自动调光的补光灯浅析

寇许1，马彪1，程建一2，王砚良2，历秋海2

（中车唐山机车车辆有限公司，1制造技术中心，2组装事业部，河北 唐山 063000）

摘要：本文简述了自动调光的补光灯设计的背景和意义，描述了自动调光的补光灯设计的整体方案，列举了LED补光灯的优点，介绍了光敏电阻的工作原理和特性，分析了自动开关控制电路（220V交流电源）、自动开关控制电路（12V直流电源）、自动调光控制电路（220V交流电源）三种常见的控制电路，根据电源种类和应用场景选择LED补光灯、光敏电阻、控制电路等，设计一款能够根据环境光线强弱灵活调整亮度的补光灯。

关键词：LED；补光灯；光敏电阻；控制电路

0 前言

智能巡检机器人在作业过程中需要对检测目标进行拍照，由于拍摄目标遍布于车辆的各个部位，拍摄目标的环境比较复杂，有的部位光线较强会产生过曝光，有的部位光线较弱导致拍摄目标不清晰。可以通过调整工业相机的光圈来调整进光量，但多数工业相机只能手动调整，不能自动调整，无法满足智能巡检要求。因此，需要一款能够根据环境光线强弱灵活调整亮度的补光灯，从而提升智能巡检机器人拍摄的图片质量，提高检测精度、工作效率和产品质量。

1整体方案简介

自动调光的补光灯采用光敏电阻对环境光照强度进行测量，在环境光照强度满足目标检测的需求时，补光灯处于关闭状态，从而避免过曝光，节约能源，延长补光灯的使用寿命；在环境光照强度不能满足目标检测需求时，补光灯打开，根据实际环境光照强度调整补光灯的强度。自动调光的补光灯整体方案流程如图1所示。

图1 整体方案流程图

2重要元件

2.1 补光灯[1]

传统的补光灯的光源有金卤灯、碘钨灯、荧光灯、白炽灯、高压钠、疝气灯等，随着近几年LED产业的兴起，越来越多的LED用于补光灯的设计。LED补光灯与以往传统的补光灯相比有以下优点：

（1）寿命长。LED补光灯由发光二极管组成，理论使用寿命达几万小时。

（2）能耗低。LED补光灯比传统的金卤灯、荧光灯、高压钠、白炽灯等，在相同亮度下可节能一半以上。

（3）结构比较简单，抗震动和耐冲击力较强。LED补光灯封装在外壳中，具备良好的稳固性。

（4）体积小。LED补光灯设计相对灵活，可以根据应用场景改变灯具模式。

（5）受电压波动影响小。LED补光灯受电压波动影响较小，可靠性比较高。

（6）独特的冷光特性。不会因为长期使用而导致外壳高温变形，从而提高LED补光灯的使用寿命。

2.2 光敏电阻[2-3]

光敏电阻本质上就是一个纯电阻元件，其制作材料常用硫化镉，另外还有硒化铝、硫化铝、硫化铅和硫化铋等，没有正负极性之分。既可以在直流电路中使用，也可以在交流电路中使用。光敏电阻的基本结构如图2所示，下边是陶瓷基板，两侧是两只金属电极接成的引脚。光敏电阻的外面包裹着一层透明树脂膜，可以起到防潮、加固和透射光线的作用。光敏电阻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。

图2 光敏电阻内部结构图

3 控制电路[4-5]

3.1 自动开关控制电路（220V交流电源）

图3电路中，VS1是单向晶闸管，R1是光敏电阻。

图3 自动开关控制电路（220V交流）

（1）当光线亮时，光敏电阻R1阻值小，220V交流电压经VD1整流后，成为单向脉冲性直流电压，R1分压很小，加到晶闸管VS1控制极的电压小，这时晶闸管VS1不能导通，所以HL灯回路无电流，补光灯不亮。

（2）当光线暗时，光敏电阻器R1阻值大，R1分压增大，加到晶闸管VS1控制极的电压大，这时晶闸管VS1进入导通状态，所以HL灯回路有电流，灯点亮。

（3）调节电阻器RP1的阻值，可以改变RP1与R1的分压比例，从而可以改变晶闸管VS1触发电压大小，可以调整光线变暗到什么程度时晶闸管VS1导通，即实现光线暗时点亮灯的调节。

3.2 自动开关控制电路（12V直流电源）

图4电路中，R2是光敏电阻，K是继电器，VT2是继电器驱动管，RP1是灵敏度调整可变电阻。

图4 自动开光控制电路（12V直流）

（1）当光线亮时，光敏电阻R2阻值比较小，这时RP1、R1、R2构成的分压电路输出电压比较小，即加到VT1基极的直流电压比较低，VT1处于截止状态，VT2也处于截止状态，继电器K中没有电流，继电器K无动作，开关断开。

（2）当光线暗时，光敏电阻R2阻值比较大，这时RP1、R1、R2构成的分压电路输出电压比较大，即加到VT1基极的直流电压比较高，高到足以使VT1处于导通状态；VT1发射极电压通过R4加到VT2基极，VT2也处于导通状态，继电器K中有电流通过，继电器动作，开关闭合。

（3）改变可变电阻RP1的阻值可以调节灵敏度，即光线暗到何等程度才能使继电器动作。当RP1阻值减小时，VT1基极直流电压升高，也就是光线稍暗些，R2阻值稍增大些，就能使继电器K动作，所以灵敏度提高了，反之，则是灵敏度降低了。

3.3 自动调光控制电路（220V交流电源）

图5 自动调光控制电路

图5中自动调光控制电路能够根据环境光的强弱，自动调整补光灯的亮度。其中，单向晶闸管VS是主控电路；光敏二极管VD 6 、晶体管VT 1 和VT 2 等元件组成光控电路；单结晶体管V等元件组成触发电路；二极管VD 1 ～VD 4 组成桥式整流电路。稳压二极管VD 5 用来稳定光控触发电路的工作电压，使整个电路工作更加稳定可靠。

（1）当光线亮时，VD 6 的光电流越大，VT 1 的集电极电流增大，使VT 2 的基极电位升高，其集电极电流变小，使得电容 C 的充电电流变小、充电时间延长，导致单结晶体管V产生的触发脉冲在时间上后移，晶闸管VS导通角变小，补光灯EL两端的平均电压降低，亮度减弱。

（2）当光线暗时，VD 6 的光电流越小，VT 1 的集电极电流变小，VT 2 的集电极电流变大，使得电容 C 的充电电流变大、充电时间缩短，导致单结晶体管V产生的触发脉冲在时间上前移，晶闸管VS导通角变大，补光灯EL两端的平均电压提高，亮度增强。

4结论

从上述分析可知，补光灯一般会选择LED灯，具有寿命长、能耗低、结构简单、体积小等优点；光敏电阻的阻值随光照强度而变化，是自动调光电路中比不可少的元件；自动开关控制电路适用于分级调光的应用场景，自动调光控制电路适用于连续自动调光的应用场景，另外控制电路的选择还与供电电源的种类有关。总之，通过LED补光灯、光敏电阻、控制电路等的合理配置，可以设计一款能够根据环境光线强弱灵活调整亮度的补光灯，从而提升智能巡检机器人拍摄的图片质量，提高检测精度、工作效率和产品质量。

参考文献

[1] 蔡程程：《智能化LED补光灯的设计》[D].杭州电子科技大学.2012.12.

[2]范志刚：《光电测试技术》[M].北京：电子工业出版社，2004.

[3] 吴翠娟，张恒：《模拟电子技术》[M].北京：清华大学出版社，2013.

[4] 全新使用电路集萃丛书编辑委员会：《灯光控制应用电路集萃》[M]，机械工业.2005.

[5] 余凯，吴鸣山：《电子元器件检测、选用、代换手册》[M]，电子工业.2007.