置時(shí)間結(jié)束后，路燈再次熄滅，一晚上如此循環(huán)往復(fù)，這不是我們所希望的，我們要求第一個(gè)計(jì)數(shù)周期結(jié)束后，必須采取辦法迫使計(jì)數(shù)器停止計(jì)數(shù)[3]。

可以設(shè)計(jì)一個(gè)關(guān)停振蕩器電路，見(jiàn)圖1，在IC1的11腳與2腳(Q13端)之間串聯(lián)電阻R1與晶體管T1，Q13輸出端經(jīng)過(guò)預(yù)置時(shí)間變?yōu)楦唠娖胶?，路燈熄滅，此高電平通過(guò)電阻R1為晶體管T1提供開(kāi)啟電流直至導(dǎo)通，IC1的11腳變?yōu)榈碗娖?，迫使IC1內(nèi)部振蕩器停止工作，計(jì)數(shù)器將停止計(jì)數(shù)。

由于仍為晚上，導(dǎo)致IC1的12腳(RES端)沒(méi)有復(fù)位信號(hào)到達(dá)(URES≠1)，故Q13腳仍然為高電平，這種情況會(huì)一直保持到天亮直到計(jì)數(shù)器被復(fù)位(URES=1)時(shí)為止，以后又可以開(kāi)始新的工作循環(huán)過(guò)程：天黑時(shí)，URES=0，計(jì)數(shù)器開(kāi)始計(jì)數(shù)，路燈開(kāi)啟；Q13第一個(gè)周期結(jié)束后，路燈熄滅，如此循環(huán)不停。

1.5 照明開(kāi)關(guān)電路

照明開(kāi)關(guān)電路由常閉開(kāi)關(guān)SB1、常開(kāi)開(kāi)關(guān)SB2、繼電器J、接觸器C組成。晚上定時(shí)器沒(méi)到預(yù)定時(shí)間、繼電器J吸合、接觸器C線圈端通過(guò)開(kāi)啟電流吸合，220V交流電源通過(guò)常閉開(kāi)關(guān)SB1、接觸器C為照明燈具供電；定時(shí)時(shí)間到，繼電器J斷開(kāi)、接觸器C斷開(kāi)，照明電源關(guān)斷。

若遇到控制電路出現(xiàn)誤控導(dǎo)致不能為路燈供電的狀況，可以應(yīng)急、直接接通常開(kāi)開(kāi)關(guān)SB2、接觸器C吸合，為照明電源恢復(fù)不間斷供電；若控制電路出現(xiàn)不能關(guān)斷照明電源的狀況或需要緊急關(guān)斷照明電源，可以直接打開(kāi)常閉開(kāi)關(guān)SB1、接觸器C斷開(kāi)，照明電源關(guān)斷。

1.6 低壓供電電路

將交流市電轉(zhuǎn)換為低壓直流的常規(guī)方法是采用變壓器降壓后再整流濾波，但如果受體積和成本等因素的限制時(shí)，最簡(jiǎn)單實(shí)用的方法是采用電容降壓式原理來(lái)實(shí)現(xiàn)低壓電源的獲取。

圖1中，220 V工頻交流電源直接接入電路，無(wú)需電源變壓器，二極管D1～D4對(duì)交流電源整流并由電容C4進(jìn)行平滑濾波，經(jīng)過(guò)穩(wěn)壓二極管D5穩(wěn)壓，得到穩(wěn)定的直流電壓。其中電容C5當(dāng)作降壓電阻使用，其額定工作電壓應(yīng)不低于400 V，最好是630 V[4]。

電阻R5為電容C5的放電電阻，對(duì)電路安全很重要；電容C5容量的選取按照經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算，1 uF大約輸出100 mA電流；注意穩(wěn)壓二極管D5的功耗，嚴(yán)禁穩(wěn)壓管斷開(kāi)運(yùn)行。

低壓電源將作為IC1以及其它電路的工作電源。

2 制作及注意事項(xiàng)

1) 光電晶體管T3的安裝要注意避開(kāi)路燈的照明，若有非太陽(yáng)光線照到T3上，將會(huì)引起不必要的誤控，導(dǎo)致路燈頻繁開(kāi)啟-斷開(kāi)，影響照明效果、減少燈具壽命。

2) 定時(shí)時(shí)間可以由電位器P1調(diào)節(jié)，比如夏天白天長(zhǎng)、晚上短，可以將定時(shí)時(shí)間調(diào)短；冬天則反之。為了調(diào)節(jié)方便，電位器旋鈕可以仿照收錄機(jī)聲音調(diào)節(jié)旋鈕一樣，按順時(shí)針或反時(shí)針標(biāo)出刻度。

3) 限流電容C5必須采用無(wú)極性電容，絕對(duì)不能采用電解電容，而且電容的耐壓須在400 V以上.最理想的電容為鐵殼油浸電容。

4) 電路由于沒(méi)有使用工頻變壓器降壓，在電路許多點(diǎn)上帶有危險(xiǎn)的電源電壓，要注意電路的絕緣，安裝或檢查時(shí)要小心，防止觸電。

3 結(jié)語(yǔ)

這套路燈智能照明開(kāi)關(guān)系統(tǒng)巧妙利用計(jì)數(shù)器的定時(shí)功能、加上光電管的光敏特性，實(shí)現(xiàn)了1～8小時(shí)的路燈定時(shí)開(kāi)關(guān)，定時(shí)時(shí)間可以隨季節(jié)不同而隨意調(diào)節(jié)，對(duì)于光線的判斷同樣可以隨意調(diào)節(jié)，是一套性價(jià)比很高的智能照明控制系統(tǒng)。