Система управления освещением

Стандарт DALI обеспечивает управление осветительными установками по заранее разработанной программе. Фирма TridonicAtco специально для этой цели создала программу winDIM, версия которой winDIM@net имеется в Интернете. Эта программа позволяет также увязывать в единую систему все службы инженерного обеспечения зданий и осуществлять управление ими с единого централизованного диспетчерского пункта. Еще одно достоинство стандарта DALI – он обеспечивает «обратную связь» в осветительных установках, то есть позволяет получать постоянные сообщения о неисправностях ламп и режимах их работы.

Для работы в СУО luxCONTROL фирмой TridonicAtco производится широкий ассортимент аппаратуры: регулируемые электронные пускорегулирующие аппараты (ЭПРА) для линейных и компактных люминесцентных ламп, электронные трансформаторы для галогенных ламп накаливания, фазовые регуляторы с отсечкой по переднему или заднему фронту для обычных ламп накаливания, конверторы для питания светодиодов.

Наличие управляемых ЭПРА, трансформаторов и конверторов открывает возможности создания светодинамичных установок с использованием цветных люминесцентных ламп или галогенных ламп накаливания и особенно светодиодов.

Все последние разработки фирмы в области регулируемых ЭПРА, электронных трансформаторов и конверторов выпускаются в исполнении «оne4all», то есть допускают регулирование как по стандарту DALI, так и по стандарту DSI, а также прямое управление простыми клавишными выключателями SWITCH и датчиками SMART. Это делает возможным использование в системе luxCONTROL аппаратов, воспринимающих команды в различных цифровых стандартах, и, кроме того, позволяет управлять светильниками с помощью постоянного напряжения (1 – 10 В) или потенциометрами. В связи с этим следует сказать, что в странах Западной Европы, США, Канаде, Японии и ряде других стран наличие двухпроводной сети постоянного тока с напряжением 10 В в административных зданиях является обязательным (система EIB или LONWORKS). По проводам этой сети могут передаваться и цифровые управляющие команды, поэтому создание осветительных установок с СУО там не вызывает дополнительных затрат на прокладку управляющих сетей.

Система luxCONTROL обеспечивает постоянство освещенности на рабочих местах: в зависимости от естественной освещенности, регулируемые электронные аппараты (ПРА, трансформаторы или конверторы), получая сигналы от датчиков, так изменяют световой поток ламп, чтобы суммарная освещенность оставалась постоянной. Кроме этого, работающие в помещении сотрудники могут сами управлять освещенностью на своем рабочем месте с помощью установленных в удобных местах ручных регуляторов или пультов дистанционного управления аналогично тому, как регулируется громкость или переключаются каналы в телевизорах. Электронные ПРА исключают пульсации светового потока люминесцентных ламп, обеспечивают их мягкое, без миганий включение и бесшумную работу светильников. Это делает осветительные установки исключительно комфортными.

Главным достоинством автоматизированных СУО, аналогичных системе luxCONTROL, является то, что они не только повышают комфортность освещения, но и обеспечивают значительную экономию электроэнергии. Это достигается за счет того, что система учитывает естественную освещенность в помещениях, а также за счет отключения светильников при отсутствии в помещении людей (с помощью датчиков присутствия) и в нерабочее время (датчиками времени или заложенной программой). Специалисты подсчитали, что экономия может составлять до 75% от энергии, потребляемой неуправляемой осветительной установкой. В условиях Западной Европы срок окупаемости таких установок в административных зданиях за счет экономии электроэнергии составляет от полутора до трех лет. Но, несмотря на мультифункциональность у выше описанных систем они обладают один недостатком это их цена, что на данный момент в условиях экономического кризиса является существенным.

1.2 Назначение и область применения

Разрабатываемая система управления освещением предназначена для работы в производственных помещениях. Целью работы данного изделия является оптимизация расходов на электроэнергию, а так же бережный режим включения/выключения ламп освещения (функция контроля пересечения нуля) без участия в данном процессе человека. Из выше описанной цели и вытекает область применения данного изделия – это производственные помещения и уличное освещение, а так же может являться элементом более функциональных систем управления освещением.

1.3 Принцип работы

Принцип работы изделия основан на использовании свойств фотоэлемента. Фотоэлементом называется прибор, в котором воздействие лучистой энергии оптического диапазона вызывает изменение его электрических свойств.

Фотоэлементы разделяются на три типа:

1) с внешним фотоэффектом;

2) с внутренним фотоэффектом;

3) с запирающим слоем.

В фотоэлементе с внешним фотоэффектом действие света вызывает выход из поверхностного слоя фотокатода электронов во внешнее пространство – в вакуум или сильно разреженный газ. Внутреннее сопротивление вакуумных фотоэлементов исчисляется сотнями МОм, а газонаполненных – несколькими десятками МОм.

Устройства, использующие внутренний фотоэффект, называются фотосопротивлением или фоторезистором. Фотосопротивление представляет собой стеклянную пластинку, покрытую тонким слоем полупроводникового материала (сернистого свинца, сернистого висмута, сернистого кадмия), на котором расположены токопроводящие электроды.

Сущность внутреннего фотоэффекта сводится к следующему. Известно, что электропроводимость связана с количеством носителей заряда, который имеет тот или иной материал. В полупроводниках количество носителей электрических зарядов может увеличиваться вследствие поглощения энергии извне, в частности под воздействием световой энергии.

Увеличение количества носителей электрических зарядов в материале повышает, его способность проводить электрический ток. В результате этого уменьшается электрическое сопротивление освещаемого материала.

Отличительная особенность фотосопротивлений от фотоэлементов с внешним фотоэффектом заключается в том, что при внешнем фотоэффекте электроны покидают пределы освещенного материала, а при внутреннем фотоэффекте они остаются внутри материала, увеличивая тем самым количество носителей электрических зарядов.

Изменение проводимости в полупроводниках под воздействием света может быть очень большим. В некоторых материалах при переходе от темноты к интенсивному освещению сопротивление уменьшается в десятки раз и, соответственно, изменяется величина тока в цепи фотосопротивлений. Чувствительность их оценивается в мкА при напряжении 1 В и составляет 500 – 3000 мкА/Лм∙В, следовательно, превышает чувствительность фотоэлементов с внешним фотоэффектом. Поэтому в ряде устройств в настоящее время фотосопротивлениями заменены фотоэлементы с внешним фотоэффектом.

Недостатком фотосопротивлений является то, что при их освещении фототок не сразу достигает своего конечного значения, а лишь через некоторое время (инерционность фотоэлемента), то же относится к нелинейной зависимости фототока от силы света, т.е. фототок возрастает медленнее, чем сила света, освещающая фотоэлемент. Кроме того, фототок зависит от температуры среды (1 – 3% на 10°С). Последнее обстоятельство затрудняет применение фотосопротивлений при больших изменениях температуры внешней среды.

Устройство фотоэлементов с фотоэффектом в запирающем слое, носящих название вентильных фотоэлементов, основано на воздействии лучистой энергии на р-n-переход, при котором создается возможность его открытия или же не возможности прохождения фототока.

В разрабатываемом изделии ввиду его установки в отапливаемом помещении и как предполагается небольшом изменении температуры окружающей среды наиболее целесообразно применение фоторезистора. А изменение его сопротивления от изменения освещенности будет отслеживать операционный усилитель, включенный по схеме компаратора, который будет сравнивать опорное напряжение источника питания с напряжением делителя, в который и будет включен фоторезистор.

2 КОНСТРУКТОРСКАЯ ЧАСТЬ

2.1 Разработка структурной схемы

На основе анализа технических требований, с учетом принципа работы устройства, обзора аналогов, разработана структурная схема системы радиоэлектронной охраны. Структурная схема представлена на рисунке 1.

Рисунок 1 – Структурная схема системы управления освещением

Назначение каждого элемента приводиться ниже:

1) Фотоэлемент предназначен для определения изменения светового потока наружного освещения, при увеличении освещённости уменьшается электрическое сопротивление, вследствие увеличения носителей заряда.

2) Компаратор выполняет функцию контроля изменения электрического сопротивления фотоэлемента и при пороговом значении изменяет свое состояние скачкообразно, и тем самым позволяет его использовать совместно с фотоэлементом в качестве фотореле.

3) Вышеописанное фотореле воздействует на ключ, открывая его при недостаточном освещении или закрывая при достаточном.

4) В свою очередь ключ открываясь воздействует вначале на схему задержки сигнала, а по прошествии времени более 30 секунд, на блок управления.

5) Схема задержки изменения сигнала необходима в качестве элемента защиты от ложных срабатываний при случайном освещении или затемнении фотодатчика.

6) Управляющий блок необходим для коммутации внешней цепи питания ламп освещения с бережным режимом включения.

2.2 Выбор элементной базы

При разработке принципиальной электрической схемы необходимо выбрать серию интегральных микросхем, которая наилучшим образом подходит для применения в данной схеме. При выборе серии ИМС для проектируемого устройства немаловажную роль играют электрические параметры (напряжение питания, ток, потребляемый в режиме минимальных и максимальных нагрузок и т.д.). Необходимо применить наиболее экономичные микросхемы для увеличения срока работы от автономного источника питания без его замены или подзарядки. Так же в выборе интегральных микросхем важна помехоустойчивость выбранной серии.

В силу всего вышеизложенного, оптимальной для применения в проектируемом устройстве в качестве компаратора буде применяться операционный усилитель КР140УД608.

В качестве ключа можно использовать транзистор КТ209Л [2], включённый по схеме с общим эмиттером.

А элементом, регистрирующим изменения светового потока, можно применить фоторезистор ФР-765 с нижеследующими характеристиками, которые приведены в таблице 1 [3].

Таблица 1 – Характеристики фоторезистора ФР-765