一种自动保持光照度恒定的照明灯装置的制作方法

本实用新型涉及节能照明领域，尤其是涉及了一种自动保持光照度恒定的照明灯装置。

背景技术：

目前对于绝大多数照明灯，其控制方式为人工控制或定时控制。这两种控制方式简单，但存在明显缺陷：不能根据外界环境光强弱自动调节照明灯的光照强度，从而造成电能浪费或某段时间内光照度不足。

照明是人类能源消耗的重要方面，目前在电力的消耗中，欧美发达国家照明用电占发电总量的比例约为20％，我国也达到12％，这一比例每年将会逐步提高。随着社会的不断发展，人类对能源的需求越来越大，当今能源危机加重，使得各行各业不得不考虑节能，低功耗已经成为衡量各项技术的关键指标。因此发展成本合理、稳定可靠的自适应照度调节的照明技术具有重要的实际意义。

现有的照明灯采用的人工控制和定时控制，有一系列的缺点，无法根据环境进行实时的调节等，不够智能化。

技术实现要素：

针对目前对于大多数照明灯，采用人工控制或定时控制不能自适应照度调节的现状，本实用新型提出了一种自动保持光照度恒定的照明灯装置。

本实用新型所采用的具体技术方案如下：

装置包括自适应照明电路和自适应照明结构，自适应照明电路包括光电接收管D1，电阻R1、R2、R3、R4和R5，三极管Q1、Q2和照明灯D2；光电接收管D1一端连接电源电压VCC，光电接收管D1另一端分别和电阻R1、电阻 R2的一端相连，三极管Q1基极与电阻R2的另一端相连，电阻R1的另一端接地，三极管Q1的集电极与电阻R3、电阻R5的一端相连，三极管Q1的射极经电阻R4相连接地，电阻R3的另一端连接电源电压VCC，三极管Q2的基极与电阻R5的另一端相连，三极管Q2的集电极经照明灯D2与电源电压VCC连接，三极管Q2的射极接地。

本实用新型中，光电接收管D1、电阻R3和照明灯D2均与电源电压VCC 相连，电阻R1和R4均接地。电源电压VCC相当于电源正极，地相当于电源负极。

本实用新型在现有照明灯中加入光电接收管和三极管构成自适应照明电路，环境光照度增强时照明灯光照度减弱，环境光照度减弱时照明灯光照度增强，从而保持整体光(照明灯光和环境光之和)的光照度不变，实现了自动保持光照度恒定的效果。

本实用新型设置了自适应照明结构，所述的自适应照明结构包括：光电接收管D1放置在照明灯D2的阴影(即照明灯光照射范围以外的区域)处。

所述的光电接收管D1反向偏置布置于电源电压VCC和地之间，光电接收管D1的负极端连接电源电压VCC，光电接收管D1的正极端分别和电阻R1、电阻R2的一端相连。

所述的三极管Q2的集电极与照明灯D2的负极端连接，照明灯D2的正极端连接电源电压VCC。

所述的照明灯D2为将电能转化为光能且伏安特性曲线具有类恒压特点的器件，包括但不限于发光二极管、LED灯等。

所述的光电接收管D1为将光转化为电流的器件，包括但不限于光电二极管、光电三极管等。

所述的电源电压VCC为直流恒压电源。

所述的三极管Q1与Q2均为NPN型三极管。

本实用新型的有益效果是：

本实用新型解决了照明灯实现自适应照度调节的技术问题，提高了照明区域的照度恒定，有助于实现照明的智能化。

本实用新型可使得在照明灯均匀照射的区域内光照度相对变化绝对值不超过2.75％，可适用不同环境光照度和照明区域面积的应用场合。

本实用新型电路成本低廉、简单可靠且能量利用率高，可有效节省照明能源，减轻眼睛疲劳，具有实际应用价值。

附图说明

图1是实现自适应照度调节的电路图。

图2是本发明装置具体电路各元件及其具体参数示意图；

图3是电路中照明灯电流与环境光照度的关系曲线仿真图；

图4是电路中照明灯两端电压与环境光照度的关系曲线仿真图；

图5是照明灯照射平面整体光照度与环境光照度的关系曲线仿真图；

图6是照明灯电功率相对于电路总功率的比值即照明效率与环境光照度的关系曲线仿真图。

图1中：电源电压VCC，流过光电接收管的电流Iopt，其由电源正极流向电阻R1和R2。流过照明灯的电流Ic2，其由电源正极流向三极管Q2集电极。流向三极管Q1集电极的电流Ic1。流向三极管Q1基极的电流Ib1。流向三极管Q1 基极的电流Ib2。电阻R1和R2连接点处的电压V1。三极管Q1的集电极电压 V2。三极管Q2的集电极电压V3。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本实用新型作进一步说明。

本实用新型装置能够实现自适应照度调节的原理是：光电接收管放置在照明灯光的阴影处，因此照射在光电接收管上的光主要是环境光。光电接收管反向偏置，因此光电导效应产生的光电流近似与环境光照度成正比，经过两极二极管线性反相放大，最终使得照明灯在照射平面上的光照度与环境光照度成斜率为-1的线性关系，从而两者之和构成的整体光照度基本不变。

本实用新型具体实施如下：

三极管Q1和三极管Q2的基射极间的电压相同均为Vbe，增益相同均为β。照明灯的伏安特性曲线函数为V＝f(I)。其中V是照明灯两端电压，I时流过照明灯的电流。照明灯伏安特性曲线在在导通区域具有近似恒压特点，典型实例为光电二极管。

本实施例采用以下公式计算获得的照明灯消耗电功率Pi0：

其中，VCC表示电源电压，Iopt表示流过光电接收管的电流，Ic2表示流过照明灯的电流，Ic1表示流向三极管Q1集电极的电流，Ib1表示流向三极管Q1 基极的电流，Ib2表示流向三极管Q1基极的电流，V1表示电阻R1和电阻R2 连接点处的电压，V2表示三极管Q1的集电极电压，V3表示三极管Q2的集电极电压，R1表示电阻R1的阻值，R2、R3、R4、R5同理。

由公式(4)得照明灯消耗电功率Pi0与光电接收管电流Iopt的关系为：

其中，bc表示Iopt为零(即环境光照度为零)时的Ic2值，kc表示Ic2相对Iopt的斜率绝对值。由公式(5)可知照明灯电流Ic2是光电接收管电流Iopt的线性函数，且斜率为负。

设光电接收管的灵敏度为S，单位安培每勒克斯。环境光照度为φe，环境光在整个装置上基本均匀照明，照明灯在照射平面上的光照度为φi，照射面积为A，光电接收管处的光照度为kiφi，(由于该处为照明灯光的阴影处，ki值很小)，照明灯对照射区域的发光效率为η，单位流明每瓦。再采用以下公式计算照射平面上的整体光照度φa：

其中，ki表示光照度比例系数。

计算得到在照射平面上的整体光照度φa与环境光照度φe的关系为：

φa＝kbbc+(1-kbkcS)φe,

其中，kb是与η、A和f(Ic2)有关的一简化表示量。

光电二极管等照明灯的伏安特性曲线在导通区域具有近似恒压特点，本实用新型将f(Ic2)近似为不随环境光照度φe改变的固定值，并同时要设置电路参数使得kbkcS＝1，则照射平面上的整体光照度φa为一与环境光照度φe无关的固定值，其取决电路参数。

本实用新型的上述计算中设定三极管在放大区，则要实现整体光照度φa近似恒定，还需要避免三极管进入截至区或饱和区，即满足：

其中，Vce0是三极管的集射极间饱和电压。

本实用新型的一个具体实施例是：

电路具体参数如图2所示，其中R1＝330kΩ，R2＝10kΩ，R3＝0.9kΩ， R4＝0Ω，R5＝10kΩ。三极管Q1和Q2型号均为2N5551。电接收管采用硅光电二极管SFH213，其对于标准光源A的灵敏度S＝100nA/lx。照明灯采用3个典型的白光LED串联，单个该白光LED在电压为3V-3.6V导通区域电流可从1mA 增加至150mA。设环境光照度变化范围为0～1000lx，Iopt变化范围为0～100uA。该电路使得照射平面上的整体光(照射灯光和环境光之和)照度始终等于1000lx。

图3显示了电路中照明灯电流Ic2与环境光照度φe的关系曲线仿真图，仿真软件为Multisim 12.0，下同。图3中曲线横坐标即为φe，纵轴为Ic2。可知Ic2与φe近似成线性函数关系，且斜率为负，符合实际情况。

图4显示了电路中照明灯两端电压f(Ic2)与环境光照度φe的关系曲线仿真图，可知照明灯两段电压在φe范围0～900lx内近似保持恒定。φe在900lx～1000lx 范围内时，Ic2在0～13mA间，电压不恒定对照明灯功率变化的非线性影响较小。

由图3和图4可知，当不存在环境光，即光电接收管电流Iopt为零(SFH213 反向偏压12V时典型暗电流0.4nA，可忽略)时，照明灯电流Ic2最大为128mA，此时照明灯两端电压f(Ic2)为10.8V。典型白光LED的发光效率为100lm/W，则照明灯光通量为128mA*10.8V*100lm/W＝138.24lm。要使得此时的照明灯在照射平面的光照度为1000lx，则照射面积为0.138m²，该电路适用于台灯照明场合。

设该白光LED发光效率为100lm/W，照射面积为0.138m²。认为ki近似为0，即在光电接收管上的照明光可忽略不计，图5显示了照射平面整体光照度φi与环境光照度φe的关系曲线仿真图，可知该电路设计使得在照明灯均匀照射的区域内光照度相对变化绝对值不超过55lx/1000lx/2＝2.75％，近似保持恒定。

本实用新型电路相对于一般的开关式人工控制照明灯电路只增加了一个光电接收管、两个三极管和若干电阻，因此具有成本低廉、结构简单可靠的优点。

图6显示了照明灯电功率相对于电路总功率的比值即照明效率ηa与环境光照度φe的关系曲线仿真图。其横坐标为环境光照度φe，星点虚线表示ηa，对应坐标轴在图像右侧，可知ηa在环境光照度变化0～500lx范围内不低于80％。星点实线表示电路总功率Pa，对应坐标轴在图像左侧，可知在环境光照度变化 500～1000lx范围内，总功率Pa较低。这使得尽管环境光照度变化500～1000lx范围内ηa较低，三角框实线表示的除照明灯以外电路消耗功率Ps(有Ps＝Pa(1-ηa)) 仍然较低。Ps对应坐标轴在图像左侧。Ps总体保持不超过0.15W，相对于人工控制在环境光较强时刻始终保持1.38W的最大电路总功率能有效节省能源。因此本实用新型还具有能量利用率高的优点，可有效节省照明能源，具有实际应用价值。

上述具体实施方式用来解释说明本实用新型，而不是对本实用新型进行限制，在本实用新型的精神和权利要求的保护范围内，对本实用新型作出的任何修改和改变，都落入本实用新型的保护范围。