无线调光系统电路设计与方案详解 - 全文

　　不少终端系统厂商从目前白炽灯的市场出发，利用无线技术，完成可控硅调节白炽灯的改造。然而照明接收端的无线射频信号均为数字信号，很难实现无线调节可控硅。此报告利用零点检测电路、易能森射频模块的无线接收和延时触发，实现可控硅驱动照明的无线调节。

　　关于调光方式和无线调光的需求：

　　可控硅整流元器件通过改变输出电压的有效值来降低负载功率。其原理是将输入电压的波形通过导通角斩波，产生切相输出的电压波形。可控硅调光的工作效率高，性能稳定，适用于工作在几百豪安至十几安电流的白炽灯。通过PWM调光具有极高的精度和调光效果。接入额外的脉冲宽度调节信号，通过改变此脉冲信号占空比来调整功率场效应管的栅极控制信号，而改变导通角的大小。PWM调光最大的问题是需要控制线路。由于传统灯具只有两个电触点，如果加上PWM调光的功能，需要改变灯具设计，增加控制线，因此很难顺畅做到替换性改造。目前照明市场正在逐步完成对于照明系统可调光式、智能化的改造。无线的调光方案可以增加改造的灵活性，节省空间，并且节约控制线成本。

　　关于易能森无线射频模块和易能森联盟：

　　易能森的无线传感器、开关控制模块运用无源低功耗的理念，即无线传输信号且不需要电池电源，主要针对智能楼宇、智能家居的应用和现有楼宇的智能化改造。

　　易能森智能开关使用机械能转换电能供电方式发送射频信号。在中国采用868.3MHz频段，易能森无线射频通讯协议和设备协议的国际标准协议。在不需维护和供电的条件下，可在室内维持20-30m的传播距离。

　　

　　该协议最初由德国易能森（EnOcean）公司提出，并且成立易能森联盟（EnOcean Alliance）进行推进，目前联盟拥有超过350家成员公司，包括西门子、霍尼韦尔、施耐德、立维腾、德州仪器、ABB、通用电气、欧司朗、沃达迈、清华同方、罗姆、欧姆龙、尚飞、万可、卡莱菲、思默康、公牛、联想、华为、普天、杜亚、天溯、赛易科、中科联众，等等。

　　在智能照明领域中，易能森包含的应用包括开关、人体感应、光照度传感器等。

　　易能森无线调节可控硅照明电路详解：

　　交流过零检测电路（图1）：该电路在交流电的过零点前产生约200us的脉冲信号，并且做了光耦隔离保护。利用三极管的通断，控制输出的电平高低。当基级电压低于0.7V时，输出端为低电平。因为短脉冲在电压接近0V时触发，所以在市电条件下，仅产生200mW左右的功耗。

　　

　　图1：交流过零检测电路

　　电路图中，经过限流电阻、桥式整流电路和限压二极管，经过PNP的通断控制，并在光耦元器件前加入R4和C1为了防止电流和电压尖脉冲造成误触发。最后加入由3.3V供电的光耦隔离器件进行电气隔离，作用是保护电路后面的数字部分功能电路。

　　易能森无线接收模块（图2）：易能森TCM300是一款射频收发和8051CPU集成的SOC模块，主频为16MHz，内置32kB的Flash和2kB的SRAM。其内部的资源包括14个IO口，10-bit ADC， 8-bit DAC，UART串口通信，多路PWM输出。在睡眠模式下，消耗电流为0.2uA。在接收工作模式下，接收信号的消耗功率控制在0.1W以下。

　　

　　图2：易能森无线接收模块

　　易能森接收模块接在过零检测电路的过零信号输出之后，判断零点检测电路的下降沿中断，（在市电条件下，每一个周期会有两个过零脉冲，即每10ms一次脉冲）。每次下降沿中断后延时输出信号（延时时间为0-10ms），加入一个定时器中断，通过控制延时的时间长短，控制可控硅的导通间隔，即控制交流的相位，流程如图3所示。

　　在硬件上，增加一路学习按键和一路发光二极管用于无线配对。留出两路烧录口、检测过零点接收口和可控硅控制口。

　　

　　图3：调光软件流程

　　易能森无线发射模块（图4）：易能森无线发射模块已包含机械能转换电能的能量采集部件、电源管理模块、编译完成的射频模块和4路开关模具。所有的自定义功能均在易能森接收端完成，用户可以直接将易能森发射端作为按键成品使用。每一路按键的功能可由用户自定义，可单定义为照明开关，也可以定义为其它调控功能。例如，用易能森按键完成本报告的调光功能。调光功能可由两路按键完成，每次按键按下和弹起都会有射频信号发送。接收端会通过判断按下和弹起的时间间隔判断是开关模式或调光模式。此间隔通常在500ms。小于500ms，为开关模式，关掉后过零中断口和定时器中断也关闭。大于1s，进入调光模式。定时器的中断时间会随按下加亮键（减亮键）的间隔减少（增加）。

　　

　　图4：易能森无线发射模块

　　光耦触发可控硅电路（图5）：MOC3023为光耦器件，并以此模块设计的控制可控硅电路。输入信号控制可控硅的断通，从而控制输出负载的断通，来改变白炽灯的亮度。

　　

　　图5：光耦触发可控硅电路

　　结束语

　　本报告应用实践了基于易能森无线射频模块的可控硅调光功能，突出了易能森模块可编译控制外部电路，无线性能可靠，在照明改造应用中低耗材、低空间、低功耗、无需维护的优点。

　　

　　图6：易能森无线模块调控可控硅驱动照明电路原理图

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