光控燈開關的制作與原理

簡介：

本部分介紹的光控燈開關不僅可控制一般白熾燈，而且可控制高壓鈉燈、普通熒光燈（即直管型熒光燈）、節(jié)能燈（又稱緊湊型熒光燈）、LED照明燈等，具有體積小、成本低（造價低于15元）、無觸點、抗干擾、 低功耗（低于0.23W）、壽命長等優(yōu)點，有普遍推廣價值。

該光控燈開關適合控制園區(qū)路燈、單位走廊燈、公用廁所燈、廣告燈和節(jié)日彩燈等，可實現白天電燈自動熄滅、晚上電燈自動點亮功能，經實際使用，具有較好的節(jié)電和延長電燈使用壽命效果。

工作原理：

通用型光控燈開關的電路如圖1所示，圖中H是為便于說明原理而繪出的被控電燈。

圖1 通用型光控燈開關電路圖

“555”時基集成電路A接成典型的施密特光觸發(fā)器。白天，外界光線較強，光敏電阻器RL呈低電阻值，時基集成電路A的第2、6腳輸入電壓大于2/3Ucc（Ucc=8.4V）， 第3腳輸出低電平，雙向晶閘管VTH無觸發(fā)電流而阻斷，電燈H不亮；夜晚，光敏電阻器RL失去外界光照呈高電阻值，使時基集成電路A的輸入端電壓小于1/3Ucc，其輸出端第3腳跳變?yōu)楦唠娖剑?雙向晶閘管VTH經限流電阻器R2獲得合適觸發(fā)電流而開通，電燈H通電發(fā)光。

電路中，電阻器R1、電容器Cl組成了抗干擾延時電路，以防止夜晚瞬時光線（雷電閃光、車輛燈光等）照射到光敏電阻器RL上，干擾電燈H正常發(fā)光。由于時基集成電路A構成的施密特光觸發(fā)器具有1/3Ucc的回差電壓， 從而有效避免了電燈H在開關臨界狀態(tài)下的閃亮，經實際試用，效果較好。壓敏電阻器RV并聯在雙向晶閘管VTH的兩個主電流控制端（即第一陽極T1和第二陽極T2之間），能有效地消除電網中的各種尖峰電壓，以及感性燈具（加高壓鈉燈等）在“開”、 “關”瞬間所產生的感生電壓，保護雙向晶閘管VTH不因過電壓而擊穿。

元器件選擇：

該通用型光控燈開關共使用了16個電子元器件，其實物如圖2所示。各元器件的具體說明如下。

圖2 需要準備的元器件實物外形圖

A選用NE555或LM555、pA555、5Gl 555等型“555”時基集成電路，該電路是一種模擬、數字混合集成電路，采用雙列8腳直插式封裝（DIP—8），其引腳功能及排列見圖3?！?55”時基集成電路具有定時精確、 驅動能力強（輸出電流達200mA，可直接帶動普通電磁繼電器等）、電源電壓范圍寬（4.5—18V）、外圍電路簡單及用途廣泛等特點，非常適合電子愛好者業(yè)余制作時使用。

圖3 NE555的引腳排列圖

VS選用穩(wěn)定電壓為9.1V、最大耗散功率為1W的普通硅穩(wěn)壓二極管，如1N4739、1N1770、2CWl07型等；VD選用1N4001或1N4004、1N4007型硅整流二極管。

VTH選用BTl36型（額定通態(tài)電流Icc＝4A、斷態(tài)重復峰值電壓UDRM＞600V）雙向晶閘管，有第一陽極T1、第二陽極T2和控制極（也稱門極）G3個引出腳。 圖4所示為BTl36型VTH的實物引腳排列和電路符號。讀者手頭如有T0405（4A、500V）、BTA04—600V型雙向晶閘管，可以直接進行替換，但要求控制極觸發(fā)電流IGT＜10mA

圖4 BTl36型雙向晶閘管

RL選用MG44—03型塑封光敏電阻器，其他亮阻小于或等于5kO、暗阻大于或等于1MΩ的光敏電阻也可代用。RV選用MYG471型氧化鋅壓敏電阻器，要求峰值電流大于或等于100A。 RP選用普通WH06—2型塑料封裝的小型臥式微調電位器，標稱電阻值為200k&Omega（塑殼上經常標有204字樣）。R1一R3均選用RTX—1/8W型碳膜電阻器，標稱阻值依次為100kΩ、510Ω和470kΩ。

C1、C3選用耐壓大于或等于16V的CD11型電解電容器，標稱容量分別為100uF和220uF；C2選用CTl型瓷介電容器，標稱容量為0.01uF;C4選用優(yōu)質CBB22—630V型聚丙烯電容器， 標稱容量為0.68PF。X1一X4用兩個相同的可在電路板上直接焊接的雙線式接線端子。

制作與使用：

整個制作過程可分為加工外殼、焊接電路、組裝和調試三個步驟完成，分步介紹如下。

（1）第一步，加工外殼。該光控燈開關由于長期工作在220V照明電路中，所以對于外殼的電氣絕緣性能、機械強度等都有較高的要求。 可使用圖5（a）所示的市售86系列單孔電視插座板及其適配的墻壁明式安裝用塑料底座盒作為外殼，既保證了制作的要求，又在實際應用時符合電工安裝規(guī)范，解決了外殼難題。

圖5 外殼的改造

86系列單孔電視插座板及其適配的墻壁明式安裝用塑料底座盒，一般家電商城、五金電料店、燈具店均可購買到，價格一般不會超過6元。購買時注意，應選擇圖5（b）所示的全塑料電視插座板，價格較責、 后座是金屬板的產品反而不適合。

之所以選用單孔電視插座板，而不選用86系列的其他開關或插座板，是因為技圖5（c）和圖5（d）所示，用一字螺絲刀撬掉單孔電視插座板背面的插座芯后，面板中央暴露出來的小圓孔， 正好可用來作為光敏電阻器RL的感光窗口。為了防灰塵等，應技圖5（e）所示，在面板背面的中央位置用強力膠粘貼一片透明硬塑料片，如同給家里的窗戶安裝上玻璃一樣。

另外，按圖5（f）所示，在面板靠上側位置用電鉆鉆出一個的的小孔，作為微調電位器RP的調節(jié)孔。同樣為了防灰塵等，應給小孔配上合適的塑料或橡膠小塞子。 筆者采用了圖5（g）所示的塑料鉚釘（常用于封閉電器面板的安裝螺絲孔口），效果較好。實際應用中，每次需要用小螺絲刀調節(jié)小孔內的微調電位器RP時，可先用小刀片撬出小孔內的塑料鉚釘；調節(jié)結束，塞緊塑料鉚釘即可。 也可以在小孔位置粘貼不干膠小圖案或膠帶紙。

（2）第二步，焊接電路。首先裁取一塊尺寸約為48mm×38mm的單孔環(huán)氧“洞洞板”，要求其能夠正好故人第一步改造好的單孔電視插座板背面的塑料方口槽內，如圖6所示。應注意，不同廠家生產的單孔電視插座板， 其背面的塑料方口槽大小可能不同，應適當調整裁取“洞洞板”的尺寸，使板子能夠剛好放進塑料槽內。所選“洞洞板”最好采用性能良好的環(huán)氧板，盡量不選用質量無法保證的紙質板。采用“洞洞板”的好處是取材容易、使用方便，無需制作印制電路板， 達到事半功倍的效果。

圖6 準備“洞洞板”

然后，技圖7所示電路板接線圖（注意焊接面向上）進行焊接。焊接時充分利用元器件引腳飛線連接，要求焊點光亮整潔。焊接好的電路板實物如圖8所示。除微調電位器RP、光敏電阻器RL直接焊接在“洞洞板”的焊接面以外， 其余元器件均安裝在“洞洞板”的正面（即元器件面）。光敏電阻器RL的感光頭應處在電路板的中央位置，并且感光頭距“洞洞板”的高度以1cm為宜。電阻器R2至雙向晶閘管VTH的控制極G、雙向晶閘管VTH第一陽極T1至接線端子X1的連接線， 均采用“跳線”（適當長度的電線）連接。焊接線之間、元器件引腳線之間（如光敏電阻器RL）容易發(fā)生碰觸的地方，都要套上合適的電工用絕緣管，以免工作時發(fā)生短路故障。另外特別要強調的是，雙向晶閘管VTH的第一陽極T1至接線端子X1、 第二陽極T2至接線端子X4，以及接線端子X2至X3之間的連接線、壓敏電阻器RV的連接線，是光控開關的主電流通路，在控制較大功率的電燈H時，會通過較大的交流電流，一定要保證足夠的粗度，并采用銅接線。

圖7 “洞洞板”接線圖

圖8 焊接好的電路板實物

（3）第三步，組裝和調試。焊接好的電路板，經反復檢查無問題后，便可進行組裝。首先，按圖9（a）所示，采用電烙鐵加熱熔化熱熔膠棒的簡便方法，將電路板粘固在已加工改造好的插座板塑料后座上， 注意電路板焊接面上的微調電位器RP調節(jié)旋鈕、光敏電阻器RL的感光面，分別正對著插座面板事先鉆出的調節(jié)孔和感光窗口。然后技圖9（b）所示，用打印機在硬紙上采用3號楷體字打印出“接電燈”和“接電源”（中間需空一字格）橫寫的文字， 用剪刀裁剪合適（尺寸約42mm×11mm）后，采用薄型雙面不干膠粘貼在接線端子旁，以便在使用時提示正確接線。最后技圖9（c）所示，在有色硬紙（筆者采用的是淺粉紅復印紙）上采用小1號隸書字體打印出“光控燈開關”橫寫的文字， 用剪刀裁剪合適（尺寸約48mm×12mm）后，亦采用雙面不干膠粘貼在面板正下方位置。至此，組裝工作完成。

圖9 光控開關的組裝

接下來，可通電檢測光控燈開關的性能，并預調光控靈敏度（即調節(jié)微調電位器RP），以方便實際安裝使用。具體步驟為：①技圖10（a）所示，給光控燈開關臨時接上電燈H（圖中為2U型220V、13W節(jié)能燈）和電源插頭， 注意兩者在接線端子的位置不要接反。②將微調電位器RP的調節(jié)旋鈕預置于中間位置（可順、逆時針旋轉），并技圖10（b）所示，在室內自然光照條件下，將電源插頭接入220V交流電插座。正常情況下，電燈H應發(fā)光至少30 s左右，最長不超過1min， 隨后自動熄滅。③技圖10（c）所示，用一片黑色塑料或硬紙板（其他不透光物體也可），遮住光控燈開關面板上的感光窗口，約經過15—30s，電燈H又會自動點亮。④如果電燈H不能夠點亮或熄滅，可按圖10（d）所示， 用小螺絲刀反復緩慢調節(jié)微調電位器RP的旋鈕。使得感光窗口蓋上黑色塑料片時，電燈H能夠點亮；取掉遮光的黑色塑料片后，電燈H又能夠自動熄滅。調節(jié)時注意，人手一定不能觸碰螟絲刀的金屬桿，以免觸電。每次調節(jié)微調電位器RP和蓋上、 取掉黑色塑料片后，均需要等待15—60s，電燈H的狀態(tài)才能隨之反映出來，要有足夠的耐心去調節(jié)。心急的讀者也可以事先斷開電路板上電容器C1的任意一腳，暫時解除“延時”功能進行調試。調試完畢，再焊接好電容器C1的斷開腳即可。 一般逆時針調節(jié)微調電位器RP的旋鈕時，光控靈敏度增加；順時針調節(jié)時，光控靈敏度降低。通過調試認為已能夠正常工作的光控燈開關，便可投入使用。

圖10 檢驗光控開關的性能

如果檢測時電燈H始終不發(fā)光，或始終不會熄滅，說明電路存在故障。這時應斷開220V交流電源，重點檢查光敏電阻器RL、電阻器R1、微調電位器RP等是否開路，電容器C1是否漏電嚴重，可采用替換法進行判斷， 直到排除故障為止。另外應注意，雙向晶閘管VTH擊穿、微調電位器RP的旋鈕順時針調到底（非故障），均會導致電燈H常亮不熄；穩(wěn)壓二極管VS擊穿、時基集成電路A損壞、電阻器R2開路等，均會導致電燈H始終不發(fā)光。

本光控燈開關的應用接線如圖11（a）所示。因雙向晶閘管VTH沒有加裝散熱片，所以只能控制400W以內的各種路燈、廁所照明燈、廣告燈和節(jié)日彩燈等。如欲控制一個住宅小區(qū)或某一單位、學校的大功率路燈組， 可按圖11（b）所示，將電燈H改接成220V交流接觸器KM，利用接觸器KM的大容量動合觸頭控制大功率照明燈組H1一Hn（n為自然數）即可。光控燈開關的具體安裝位置必須避開風雨侵蝕和燈光直射處，選擇光敏電阻器RL感受自然光良好的地方固定。

圖11 光控燈開關應用接線圖

實際應用時，可按圖12所示流程示意圖進行光控燈開關的安裝。首先在墻壁上選擇好具體的安裝位置（一般最理想處是屋搪下被控電燈2根電源線經過的地方），技圖12（a）所示，用4顆自攻螺釘固定好光控燈開關的塑料底座盒。 然后在切斷交流供電（即斷開總開關）的條件下，將2根220V交流電源線、2根被控電燈電線（截斷該處所通過的被控電燈的2根電源輸電線，即獲得這4根電線），均通過底座盒側面的小孔穿進底座盒內， 將4個電線頭正確地連接到電路板上的4孔接線端子之后（具體見圖10），再技圖12（b）所示，用兩顆Φ3×18mm的螺絲釘將光控燈開關安裝板固定在塑料底座盒上。最后技圖12（c）所示，扣壓上面板框，安裝完畢。

圖12 光控燈開關應用安裝流程

安裝時特別注意：一定要首先切斷220v交流電的總閘開關，待安裝結束后再臺上總閘開關，切不可帶電安裝，以免發(fā)生觸電事故。初學者如不具備電工實際操作能力， 必須有電工或老師現場指導，才能進行安裝應用。

對于普通手動壁開關控制的現有公共廁所電燈、樓道燈等，都可采用圖13所示替換法進行光控燈開關的安裝。具體步驟為：①斷開交流電總閘開關，技圖13（a）一圖13（d）所示，拆卸掉原有的86系列手動壁開關； ②按照圖13（e）一圖13（h）所示，直接換成光控燈開關（所配塑料底座盒這里不用）；③閉合（復原）交流電總閘開關。但必須注意，手動壁開關所處的位置應避開燈光直射，且能夠良好感受到自然光變化，否則不能直接替換，需要擇地另行安裝。 在其他地方安裝時，原有手動壁開關可不必拆除，將其置于常閉狀態(tài)，即可使光控燈開關處于通電正常工作狀態(tài)。如有時不需要被控電燈在晚上點亮，則可斷開手動壁開關，即達到關燈節(jié)電的目的。“光控燈開關十手動壁開關”構成的雙控燈開關， 使用更方便、更節(jié)電。

圖13 替換法安裝光控燈開關（一）

圖13 替換法安裝光控燈開關（二）

光控燈開關安裝好后，一般還需仔細調試電路光控靈敏度微調電位器RP，使燈開關在所處環(huán)境下達到最佳工作狀態(tài)。具體建議在夜晚需要點亮電燈的環(huán)境下，通過仲入調節(jié)孔內的小螺絲刀， 逆時針緩慢轉動（以排除電容器C1延時作用影響）微調電位器RP的旋鈕，使被控電燈剛好發(fā)光。如調試時電燈早已發(fā)光，可先順時針方向緩慢調節(jié)旋鈕，使電燈剛好熄滅；再逆時針緩慢調節(jié)，直到電燈發(fā)光為止。 調試完畢，塞緊調節(jié)孔處塑料鉚釘，防止灰塵等從該小孔進入內部。
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