無線調光系統(tǒng)電路設計與方案詳解 - 全文

　　不少終端系統(tǒng)廠商從目前白熾燈的市場出發(fā)，利用無線技術，完成可控硅調節(jié)白熾燈的改造。然而照明接收端的無線射頻信號均為數(shù)字信號，很難實現(xiàn)無線調節(jié)可控硅。此報告利用零點檢測電路、易能森射頻模塊的無線接收和延時觸發(fā)，實現(xiàn)可控硅驅動照明的無線調節(jié)。

　　關于調光方式和無線調光的需求：

　　可控硅整流元器件通過改變輸出電壓的有效值來降低負載功率。其原理是將輸入電壓的波形通過導通角斬波，產生切相輸出的電壓波形?？煽毓枵{光的工作效率高，性能穩(wěn)定，適用于工作在幾百豪安至十幾安電流的白熾燈。通過PWM調光具有極高的精度和調光效果。接入額外的脈沖寬度調節(jié)信號，通過改變此脈沖信號占空比來調整功率場效應管的柵極控制信號，而改變導通角的大小。PWM調光最大的問題是需要控制線路。由于傳統(tǒng)燈具只有兩個電觸點，如果加上PWM調光的功能，需要改變燈具設計，增加控制線，因此很難順暢做到替換性改造。目前照明市場正在逐步完成對于照明系統(tǒng)可調光式、智能化的改造。無線的調光方案可以增加改造的靈活性，節(jié)省空間，并且節(jié)約控制線成本。

　　關于易能森無線射頻模塊和易能森聯(lián)盟：

　　易能森的無線傳感器、開關控制模塊運用無源低功耗的理念，即無線傳輸信號且不需要電池電源，主要針對智能樓宇、智能家居的應用和現(xiàn)有樓宇的智能化改造。

　　易能森智能開關使用機械能轉換電能供電方式發(fā)送射頻信號。在中國采用868.3MHz頻段，易能森無線射頻通訊協(xié)議和設備協(xié)議的國際標準協(xié)議。在不需維護和供電的條件下，可在室內維持20-30m的傳播距離。

　　該協(xié)議最初由德國易能森（EnOcean）公司提出，并且成立易能森聯(lián)盟（EnOcean Alliance）進行推進，目前聯(lián)盟擁有超過350家成員公司，包括西門子、霍尼韋爾、施耐德、立維騰、德州儀器、ABB、通用電氣、歐司朗、沃達邁、清華同方、羅姆、歐姆龍、尚飛、萬可、卡萊菲、思默康、公牛、聯(lián)想、華為、普天、杜亞、天溯、賽易科、中科聯(lián)眾，等等。

　　在智能照明領域中，易能森包含的應用包括開關、人體感應、光照度傳感器等。

　　易能森無線調節(jié)可控硅照明電路詳解：

　　交流過零檢測電路（圖1）：該電路在交流電的過零點前產生約200us的脈沖信號，并且做了光耦隔離保護。利用三極管的通斷，控制輸出的電平高低。當基級電壓低于0.7V時，輸出端為低電平。因為短脈沖在電壓接近0V時觸發(fā)，所以在市電條件下，僅產生200mW左右的功耗。

　　圖1：交流過零檢測電路

　　電路圖中，經過限流電阻、橋式整流電路和限壓二極管，經過PNP的通斷控制，并在光耦元器件前加入R4和C1為了防止電流和電壓尖脈沖造成誤觸發(fā)。最后加入由3.3V供電的光耦隔離器件進行電氣隔離，作用是保護電路后面的數(shù)字部分功能電路。

　　易能森無線接收模塊（圖2）：易能森TCM300是一款射頻收發(fā)和8051CPU集成的SOC模塊，主頻為16MHz，內置32kB的Flash和2kB的SRAM。其內部的資源包括14個IO口，10-bit ADC， 8-bit DAC，UART串口通信，多路PWM輸出。在睡眠模式下，消耗電流為0.2uA。在接收工作模式下，接收信號的消耗功率控制在0.1W以下。

　　圖2：易能森無線接收模塊

　　易能森接收模塊接在過零檢測電路的過零信號輸出之后，判斷零點檢測電路的下降沿中斷，（在市電條件下，每一個周期會有兩個過零脈沖，即每10ms一次脈沖）。每次下降沿中斷后延時輸出信號（延時時間為0-10ms），加入一個定時器中斷，通過控制延時的時間長短，控制可控硅的導通間隔，即控制交流的相位，流程如圖3所示。

　　在硬件上，增加一路學習按鍵和一路發(fā)光二極管用于無線配對。留出兩路燒錄口、檢測過零點接收口和可控硅控制口。

　　圖3：調光軟件流程

　　易能森無線發(fā)射模塊（圖4）：易能森無線發(fā)射模塊已包含機械能轉換電能的能量采集部件、電源管理模塊、編譯完成的射頻模塊和4路開關模具。所有的自定義功能均在易能森接收端完成，用戶可以直接將易能森發(fā)射端作為按鍵成品使用。每一路按鍵的功能可由用戶自定義，可單定義為照明開關，也可以定義為其它調控功能。例如，用易能森按鍵完成本報告的調光功能。調光功能可由兩路按鍵完成，每次按鍵按下和彈起都會有射頻信號發(fā)送。接收端會通過判斷按下和彈起的時間間隔判斷是開關模式或調光模式。此間隔通常在500ms。小于500ms，為開關模式，關掉后過零中斷口和定時器中斷也關閉。大于1s，進入調光模式。定時器的中斷時間會隨按下加亮鍵（減亮鍵）的間隔減少（增加）。

　　圖4：易能森無線發(fā)射模塊

　　光耦觸發(fā)可控硅電路（圖5）：MOC3023為光耦器件，并以此模塊設計的控制可控硅電路。輸入信號控制可控硅的斷通，從而控制輸出負載的斷通，來改變白熾燈的亮度。

　　圖5：光耦觸發(fā)可控硅電路

　　結束語

　　本報告應用實踐了基于易能森無線射頻模塊的可控硅調光功能，突出了易能森模塊可編譯控制外部電路，無線性能可靠，在照明改造應用中低耗材、低空間、低功耗、無需維護的優(yōu)點。

　　圖6：易能森無線模塊調控可控硅驅動照明電路原理圖

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