紅外自控LED節能燈具設計方案探索

摘要：簡介由熱釋電紅外傳感器、菲涅爾透鏡、信號放大處理和控制集電路組成的紅外自控LED節能燈具系統設計方案。

關鍵詞：熱釋電紅外傳感器；菲涅爾透鏡；信號放大處理和控制

LED照明燈具的節能如今已是路人皆知了。LED照明燈具加上紅外線傳感器作自動控制，可實現無人時燈具自動關閉，有人時燈具自動照亮，人走后燈具自動熄滅，可以真正做到照明的節電。由此，紅外傳感器將大舉進入LED照明領域。自《LED照明燈具與傳感器技術》一文發表以來，不少讀者詢問如何使用紅外傳感器設計LED節能燈具。今就此紅外自控LED節能燈具設計方案進行探索。

紅外自控LED節能燈具系統方案

紅外傳感器輸出的信號很小，必須加以放大才能使用，因此紅外自控LED節能燈具系統方案設計思路如圖1所示，將紅外傳感器的微弱信號通過一個四運放(LP2902M)的儀表放大器放大和比較，經CD4538多諧振蕩器組成的計時器電路，再經一大功率三極管驅動繼電器實現LED電源的開閉，由LED驅動電源去點亮燈具中的LED光源或LED光源陣列。原理圖如圖2所示。

紅外傳感器

紅外傳感器是一種熱釋電紅外傳感器，它是用具有熱電性能材料做成的熱探測器，可能是業界用得比較多的紅外傳感器之一。

紅外熱釋電傳感器信號產生原理如圖3，傳感器表層溫度無變化時敏感元電荷保持平衡T[K]，當接收外界紅外輻射，表層溫度即發生變化，敏感元隨之變化，T+△T[K]。也即由于外界的紅外輻射而引起傳感器敏感元表層溫度變化時，紅外傳感器才釋放出電荷(電流)；當溫度變化趨于穩定，內部電荷就趨于平衡，敏感元就沒有電荷(電流)產生、對靜止的熱源體沒有電流輸出。利用紅外傳感器這一特性，可以及時檢測運動的紅外熱源，如人類的走動。紅外傳感器是一種被動型溫度敏感器件，對應用環境溫度不苛求，靈敏度高，光譜響應寬。可廣泛用于各種紅外入侵探測器、照明燈具的自動感應開關。

紅外熱釋電傳感器的外形如圖4－1所示，圖4－2是傳感器的電原理圖，圖4－3是傳感器的典型應用圖。紅外傳感器可選用上海尼賽拉傳感器有限公司產品。

菲涅爾透鏡

紅外熱釋電傳感器的成功應用需借助于菲涅爾透鏡，菲涅爾透鏡在紅外熱釋電傳感器前具有聚焦和視角調制的作用，菲涅爾透鏡可擴大紅外熱釋電傳感器接收紅外信號源的視角和探測區域，因此可以監視運動中的紅外源或移動熱源(圖5)。菲涅爾透鏡一般種類有：水平多分割式(或稱水平幕簾式、特殊應用)、垂直多分割式(或稱垂直幕簾式、特殊應用)、水平垂直分割式(常用)、圓錐多區分割式(頂視式、常用)等數種，應按不同燈具的產品功能需要來選用。菲涅爾透鏡是由專業廠家制作的，有專門的光學設計，經專用模具壓制的特種塑料零件。

信號放大處理和控制功能集成化

信號放大處理和控制功能集成化對于紅外自控LED節能燈具系統方案的普遍推廣有特殊意義，只有應用電路簡化了，應用成本低了，有了好的性價比，才有可能被廣泛應用。圖6是熱釋電紅外傳感器專用信號處理電路BISS0001(上海京西電子信息系統有限公司產品)的實際應用圖。由于它的電路元器件少，組裝工藝簡單，可靠性好，因而被大量使用。圖中R3為光敏電阻或光敏傳感器，主要用作晝夜開關，以保證系統白天或在明亮光線下不工作。

BISS0001是由運算放大器、電壓比較器和狀態控制器、延遲時間定時器、封鎖時間定時器及參考電壓源等構成的數模混合專用集成電路?？蓮V泛應用于多種傳感器和延時控制器。圖7是BISS0001的原理框圖。

首先，以圖8所示的不可重復觸發工作方式下的各點波形，來說明BISS0001的工作過程。

根據實際需要，從圖7可見，利用運算放大器OP1組成傳感信號預處理電路，將信號放大。然后耦合給運算放大器OP2，再進行第二級放大，同時將直流電位抬高為VM(≈0.5VDD)后，送到由比較器COP1和COP2組成的雙向鑒幅器，檢出有效觸發信號Vs。由于VH≈0.7VDD、VL≈0.3 VDD，所以，當VDD=5V時，可有效地抑制±1V的噪聲干擾，提高系統的可靠性。COP3是一個條件比較器。輸入電壓VCVR時，COP3輸出為高電平，打開與門U2，此時若有觸發信號Vs的上跳邊沿來到(圖8)，則可啟動延時時間定時器，同時Vo端輸出為高電平，進入延時周期。當A端接“0”電平時，在Tx時間內任何V2的變化都被忽略，直至Tx時間結束，即所謂不可重復出發工作方式。當Tx時間結束時，Vo下跳回低電平，同時啟動封鎖時間定時器而進入封鎖周期Ti。在Ti周期內，任何V2的變化都不能使Vo為有效狀態。這一功能的設置，可有效抑制負載切換過程中產生的各種干擾。

其次，如圖9所示可重復觸發工作方式下各點的波形，來說明BISS0001在此狀態下的工作過程。

在Vc=“0”、A=“0”期間，Vs不能觸發Vo為有效狀態。在Vc=“1”、A=“1”時，Vs可重復觸發Vo為有效狀態，并在Tx周期內一直保持有效狀態。在Tx時間內，只要有Vs得上跳變，則Vo將從Vs上跳變時刻算起繼續延長一個Tx周期：若Vs保持為“1”狀態，則Vo一直保持有效狀態；若vs保持為“0”狀態，則在Tx周期結束后Vo恢復為無效狀態，并且在封鎖時間Ti時間內，任何Vs的變化都不能觸發Vo為有效狀態。

信號放大處理和控制芯片期待新一代

雖然BISS0001能滿足紅外自控LED節能燈具市場的一部分需要，但是更多功能的變化和燈具廠需要生產個性化的燈具產品還是要應用當代先進的MCU，因此開發新一代的適合紅外傳感器信號放大處理、帶MCU功能的新一代芯片是當今市場和時代賦予芯片設計公司的重任、期望和海量市場的召喚。

目前的結合MCU的紅外自控LED節能燈具系統方案如圖10所示。使用Microchip公司的PIC12C508，應當說是比較老一代的MCU。

PIC12C508 MCU與LP2902M四運放的配合，對來自熱釋電紅外傳感器的微弱電信號進行放大處理，加上生產廠商賦予MCU的編程，可實現對繼電器開關的特殊動作，控制LED燈具開關、延遲或其它變化，實現既定的紅外自控LED節能燈具的各種功能。

結語

謹以此與我們廣大的LED燈具設計師探討。我們期待有更多、更好的新一代紅外傳感器和信號處理控制集成電路可供我們的產品設計師選用，創造更新一代的LED節能燈具。