城市道路路灯设计

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摘  要

随着城市市政建设的发展，传统的路灯控制与维护手段以远远不能适用城市现代化发展的速度。城市市政建设日新月异，宽阔的街道，各种各样的路灯给城市带来了光明的同时也增添了城市的魅力。但是由于道路路灯众多，传统的人工管理模式已经和快速的现代化的城市健设不相适应。本文将介绍用小器件模拟现实物品。设计个简单的基于光电传感器控制继电器的路灯控制系统，阐述系统控制的原理。

第一章光控电路原理

1.1概述

1.1.1设计要求

设计一个路灯自动控制开关电路，用光敏传感器实现自控，能在天黑时自动点亮路灯，天亮后又自动关灯。控制电路用电池供电，熄灯后电路耗电小。

(1)．利用光敏电阻作为光敏传感器，555作为滞后比较器来设计电路。

(2)．当光线强到一定程度时，555的输出发生跳变，当光线暗到一定程度时，555 的输出也要发生跳变。

1.1．2设计的作用、目的

自动控制开关路灯电路，用光敏传感器实现自控，能在天黑时自动点亮路灯，天亮后又自动关灯。

通过自动控制路灯电路有效的节约了能源，减少了人力和物力的浪费。

1.2 电路原理

   该光控路灯电路由光控触发器电路、开关电路、电源电路和控制电路组成。

图1.2.1

光控触发器电路由光敏电阻RG、电位器Rp、电容C3、C4、电阻R3和时基电路IC555组成

开关电路由晶闸管VT、电阻R2等组成

电源电路由降压电容C1、电阻R1、稳压二极管VS。整流二极管VD和滤波电容组成，交流220v电压经c1降压、vs稳压VD整流及c2滤波后产生8.5v直流电压供给VCC.

在白天（自然光照正常时），光敏电阻受光照射而呈低阻状态，IC6脚和2脚电压大于2VCC/3,IC的3脚输出低电平，VL不发光，晶闸管Q处于截止状态继电器不工作。

在夜晚或在白天光照不足时RG因感光量减少，甚至无光照时，RG的阻值开始变大，使IC2、6脚电压开始下降，当两脚的电压降至VCC/3时，IC内部翻转，其3脚由低电平转换为高电平，使VL导通发光，使Q受触发导通继电器线圈得电工作。

R1、R2、R3分别选用1/2、1/4、1/8的碳膜电阻。RG选用MG44型硫化镐光敏电阻，RP选用小型电位器。C2、C4均选用耐压为16V的铝电解电容；C3选用独石电容C1选用耐压值大于450的涤纶电容。VD选用IN5408型硅整流二极管，VS选用1/2W、9V的稳压二极管；VL选用φ5mm的发光二极管 ；Q选用3A、400V的双向晶闸管。

第二章  控制电路

该电路是用继电器控制接触器进行控制。

         

 图2.1

SB1、SB2为检修开关当出现问题时只需断开一路开关。KA1.1 、KA1.2为继电器常开触点KA线圈得电后KA1.1 KA1.2闭合使KM1 KM2线圈分别得电以控制KM1 KM2常开触点闭合将路灯点亮。

继电器是一种电子控制器件，它具有控制系统（又称输入回路）和被控制系统（又称输出回路），通常应用于自动控制电路中，它实际上是用较小的电流去控制较大电流的一种“自动开关”。故在电路中起着自动调节、安全保护、转换电路等作用。

电磁式继电器一般由铁芯、线圈、衔铁、触点簧片等组成的。只要在线圈两端加上一定的电压，线圈中就会流过一定的电流，从而产生电磁效应，衔铁就会在电磁力吸引的作用下克服返回弹簧的拉力吸向铁芯，从而带动衔铁的动触点与静触点（常开触点）吸合。当线圈断电后，电磁的吸力也随之消失，衔铁就会在弹簧的反作用力返回原来的位置，使动触点与原来的静触点（常闭触点）吸合。这样吸合、释放，从而达到了在电路中的导通、切断的目的。对于继电器的“常开、常闭”触点，可以这样来区分：继电器线圈未通电时处于断开状态的静触点，称为“常开触点”；处于接通状态的静触点称为“常闭触点”。

使用继电器好处：低电压控制高电压；小电流控制大电流,通过继电器与开关的组合可以达到自动控制的目的

                   第三章  元件的选型

3.  1光敏电阻选型

光敏电阻器是利用半导体的光电效应制成的一种电阻值随入射光的强弱而改变的电阻器；入射光强，电阻减小，入射光弱，电阻增大。光敏电阻器一般用于光的测量、光的控制和光电转换（将光的变化转换为电的变化）。常用的光敏电阻器硫化镉光敏电阻器，它是由半导体材料制成的。光敏电阻器的阻值随入射光线（可见光）的强弱变化而变化，在黑暗条件下，它的阻值（暗阻）可达1~10M欧,在强光条件（100LX）下，它阻值（亮阻）仅有几百至数千欧姆。光敏电阻器对光的敏感性（即光谱特性）与人眼对可见光（0.4~0.76）μm的响应很接近，只要人眼可感受的光，都会引起它的阻值变化。设计光控电路时，都用白炽灯泡（小电珠）光线或自然光线作控制光源，使设计大为简化。

光敏电阻的工作原理是基于内光电效应。在半导体光敏材料两端装上电极引线，将其封装在带有透明窗的管壳里就构成光敏电阻，为了增加灵敏度，两电极常做成梳状。用于制造光敏电阻的材料主要是金属的硫化物、硒化物和碲化物等半导体。通常采用涂敷、喷涂、烧结等方法在绝缘衬底上制作很薄的光敏电阻体光敏电阻原理图及梳状欧姆电极，接出引线，封装在具有透光镜的密封壳体内，以免受潮影响其灵敏度。在黑暗环境里，它的电阻值很高，当受到光照时，只要光子能量大于半导体材料的禁带宽度，则价带中的电子吸收一个光子的能量后可跃迁到导带，并在价带中产生一个带正电荷的空穴，这种由光照产生的电子—空穴对了半导体材料中载流子的数目，使其电阻率变小，从而造成光敏电阻阻值下降。光照愈强，阻值愈低。入射光消失后，由光子激发产生的电子—空穴对将复合，光敏电阻的阻值也就恢复原值。在光敏电阻两端的金属电极加上电压，其中便有电流通过，受到波长的光线照射时，电流就会随光强的而变大，从而实现光电转换。光敏电阻没有极性，纯粹是一个电阻器件，使用时既可加直流电压，也加交流电压。半导体的导电能力取决于半导体导带内载流子数目的多少。

3．2 继电器选型

要用好继电器，正确选型是很重要的，首先必须对被控对象的性质、特点和使用要求有透彻的了解，并进行周密考虑。对所选继电器的原理、用途、技术参数、结构特点、规格型号要掌握和分析。在此基础上应根据项目实际情况和具体条件，来正确选择继电器。

2．对接点的认识

继电器线圈未带电时处于断开状态的动静接点，称为“常开接点”，反之，则称为“常闭接点”。一个动接点同时与一个静接点常闭而与另一个静接点常开，就称它们为“转换接点”。在同一个继电器中，可以具有一对或数对常开接点或常闭接点(两者也可同时具有)，也可具有一组或数组转换接点。

3．消除接点火花的方法

由于继电器接点通断的电流较小，接点间不会出现电弧，但会出现“火花放电”，这是由于接点电路中存在电感，则在断开时电感上会出现过电压，它与电源电压一起加在接点间隙上，使刚分开一点距离的接点间隙击穿而放电。由于能量所限，只会产生火花放电，接点间存在的电容与电感中能量的交替转换，使火花放电时隐时现，而成为一种高频信号，再者火花放电对接点也会造成损伤，而会降低使用寿命，因此必须设法消除，实用的消火花电路有两种，如图1所示。一.其基本作用原理是，使电感中的能量不通过接点而通过rc；二.在断开时经过二极管v在负载r.l上消耗掉。在应用中选择一种就行了。但要注意的是，rc参数要选择适当，参数主要靠实验来决定，通常电容c可按负载电流1a／1微法选择。使用二极管时其正负极性应连接正确。

4．增大接点负载的方法

在使用中，如果接点的负载能力满足不了使用要求时，可以采取几对接点并联的方法来解决。但在使用前应进行调整，使之接点的同步性达到要求，否则适得其反。最好的方法是采用中间继电器或接触器来扩大接点的负载能力。

5．返回系数不合乎要求时的解决方法

所谓返回系数kf是反映吸力特性与反力特性配合程度的一个参数，也即表征继电器动作值与释放值的差异性。不同用途的继电器，往往要求不同的返回系数，当继电器的返回系数不能满足使用要求时，当继电器的吸合、释放时间不能满足使用要求时，可以改变继电器线圈回路的时间常数来解决之。我们知道继电器线圈的时间常数t等于线圈电感l与电阻r之比。如果在继电器线圈回路里串入一个电阻rf，则t2(t2=l／r+rf)就小于t1(t1=l／r)。

需加速吸合时，则在继电器线圈回路中串入一电阻rf，并将电源电压适当提高，以保证线圈的吸合电流维持不变，则可达到加速吸合的目的。如果在r两端并联一个电容c，则吸合时间更短。

而在继电器线圈两端反向并联一只二极管，即可达到延时吸合之目的，它的原理是在继电器线圈断电后等于给铁芯增加了一个短路线圈，使释放时间延长了。

7．正确选择继电器的报警动作状态

一般具有报警和联锁功能的仪表、dcs、变频器都少不了使用继电器，即大多是通过继电器的接点和报警、联锁电路相联，来进行报警和联锁。报警时是使继电器线圈处于“带电”还是处于“失电”状态好呢?我们从可靠性出发来分析一下“带电”和“失电”状态的优缺点。

继电器线圈“带电”而动作使电路报警，这是最易被人理解的设计，但是存在一个隐患，就是当相关接线没有接好而出现开路时，或继电器线圈供电出现问题时，则出事故需要报警时，继电器线圈应“带电”而动作，但由于上述原因不动作而失误，这后果是很严重的。

3.3 接触器选型

接触器用以接通和分断负载。它与热过载继电器组合，保护运行中的电气设备。它与继电控制回路组合，远控或联锁相关电气设备。

3.3.1接触器种类  

交流接触器：主回路接通和分断交流负载。控制线圈可以有交、直流。典型结构分为双断点直动式（LC1-D/F*）和单断点转动式（LC1-B*）。前者结构紧凑、体积小、重量轻；后者维护方便、易于配置成单极、二级和多极结构，但体积和安装面积大。

直流接触器：主回路接通和分断直流负载。控制线圈可以有交、直流。其动作原理与交流接触器相似，但直流分断时感性负载存储的磁场能量瞬时释放，断点处产生高能电弧，因此要求直流接触器具有较好的灭弧功能。中/大容量直流接触器常采用单断点平面布置整体结构，其特点是分断时电弧距离长，灭弧罩内含灭弧栅。小容量直流接触器采用双断点立体布置结构。

真空接触器：真空接触器（LC1-V*）其组成部分与一般空气式接触器相似，不同的是真空接触器的触头密封在真空灭弧室中。其特点是接通/分断电流大，额定操作电压较高。

半导体式接触器：主要产品如双向晶闸管，其特点是无可动部分、寿命长、动作快、不受爆炸、粉尘、有害气体影响，耐冲击震动。

电磁闭锁接触器：模块安装与母线安装的电磁闭锁接触器都安装特殊电磁铁，当线圈失电时，可以将其保持在接通位置。有进口TesysCR1系列产品。

电容接触器：专门应用于低压无功补偿设备中投入或者切除并联电容，以调整用电系统的功率因数。有国产LC1D*K系列产品。

可逆交流接触器：由两个相同规格的交流接触器加机械互锁（和电气互锁）构成。应用于双电源切换和电机设备正反转控制。可由国产LC1-D*C系列产品自行组装，进口产品有的有全套产品。

星三角起动组合接触器：采用3个接触器、1个热继电器和1个延时头及辅助触点块等组成的专门应用于星三角起动的设备，原来有进口LC3-D*系列的产品，目前已经停产，但是可以选择独立元件组装。

3.3.2接触器选型原则

接触器的选型主要需要确定种类，负载类型，主回路参数，控制回路参数辅助触点，以及电气寿命，机械寿命及工作制等多种情况综合考虑。

选型要点：

根据使用目的和要求按照上述系列选择种类：

注意严格区分主回路负载类型是直流还是交流。交流接触器不同于直流接触器，用于直流负载时只适用于DC-1至DC-5负载，对于DC-5以上的直流负载建议使用直流接触器。另外电容接触器不能用普通交流接触器替代。

负载类型和主回路参数确定：

主回路参数主要是额定工作电压、额定电流、极数、通断能力、绝缘电压和耐受过载能力等。尤其要注意负载类型。接触器可以运行在不同的负载类型下，但是对应的型号不同，不能完全依靠主极电压和功率选型。配电类负载（阻性负载）按照AC-1选型；普通电机负载按照AC-3选型；绕线电机按照AC-2选型；对于频繁起停负载应按照AC-4负载选型，因为此类负载在频繁通断时会发生触头熔焊现象，例如频繁正反转、行车、频繁点动的行业。

另外对于4极接触器，有主极2NO+2NC，或者4NO两大系列，不能使用普通3极接触器加辅助触点进行替代。

控制回路及辅助触点：

接触器的线圈电压按照控制回路电压确定。目前，国产D2系列接触器只有交流线圈。如果需要直流线圈，需要选择进口TeSys D,TeSys F的产品。另外直流线圈接触器还有低功耗的进口TeSys D和TeSys K产品，请客户注意选择。对于辅助触点，不同接触器所允许安装辅助触点的位置和个数均不同，需要查表确定。

电气寿命和机械寿命：

在设计过程中，如果对电气寿命有严格超过1百万次要求，请按照样本上的寿命曲线查表确定。