能延长街灯寿命的节能型控制器

能延长街灯寿命的节能型控制器

徐祖明

（武汉科技学院 湖北 武汉 430074）

摘 要  本文介绍一种能延长街灯寿命的节能型控制器。文中根据白炽灯的两个特性，提出工作电压是影响其使用寿命的重要因素。所介绍的可控硅触发角受控于电源电压的脉冲触发电路、长时间定时器电路，结构新颖，具有实用而经济的特点。

关键词   白炽灯  寿命  节能

一 背景介绍

街灯（俗称庭院灯）作为夜间照明的灯具，通常使用白炽灯泡作为光源，光照自然柔和，其多式多样的灯饰造型，也使夜景更加美丽。在繁华的大街两旁、在机关、学校、企事业单位乃至私宅庭院，街灯到处可见。白炽灯泡价格便宜，缺点是容易烧毁、使用寿命短。作者以一个学校的十盏（50只灯泡）街灯为对象，就灯泡的使用情况做了一个学期的观察，结果见表1。

表1  灯泡烧毁情况统计表

  起止时间      烧毁灯泡（只）    更换日期及原因

000903—001106     18      1106院内新园典礼

001106—001230       11            1230  元旦节

001231—010213       24            0213新学期开始

结果显示，灯泡烧毁现象频繁，特别是寒假期间，校园电压偏高，导致烧毁的情况更为严重。

其实，白炽灯泡的使用寿命与其两个重要特性有关，特性之一是白炽灯钨丝的热冷电阻比约为15，使得开灯瞬间灯泡更容易烧毁（P=V*V/R）；特性之二是钨丝炽热发光的同时，会伴随发生升华现象，使得钨丝渐渐变细而最终烧毁，升华与钨丝炽热的程度有关。可见上述两个特性都与白炽灯泡的工作电压有关。

综上所述可知，保证白炽灯泡的工作电压稳定，尤其不要超过额定电压，这样可以延长灯泡的寿命；另一方面，在很多地方，街灯的主要作用在前半夜，在满足需要的前提下，后半夜可以适当降低亮度，既能延长灯泡寿命，又可节约部分电能。

本文介绍的能延长街灯寿命的节能型控制器，就是根据以上思想设计的实用电路，它能有效地克服白炽灯泡存在的缺点。

二 功能及特点

1 控制器能使夜间灯光亮度由定时器分时控制，后半夜的时间、亮度可根据实际需要设定。

2 控制器的稳压电路，保证了白炽灯泡的工作电压稳定，并且低于额定电压，其输入输出特性曲线见图3。

3  对于一个长达数小时的定时器，采用计数器的方法，比较容易实现，也较精确；若用常规RC电路形式，显然时间常数太大，而且很难精确定时。本电路的定时器是介于上述二者之间的一种电路模式，其最大的特点是电路构成成本低廉，又有较好的定时精度。

4  选用CMOS电路器件及双向可控硅采用脉冲触发方式，使得电路平均工作电流很小（约3.5mA），直流电源简单，利于减小体积。

三 工作原理

控制器原理框图如图1所示，其原理电路图见图2，以下按框图结构介绍工作原理。

电容降压式直流电源：由电容C1、C2、二级管D1、D2及稳压管DW1组成。D1是负半周整流二极管，D2为电源正半周C1的泄放通路，直流电源取自C2负极。

电源电压幅度及零点检测：由R1、R2、R3、D3、D4、C3、C4及稳压管DW2和U2A组成。在电源正半周D3导通，VC4（电容C4上的电压，以下同）正比于电源电压；负半周 C4通过R2缓慢（R8可忽略，而时间常数R2*C4＞＞20mS）放电；因此，VC4可视为电源电压幅度检测结果。而零点（负半周）检测则是：D4负半周导通，电源电压使U2A输入端快速（R3>>R1、DW2为限幅稳压管、）达到下限阈值而输出高电平（为了方便，在以下对高低电平的叙述，均采用正逻辑。），其上升沿与负半周零点相对应；正半周D4截止，C3通过R3放电直到U2A上限阈值而输出低电平。由于C3的作用，U2A输出矩形波占空比约为0.7。

定时器：由两级单元电路组成。第一级包括D5、D6、R4、R5、RW3、C5及U2C。零点检测电路的输出作为时间基准，经U2B反相成为占空比0.3的矩型波，经D5、R4对C5充电，当VC5达到U2C的上限阈值，U2C输出由高电平变为低电平，VC5通过D6、R5//RW3迅速放电达到U2C的下限阈值，U2C输出高电平，C5再次充电。调节RW3可使U2D输出一个周期远大于基准（20mS）周期而宽度相等的脉冲序列。它的作用相当于数字分频器。第二级由D7、R6、C6、U2E、及U2F构成。U2D的输出经D7、R6对C6充电，当VC6达到U2F的上限阈值，U2E输出由低电平变成高电平，即定时时间到，此后U2D对C6充电使U2E一直保持高电平。

参数预置开关：由R7、R9、Q1组成，其功能是定时器输出高电平（定时时间到）使Q1截止，此时R9成为移相器的一部分，街灯后半夜的亮度可以通过调整R9的阻值确定。

移相器：由R8、R10、R11、RW1、C7、Q2及U1A、U1B 组成。电源电压幅度检测值正VC4和负直流电源经过R8、RW1相加，其结果作为控制电压通过R10加到Q2的基极，使 Q2受控于电源电压幅度而工作于饱和、放大、截止等状态，其实质是一个受控的可变电阻。从U2A（以Q1饱和导通为例）输出上升沿开始经Q2与R11并联之等效电阻对C7充电，当VC7达到U1A上限阈值，U1B对应输出上升沿（称U2A上升沿到U1B上升沿为相移或触发角α）；而对C7充电直到U2A输出下跳沿为止，此后VC7通过R12、D8（此时Q12反向截止）放电到U1A下限阈值，U1B输出下跳沿

上述移相器受控于电源电压。若输入电压低于210V，负半周触发脉冲与负半周零点检测电路输出同步（触发角α=0）；当输入电压在210V-245V之间，负半周触发角α受控于输入电压，输入电压越高，触发角α越大（使输出电压保持在210V左右）；当输入电压大于245V后，触发角α固定不变，图3显示了上述输入电压变化时，输出电压对应的稳压特性。

延时器：其电路由U1E、C8、RW2及U1F构成。正半周触发脉冲由相对负半周触发脉冲延时10mS（基于电网频率较为稳定）的延时器产生。为了不影响移相器工作，延时器的输入信号没有从U1B引出，而是专门经过U1F引出。当U1F输出上升沿到来时，U1E输出对应下跳沿；与此同时，U1F对C8通过RW2充电，调节RW2使U1E输入降到下限阈值时正好10mS，U1E对应上升沿输出，完成10mS延时；而U1F对C6充电一直到其下跳沿到来，此时VC6通过U1E输入端（内部）反向抑制二极管迅速放电。

触发脉冲源：其电路由C9、C10、D9、D10、D11、D12、R13及Q3构成。其中C9、C10是微分电容，分别在U1D、U1E上升沿来时，产生微分尖脉冲并通过D9（D10）、R13使作为负电源开关的Q3饱和导通，形成负触发脉冲源；U1D、U1E下跳沿到时，C9、C10通过D11、D12迅速放电，周而复始。负触发脉冲使双向可控硅按触发角α触发导通，负触发脉冲源形成过程波形图见图4。其中触发角α2比α1对应的电源电压高，而α3是后半夜对应的触发角。

四  结束语

本电路是为街灯设计的，而延长白炽灯寿命的方法及电路结构是通用的。由于街灯每盏白炽灯数量多而且不易更换，延长灯的寿命显得特别重要。使用本文介绍的控制器，可以使灯泡寿命在相同的流明输出情况下增加2—5倍；假使后半夜白炽灯工作在90°导通角，可节省能量损耗50%。

参考文献

1. 阎石主编. 数字电子技术基础. 北京：高等教育出版社，1989.

2. 中国科学技术情报研究所重庆分所等编译. 可控硅应用技术. 重庆：科学技术文献出版社重庆分社，1977.

3. 绳广基编译. 实用数字逻辑电路100例. 上海：上海交通大学出版社，1991.