姜 涛，王 浩

(1.四川理工学院自动化与电子信息学院，四川自贡 643000;2.四川成都瑞康建筑设计院，四川成都 610047)

1 问题和解决方案

为方便学生自习，高校教室一般都采取开放式管理模式，学生自习流动性、随意性较大，使用中造成很多教室有人无人、人多人少都开长明灯，浪费现象比较严重。某综合性地方高校在校学生近三万人，有100～120个座位的大教室约400间，2001年建设时每间教室配备T8/40W双管日光灯灯具27盏 (使用电感镇流器，耗电48W×2)。以每天开灯18小时，全年工作270天，电费0.6元/kWh计算，全校教室照明电费支出约303万元/年。另外，国产T8灯管使用寿命约2500～3000小时，全年仅更换灯管材料费就需约21.6万元 (按5元/支计算)，每年全校教室照明运行费用合计约325万元，可见有较大的节能、节支改造空间。

教室照明的节能改造要遵循方便、实用、节能、经济的原则，“以牺牲学生视力为代价的节能是不可取的，…… (不宜)进行过于精细的控制……，不能因为管理而影响学生的学习和使用，也不能仅进行简单的更换节能灯具，走节电而不省钱的老路”［1］。改造项目拟从技术层面寻找节能和降低运行费用的解决方案，从高效节能和智能控制两方面入手，一是进行高效、高可靠的LED节能照明灯具改造，提高照明能效比，通过此项措施预计可节电58%，节省灯管更换材料费用95%以上 (在有效年限3～5年内);二是通过照度检测、人体检测等进行智能调光、自动开关灯和分区照明控制，提高智能化管理水平，通过此项措施预计可节电10%～40%。

2 LED驱动方案

2.1 驱动方式设计

在照明效果相当条件下，一般用15～18W LED节能灯替代T8/40W日光灯，达到1800lm以上的有效光通量［2］。目前，市售18W LED灯管产品其发光组件一般采用一两百只小功率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并组成;采取交流全电压供电驱动电路内置的一体化结构形式。此类方案主要存在的问题:(1)由于LED特性的离散性，在串联通路LED数量较多时极易造成某只(或某些)LED灯珠的失效损坏;(2)直插或SMD封装小功率LED一般直接焊装在以纸质或玻纤为基材的PCB板上，其散热条件较差。而散热条件的好坏是决定LED光衰的重要因素［3］，以至于以上产品早期光衰都比较严重;(3)驱动电路板在密闭的发热环境中，即使选用进口的105C0高品质电解电容器，其无故障时间也难超过1万小时［4］，这是造成电子镇流器失效率较高的主要因素。可见，目前LED节能灯在实际应用中还存在可靠性较低、综合成本较高，“节电但不省钱”的难题，这也是阻碍LED照明实用化的主要问题。

针对以上问题，设计了分区分组、直流集中供电、无电解恒流驱动的解决方案总体架构。即，教室座位区的24盏双管灯具分成前、后两个区域四个组，每组12支LED节能灯，讲台黑板的3盏灯具共6支LED灯单独为一区一组，每区由一块PFC/AC-DC电路模块提供400V直流电源，每只LED灯管使用独立的恒流电路驱动。

2.2 APFC模块

功率因数是交流市电供电系统一个非常重要的技术指标，为满足IEC 61000-3-2的技术要求，必须设置专门的PFC和EMC电路。常用的有NCP1601/31、L4981B和ICE1PCS01/02等专用控制芯片。方案电路采用了ICE1PCS02构成主动式CCM PFC控制单元和AC-DC电路，其具有完善的保护功能、强大的软启动特性、增强的动态响应和良好的电磁兼容性，直流输出电压在350～400V左右［5］，电路见图1。将APFC/AC-DC电路制作成一个独立的模块，可对多达24路20W的LED灯组供电，样机在采用BX7-14-1.2k-1A滑动变阻器作负载，设定输出电压Vo=390V，输出电流Io=1A时，获得了接近于1的功率因数 (λ≈0.99)和90% ～95%的极高效率，电压—效率曲线见图2(使用Power Bay智能数字式电力监测仪测试)。

2.3 LED恒流驱动模块

方案从减少串联通路LED数量、改善散热条件和无高压电解电容驱动电路三方面入手，由20只1W大功率LED焊装在PCB铝基板上，并降额10%使用制作成18W LED灯组，考虑到前级已有APFC模块输出的400V稳压直流电源，本级仅需完成LED的恒流控制和功率控制即可，而低成本、简单可靠、便于控制成为重点考虑问题。近年来各厂商开发推出了一批LED专用恒流驱动芯片如LM3445、FT880和BP2808等，方案电路选用了上海晶丰明源的BP2808专用芯片，其具备完善的开路、短路、过温保护功能，并可方便的实现智能调光控制［6］，在使用400V稳压直流电源供电时，稳流精度优于±3%，效率达90%以上。而更为重要的是，输入端仅需使用10nF聚丙烯电容即可，这样整个系统就只有APFC电路中使用了一只大容量高压电解电容，可以极大限度的改善由于电解电容失效而引起的驱动电路寿命短、可靠性差的问题，电路见图3。

18W LED灯组其输出电压Vo=70V，输出电流Io=0.3A，在取纹波系数ΔIL=65%，关断时间toff=10.8μs时，可得:电感峰值电流ILpk=0.5A，电感纹波电流ILrp=0.4A，则储能电感值为:

考虑到驱动电路板装入铝制灯管后对电感值的影响，可选用2.4 mH/1A工字型功率电感，或使用EE-13磁芯，0.23mm漆包线密绕240T。采样电阻为:

图1 APFC电路图Fig.1 APFC circuit diagram

图2 输入电压—效率曲线Fig.2 The input voltage-efficiency curve

可选用SMD_1206_1.50Ω±1% 贴片电阻3只并联。MOSFET选用2N60，续流二极管选用MUR160即可。前期，据市级科研项目试制的样机已连续工作已超过400天无明显光衰。

图3 恒流驱动电路图Fig.3 Constant current drive circuit diagram

3 智能控制方案

3.1 总体功能设计

教室照明智能控制功能的设计以方便、实用、高效为原则，简单分析如下:

(1)开关灯控制。关于时间控制功能，由于在高校教室的实际使用中很难确定在哪个固定的时间段开关灯更为合适，一些学校在采用人工或普通智能控制器管控灯光时，非但没有真正的节电反而引发了矛盾的激化［1］，因为在平常，晚上十点十一点一般就没人了，但到了期末可能就会到凌晨一两点钟甚至更晚都还会有学生看书学习。另外，我们认为在教室环境条件下，声音检测控灯也是不可靠的，故设计方案主要由光照检测、进出门和室内人体检测功能实现开关灯控制。

(2)讲台区照明控制。黑板照明的一组灯具开关，是随老师上课时是采用黑板板书还是用屏幕播放多媒体而有所不同的，有时在上课中间也会进行切换。而且，黑板需要照明时就全开不需要照明时就全关，也不需要进行照度的控制。故此组灯具设计为使用普通的壁开关进行手动控制更为合适。

座位区照明控制采取分区分组的控制方式，即将教室座位区的24盏双管灯具分成前、后两个区域每区12盏，根据前后门进出门检测和室内区域人体检测结果进行区域照明控制。LED灯管的功率控制(照度控制)，虽然通过BP2808 DIM端可以方便实现，但需要为每支灯管驱动电路放一组导线用于传输PWM或0～5V控制信号，这在实际使用中似无太大价值。故设计方案将每个区每盏灯具的两支LED灯管分别组成两组每组12支，利用继电器控制400V供电电源的简单方式实现24/12支开关的“全/半功率”照明，而为保证两组灯管均衡的工作，半功率工作方式时每组灯管的使用可以采取随机自动交换或定期人工交换的方法。

3.2 检测电路模块

(1)进出门检测。很多照明控制装置采用进出门人数统计的方法决定教室照明灯光的开关，但这种方法容易出现统计误差，实际使用效果并不理想。关键是，如果一旦出现“无人”的错误判断而发出关灯指令，势必将造成对学生学习的严重干扰甚至引发安全事故，所以教室照明应以“开灯”为第一优先，“关灯”为最后选择。设计方案在前后门各设置一个红外检测装置，在得到“有人” (无论是进门还是出门)检测信号后，立刻对相应区域发出“开灯”指令。而关灯控制，采取在开灯后延时25分钟其间进行室内人体检测，如若未获得人体检测信号则先行“半功率”照明并再延时25分钟。此时如若有人，势必会激发起起身开灯的动作而得到人体检测信号，则即刻恢复“全功率”照明;如若继续无人体检测信号则发出“关灯”指令。

(2)室内人体检测方法。由于学生进入教室后的看书学习一般都长时间处于静止状态，对于静态人体的检测常采用热释电红外动态扫描的方法，甚至有现成的产品，但据很多单位实际使用后反应，效果并不如宣传的那么好［7］。也有采用图像检测识别的方案，但技术复杂、成本较高。设计方案采取了热释电红外被动检测与“半功率”照明控制结合，主动触发人体活动而获取人体检测信号的方法实现开关灯控制，简单而有效。

(3)检测装置特性及安装位置。照度检测和人体红外检测模块选用市售成品，二者均以0、1数字电平输出。照度模块在照度小于设定值时输出1，大于设定值时输出0;红外模块在检测到人体时输出1，未检测到时输出0。用于进出门检测的红外模块不用透镜，这时作用范围约为1～2m;用于室内人体检测的红外模块加装菲涅尔透镜，负责对7m半径、100°的扇面区域检测。对于光照传感器理想的安装位置应该是课桌台面上，但在实际使用中显然是不方便、不可靠的，故将照度传感器与热释电红外传感器一起分前、后两个检测点安装在座位区右侧墙面1.4m高的86开关盒中，至于照度检测的偏差可在改造工程中通过对课桌台面照度实际检测后设定。

3.3 控制装置模块

前述改造方案开关灯控制功能简单、逻辑清楚，使用通用数字时序逻辑电路即可轻松实现，较之单片机程序控制方案简单、可靠、廉价。为此设计的教室照明控制装置电路见图4，基本工作过程如下:

(1)照明电源总开关仍由壁开关手控。由于继电器J1、J2使用常闭触点接通LED灯组的400V直流电源，故上电时LED灯组即刻点亮;同时，IC2、IC3的复位电路使其各自的输出为0，T1、T2截止，继电器不动作。

(2)光照低于设定值或检测到人体信号时，P1～P3口至少输入一个1信号，经或运算使CR=1，CR信号经D1～D3使IC2、IC3复位，输出为0，T1、T2仍截止，LED1、LED2灯组持续点亮。

(3)光照大于设定值和未检测到人体信号时，CR=0，IC3开始延时计数。图中数据下，R10、R11及C7确定的振荡周期约0.017s，经8192步计数 (延时25分钟)后在Q13输出1，CP1上升沿触发Q1=D1=1，使T1导通，J1动作，LED1灯组关灯，实现“半功率”照明;同时Q1=1反馈至IC1 14脚对13脚实施封锁，可避免Q13变化对Q1状态的影响。

此后，若CR持续为0(包括教室在“半功率”照明后未能激发人的动作和无人进出教室)，则IC3经16384步计数 (延时50分钟)后，Q14输出1，CP2上升沿触发Q2=D2=1，使T2导通，J2动作，LED2灯组关灯;同理，Q2亦经反馈封锁后使Q2的状态不受Q14变化的影响。同时，T2集极低电平经D6将IC3 CIN端置0，计数器停止工作。

(4)至此，教室全部关灯，直至重新得到照度信号或人体信号使CR=1后，重新开灯。

图4 控制装置电路图Fig.4 Control circuit diagram

4 效益分析

用总功率20W的18W LED节能灯替代总功率为48W的荧光灯，节电率为58.3%，由于LED灯发光指向性好、显色性好、频闪小，实际照明效果超过传统荧光灯，课桌桌面照度可达300lx以上，实测结果见表1(用TES-1339照度计检测)。

表1 桌面照度Table 1 The desk desktop illumination

(1)综合节电率。项目研制期间选择某教学楼一楼两间，三楼、六楼各一间教室进行了为期一个月的试验运行，其自动控制关灯率见表2。由于我校地处四川盆地边缘，年平均阴天天数约190天，如果加上多云天气达300天［8］，教室上课尤其是远离窗户的座位即使在白天也都需要灯光照明才能达到300lx的照度标准，故检测时以全天18小时开灯为参照，实测平均自动关灯率约为16.4%，则节电改造的综合节电率为:

(2)综合效益。试验用的LED灯管、APFC电源板及控制装置模块均由本校实习工厂加工制作。每间教室改造投入:18W LED灯管采用定制的PCB铝基板和半铝半塑灯管组装，成本约90元/支，使用54支合计4860元;APFC电源板约40元/块，使用3块计120元;控制电路板约15元/块，使用2块计30元;光照和红外传感模块约6元/块，使用6块计36元;布线、开关盒等约100元;合计每间教室投入资金5186元。综合效益分析见表3。

表2 自动控制关灯率Table 2 Rate of automatic control to turn off the lights

表3 综合效益表Table 3 Comprehensive benefits table

以LED灯组最低使用寿命为3年计算，一次性投入改造后，全校400间教室可以节约照明开支:1.1172×400=446.88万元，可见节能、节支效果是明显的。目前，设计电路样机正在进行工艺化设计和可靠性试验，为全校的节能照明改造做准备。

［1］王勤，刘林.高校教室照明节能工作中应注意的几个问题［J］.高校后勤研究，2007，(6):110-111.

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

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

［4］矛于海.内置电源 LED日光灯的缺点和问题［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］晶丰明源.BP2808_DS_V3.0［OL］.http://www.bpsemi.com/pdf/BP2808/BP2808_DS_V3.0.pdf.2010.

［7］韩哲，蔡红玫.静态人体探测技术剖析［OL］.城市建设理论研究(电子版)，2013，12.http://d.wanfangdata.com.cn/periodical_csjsllyj2013123549.aspx.

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