姜 濤，王 浩

(1.四川理工學(xué)院自動(dòng)化與電子信息學(xué)院，四川自貢 643000;2.四川成都瑞康建筑設(shè)計(jì)院，四川成都 610047)

1 問題和解決方案

為方便學(xué)生自習(xí)，高校教室一般都采取開放式管理模式，學(xué)生自習(xí)流動(dòng)性、隨意性較大，使用中造成很多教室有人無人、人多人少都開長明燈，浪費(fèi)現(xiàn)象比較嚴(yán)重。某綜合性地方高校在校學(xué)生近三萬人，有100～120個(gè)座位的大教室約400間，2001年建設(shè)時(shí)每間教室配備T8/40W雙管日光燈燈具27盞 (使用電感鎮(zhèn)流器，耗電48W×2)。以每天開燈18小時(shí)，全年工作270天，電費(fèi)0.6元/kWh計(jì)算，全校教室照明電費(fèi)支出約303萬元/年。另外，國產(chǎn)T8燈管使用壽命約2500～3000小時(shí)，全年僅更換燈管材料費(fèi)就需約21.6萬元 (按5元/支計(jì)算)，每年全校教室照明運(yùn)行費(fèi)用合計(jì)約325萬元，可見有較大的節(jié)能、節(jié)支改造空間。

教室照明的節(jié)能改造要遵循方便、實(shí)用、節(jié)能、經(jīng)濟(jì)的原則，“以犧牲學(xué)生視力為代價(jià)的節(jié)能是不可取的，…… (不宜)進(jìn)行過于精細(xì)的控制……，不能因?yàn)楣芾矶绊憣W(xué)生的學(xué)習(xí)和使用，也不能僅進(jìn)行簡單的更換節(jié)能燈具，走節(jié)電而不省錢的老路”［1］。改造項(xiàng)目擬從技術(shù)層面尋找節(jié)能和降低運(yùn)行費(fèi)用的解決方案，從高效節(jié)能和智能控制兩方面入手，一是進(jìn)行高效、高可靠的LED節(jié)能照明燈具改造，提高照明能效比，通過此項(xiàng)措施預(yù)計(jì)可節(jié)電58%，節(jié)省燈管更換材料費(fèi)用95%以上 (在有效年限3～5年內(nèi));二是通過照度檢測、人體檢測等進(jìn)行智能調(diào)光、自動(dòng)開關(guān)燈和分區(qū)照明控制，提高智能化管理水平，通過此項(xiàng)措施預(yù)計(jì)可節(jié)電10%～40%。

2 LED驅(qū)動(dòng)方案

2.1 驅(qū)動(dòng)方式設(shè)計(jì)

在照明效果相當(dāng)條件下，一般用15～18W LED節(jié)能燈替代T8/40W日光燈，達(dá)到1800lm以上的有效光通量［2］。目前，市售18W LED燈管產(chǎn)品其發(fā)光組件一般采用一兩百只小功率LED合并使用，低端的多采用5草帽管24串12并，中高端的多采用3014芯片40串4并或2835芯片40串2并組成;采取交流全電壓供電驅(qū)動(dòng)電路內(nèi)置的一體化結(jié)構(gòu)形式。此類方案主要存在的問題:(1)由于LED特性的離散性，在串聯(lián)通路LED數(shù)量較多時(shí)極易造成某只(或某些)LED燈珠的失效損壞;(2)直插或SMD封裝小功率LED一般直接焊裝在以紙質(zhì)或玻纖為基材的PCB板上，其散熱條件較差。而散熱條件的好壞是決定LED光衰的重要因素［3］，以至于以上產(chǎn)品早期光衰都比較嚴(yán)重;(3)驅(qū)動(dòng)電路板在密閉的發(fā)熱環(huán)境中，即使選用進(jìn)口的105C0高品質(zhì)電解電容器，其無故障時(shí)間也難超過1萬小時(shí)［4］，這是造成電子鎮(zhèn)流器失效率較高的主要因素?？梢?，目前LED節(jié)能燈在實(shí)際應(yīng)用中還存在可靠性較低、綜合成本較高，“節(jié)電但不省錢”的難題，這也是阻礙LED照明實(shí)用化的主要問題。

針對(duì)以上問題，設(shè)計(jì)了分區(qū)分組、直流集中供電、無電解恒流驅(qū)動(dòng)的解決方案總體架構(gòu)。即，教室座位區(qū)的24盞雙管燈具分成前、后兩個(gè)區(qū)域四個(gè)組，每組12支LED節(jié)能燈，講臺(tái)黑板的3盞燈具共6支LED燈單獨(dú)為一區(qū)一組，每區(qū)由一塊PFC/AC-DC電路模塊提供400V直流電源，每只LED燈管使用獨(dú)立的恒流電路驅(qū)動(dòng)。

2.2 APFC模塊

功率因數(shù)是交流市電供電系統(tǒng)一個(gè)非常重要的技術(shù)指標(biāo)，為滿足IEC 61000-3-2的技術(shù)要求，必須設(shè)置專門的PFC和EMC電路。常用的有NCP1601/31、L4981B和ICE1PCS01/02等專用控制芯片。方案電路采用了ICE1PCS02構(gòu)成主動(dòng)式CCM PFC控制單元和AC-DC電路，其具有完善的保護(hù)功能、強(qiáng)大的軟啟動(dòng)特性、增強(qiáng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)和良好的電磁兼容性，直流輸出電壓在350～400V左右［5］，電路見圖1。將APFC/AC-DC電路制作成一個(gè)獨(dú)立的模塊，可對(duì)多達(dá)24路20W的LED燈組供電，樣機(jī)在采用BX7-14-1.2k-1A滑動(dòng)變阻器作負(fù)載，設(shè)定輸出電壓Vo=390V，輸出電流Io=1A時(shí)，獲得了接近于1的功率因數(shù) (λ≈0.99)和90% ～95%的極高效率，電壓—效率曲線見圖2(使用Power Bay智能數(shù)字式電力監(jiān)測儀測試)。

2.3 LED恒流驅(qū)動(dòng)模塊

方案從減少串聯(lián)通路LED數(shù)量、改善散熱條件和無高壓電解電容驅(qū)動(dòng)電路三方面入手，由20只1W大功率LED焊裝在PCB鋁基板上，并降額10%使用制作成18W LED燈組，考慮到前級(jí)已有APFC模塊輸出的400V穩(wěn)壓直流電源，本級(jí)僅需完成LED的恒流控制和功率控制即可，而低成本、簡單可靠、便于控制成為重點(diǎn)考慮問題。近年來各廠商開發(fā)推出了一批LED專用恒流驅(qū)動(dòng)芯片如LM3445、FT880和BP2808等，方案電路選用了上海晶豐明源的BP2808專用芯片，其具備完善的開路、短路、過溫保護(hù)功能，并可方便的實(shí)現(xiàn)智能調(diào)光控制［6］，在使用400V穩(wěn)壓直流電源供電時(shí)，穩(wěn)流精度優(yōu)于±3%，效率達(dá)90%以上。而更為重要的是，輸入端僅需使用10nF聚丙烯電容即可，這樣整個(gè)系統(tǒng)就只有APFC電路中使用了一只大容量高壓電解電容，可以極大限度的改善由于電解電容失效而引起的驅(qū)動(dòng)電路壽命短、可靠性差的問題，電路見圖3。

18W LED燈組其輸出電壓Vo=70V，輸出電流Io=0.3A，在取紋波系數(shù)ΔIL=65%，關(guān)斷時(shí)間toff=10.8μs時(shí)，可得:電感峰值電流ILpk=0.5A，電感紋波電流ILrp=0.4A，則儲(chǔ)能電感值為:

考慮到驅(qū)動(dòng)電路板裝入鋁制燈管后對(duì)電感值的影響，可選用2.4 mH/1A工字型功率電感，或使用EE-13磁芯，0.23mm漆包線密繞240T。采樣電阻為:

圖1 APFC電路圖Fig.1 APFC circuit diagram

圖2 輸入電壓—效率曲線Fig.2 The input voltage-efficiency curve

可選用SMD_1206_1.50Ω±1% 貼片電阻3只并聯(lián)。MOSFET選用2N60，續(xù)流二極管選用MUR160即可。前期，據(jù)市級(jí)科研項(xiàng)目試制的樣機(jī)已連續(xù)工作已超過400天無明顯光衰。

圖3 恒流驅(qū)動(dòng)電路圖Fig.3 Constant current drive circuit diagram

3 智能控制方案

3.1 總體功能設(shè)計(jì)

教室照明智能控制功能的設(shè)計(jì)以方便、實(shí)用、高效為原則，簡單分析如下:

(1)開關(guān)燈控制。關(guān)于時(shí)間控制功能，由于在高校教室的實(shí)際使用中很難確定在哪個(gè)固定的時(shí)間段開關(guān)燈更為合適，一些學(xué)校在采用人工或普通智能控制器管控?zé)艄鈺r(shí)，非但沒有真正的節(jié)電反而引發(fā)了矛盾的激化［1］，因?yàn)樵谄匠＃砩鲜c(diǎn)十一點(diǎn)一般就沒人了，但到了期末可能就會(huì)到凌晨一兩點(diǎn)鐘甚至更晚都還會(huì)有學(xué)生看書學(xué)習(xí)。另外，我們認(rèn)為在教室環(huán)境條件下，聲音檢測控?zé)粢彩遣豢煽康?，故設(shè)計(jì)方案主要由光照檢測、進(jìn)出門和室內(nèi)人體檢測功能實(shí)現(xiàn)開關(guān)燈控制。

(2)講臺(tái)區(qū)照明控制。黑板照明的一組燈具開關(guān)，是隨老師上課時(shí)是采用黑板板書還是用屏幕播放多媒體而有所不同的，有時(shí)在上課中間也會(huì)進(jìn)行切換。而且，黑板需要照明時(shí)就全開不需要照明時(shí)就全關(guān)，也不需要進(jìn)行照度的控制。故此組燈具設(shè)計(jì)為使用普通的壁開關(guān)進(jìn)行手動(dòng)控制更為合適。

座位區(qū)照明控制采取分區(qū)分組的控制方式，即將教室座位區(qū)的24盞雙管燈具分成前、后兩個(gè)區(qū)域每區(qū)12盞，根據(jù)前后門進(jìn)出門檢測和室內(nèi)區(qū)域人體檢測結(jié)果進(jìn)行區(qū)域照明控制。LED燈管的功率控制(照度控制)，雖然通過BP2808 DIM端可以方便實(shí)現(xiàn)，但需要為每支燈管驅(qū)動(dòng)電路放一組導(dǎo)線用于傳輸PWM或0～5V控制信號(hào)，這在實(shí)際使用中似無太大價(jià)值。故設(shè)計(jì)方案將每個(gè)區(qū)每盞燈具的兩支LED燈管分別組成兩組每組12支，利用繼電器控制400V供電電源的簡單方式實(shí)現(xiàn)24/12支開關(guān)的“全/半功率”照明，而為保證兩組燈管均衡的工作，半功率工作方式時(shí)每組燈管的使用可以采取隨機(jī)自動(dòng)交換或定期人工交換的方法。

3.2 檢測電路模塊

(1)進(jìn)出門檢測。很多照明控制裝置采用進(jìn)出門人數(shù)統(tǒng)計(jì)的方法決定教室照明燈光的開關(guān)，但這種方法容易出現(xiàn)統(tǒng)計(jì)誤差，實(shí)際使用效果并不理想。關(guān)鍵是，如果一旦出現(xiàn)“無人”的錯(cuò)誤判斷而發(fā)出關(guān)燈指令，勢必將造成對(duì)學(xué)生學(xué)習(xí)的嚴(yán)重干擾甚至引發(fā)安全事故，所以教室照明應(yīng)以“開燈”為第一優(yōu)先，“關(guān)燈”為最后選擇。設(shè)計(jì)方案在前后門各設(shè)置一個(gè)紅外檢測裝置，在得到“有人” (無論是進(jìn)門還是出門)檢測信號(hào)后，立刻對(duì)相應(yīng)區(qū)域發(fā)出“開燈”指令。而關(guān)燈控制，采取在開燈后延時(shí)25分鐘其間進(jìn)行室內(nèi)人體檢測，如若未獲得人體檢測信號(hào)則先行“半功率”照明并再延時(shí)25分鐘。此時(shí)如若有人，勢必會(huì)激發(fā)起起身開燈的動(dòng)作而得到人體檢測信號(hào)，則即刻恢復(fù)“全功率”照明;如若繼續(xù)無人體檢測信號(hào)則發(fā)出“關(guān)燈”指令。

(2)室內(nèi)人體檢測方法。由于學(xué)生進(jìn)入教室后的看書學(xué)習(xí)一般都長時(shí)間處于靜止?fàn)顟B(tài)，對(duì)于靜態(tài)人體的檢測常采用熱釋電紅外動(dòng)態(tài)掃描的方法，甚至有現(xiàn)成的產(chǎn)品，但據(jù)很多單位實(shí)際使用后反應(yīng)，效果并不如宣傳的那么好［7］。也有采用圖像檢測識(shí)別的方案，但技術(shù)復(fù)雜、成本較高。設(shè)計(jì)方案采取了熱釋電紅外被動(dòng)檢測與“半功率”照明控制結(jié)合，主動(dòng)觸發(fā)人體活動(dòng)而獲取人體檢測信號(hào)的方法實(shí)現(xiàn)開關(guān)燈控制，簡單而有效。

(3)檢測裝置特性及安裝位置。照度檢測和人體紅外檢測模塊選用市售成品，二者均以0、1數(shù)字電平輸出。照度模塊在照度小于設(shè)定值時(shí)輸出1，大于設(shè)定值時(shí)輸出0;紅外模塊在檢測到人體時(shí)輸出1，未檢測到時(shí)輸出0。用于進(jìn)出門檢測的紅外模塊不用透鏡，這時(shí)作用范圍約為1～2m;用于室內(nèi)人體檢測的紅外模塊加裝菲涅爾透鏡，負(fù)責(zé)對(duì)7m半徑、100°的扇面區(qū)域檢測。對(duì)于光照傳感器理想的安裝位置應(yīng)該是課桌臺(tái)面上，但在實(shí)際使用中顯然是不方便、不可靠的，故將照度傳感器與熱釋電紅外傳感器一起分前、后兩個(gè)檢測點(diǎn)安裝在座位區(qū)右側(cè)墻面1.4m高的86開關(guān)盒中，至于照度檢測的偏差可在改造工程中通過對(duì)課桌臺(tái)面照度實(shí)際檢測后設(shè)定。

3.3 控制裝置模塊

前述改造方案開關(guān)燈控制功能簡單、邏輯清楚，使用通用數(shù)字時(shí)序邏輯電路即可輕松實(shí)現(xiàn)，較之單片機(jī)程序控制方案簡單、可靠、廉價(jià)。為此設(shè)計(jì)的教室照明控制裝置電路見圖4，基本工作過程如下:

(1)照明電源總開關(guān)仍由壁開關(guān)手控。由于繼電器J1、J2使用常閉觸點(diǎn)接通LED燈組的400V直流電源，故上電時(shí)LED燈組即刻點(diǎn)亮;同時(shí)，IC2、IC3的復(fù)位電路使其各自的輸出為0，T1、T2截止，繼電器不動(dòng)作。

(2)光照低于設(shè)定值或檢測到人體信號(hào)時(shí)，P1～P3口至少輸入一個(gè)1信號(hào)，經(jīng)或運(yùn)算使CR=1，CR信號(hào)經(jīng)D1～D3使IC2、IC3復(fù)位，輸出為0，T1、T2仍截止，LED1、LED2燈組持續(xù)點(diǎn)亮。

(3)光照大于設(shè)定值和未檢測到人體信號(hào)時(shí)，CR=0，IC3開始延時(shí)計(jì)數(shù)。圖中數(shù)據(jù)下，R10、R11及C7確定的振蕩周期約0.017s，經(jīng)8192步計(jì)數(shù) (延時(shí)25分鐘)后在Q13輸出1，CP1上升沿觸發(fā)Q1=D1=1，使T1導(dǎo)通，J1動(dòng)作，LED1燈組關(guān)燈，實(shí)現(xiàn)“半功率”照明;同時(shí)Q1=1反饋至IC1 14腳對(duì)13腳實(shí)施封鎖，可避免Q13變化對(duì)Q1狀態(tài)的影響。

此后，若CR持續(xù)為0(包括教室在“半功率”照明后未能激發(fā)人的動(dòng)作和無人進(jìn)出教室)，則IC3經(jīng)16384步計(jì)數(shù) (延時(shí)50分鐘)后，Q14輸出1，CP2上升沿觸發(fā)Q2=D2=1，使T2導(dǎo)通，J2動(dòng)作，LED2燈組關(guān)燈;同理，Q2亦經(jīng)反饋封鎖后使Q2的狀態(tài)不受Q14變化的影響。同時(shí)，T2集極低電平經(jīng)D6將IC3 CIN端置0，計(jì)數(shù)器停止工作。

(4)至此，教室全部關(guān)燈，直至重新得到照度信號(hào)或人體信號(hào)使CR=1后，重新開燈。

圖4 控制裝置電路圖Fig.4 Control circuit diagram

4 效益分析

用總功率20W的18W LED節(jié)能燈替代總功率為48W的熒光燈，節(jié)電率為58.3%，由于LED燈發(fā)光指向性好、顯色性好、頻閃小，實(shí)際照明效果超過傳統(tǒng)熒光燈，課桌桌面照度可達(dá)300lx以上，實(shí)測結(jié)果見表1(用TES-1339照度計(jì)檢測)。

表1 桌面照度Table 1 The desk desktop illumination

(1)綜合節(jié)電率。項(xiàng)目研制期間選擇某教學(xué)樓一樓兩間，三樓、六樓各一間教室進(jìn)行了為期一個(gè)月的試驗(yàn)運(yùn)行，其自動(dòng)控制關(guān)燈率見表2。由于我校地處四川盆地邊緣，年平均陰天天數(shù)約190天，如果加上多云天氣達(dá)300天［8］，教室上課尤其是遠(yuǎn)離窗戶的座位即使在白天也都需要燈光照明才能達(dá)到300lx的照度標(biāo)準(zhǔn)，故檢測時(shí)以全天18小時(shí)開燈為參照，實(shí)測平均自動(dòng)關(guān)燈率約為16.4%，則節(jié)電改造的綜合節(jié)電率為:

(2)綜合效益。試驗(yàn)用的LED燈管、APFC電源板及控制裝置模塊均由本校實(shí)習(xí)工廠加工制作。每間教室改造投入:18W LED燈管采用定制的PCB鋁基板和半鋁半塑燈管組裝，成本約90元/支，使用54支合計(jì)4860元;APFC電源板約40元/塊，使用3塊計(jì)120元;控制電路板約15元/塊，使用2塊計(jì)30元;光照和紅外傳感模塊約6元/塊，使用6塊計(jì)36元;布線、開關(guān)盒等約100元;合計(jì)每間教室投入資金5186元。綜合效益分析見表3。

表2 自動(dòng)控制關(guān)燈率Table 2 Rate of automatic control to turn off the lights

表3 綜合效益表Table 3 Comprehensive benefits table

以LED燈組最低使用壽命為3年計(jì)算，一次性投入改造后，全校400間教室可以節(jié)約照明開支:1.1172×400=446.88萬元，可見節(jié)能、節(jié)支效果是明顯的。目前，設(shè)計(jì)電路樣機(jī)正在進(jìn)行工藝化設(shè)計(jì)和可靠性試驗(yàn)，為全校的節(jié)能照明改造做準(zhǔn)備。

［1］王勤，劉林.高校教室照明節(jié)能工作中應(yīng)注意的幾個(gè)問題［J］.高校后勤研究，2007，(6):110-111.

［2］矛于海.LED 日光燈［OL］.http://static.ednchina.com/client/chuangxinjiang/longmaowei.pdf.

［3］矛于海.LED 的散熱［OL］.http://www.china-air.net/en/Images/UpFile/201185131418727.pdf.

［4］矛于海.內(nèi)置電源 LED日光燈的缺點(diǎn)和問題［OL］.http://lights.ofweek.com/2010-06/ART-220002-8300-28424241.html.

［5］Infineon Technologies.ICE1PCS02-Standalone Power Factor Correction Controller in Continuous Conduction Mode［OL］.http://www.infineon.com/dgdl/DS +ICE1PCS02_v1.2+Feb+2007.pdf.

［6］晶豐明源.BP2808_DS_V3.0［OL］.http://www.bpsemi.com/pdf/BP2808/BP2808_DS_V3.0.pdf.2010.

［7］韓哲，蔡紅玫.靜態(tài)人體探測技術(shù)剖析［OL］.城市建設(shè)理論研究(電子版)，2013，12.http://d.wanfangdata.com.cn/periodical_csjsllyj2013123549.aspx.

［8］http://www.weather.com.cn/weather/101270301.shtml.