2.5　智能节电楼道灯

声光控楼道灯是一种智能灯具，它只在夜晚有人时才亮灯，既能满足照明需要，又能最大限度地节约电能。声光控楼道灯不仅适用于公寓楼，而且也适用于办公楼、教学楼等公共场所，还可以作为行人较少的小街小巷的路灯。如能广泛应用，必将收到很明显的节电效益。

声光控楼道灯电路如图2-49所示，包括声控电路、延时电路、光控电路、逻辑控制电路和电子开关等组成部分，图2-50所示为电路原理方框图。

图2-49　声光控楼道灯电路图

图2-50　声光控楼道灯方框图

2.5.1　声控电路

声控电路由拾音电路（BM）和电压放大器（D₁、D₂、D₃）等构成。声音信号（脚步声、讲话声等）由驻极体话筒BM接收并转换为电信号，经电压放大器放大后输出。

电压放大器由三个CMOS非门D₁、D₂、D₃串接而成，R₃为反馈电阻，R₂为输入电阻，电压放大倍数A＝R₃/R₂＝100倍（40dB）。改变R₃或R₂即可改变放大倍数。用CMOS非门组成电压放大器，具有电路简单、增益较高、功耗极低的优点，适用于小信号电压放大。

2.5.2　延时电路

因为楼道灯不能随着声音的有无而一亮一灭，应持续照明一段时间，所以必须有延时电路。VD₁、C₃、R₅以及D₅的输入阻抗组成延时电路。

当有声音信号时，电压放大器输出电压通过VD₁使C₃迅速充满电，使后续电路工作。当声音消失后，由于VD₁的隔离作用，C₃只能通过R₅和D₅的输入端放电，由于CMOS非门电路的输入阻抗高达数十兆欧，因此放电过程极其缓慢，实现了延时，延时时间约为30s。可通过改变C₃来调整延时时间。

2.5.3　光控电路

为使声光控楼道灯在白天不亮灯，由光敏晶体管VT₁和555时基电路IC等组成光控电路。夜晚无环境光时，光敏晶体管VT₁截止，555时基电路输出为“0”。白天较强的环境光使光敏晶体管VT₁导通，555时基电路输出为“1”。

2.5.4　逻辑控制电路

逻辑控制电路由与非门D₅、D₆等组成。声光控楼道灯必须满足以下逻辑要求：①白天整个楼道灯不工作；②晚上有一定响度的声音时楼道灯打开；③声音消失后楼道灯延时一段时间才关闭；④本灯点亮后不会被误认为是白天。逻辑控制原理如图2-51所示。

图2-51　逻辑控制原理

白天，光控电路输出端（B点）为“1”，本灯未亮故D点也为“1”，与非门D₆输出端（C点）为“0”，关闭了与非门D₅，此时不论声控延时电路输出如何，D₅输出端（D点）恒为“1”，照明灯不亮。

夜晚，光控电路输出端（B点）为“0”，D₆输出端（C点）变为“1”，打开了与非门D₅，D₅的输出状态由声控延时电路决定。当有声音时，声控延时电路输出端（A点）为“1”，D₅输出端（D点）变为“0”，使电子开关导通，照明灯EL点亮。声音信号消失后再延时一段时间，A点电平才变为“0”，照明灯EL熄灭。

当本灯EL点亮时，D点的“0”同时加至D₆的另一输入端将其关闭，使得B点的光控信号无法通过。这样，即使本灯的灯光照射到光敏晶体管VT₁上，系统也不会误认为是白天而使照明灯刚点亮就立即关闭。

由电容C₅、整流二极管VD₃和VD₄、稳压二极管VD₂等组成电容降压整流电路，为控制电路提供+12V工作电压。

能够实现各种基本逻辑关系的电路通称为门电路。门电路是最基本和最常用的数字电路，是构成组合逻辑电路的基本单元，也是构成时序逻辑电路的组成部件之一。门电路基本上都采用双列直插式封装，如图2-52所示。门电路的文字符号为“D”。

图2-52　门电路

1. 门电路的主要特点

门电路工作于开关状态，处理的是二进制数字信号，即门电路的输入信号和输出信号只有两种状态：“0”或“1”。

门电路的输出信号与输入信号之间具有特定的逻辑关系，输出信号的状态仅取决于当时的输入信号的状态。门电路的功能可用逻辑表达式表示，并可用逻辑代数进行分析。

门电路的种类主要有与门、或门、非门、与非门、或非门、异或门和异或非门等。

2. 与门

与门的符号和逻辑表达式如图2-53所示，A、B为输入端，Y为输出端。与门可以有更多的输入端。

图2-53　与门

与门的逻辑关系为Y＝AB，即只有当所有输入端A和B均为“1”时，输出端Y才为“1”；否则Y为“0”。与门真值表见表2-3。

表2-3　与门真值表

3. 或门

或门的符号和逻辑表达式如图2-54所示，A、B为输入端，Y为输出端。或门可以有更多的输入端。

图2-54　或门

或门的逻辑关系为Y＝A+B，即只要输入端A和B中有一个为“1”时，Y即为“1”；所有输入端A和B均为“0”时，Y才为“0”。或门真值表见表2-4。

表2-4　或门真值表

4. 非门

非门的符号和逻辑表达式如图2-55所示，A为输入端，Y为输出端。

图2-55　非门

非门的逻辑关系为Y＝，即输出端Y总是与输入端A相反。非门又叫反相器。非门真值表见表2-5。

表2-5　非门真值表

5. 与非门

与非门的符号和逻辑表达式如图2-56所示，A、B为输入端，Y为输出端。与非门可以有更多的输入端。

图2-56　与非门

与非门的逻辑关系为Y＝，即只有当所有输入端A和B均为“1”时，输出端Y才为“0”；否则Y为“1”。与非门真值表见表2-6。

表2-6　与非门真值表

6. 或非门

或非门的符号和逻辑表达式如图2-57所示，A、B为输入端，Y为输出端。或非门可以有更多的输入端。

图2-57　或非门

或非门的逻辑关系为Y＝，即只要输入端A和B中有一个为“1”时，Y即为“0”；所有输入端A和B均为“0”时，Y才为“1”。或非门真值表见表2-7。

表2-7　或非门真值表

7. 门电路的用途

门电路的主要用途是逻辑控制，并可以构成多谐振荡器和触发器，还可以用作模拟放大器。

2.6　电子节能灯

电子节能灯作为新一代的电照明设备，具有节电、明亮、易启动、无频闪、功率因数高、电源电压范围宽等突出优点，得到越来越广泛的应用。

电子节能灯由节能荧光灯管和高效电子镇流器两部分组成。节能荧光灯管采用三基色荧光粉制造，发光效率大大提高，是白炽灯的5～6倍，比普通荧光灯提高40%左右。高效电子镇流器采用开关电源技术和谐振启辉技术，工作频率40～60kHz，不仅效率和功率因数进一步提高，而且彻底消除了普通荧光灯的频闪和“嗡嗡”噪声，对保护眼睛也极为有利。

2.6.1　电路原理

电子节能灯电路如图2-58所示，除节能灯管以外的电路，习惯上称为电子镇流器。电子镇流器的作用，是将50Hz交流220V市电变换为50kHz高频交流电，再去点亮节能灯管。

图2-58　电子节能灯电路图

电路包括：①整流二极管VD₁～VD₄和滤波电容器C₁组成的整流滤波电路，其功能是将交流市电转变为直流电。②晶体管VT₁、VT₂和高频变压器T等组成的高压高频振荡电路，其功能是产生高频交流电。③电阻R₁、电容C₂和双向二极管VD₈等组成的启动电路，其功能是在刚接通电源时启动振荡电路。④电容C₅、电感L等组成的谐振启辉电路，其功能是产生节能灯管所需要的启辉高压。图2-59所示为电路原理方框图。

图2-59　电子节能灯方框图

电路工作原理是，50Hz的交流220V市电直接经VD₁～VD₄桥式整流、C₁滤波后，输出约310V的直流电压（空载时），作为高频振荡器的工作电源。在刚接通电源时，由R₁、C₂、VD₈组成的启动电路使自激振荡器起振。

功率开关管VT₁、VT₂和高频变压器T等组成开关式自激振荡器，将310V直流电压变换为50kHz、约270V的高频交流电压，作为节能灯管的工作电压。C₅和L组成串联谐振电路，使节能灯管启辉点亮。

2.6.2　市电直接整流电路

高频振荡器所需要的直流工作电源，直接由交流220V市电整流获得，彻底摈弃了电源变压器，因此电源效率大为提高，设备体积大为缩小。

交流220V电源不经过电源变压器而直接由整流二极管VD₁～VD₄桥式整流，再经滤波电容器C₁滤除交流成分后，即可输出+310V（空载时）的直流电压。

2.6.3　高压高频振荡器

高压高频振荡器是电子节能灯的核心电路，它由振荡电路和启动电路组成。

（1）振荡电路

功率开关管VT₁、VT₂和高频变压器T等组成开关式自激振荡器，为节能灯管提供高压高频交流电压。

接通电源后，VT₂在启动电路的触发下导通，此时+310V直流电压经C₄、灯管上端灯丝、C₅、灯管下端灯丝、L、T_-3、VT₂的集电极-发射极形成回路，对谐振电容C₅充电，充电电流I_充如图2-60中点划线所示，C₅上电压为上正下负。

图2-60　充电过程

由于高频变压器T各绕组的耦合作用，VT₂很快由导通变为截止，VT₁则由截止变为导通，此时谐振电容C₅通过灯管上端灯丝、C₄、VT₁的集电极-发射极、T_-3、L、灯管下端灯丝放电，放电电流I_放如图2-61中虚线所示。

图2-61　放电过程

同样由于高频变压器T各绕组的耦合作用，VT₁很快也由导通变为截止，VT₂则又由截止变为导通，如此周而复始，VT₁、VT₂交替导通形成振荡，其振荡频率取决于C₅、L串联谐振电路，约为50kHz。

电容C₄的作用是隔直流通交流，阻止+310V的直流电压直接进入节能灯管，允许50kHz的高频交流电压通过。R₃、VD₆和R₄、VD₇分别接在VT₁和VT₂基极回路，为T_-1和T_-2提供负半周时的泄放通道。

（2）启动电路

由于功率开关管VT₁、VT₂的基极偏置电压均取自高频变压器T的振荡反馈电压，电路未起振时两管均因无基极偏置电压而截止，因此在刚接通电源时必须由启动电路使电路起振。

如图2-62所示，接通电源后，+310V直流电压开始经R₁对C₂充电，当C₂上电压上升到双向二极管VD₈的阈值时，VD₈导通，向VT₂基极提供偏置电压使其导通，引起振荡。VT₂导通后，通过VD₅将C₂上已充的电压放掉，不影响电路正常振荡。

图2-62　启动过程

2.6.4　谐振启辉电路

节能灯管的工作原理要求必须首先有一个高电压作用于其两端使其启辉，然后再将电压降低维持点亮即可。在普通铁芯镇流器荧光灯中，由辉光启动器完成这一任务。在电子节能灯中，则采用了谐振启辉电路，其工作原理如图2-63所示。

图2-63　谐振启辉原理

高压高频振荡器提供的50kHz、约270V的交流电压，加在C₅、L串联谐振回路两端并产生谐振，于是在谐振电容C₅两端即产生一个Q倍于回路电压的高电压（约600V），如图2-63（a）所示。节能灯管并接于谐振电容C₅两端，C₅两端的电压即为节能灯管的工作电压。串联谐振时C₅两端的600V高压将节能灯管内的气体击穿而使其启辉。

当节能灯管点亮后，其内阻急剧下降，该内阻并联于C₅两端，使C₅、L串联谐振电路Q值大大下降，故C₅两端（即灯管两端）的高启辉电压（约600V）即下降为正常的工作电压（约80V），维持节能灯管稳定地正常发光，如图2-63（b）所示。