Устройства для автоматического управления освещением

Датчики

Пироэлектрические датчики, или ИК-датчики движения

В основе работы пироэлектрических датчиков лежит сенсор, изменяющий свои электрические характеристики в зависимости от интенсивности облучения его светочувствительного элемента в инфракрасном диапазоне. В настоящее время широко применяются простые дешёвые пироэлектрические сенсоры типа KP500B. Они имеют две чувствительные площадки для возможности отстройки от влияния тепловых помех, что делает их работу более стабильной при требуемой чувствительности.

На указанный сенсор легко найти документацию в свободном доступе, которая содержит типовую схему включения. Эта схема позволяет выдать короткий импульс сигнала или кратковременно замкнуть/разомкнуть контакты реле при обнаружении движения в зоне чувствительности датчика.

Для расширения функционала датчика целесообразно использовать более сложные схемы или специализированные микросхемы-контроллеры, предназначенные для работы с такими ИК-сенсорами, например, американский NCS36000 от ON Semiconductor, или аналогичный китайский BISS0001 от Silvan Chip Electronics. Эти контроллеры представляют из себя набор операционных усилителей, собранных в незавершённую схему под одним корпусом, требующих подключения дополнительных внешних цепей регулировки. На их основе строятся датчики, в которых есть возможность регулировки чувствительности и длительности подачи импульса на исполнительное реле в широком диапазоне интервалов времени (от 2 до 300 секунд).

Эти контроллеры характеризуются малым током собственного потребления, порядка 50 мкА в режиме ожидания, и до 200…300 мкА в момент сработки и подачи сигнала на транзисторный ключ.

Схемы на этих контроллерах позволяют коммутировать нагрузку освещения посредством реле. Но некоторые из них имеют функциональное ограничение. Дело в том, что порой схема такого контроллера осуществляет запуск таймера по срабатыванию сенсора и в течении времени работы таймера на сигналы сенсора уже не реагирует. После отработки таймера схема запускает таймер слепой паузы и отключает нагрузку. При отключении освещения сенсор реагирует на изменение теплового фона, но во время слепой паузы его сигнал блокируется, чем исключается ложное срабатывание. Выглядит это примерно так. Сосед решил похвастаться своим приобретением – патрон лампы со встроенным реле на ИК датчике. Патрон ввернул в освещение посреди гаража. Заводит тебя в тёмный гараж, при этом автоматически загорается свет. Стоите, разговариваете. Через две минуты свет гаснет, сосед начинает энергично размахивать руками в темноте, чтобы его снова зажечь. Автоматика срабатывает не раньше, чем отработает слепая пауза, а это примерно 2,5 секунды.

Подобные схемы просты и дёшевы (если не говорить о частых моментах спекуляции), но в большей мере пригодны для кратковременного включения освещения, например, в подъезде или тёмном коридоре при малой проходимости. В помещении, где предполагается длительное присутствие людей подобная логика работы автоматики не всегда приемлема и требует применения более сложных схем. В дальнейшем я расскажу, как создать схему обработки сигналов датчиков на микроконтроллере, что позволит более гибко менять настройки работы автоматики, а также конфигурировать состав автоматики по необходимости, в зависимости от задачи, но об этом в одной из последующих статей.

Для любителей мастерить своими руками есть даташиты на сенсоры и контроллеры, можно самостоятельно собирать датчики по ним. Для тех, кому нужны готовые устройства с простым сигнальным выходом, есть достаточно дешёвый китайский вариант типа HC-SR501, которые стоят сегодня за штуку менее 1$US. Единственный их недочёт, как простых датчиков, низкий уровень выходного сигнала, равный 3…3,5 вольта, которого бывает недостаточно для подачи на вход пятивольтовой микросхемы логики или микроконтроллера. Но это мелочи для творческих людей :)

Акустические датчики шума

Датчики шума так же нашли применение в системах управления освещением. Часто освещение подъездов и лестничных площадок оборудуются светильниками, управляемыми именно датчиками шума. Сам по себе датчик представляет из себя микрофонный усилитель с формирователем дискретного сигнала для управления нагрузкой освещения. По принципу этот датчик напоминает ИК датчик движения с той разницей, что контролируемая физическая величина не тепловое излучение, а интенсивность звуковых колебаний, действующих на сенсор-микрофон. Использование этих датчиков для управления светом оправдано в глухих помещениях, где практически всегда относительно тихо.

При проектировании схемы датчика шума необходимо учесть, что усиливаться должны преимущественно высокие частоты слышимого спектра, чтобы низкочастотные вибрации, передаваемые стенами зданий с улицы, или, например, с квартиры жилого дома, чей хозяин любит послушать музыку на всю катушку, не вызывали ложного срабатывания.

Чаще всего датчики шума строятся на базе операционных усилителей, которые позволяют одновременно усилить шум и создать необходимые временные задержки выходного сигнала.

Датчики освещённости

Даже самые простые системы управления освещением производственных или жилых помещений являются не полноценными без применения устройств, анализирующих уровень естественной освещённости обслуживаемого объекта. Подобные системы в первую очередь призваны сократить расходы на электроэнергию за свет. Но о какой экономии можно говорить, если в ясный яркий день автоматика будет старательно освещать без того достаточно освещённое помещение? Именно по этой причине при использовании любых средств обнаружения присутствия человека, системы управления освещением должны дополняться устройствами оценки целесообразности включения освещения.

Датчик освещённости настраивается на определённый уровень яркости света от сторонних источников (дневной свет, солнце) в обслуживаемом помещении, и, если в помещении достаточно светло, его сигнал может блокировать включение света по датчикам присутствия, поскольку в этом нет необходимости. При снижении уровня освещённости помещения, или же уличной освещённости, датчик освещённости снимает блокирующий сигнал, и автоматика может включить свет по сигналу датчиков присутствия (ИК датчики, датчики шума и т.п.).

В качестве светочувствительного элемента в датчиках освещённости чаще применяются фоторезисторы, сопротивление которых сильно зависит от светового потока, попадающего на фоточувствительный слой. Но в этом плане есть и более экзотические решения с применением диодов в стеклянном прозрачном корпусе, фототранзисторов, или даже обычных биполярных транзисторов в металлическом корпусе с проточкой в корпусе для попадания светового потока на полупроводниковый кристалл.

Таймеры, программируемые реле времени

Иногда нет необходимости отслеживать уровень освещённости с учётом графика функционирования помещения, а в этом случае можно использовать программируемый таймер или реле времени, которое будет давать разрешение на включение источников света только в определённые заданные промежутки времени, например, в рабочее время с 7:45 до 17:10.

Контроллер управления освещением

При построении сложных систем с комбинацией различных контрольных источников сигналов требуется устройство для обработки этих сигналов и принятия решения по заданным критериям настройки или программы. Для конкретной задачи можно разработать или найти схему на основе логических микросхем, или даже на транзисторах. Но, как правило такие решения имеют настройки в довольно ограниченных пределах, а перестройка логики работы схемы чаще требует переделки схемы в целом. В этом плане намного эффективнее решения на основе микроконтроллеров, которые принимают и передают управляющие сигналы по отдельным выводам, а все настройки логики работы и временные параметры управления освещением задаются программно. При этом, не меняя схемы устройства, его логику работы и любые настройки можно легко корректировать, что делает его унифицированным для решения большего круга задач. Подобное устройство, а также некоторые датчики к нему я решил создать, о чём в следующих статьях.