光控灯开关的制作与原理

简介：

本部分介绍的光控灯开关不仅可控制一般白炽灯，而且可控制高压钠灯、普通荧光灯（即直管型荧光灯）、节能灯（又称紧凑型荧光灯）、LED照明灯等，具有体积小、成本低（造价低于15元）、无触点、抗干扰、 低功耗（低于0.23W）、寿命长等优点，有普遍推广价值。

该光控灯开关适合控制园区路灯、单位走廊灯、公用厕所灯、广告灯和节日彩灯等，可实现白天电灯自动熄灭、晚上电灯自动点亮功能，经实际使用，具有较好的节电和延长电灯使用寿命效果。

工作原理：

通用型光控灯开关的电路如图1所示，图中H是为便于说明原理而绘出的被控电灯。

图1 通用型光控灯开关电路图

“555”时基集成电路A接成典型的施密特光触发器。白天，外界光线较强，光敏电阻器RL呈低电阻值，时基集成电路A的第2、6脚输入电压大于2/3Ucc（Ucc=8.4V）， 第3脚输出低电平，双向晶闸管VTH无触发电流而阻断，电灯H不亮；夜晚，光敏电阻器RL失去外界光照呈高电阻值，使时基集成电路A的输入端电压小于1/3Ucc，其输出端第3脚跳变为高电平， 双向晶闸管VTH经限流电阻器R2获得合适触发电流而开通，电灯H通电发光。

电路中，电阻器R1、电容器Cl组成了抗干扰延时电路，以防止夜晚瞬时光线（雷电闪光、车辆灯光等）照射到光敏电阻器RL上，干扰电灯H正常发光。由于时基集成电路A构成的施密特光触发器具有1/3Ucc的回差电压， 从而有效避免了电灯H在开关临界状态下的闪亮，经实际试用，效果较好。压敏电阻器RV并联在双向晶闸管VTH的两个主电流控制端（即第一阳极T1和第二阳极T2之间），能有效地消除电网中的各种尖峰电压，以及感性灯具（加高压钠灯等）在“开”、 “关”瞬间所产生的感生电压，保护双向晶闸管VTH不因过电压而击穿。

元器件选择：

该通用型光控灯开关共使用了16个电子元器件，其实物如图2所示。各元器件的具体说明如下。

图2 需要准备的元器件实物外形图

A选用NE555或LM555、pA555、5Gl 555等型“555”时基集成电路，该电路是一种模拟、数字混合集成电路，采用双列8脚直插式封装（DIP—8），其引脚功能及排列见图3。“555”时基集成电路具有定时精确、 驱动能力强（输出电流达200mA，可直接带动普通电磁继电器等）、电源电压范围宽（4.5—18V）、外围电路简单及用途广泛等特点，非常适合电子爱好者业余制作时使用。

图3 NE555的引脚排列图

VS选用稳定电压为9.1V、最大耗散功率为1W的普通硅稳压二极管，如1N4739、1N1770、2CWl07型等；VD选用1N4001或1N4004、1N4007型硅整流二极管。

VTH选用BTl36型（额定通态电流Icc＝4A、断态重复峰值电压UDRM＞600V）双向晶闸管，有第一阳极T1、第二阳极T2和控制极（也称门极）G3个引出脚。 图4所示为BTl36型VTH的实物引脚排列和电路符号。读者手头如有T0405（4A、500V）、BTA04—600V型双向晶闸管，可以直接进行替换，但要求控制极触发电流IGT＜10mA

图4 BTl36型双向晶闸管

RL选用MG44—03型塑封光敏电阻器，其他亮阻小于或等于5kO、暗阻大于或等于1MΩ的光敏电阻也可代用。RV选用MYG471型氧化锌压敏电阻器，要求峰值电流大于或等于100A。 RP选用普通WH06—2型塑料封装的小型卧式微调电位器，标称电阻值为200k&Omega（塑壳上经常标有204字样）。R1一R3均选用RTX—1/8W型碳膜电阻器，标称阻值依次为100kΩ、510Ω和470kΩ。

C1、C3选用耐压大于或等于16V的CD11型电解电容器，标称容量分别为100uF和220uF；C2选用CTl型瓷介电容器，标称容量为0.01uF;C4选用优质CBB22—630V型聚丙烯电容器， 标称容量为0.68PF。X1一X4用两个相同的可在电路板上直接焊接的双线式接线端子。

制作与使用：

整个制作过程可分为加工外壳、焊接电路、组装和调试三个步骤完成，分步介绍如下。

（1）第一步，加工外壳。该光控灯开关由于长期工作在220V照明电路中，所以对于外壳的电气绝缘性能、机械强度等都有较高的要求。 可使用图5（a）所示的市售86系列单孔电视插座板及其适配的墙壁明式安装用塑料底座盒作为外壳，既保证了制作的要求，又在实际应用时符合电工安装规范，解决了外壳难题。

图5 外壳的改造

86系列单孔电视插座板及其适配的墙壁明式安装用塑料底座盒，一般家电商城、五金电料店、灯具店均可购买到，价格一般不会超过6元。购买时注意，应选择图5（b）所示的全塑料电视插座板，价格较责、 后座是金属板的产品反而不适合。

之所以选用单孔电视插座板，而不选用86系列的其他开关或插座板，是因为技图5（c）和图5（d）所示，用一字螺丝刀撬掉单孔电视插座板背面的插座芯后，面板中央暴露出来的小圆孔， 正好可用来作为光敏电阻器RL的感光窗口。为了防灰尘等，应技图5（e）所示，在面板背面的中央位置用强力胶粘贴一片透明硬塑料片，如同给家里的窗户安装上玻璃一样。

另外，按图5（f）所示，在面板靠上侧位置用电钻钻出一个的的小孔，作为微调电位器RP的调节孔。同样为了防灰尘等，应给小孔配上合适的塑料或橡胶小塞子。 笔者采用了图5（g）所示的塑料铆钉（常用于封闭电器面板的安装螺丝孔口），效果较好。实际应用中，每次需要用小螺丝刀调节小孔内的微调电位器RP时，可先用小刀片撬出小孔内的塑料铆钉；调节结束，塞紧塑料铆钉即可。 也可以在小孔位置粘贴不干胶小图案或胶带纸。

（2）第二步，焊接电路。首先裁取一块尺寸约为48mm×38mm的单孔环氧“洞洞板”，要求其能够正好故人第一步改造好的单孔电视插座板背面的塑料方口槽内，如图6所示。应注意，不同厂家生产的单孔电视插座板， 其背面的塑料方口槽大小可能不同，应适当调整裁取“洞洞板”的尺寸，使板子能够刚好放进塑料槽内。所选“洞洞板”最好采用性能良好的环氧板，尽量不选用质量无法保证的纸质板。采用“洞洞板”的好处是取材容易、使用方便，无需制作印制电路板， 达到事半功倍的效果。

图6 准备“洞洞板”

然后，技图7所示电路板接线图（注意焊接面向上）进行焊接。焊接时充分利用元器件引脚飞线连接，要求焊点光亮整洁。焊接好的电路板实物如图8所示。除微调电位器RP、光敏电阻器RL直接焊接在“洞洞板”的焊接面以外， 其余元器件均安装在“洞洞板”的正面（即元器件面）。光敏电阻器RL的感光头应处在电路板的中央位置，并且感光头距“洞洞板”的高度以1cm为宜。电阻器R2至双向晶闸管VTH的控制极G、双向晶闸管VTH第一阳极T1至接线端子X1的连接线， 均采用“跳线”（适当长度的电线）连接。焊接线之间、元器件引脚线之间（如光敏电阻器RL）容易发生碰触的地方，都要套上合适的电工用绝缘管，以免工作时发生短路故障。另外特别要强调的是，双向晶闸管VTH的第一阳极T1至接线端子X1、 第二阳极T2至接线端子X4，以及接线端子X2至X3之间的连接线、压敏电阻器RV的连接线，是光控开关的主电流通路，在控制较大功率的电灯H时，会通过较大的交流电流，一定要保证足够的粗度，并采用铜接线。

图7 “洞洞板”接线图

图8 焊接好的电路板实物

（3）第三步，组装和调试。焊接好的电路板，经反复检查无问题后，便可进行组装。首先，按图9（a）所示，采用电烙铁加热熔化热熔胶棒的简便方法，将电路板粘固在已加工改造好的插座板塑料后座上， 注意电路板焊接面上的微调电位器RP调节旋钮、光敏电阻器RL的感光面，分别正对着插座面板事先钻出的调节孔和感光窗口。然后技图9（b）所示，用打印机在硬纸上采用3号楷体字打印出“接电灯”和“接电源”（中间需空一字格）横写的文字， 用剪刀裁剪合适（尺寸约42mm×11mm）后，采用薄型双面不干胶粘贴在接线端子旁，以便在使用时提示正确接线。最后技图9（c）所示，在有色硬纸（笔者采用的是浅粉红复印纸）上采用小1号隶书字体打印出“光控灯开关”横写的文字， 用剪刀裁剪合适（尺寸约48mm×12mm）后，亦采用双面不干胶粘贴在面板正下方位置。至此，组装工作完成。

图9 光控开关的组装

接下来，可通电检测光控灯开关的性能，并预调光控灵敏度（即调节微调电位器RP），以方便实际安装使用。具体步骤为：①技图10（a）所示，给光控灯开关临时接上电灯H（图中为2U型220V、13W节能灯）和电源插头， 注意两者在接线端子的位置不要接反。②将微调电位器RP的调节旋钮预置于中间位置（可顺、逆时针旋转），并技图10（b）所示，在室内自然光照条件下，将电源插头接入220V交流电插座。正常情况下，电灯H应发光至少30 s左右，最长不超过1min， 随后自动熄灭。③技图10（c）所示，用一片黑色塑料或硬纸板（其他不透光物体也可），遮住光控灯开关面板上的感光窗口，约经过15—30s，电灯H又会自动点亮。④如果电灯H不能够点亮或熄灭，可按图10（d）所示， 用小螺丝刀反复缓慢调节微调电位器RP的旋钮。使得感光窗口盖上黑色塑料片时，电灯H能够点亮；取掉遮光的黑色塑料片后，电灯H又能够自动熄灭。调节时注意，人手一定不能触碰螟丝刀的金属杆，以免触电。每次调节微调电位器RP和盖上、 取掉黑色塑料片后，均需要等待15—60s，电灯H的状态才能随之反映出来，要有足够的耐心去调节。心急的读者也可以事先断开电路板上电容器C1的任意一脚，暂时解除“延时”功能进行调试。调试完毕，再焊接好电容器C1的断开脚即可。 一般逆时针调节微调电位器RP的旋钮时，光控灵敏度增加；顺时针调节时，光控灵敏度降低。通过调试认为已能够正常工作的光控灯开关，便可投入使用。

图10 检验光控开关的性能

如果检测时电灯H始终不发光，或始终不会熄灭，说明电路存在故障。这时应断开220V交流电源，重点检查光敏电阻器RL、电阻器R1、微调电位器RP等是否开路，电容器C1是否漏电严重，可采用替换法进行判断， 直到排除故障为止。另外应注意，双向晶闸管VTH击穿、微调电位器RP的旋钮顺时针调到底（非故障），均会导致电灯H常亮不熄；稳压二极管VS击穿、时基集成电路A损坏、电阻器R2开路等，均会导致电灯H始终不发光。

本光控灯开关的应用接线如图11（a）所示。因双向晶闸管VTH没有加装散热片，所以只能控制400W以内的各种路灯、厕所照明灯、广告灯和节日彩灯等。如欲控制一个住宅小区或某一单位、学校的大功率路灯组， 可按图11（b）所示，将电灯H改接成220V交流接触器KM，利用接触器KM的大容量动合触头控制大功率照明灯组H1一Hn（n为自然数）即可。光控灯开关的具体安装位置必须避开风雨侵蚀和灯光直射处，选择光敏电阻器RL感受自然光良好的地方固定。

图11 光控灯开关应用接线图

实际应用时，可按图12所示流程示意图进行光控灯开关的安装。首先在墙壁上选择好具体的安装位置（一般最理想处是屋搪下被控电灯2根电源线经过的地方），技图12（a）所示，用4颗自攻螺钉固定好光控灯开关的塑料底座盒。 然后在切断交流供电（即断开总开关）的条件下，将2根220V交流电源线、2根被控电灯电线（截断该处所通过的被控电灯的2根电源输电线，即获得这4根电线），均通过底座盒侧面的小孔穿进底座盒内， 将4个电线头正确地连接到电路板上的4孔接线端子之后（具体见图10），再技图12（b）所示，用两颗Φ3×18mm的螺丝钉将光控灯开关安装板固定在塑料底座盒上。最后技图12（c）所示，扣压上面板框，安装完毕。

图12 光控灯开关应用安装流程

安装时特别注意：一定要首先切断220v交流电的总闸开关，待安装结束后再台上总闸开关，切不可带电安装，以免发生触电事故。初学者如不具备电工实际操作能力， 必须有电工或老师现场指导，才能进行安装应用。

对于普通手动壁开关控制的现有公共厕所电灯、楼道灯等，都可采用图13所示替换法进行光控灯开关的安装。具体步骤为：①断开交流电总闸开关，技图13（a）一图13（d）所示，拆卸掉原有的86系列手动壁开关； ②按照图13（e）一图13（h）所示，直接换成光控灯开关（所配塑料底座盒这里不用）；③闭合（复原）交流电总闸开关。但必须注意，手动壁开关所处的位置应避开灯光直射，且能够良好感受到自然光变化，否则不能直接替换，需要择地另行安装。 在其他地方安装时，原有手动壁开关可不必拆除，将其置于常闭状态，即可使光控灯开关处于通电正常工作状态。如有时不需要被控电灯在晚上点亮，则可断开手动壁开关，即达到关灯节电的目的。“光控灯开关十手动壁开关”构成的双控灯开关， 使用更方便、更节电。

图13 替换法安装光控灯开关（一）

图13 替换法安装光控灯开关（二）

光控灯开关安装好后，一般还需仔细调试电路光控灵敏度微调电位器RP，使灯开关在所处环境下达到最佳工作状态。具体建议在夜晚需要点亮电灯的环境下，通过仲入调节孔内的小螺丝刀， 逆时针缓慢转动（以排除电容器C1延时作用影响）微调电位器RP的旋钮，使被控电灯刚好发光。如调试时电灯早已发光，可先顺时针方向缓慢调节旋钮，使电灯刚好熄灭；再逆时针缓慢调节，直到电灯发光为止。 调试完毕，塞紧调节孔处塑料铆钉，防止灰尘等从该小孔进入内部。
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