Подписка на новости

Опрос

Какие лампы Вы используете для домашнего освещения?

Реклама

2010 №5

Система управления освещением — идеальная и оптимальная

Хлуденьков Владимир


В представленной статье автор на основе собственного опыта разработок исследует возможность построения идеальной и оптимальной системы управления освещением.

Только в нашей стране штука, которая включает свет, называется выключателем — отталкиваясь от этого высказывания Михаила Задорнова, станем называть различные акустические и оптические выключатели, датчики движения одним термином — системы управления освещением (СУО).

Актуальность темы экономии электричества, а значит и создания СУО, на настоящий момент достаточно остра. Их выпускают многие предприятия, в том числе и ЗАО «Протон-Импульс» (г. Орел). Называются они «Выключатель акустический универсальный ВАУ-01», «Выключатель управляемый ВУ-1».

Далее мы рассмотрим идеальную и оптимальную СУО так, как понимает эти термины автор. Слово «идеальная» здесь означает, что она выполнена на реально существующих, доступных компонентах. Причем стоимость СУО не является критическим фактором. А важны в первую очередь минимум ее собственного энергопотребления и правильность ее работы — 100% срабатывание при нахождении человека и, что не менее важно, отсутствие ложных срабатываний. Также будем считать, что нам надо сделать универсальную СУО — т. е. работающую на все типы нагрузки: лампы накаливания, люминесцентные, светодиодные. Один из вариантов блок-схемы такой СУО приведен на рис. 1.



Рис. 1. Блок-схема «идеальной» СУО



Рис. 2. Алгоритм работы «идеальной» СУО

Алгоритм работы такой СУО (рис. 2) состоит в следующем:

  • Оптический датчик реагирует на освещенность помещения.
  • Акустический датчик реагирует на звуки внутри помещения.
  • Датчик движения реагирует на движение внутри помещения.
  • Устройство управления принимает сигналы от этих трех вышеперечисленных датчиков, оценивает их и на основании полученных данных решает, включать или нет ключевой элемент.
  • Ключевой элемент коммутирует нагрузку (лампу).
  • Схема питания, как следует из названия, обеспечивает все вышеперечисленные узлы требуемым им питанием.

В начале работы (сразу после включения СУО в сеть) производится тестирование оборудования — включение и выключение лампы. Далее происходит считывание порогов реагирования на свет и звук. Затем следует бесконечный цикл. В нем происходит периодический опрос оптического датчика. Затем, если на улице темно, опрашивается датчик движения и акустический датчик. Если имеются шум или движение, включается лампа. Когда они прекращаются, выжидается некоторое время и лампа отключаеся. Что такое «время послесвечения»? Оно требуется, чтобы минимизировать частоту включений-выключений лампы.

Итак, что же мы поставим в качестве физической реализации указанных на рис. 1 блоков и какие требования предъявляются к этим элементам?

  • Оптический датчик. Должен реагировать на свет в видимой области спектра. По возможности должен работать в условиях засветки собственной лампой СУО, то есть различать естественное (фоновое) освещение и освещение, создаваемое лампой СУО. Или же, как вариант, можно периодически через некоторое время Ттест отключать лампу и проверять уровень освещенности. Затем, при необходимости, лампу включать снова. Основной элемент оптического датчика — фототранзистор, фоторезистор или фотодиод в паре с ОУ.
  • Акустический датчик. Полоса частот его чувствительности — в пределах слышимости человека. Акустический датчик строится на основе микрофона также в паре с ОУ.
  • Датчик движения — на основе пироэлектрического датчика с линзой Френеля. Реагирует на изменение пространственного расположения источников инфракрасного излучения. Вообще говоря, датчик движения — это отдельная тема, о которой написано уже достаточно много и здесь он не рассматривается.
  • Устройство управления — микроконтроллер. Исходя из представленного на рынке оборудования и не имея цели рекламировать какую-либо фирму-производителя, просто озвучим набор требований к нему: ядро С51; тактовая частота — порядка 1 мГц; наличие встроенных таймеров; 3 канала АЦП; несколько дополнительных портов ввода/ вывода. Желательно наличие EEPROM.
  • Ключевой элемент — возьмем быстродействующее электромеханическое реле со схемой контроля КЗ и защиты от него. Оно устойчиво к кратковременным КЗ, имеет большую нагрузочную способность, не дает падений напряжения.
  • ППЗУ — программируемое постоянное запоминающее устройство. Требуется для хранения значений порогов реагирования на звук, свет, движение, а также прочей служебной информации (к примеру, мы можем корректировать длительность времени послесвечения в процессе работы СУО).
  • Схема питания — импульсный либо линейный блок питания. Основное требование к нему — обеспечение схемы высокостабильным напряжением и высокий КПД.

Т а б л и ц а . Элементы СУО в порядке убывания их стоимости и энергопотребления


п/п
Относительная стоимость функциональных
узлов СУО (в порядке убывания)
Относительное энергопотребление
функциональных узлов СУО
(от большего к меньшему)
1 Блок питания Ключевой элемент
2 Микроконтроллер Блок питания
3 Ключевой элемент Микроконтроллер
4 Датчик движения ОУ
5 Акустический датчик Датчик движения
6 Оптический датчик Акустический датчик
7 ОУ Оптический датчик

Теперь сконструируем оптимальную СУО, созданную с учетом конкурентоспособности, то есть решающую поставленные перед ней задачи и имеющую минимальную стоимость. Одновременно с этим СУО по-прежнему должна обладать минимальным собственным энергопотреблением. Для этого предварительно оценим, какой блок СУО сколько стоит и сколько он потребляет электроэнергии. Без претензии на объективность расставим элементы СУО в порядке убывания их стоимости и энергопотребления (таблица).

  • Блок питания. Для максимального удешевления сделаем его на основе гасящего резистора, диода и конденсатора. Смиримся с тем, что КПД его будет составлять примерно 2,5%. При собственном токе потребления СУО порядка 1 мА общая потребляемая мощность будет составлять 0,2 Вт.
  • Микроконтроллер. Для снижения стоимости изделия нам придется отказаться от микроконтроллера и возложить его функции на недорогие дискретные логические элементы.
  • Ключевой элемент. Электромагнитное реле стоит достаточно дорого и потребляет большой ток — до 10 мА. Поэтому заменим его на тиристор или на полевой транзистор, для управления которым не требуется практически никакого тока.
  • Датчик движения. Вместе с линзой Френеля они занимают довольно много места и имеют значительную стоимость. Попробуем обойтись без них.
  • Операционный усилитель — в отсутствие микроконтроллера (и, следовательно, АЦП) качество усиления можно несколько занизить, поскольку это уже не имеет большого значения.
  • Оптический датчик — оставляем таким, как есть.
  • Акустический датчик — оставляем таким, как есть.

При этом блок-схема изделия, приведенная на рис. 1, принимает вид, показанный на рис. 3. Алгоритм работы изделия, изображенный на рис. 2, превращается в алгоритм, представленный на рис. 4, — он намного проще предыдущего, но, несмотря на это, также отлично выполняет возложенные на него функции.



Рис. 3. Блок схема оптимальной СУО



Рис. 4. Алгоритм работы оптимальной СУО (общий)

Теперь рассмотрим возможность дальнейшего упрощения (а значит, и удешевления) СУО посредством ее «специализации». Для этого разделим все типы подключаемой к СУО нагрузки на три основные группы — лампы накаливания, люминесцентные лампы, светодиодные лампы. В зависимости от типа нагрузки меняются максимальная коммутируемая мощность ключевого элемента и время проверки внешнего освещения. Рассмотрим каждую из групп по отдельности, выявим положительные и отрицательные стороны применения СУО с лампами из каждой группы.

  1. Лампы накаливания, их потребляемая мощность от 60 Вт и выше, следовательно, применение СУО приносит большую выгоду. Достаточно терпимы к периодическим включениям и выключениям, особенно при их плавном пуске и «поднакале». Однако они иногда перегорают с образованием КЗ. Имеют большой пусковой ток.
  2. Люминесцентные лампы (в том числе «энергосберегающие»), потребление мощности среднее (10–20 Вт). Нетерпимы к периодическим включениям-выключениям, о чем иногда даже пишут на их упаковке. КЗ практически не образуют. Обладают значительной входной емкостью (некоторые — индуктивностью). Аналогично лампам накаливания имеют большой пусковой ток.
  3. Светодиодные лампы, до 20 Вт. Потребляют незначительное количество мощности. Можно периодически включать-выключать, как крайний случай, даже работать на половине периода выпрямленного сетевого напряжения. КЗ практически не образуют. Имеют, скорее, субъективные недостатки, связанные с восприятием создаваемого ими света глазом человека.

Какие же выводы можно сделать из всего вышесказанного? Самых очевидных из них — два.

Во-первых, оптимальная СУО, разработанная нами, обладает практически такими же характеристиками, что и идеальная, но, в отличие от нее, имеет гораздо меньшую стоимость. Во-вторых, для каждого типа нагрузки (ламп) желательно устанавливать свою специализированную СУО. Именно в этом случае мы получим максимальную экономию и удобство при минимальных вложениях (покупной цене СУО). Универсальность же СУО может, в конечном итоге, привести к тому, что СУО просто станет очередной дорогостоящей игрушкой.

Скачать статью в формате pdf  Скачать статью в формате pdf


Другие статьи по данной теме:

Сообщить об ошибке