創意小製作-白熾燈專用光控開關

儘管白熾燈被節能螢光燈和LED照明燈完全取代是大勢所趨，但由於其價格便宜等原因，在經濟欠發達地區、尤其是廣大農村還有不少的用戶，另外在一些特殊場合還必須使用白熾燈照明或警示，所以製作下面介紹的白熾燈專用光控開關，不僅具有一定的實用性，而且初學者還能夠生動、直觀地學習到只有通過白熾燈才能體現出來的節電和延長燈泡壽命的方案，以及許多有用的電子和電工知識。

白熾燈專用光控開關的實物外形如圖4-1所示，它能使普通白熾燈的亮滅跟隨環境光線變化自動轉換，適合於控制路燈、單位走廊燈和公用廁所燈等，具有較好的節電和延長燈泡使用壽命效果。

圖4-1 白熾燈專用光控開關外形圖

該白熾燈專用光控開關造價不足4元，製作和安裝使用都很簡單，有興趣者不妨動手一試!但有一點事先要特別強調指出：本製作涉及220V交流電，為了確保人身安全，製作者必須具備一定的電工實際操作能力，才能將製成功的光控開關接入到照明電路中去應用，否則必須要有電工現場指導，才能進行安裝應用。

弄懂工作原理

白熾燈專用光控開關的電路如圖4-2虛線框內所示。VS是普通單向晶閘管，其觸發信號由電阻器R和光敏電阻器RL對220V交流電的分壓(忽略白熾燈H的燈絲電阻)得到。VD是普通晶體二極體，主要用於防止光敏電阻器RL兩端反向電壓對單向晶閘管VS控制極的損壞，並適當抬高單向晶閘管VS的觸發門限值。

白天，環境自然光線較強，光敏電阻器RL呈低阻值(<2kΩ)，其兩端交流電壓小於晶體二極體VD和單向晶閘管VS控制極的導通電壓(約0.65V+0.65V=1.3V)，單向晶閘管VS處於阻斷狀態，白熾燈H不亮。此時，電路自身耗電甚微，實測總電流<22μA。夜晚，環境自然光線變暗，光敏電阻器RL呈高阻值(>1MΩ)，單向晶閘管VS從光敏電阻器RL兩端獲得足夠觸發電壓而導通，白熾燈H通電自動點亮。

圖4-2 白熾燈專用光控開關電路圖

由於每次夜幕降臨白熾燈點亮時，燈的亮度是隨著外界自然光線的減弱而逐漸由暗變至最亮的，故避免了使用普通機械開關時，每次開燈瞬間比正常時大10倍以上的強電流對燈絲的衝擊，有效防止了燈絲的過電流速損。實際上影響白熾燈壽命的最大因素就是開燈時的強衝擊電流，這也是專家提醒用戶儘量不要頻繁開關燈的道理。而細心的讀者如果留神觀察，就會發現日常生活中白熾燈泡的「壽終正寢」多是在開燈的瞬間發生的，根源也正是如此。另外，白熾燈H工作時加在它兩端的是半波脈衝電壓，實測直流平均電壓約99V，燈泡實際功率僅為標稱功率的一半左右，這不僅節電，而且還能有效防止因夜深電網電壓升高而造成的燈絲過電壓速損，使得燈泡使用壽命大大延長。採用半波脈衝電壓點亮標稱220V的白熾燈泡時，雖然亮度比正常時要暗許多，但作為道路、走廊和廁所的照明，是完全可以滿足需要的。

該白熾燈專用光控開關係筆者在多年前反覆研製而成，經長期實際使用，證明效果良好。筆者單位廁所裡的照明電燈，在使用本光控開關之前，每月要更換兩三隻白熾燈泡，在使用了本光控開關一年多時間後，我曾去詢問維修電工，對方告訴我燈泡還尚未更換過。

準備好元器件

該製作共用了4個電子元器件(不包括圖4-2中的兩個接線樁X1和X2)，為了便於初學者易認易購，現給出如表4所示的元器件清單和它們的實物集體照，如圖4-3所示。

表4 元器件清單

圖4-3 需要準備的元器件實物外形圖

VS選用MCR100-8(額定正向平均電流1A、額定工作電壓600V)或BT169D(1A、400V)、CR1AM-6(1A、400V)型普通塑封單向晶閘管，要求控制極(也叫門極)觸發電流Ig<20μA。單向晶閘管也叫單向可控矽，它是一種具有3個PN結的功率型半導體器件，廣泛應用在無觸點開關、可控整流、調壓等電路中。本製作中所用的單向晶閘管為小功率管，其外形如同普通塑料封裝的小功率三極體，圖4-4所示是它們的實物外形和引腳排列圖;單向晶閘管共有3個引腳：陽極A、陰極K和控制極G，製作時注意不要接錯引腳。

圖4-4 小型塑封單向晶閘管

VD用1N4004(最大整流電流1A、最高反向工作電壓400V)或1N4007(1A、1000V)型矽整流二極體。

RL用MG45-12型非密封光敏電阻器。這種光敏電阻器的管芯由陶瓷基片構成，在上面塗有硫化鎘多晶體並經燒結製成;由於管芯怕潮溼，所以在其表面塗上了一層防潮樹脂。該封裝結構的光敏電阻器，因為不帶外殼，所以稱為非密封型結構光敏電阻器，它的受光面就是其頂部有曲線花紋的端面。RL也可用其他亮阻≤2kΩ、暗阻≥1MΩ的普通光敏電阻器來代替。

R採用RTX-1/8W型碳膜電阻器，注意標稱阻值是不常用的10MΩ(兆歐姆級)，不要搞錯了。

接線樁X1、X2無需專門選購，購買一個電燈專用掛線盒(也稱吊線盒)作為本製作的外殼，裡面就已經有了現成的接線樁。

開始動手製作

整個光控開關電路巧妙地組裝在經過改造後的吊式電燈專用掛線盒內，裝配示意圖如圖4-5所示。現分3步介紹具體製作流程。

圖4-5 白熾燈專用光控開關裝配示意圖

第一步，加工改造掛線盒

吊式電燈用掛線盒一般燈具或五金電器商店均有銷售，單價一般為1～2元，它的用途和結構如圖4-6所示。

圖4-6 吊式電燈用掛線盒

改造時，首先按照如圖4-7(a)所示，用尖嘴鉗子夾掉掛線盒內的拴線樁，並按照如圖4-7(b)所示，用小銼刀銼平斷口。為了避免以後使用中灰塵由此口進入，可按照如圖4-7(c)所示，在開口處粘貼上一塊大小合適的不乾膠粘紙。掛線盒內的兩個接線樁上，各有兩顆固線螺絲釘，應按照如圖4-7(d)所示，分別去掉一顆螺絲釘，留下來的以後仍然用作固線，即作為圖4-5中的接線樁X1和X2。然後，尋找一小塊透光良好的硬塑料片(可取自高檔服裝或保健藥品的包裝盒)，按照如圖4-7(e)所示用剪刀剪成φ10mm的小圓片，再按照如圖4-7(f)所示用強力膠或熱熔膠將其粘貼在掛線盒蓋的穿線孔裡側，作為光控開關的感光窗口。加工改造好的掛線盒如圖4-7(g)所示。

圖4-7 掛線盒的加工改造

第二步，焊接電路

首先，按照如圖4-8(a)所示，在部分元器件的引腳上套上塑料絕緣套管(或電工專用絕緣套管)，以便於焊接時定位和避免在使用過程中發生短路故障。塑料絕緣套管可從粗細合適的塑料外皮電線剝取。具體可按照如圖4-8(b)所示，在單向晶閘管VS的陽極A引腳套上一段10mm長的紅色塑料管，在陰極K引腳套上一段10mm長的綠色塑料管，控制極G不套塑料管，將其引腳剪短為5mm即可。光敏電阻器RL的引腳分別套上15mm長的綠色和黃色塑料套管。另外，晶體二極體VD和電阻器R的引腳，均剪短為5mm長，以方便焊接。由於它們的引腳短，所以不必再套塑料絕緣管。

其次，對照圖4-5和圖4-8(c)所示，將元器件焊接到掛線盒的底座上面去。焊接順序是：將單向晶閘管VS的陽極A引腳(紅線)和電阻器R的其中一腳，一塊焊接到接線樁X1上去;將單向晶閘管VS的陰極K引腳(綠線)和光敏電阻器RL的其中一腳(綠線)，一塊焊接到接線樁X2上去;將晶體二極體VD的負極端引腳與單向晶閘管VS的控制極G引腳搭在一起，並懸空焊接;將晶體二極體VD的正極端引腳彎折90°以後，與電阻器R的懸空腳、光敏電阻器RL的懸空腳(黃線)搭在一起，並懸空焊接好即成。

最後，焊接完畢，將光敏電阻器RL的感光面用手調節為朝上，並處於底座面中心軸線上，以便擰緊掛線盒蓋後，如圖4-8(d)所示那樣使其感光面正好處在蓋頂感光窗口正下方，以保證能夠良好地檢測到周圍環境光線的變化。

圖4-8 電路的焊接

第三步，檢驗性能

焊接好的光控開關只要元器件質量有保證，焊接無誤，不需任何調試便可投入使用。但為了保證實際應用時不出現問題，可事先按照如圖4-9所示進行性能的檢驗。實際上性能檢驗的過程，也是讀者進一步熟悉該光控開關在實際應用時具體如何接線的過程。由前面圖4-2所示的電路圖可知，該光控開關是通過串聯在被控白熾燈的供電迴路(一般靠近220V交流電相線一側)中，來控制白熾燈按照環境光線的變化自動亮滅，這與連接普通機械開關的要求、方法完全一樣。

性能檢驗時可按照如圖4-9(a)所示連接電路。將一個配有燈頭的220V、25～40W普通白熾燈泡，通過一段雙股塑料外皮電線與一個交流電二極電源插頭連接起來;將其中一根電線從中間剪斷，兩線頭通過光控開關底座上的兩個穿線孔，從底座下面穿引至打開蓋子的底座上面，並就近分別接在接線樁X1和X2上。特提醒讀者注意，光控開關的這種穿孔接線方法跟實際應用接線完全一致。接下來擰緊光控開關的上蓋，按照如圖4-9(b)所示將電源插頭插入220V交流電源插座，則在白天光線較亮的環境下，白熾燈應不亮。這時，按照如圖4-9(c)所示，用一個大小合適、不透光的紙盒完全罩住光控開關(模擬晚上的黑暗環境)，則白熾燈應馬上點亮;移去紙盒，白熾燈又會馬上熄滅。如果你的操作和反應結果跟我的敘述完全相符，那就恭喜了——你的得意之作可以投入實際應用了!

圖4-9 檢驗光控開關的性能

如果按照如圖4-9(b)所示，一通上電，白熾燈就會亮，應重點檢查光敏電阻器RL內部是否開路、焊接是否正確，單向晶閘管VS是否已經擊穿、引腳焊接是否有誤;如果按照圖4-9(c)所示，用紙盒罩住光控開關後白熾燈始終不亮，應重點檢查晶體二極體極性是否焊接反、內部是否已經開路，單向晶閘管VS內部是否已經開路、引腳焊接是否有誤，電阻器R是否已經開路等。檢查元器件時千萬記住，不要忘記了先從220V交流電源插座上拔下電源插頭，以免電擊傷人!

投入實際使用

該白熾燈專用光控開關適合控制標稱功率≤200W的普通照明用白熾燈(也叫鎢絲燈泡)，它的接線方法與普通機械開關相同，完全符合電工接線規範。實際安裝時，只需把光控開關的兩個接線端X1、X2，不分順序串入被控白熾燈的相線(火線)一側迴路即行。但注意光控開關安裝位置要有所講究，應避開風雨侵蝕和燈光直射處，選擇在感受自然光良好的地方固定。安裝時千萬牢記：事前一定要斷開照明電路的總閘開關，做到無電操作;安裝結束後，再接通總閘開關，以確保人身體安全!

如果要在現有的普通照明電路接入光控開關，那就要因地制宜、靈活運用。例如，某公用廁所照明燈的開關採用拉線開關，並且將開關安裝在廁所外面既照射不到燈光，又能夠感受到自然光的屋簷下。這時，可按照如圖4-10(a)所示，拆除拉線開關SA，在拉線開關的原位置安裝光控開關。具體可將接拉線開關的兩根線頭分別穿過光控開關底座上的兩個專用穿線孔，並就近接光控開關的兩個接線樁X1和X2;原來固定拉線開關的兩顆螺絲釘，則直接穿過光控開關底座邊沿的兩個專用穿孔，緊固好光控開關。

又如，某單位的路燈和走廊燈均用了壁式開關，而且燈光能夠照射到壁式開關上，顯然用光控開關替代壁式開關的方法在這裡就行不通了，怎麼辦?我們可按照如圖4-10(b)所示，保留壁式開關SA不動，在如圖4-6(a)所示的、加了遮光燈罩的電燈吊線處剪斷其中一根電線，串入光控開關即行。還可在遠離壁式開關的電線入口處(圖中符號「×」處)剪斷其中一根電線，串入光控開關。由於保留了壁式開關，這種被控白熾燈便具有了光控和手控兩種功能。當夜晚不需要照明時，可隨時通過手動壁式開關SA關掉燈光，也可隨時開燈，節電效果更明顯。

圖4-10 光控開關的兩種應用接線圖

最後再次強調：製作者如果不具備實際的電工操作能力，必須要有老師或電工現場指導，才能進行光控開關的安裝應用。另外，本光控開關只能用於控制白熾燈泡，絕對不允許控制普通日光燈和節能螢光燈等，否則會損壞燈具和光控開關。