路灯控制器的设计

一、 设计任务与要求

1. 设计说明：安装在公共场所或道路两旁的路灯，通常是随环境的亮和暗而 自

动的关断和开启或自身亮度，同时可以对消耗的电功率进行测量。实验 时用 1W

白光 LED（3.3V@300mA）代替路灯，用调光台灯替代环境光线变化。 注：LED 采

用恒流供电，电流变化可以与 LED 亮度的变化约为线性变化。

2. 基本要求

1) LED 采用恒流供电，恒定电流 300mA 士 3mA;

2) 供电电压 12V 时，路灯电源效率>80%；

3) 该控制器具有环境亮度检测和控制功能，当处于暗（亮）环境下能够自 动

开（关）灯，为了演示方便，在现场演示时，当调光台灯（模拟自然 光）

较暗（较亮）时相当于暗环境（亮环境)，此时另一个白光 LED （模拟路灯)

将被点亮（熄灭)，以此实现光控功能。

3. 发挥部分

1. 设计一个环境光线检测器，其输出电压能随光线近线性变化;

2. 受控的 LED 灯能随环境光线的明暗变化调整亮度，使在 LED 灯光照射

范 围内的光照强度保持恒定。

二、 方案设计与论证

设计要求的总体分析：

（1）首先路灯控制器设计主要由两部分组成：光线的传感和控制 LED。光线的

传感主要用光敏三极管实现，因为光敏三极管几乎是线性的；控制 LED 主要用压

控电流源来实现，利用运算器的虚短虚断来计算元件参数。另外还需要加入一些

保护装置。

（2）经过查找资料，为了实现 LED 灯随环境光线的明暗变化调节亮度，使用光

敏三极管 3DU33 和运算放大器两部分构成的基本电路。通过 3DU33 的感光特性控

制第一级运算放大器的输入电压，然后通过反馈来调节 LED 灯的明暗变化。

（3）光线的传感：光电转换电路。使得环境光源通过电路转换为电压信号，3DU33

使得光电转换部分的输出电压能够随着光线的明暗呈线性变化； （4）控制 LED：压控电流源。把输入电压转化为稳定的输出电流，且保证输出

电流最大值为 300mA 士 3mA，利用此刻的输出电流控制 LED 的明暗变化，再通

过 LED 的光线亮度将光信号反馈给光电转换电路，形成一个光信号负反馈系统。

这样就满足了环境亮度检测和控制的功能。

（5）为了实现 LED 等的稳定输出，保持恒定的光照强度：误差放大电路。当误

差放大器的电压与基准电压源无误差时，LED 灯亮度达到要求最大值；当存在误

差时，误差放大器将两者误差值放大，并将误差放大后的电压输入给压控恒流源，

从而控制 LED 亮度。

（6）综上分析了设计要求，得出设计需要分模块来进行设计，总共分为压控电

流源、光电转换、误差放大。且存在一定的现实误差，需要对电路参数熟悉，从

而进行调整。具体框架如图 2-1 所示

所需芯片资料：

（1） 运算放大器 LM358

（2） 光敏三极管 3DU33

（3） 稳压三极管 8050

方案一：

（1） 压控电流源部分电路设计

压控电流源电路：把输入电压转化为稳定的输出电流，实现用电压来控制电

流的变化，由于系统对输出电流大小和精度的要求比较高，所以需要选好压控恒

流源 电路。该压控恒流源电路由运算放大器和扩流部分组成。

扩流——运算放大器构成的恒流电路摆脱了晶体管恒流电路受限于工艺参

数的缺点。但是只由运放构成的恒流电路，输出电流同样只能达到几十毫安，远 远不能满足设计要求。采用运算放大器加上扩流管构成恒流电路，既能利用运算

放大器准确的特性，输出又能达到要求。运算放大器用 LM358，扩流用三极管组

成。

电路图实现了输出电流由输入电压和电阻控制。输出电流 ，

实现了 压控电流源电路的功能。

（2） 光电转换部分电路设计

使得环境光源通过电路转换为电压信号，3DU33 使得光电转换部分的输出电压能

够随着光线的明暗呈线性变化。

光敏三极管的工作原理和结构如图所示，具有两个 N 结。当光照射在基极-集电

结上时，就会在集电结附近产生光生电子-空穴对，从而形成基极光电流。集电

极电流是基极光电流的 β 倍。这一过程与普通三极管放大基极电流的作用很相

似。所以光敏三极管放大了基极光电流，它的灵敏度比光敏二极管高出许多。

设计电路：

有光照时，光敏三极管有较大电流通过，通过调节电位器 R2 ，使其电压大于

0.7V，开关三极管 1 导通；开关三极管 2 基极电压低于 0.7V，不导通，灯不

亮。天黑后，光敏三极管几乎没有电流通过,电位器 R2 分压电压小 于 0.7V，

开关三极管 1 不导通，开关三极管 2 导通，路灯亮。

（3） 误差放大部分电路设计

误差放大器的作用是通过比较取样电压（亦称反馈电压），与基准电压之间

的误差值来产生误差电压（U），进而调节 NPN 型晶体管的压降，使输出电压维

持不变。

在基淮电压稳定的前提下，误差放大器是影响线性稳压器性能的关键因素。

差分输人式误差放大器的简化电路如图所示，当电源电压（Ucc）和芯片温度保

持恒定时，由误差放大器输出的误差电压为

由上述，误差放大器需要输入取样电压和基准电压两种电压，并比较这两种电压，

从而对电路进行反馈控制。即误差放大器包括两个部分：外接基准电压源与误差 集成运放。

误差放大电路设计（使用 LM358 芯片）：

方案二：

方案二是在老师的指导和同学之间的讨论后，基于方案一上的部分电路的改

进.

(1) 光电转换电路设计改进

1、设计要求需要我们的最终结果达到线性变化，但在方案一的设计中运用到

了继电器，继电器只能实现跳变，并不能线性变化。于是在方案的改进中我们 将

继电器改变为稳压三极管。

2、光电转换部分中将电阻改接在光敏三极管的下方。

改进后的总电路

因为光敏三极管无法进行仿真