Автоматические выключатели для энергосбережения.

Автоматические выключатели в энергосбережении.

Электрическая энергия, как наиболее удобная и экологичная форма энергии, не имеет альтернативы, и её применение будет постоянно увеличиваться. Но увеличение мощностей электростанций связано с одной стороны  с увеличением выбросов вредных веществ в атмосферу (тепловые электростанции), с другой – увеличением технологической сложности и безопасности (нетрадиционные источники энергии и атомные электростанции), что приводит к удорожанию электроэнергии. Поэтому необходимость экономно  пользоваться электроэнергией, сейчас очень актуальна.

Существует множество технических возможностей  экономии электроэнергии: уменьшение энергоёмкости технологических процессов, увеличение КПД электрических машин и преобразователей энергии, использование энергосберегающих источников света, рациональное использование энергетических ресурсов и многое другое.

        К сожалению, часто приходится наблюдать, как при дневном освещении включены уличные фонари, в производственных, офисных и бытовых помещениях, на лестничных площадках и коридорах без надобности включено освещение, причём часто используются мощные галогеновые лампы, и драгоценная энергия тратится совсем напрасно. Нельзя ли придумать устройства, которые бы включали освещение только в присутствии человека и отключали, когда рядом никого нет? Или придумать  автоматические выключатели, которые сами выключают освещение при закрытии двери или через заданный интервал времени?

        Такие устройства существуют. Вспомним, как автоматически открываются двери в торговых центрах при приближении человека. Это срабатывают датчики движения или датчики объёма. Их работа основана на  эффекте Доплера (ультразвуковые и радиолокационные), разности температур окружающей среды и объекта (инфракрасные),

распознавании движения на изображении (оптические).

        Наиболее распространены, благодаря невысокой стоимости и универсальности применения, инфракрасные датчики движения. Их повсеместно применяют  в охранно - пожарной сигнализации. Практически во всех учреждениях, школах, больницах, гостиницах, магазинах, офисах и даже квартирах, можно увидеть на стене белую или цвета слоновой кости коробочку (Рис.1) с панорамным экранчиком и  глазком светодиода, который начинает светиться при движении или даже при взмахе рукой. Это и есть инфракрасный (ИК) датчик движения.

          Рис.1

Конечно, в продаже имеются светильники со встроенным датчиком движения  или реле времени, но гораздо интереснее (да и дешевле) придумать самому  простую и действующую схему для школы, дома или дачи.

С этой целью и были задуманы, разработаны и изготовлены несколько автоматических выключателей освещения. Главным критерием разработки выбраны минимальная  стоимость устройства, доступность элементной базы  и простота конструкции. Три разновидности этих выключателей представлены ниже.

На датчике движения.

В качестве датчика движения используется готовый инфракрасный датчик, реализованный на сегментной линзе Френеля и пирометре. Такие датчики (рис.1) часто используются в охранной и пожарной сигнализации. Можно использовать датчик типа   HC-SR501 (DYP-VT0031), который легко и недорого можно приобрести на широко известном всемирном  торговом центре «Али-экспресс» (рис.2).

Сам датчик требует доработки. В нём нет силовых цепей.  В схему включения датчика необходимо добавить реле для включения нагрузки или тиристор (симистор) (рис.3).

Выключатель срабатывает на движение тёплого объекта или предмета  (человека, животного, фонаря, зажжённой сигареты, открытого пламени) на фоне статического теплового фона окружающего пространства. После срабатывания, через заданный интервал времени, происходит выключение.

Если движение прекратилось (человек остановился и находится в неподвижном положении), датчик возвращается в исходное положение, и свет погаснет. Чтобы этого не происходило (частое включение - выключение света неприятно для зрения), нужно ввести задержку выключения, желательно регулируемую, в диапазоне 1-7 минут.  Для  этого в схему добавляют реле времени (таймер), выполненное на широко распространённой микросхеме К561ЛА7 см. рис 4.

Диапазон изменения  задержки выключения  при представленных параметрах R4 и C1 – от 1 до 30 мин.  

В представленном варианте использован отдельный стабилизированный блок питания на интегральном стабилизаторе 8512 (КР142ЕН8В). Выходное напряжение  - 12 вольт. Другой вариант схемы предусматривает непосредственное включение в сеть переменного напряжения 220 В  (рис.5)

                                Принцип работы:

        Контакт датчика, нормально замкнутый в обычном состоянии, через резистор R1 подаёт  напряжение высокого уровня на  вход 1 элемента  «И-НЕ» DD1.1, на входе 2 этого элемента при включении формируется лог. 1,  а на выходе 3 – лог.0, который подаётся на вход 5 элемента DD1.2.  Тогда на выходе 4 элемента лог.1. Элементы DD1.1 и DD1.2 образуют RS-триггер, состояние которого устойчиво и может меняться только подачей лог.1 на соответствующий вход 6 элемента DD1.2.  На выходе 1 элемента  DD1.3 при этом лог. 0. Транзистор  VT 1, который управляет реле К1,  закрыт, контакты реле разомкнуты. Конденсатор С1 через диод VD1 и открытый выход элемента DD1.4, разряжен, на входе 6  DD1.2 -  лог.0. Таким образом, триггер находится в устойчивом состоянии,  в режиме ожидания. При возникновении движения в зоне контроля датчика, контакт датчика разрывается, напряжение на  выводе 1 DD1.1 становится низким (лог. 0), а на выходе 3 – соответственно – лог.1, которая  подаётся на вход 5 элемента DD1.2. Состояние триггера меняется, на выходе элемента  DD1.3 появляется лог.1, которая отпирает транзистор VT 1 и включает реле. Освещение включается. Если после этого контакты датчика замкнутся, переключения триггера не произойдёт, т.к. для этого требуется подать лог.1 на вход 6 .  На этом входе  установлен конденсатор, который при появлении лог.1 на выходе 11 элемента  DD1.4 начинает заряжаться через цепь R3-R4. Время заряда зависит от суммы сопротивлений резисторов и ёмкости конденсаторов и составляет 1-30 мин. После заряда конденсатора до напряжения лог.1 происходит переключение триггера в другое состояние, при котором транзистор закрывается, и освещение выключается. Конденсатор С1 разряжается до уровня лог. 0 через диод VD1, таким образом фиксируя новое состояние триггера. Таймер вновь ожидает срабатывания датчика движения. Описываемое устройство можно использовать не только для включения освещения, но и в охранных целях, например включая скрытую камеру видеонаблюдения и запись изображения.  Можно также направить автоматически  сообщение в органы правопорядка о нарушении охраны. Кроме того, неожиданное включение освещения в неподходящий для злоумышленника момент, будет для него неприятным сюрпризом, и поможет точно указать местонахождение преступника.

                Демонстратор представленного устройства использует готовый датчик движения “Pironix  COLT XS”, подключенный к таймеру. Питание датчика обеспечено через блок питания таймера, который выполнен по обычной трансформаторной схеме со стабилизатором напряжения на 12 В. Корпус демонстратора выполнен из черного пластика АБС и предназначен для установки на стену. На демонстраторе установлена клемма для вилки сетевого устройства включения освещения.

                На реле времени.

        Выключатель сконструирован для использования в цепи обычной лампы освещения, и применения в качестве осветителя лампы накаливания мощностью до 500 ВА или  энергосберегающего светодиодного или люминесцентного источника света.

        Включение источника света производится обычным выключателем. Через заданный интервал времени (40-180сек), лампа выключается. Для следующего включения нужно выключить и включить выключатель снова.

Принципиальная схема выключателя показана на рис.6.

Принцип работы:

При включении цепи переменное напряжение 220 В через гасящий конденсатор С1 и резистор R1  подаётся на выпрямитель  VD 1- VD 4 и параметрический стабилизатор VD7, где обрезается до напряжения 16-18 В. Через резистор   R2  и R 3 полуволна напряжения подаётся на конденсатор С2 и отпирает  динистор (диак) VS2. Конденсатор разряжается через диак, импульсный трансформатор и управляющий электрод симистора VS2. Симистор отпирается на полпериода положительной и отрицательной фазы напряжения  и замыкает цепь источника света. Транзистор VT4 при включении питания закрыт, т.к. конденсатор С3 разряжен, и напряжение на затворе  близко к нулю. Но через цепь VD6 ,R4  начинается заряд конденсатора, и когда напряжение на нём достигает 12 В, транзистор открывается и шунтирует конденсатор С2. Напряжение на нём уменьшается до нуля и симистор запирается. В таком состоянии конденсатор  находится, пока есть напряжение  питания. После выключения питания конденсатор С2 полностью разрядится за (0,3-0,5)с, и после этого можно включить светильник снова.

Длительность зарядки конденсатора С2 зависит от его ёмкости и величины резистора R4, и составляет (10-180) с. Это и есть время задержки выключения осветителя.

Другой вариант  устройства выполнен на тиристоре (рис.7).

Для включения освещения достаточно кратковременно замкнуть контакт SA3. Конденсатор быстро разрядится через R2, и полевой транзисторVT1 откроется, заряжая через R3 конденсатор С1. Напряжение на нём достигнет напряжения отпирания динистора VS2. Динистор отпирается, разряжает конденсатор через управляющий электрод тиристора VS1. Тиристор отпирается на полпериода и таким образом остаётся включенным, пока не зарядится через цепь R6, VD5 иVD6 конденсатор С2. После этого транзистор закроется,  и тиристор будет отпираться слишком поздно, фактически оставаясь запертым весь полпериод напряжения. Для повторного включения освещения надо вновь замкнуть контакт выключателя SA3. Выключатель SA3 можно установить в любом удобном месте, а также сделать самовключение при открывании двери.

          Конструктивно выключатели выполнены в виде переходника между патроном для осветительного прибора размерности Е27 (рис.10). Был использован цоколь и корпус от сгоревшей энергосберегающей люминесцентной лампы.

Электронная схема размещена на круглой печатной плате и помещена внутри корпуса. Установка такого выключателя самая простая: надо просто заменить осветительную лампочку на переходник, а лампу ввернуть в него.

          На автомате чётности (включение через раз)

В некоторых условиях целесообразнее выполнить выключатель, срабатывающий на открывание/закрывание двери (например, вход в санитарно-бытовые помещения). В этом случае первое открытие двери вызывает включение света. Закрытие двери не влияет на состояние выключателя, и последующее открытие выключает освещение.

Устройства подобного типа реализуются на принципе работы счётного триггера - делителя на 2. Принципиальная схема устройства на рис.8.  Здесь используется широкораспространённая микросхема К561ТМ2 – два D-триггера. Эта микросхема в статическом режиме работы потребляет очень малый ток – несколько микроампер - поэтому, выключатель практически не потребляет энергии в отключённом состоянии. Для забывчивых людей можно дополнить схему звуковой сигнализацией.  (Рис.9)  После, допустим, нескольких минут включенного освещения, включится зуммер, который напомнит, что необходимо выключить свет.

Принцип работы:

        При включении питания импульс напряжения через цепь C1R2 подаётся на установочные вход 4 D- триггера DD1.1  и устанавливает выходы 1 13микросхемы в состояние «лог.0» (дежурное). Транзистор (или оптрон) в этом случае заперты, и цепь лампы разомкнута. При открывании двери контакт SA1 замыкается и на входе 6 микросхемы DD1.1 появляется «лог.1», которая переводит первый  триггер в состояние «1». Через цепь R3 начинается заряд конденсатора  C1.  Одновременно с этим триггер 2 тоже переходит в состояние «1», открывая транзистор (оптрон), и включает лампу. Через 1-2 сек  конденсатор С1 зарядится до напряжения 8В и переведёт триггер 1 в дежурное состояние «0».Триггер 2 не изменит своего состояния, и свет останется включённым. В этот промежуток времени состояние выключателя SA1 никак не влияет на состояние триггеров и может быть любым. После перехода триггера 1 в дежурное состояние, он готов к повторному открытию  двери и включению контакта  SA1, который переведет триггер 1 в состояние «1». Поскольку на входе D триггера 2 в тот момент будет «лог.0», это состояние запишется на выходе13 триггера 2, тем самым выключив свет. Через 1-2 сек устройство будет готово к следующему включению света.

        Для звуковой индикации нужно добавить ещё одну микросхему DD2 К561ЛА7. (рис.9) На логических элементах DD1.1DD1.2 собран генератор импульсов частотой 1 – 2 Гц, а на элементах DD2.3 DD2.4 ждущий мультивибратор, формирующий короткие импульсы длительностью 0,1-0,2 сек. Эти импульсы подаются через резистор R13 на базу транзистора VT4,  и он включает источник звука частотой 1000гц. Короткие звуковые импульсы выбраны для более благоприятного восприятия звуковых сигналов.

Время задержки подачи звуковых сигналов реализовано через цепь R12, C8.

После появления «лог.1» на выводе 13 триггера, конденсатор начинает заряжаться, и через 5-6 минут напряжение на нём достигает 8 В. Логический элемент DD2.1 получает разрешение на работу. Вместе с DD2.2 элемент составляет инфразвуковой генератор, вырабатывающий импульсы частотой 1-2 Гц. Через одновибратор на  элементах DD2.3и DD2.4, который укорачивает импульсы до 0,1-0,2сек и транзистор VT4, включается звуковой источник ЕР1.

Конструктивно выключатель выполнен в виде прямоугольной коробочки из пластика АБС белого  цвета (рис.10) В качестве контакта включения SA1 был выбран малогабаритный геркон КГ-1.Он задублирован кнопкой на самом выключателе. Он установлен в косяке двери и подсоединён к выключателю двухпроводным тонким проводом-шлейфом с липким крепящим слоем. Магнит включения взят от игрушки. Он сделан из высоко - коэрцитивного неодимового сплава в виде цилиндра диаметром 6мм и высотой 3мм. Его удобно устанавливать на клей в самой двери напротив геркона, просверлив неглубокое отверстие Ø 6мм в торце двери.

        Устанавливать выключатель целесообразно или около включателя освещения, или непосредственно около лампы, но в любом случае рядом с дверью.

        В заключение необходимо отметить, что схем реализации подобных выключателей может быть очень много. И это даёт широчайшее поле деятельности для творчества и  конструкторской мысли  юных радиолюбителей.

Литература:

1.Википедия.

2. С.А. Бирюков. Цифровые устройства на МОП-интегральных микросхемах. Изд. «Радио и связь» 1999г.

3. И.С. Шило. Популярные  цифровые микросхемы. Изд. «Радио и связь» 1986г.

4. В.А. Зеленский, Б.П. Хромой. Бытовые электронные автоматы – М.:

Изд. «Радио и связь», 1989г.

5. Дж. Ленк. Электронные схемы: Практическое руководство. Перевод с англ.- М.: Изд. «Мир» 1985г.