Система управления освещением — идеальная и оптимальная
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.
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.
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.
- 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. - 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. - 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.