Автоматический включатель освещения с ИК датчиком - Статьи :: Международный Электротехнический Журнал Электрик
Рубрика

Инженерные решения

Автор : А.Л. Одинец
4989
Автоматический включатель освещения с ИК датчиком

Для экономии электроэнергии и повышения ресурса ламп накаливания предлагается автоматический включатель освещения, построенный на основе фотодатчика, дополнить классическим регулятором яркости, который ограничит напряжение на лампе накаливания в вечерние часы, когда число потребителей уменьшается, и напряжение в сети возрастает.

Среди фотоэлектрических приборов, срабатывающих при пересечении непрозрачным предметом светового луча, по типу используемого фотодатчика, можно выделить три класса. Первый класс приборов использует фотодатчик, работающий в видимой части спектра излучения, и состоит из источника света (часто простой лампы) и фотоприемника с усилителем, нагруженным на исполнительное устройство. Второй класс приборов использует пироэлектрические датчики, которые реагируют только на изменение инфракрасного излучения и, таким образом, являются датчиками движущихся объектов. К недостаткам датчиков такого типа можно отнести то, что они хорошо реагируют на перемещение теплового объекта поперек, с одной стороны фотоприемника на другую, но если объект перемещается вдоль площадок фотоприемника, то датчики на это не реагируют. К третьему классу приборов можно отнести фотодатчики, построенные на основе PIN-фотодиода и работающие с определенной несущей частотой.

Структура устройства

При своей относительной простоте приборам, построенным на базе лампы накаливания и фотоприемника с усилителем, свойственен ряд недостатков: они отличаются низкой экономичностью, имеют значительные габариты, требуют дополнительную оптическую систему, плохо работают при наличии внешней засветки, имеют невысокую надежность и высокую вероятность ложных срабатываний. Кроме того, из-за использования диапазона видимого света такие устройства демаскируют себя, что затрудняет их использование в системах охраны.

Для устранения указанных недостатков в качестве источников используют излучатели, работающие в невидимом инфракрасном диапазоне, которые излучают не непрерывный сигнал, а сигнал сложной формы. В приемниках используются специальные оптические фильтры, отсекающие мешающий сигнал видимого излучения, высокочувствительные PIN-фотоприемники, усилители с АРУ и сложными системами фильтрации. Все эти меры позволяют создавать весьма надежные и эффективные системы контроля, называемые инфракрасными барьерами. На основе такого «барьера» и построен предлагаемый автомат включения освещения.

В качестве фотоприемника используется ИМС интегрального фотоприемника TSOP1736 производства фирмы Vishay. Ее структурная схема показана на рис.1 (см. прикрепленные данные). В качестве приемника оптического излучения в микросхеме использован встроенный высокочувствительный PIN-фотодиод, сигнал с которого поступает на входной усилитель, преобразующий выходной ток фотодиода в напряжение. Преобразованный сигнал поступает на усилитель с АРУ и далее на полосовой фильтр, который выделяет сигналы с рабочей частотой 36 кГц из шумов и помех. Выделенный сигнал поступает на демодулятор, который состоит из детектора и интегратора. Дело в том, что данная микросхема оптимизирована для приема сложного сигнала, представляющего собой короткие пакеты импульсов с рабочей частотой 36 кГц. В паузах между импульсами производится калибровка системы АРУ. Вследствие такого построения, микросхема не реагирует на непрерывную помеху даже на рабочей частоте. Все ее компоненты, включая фотоприемник, защищены от внешних наводок внутренним электрическим экраном и залиты специальной пластмассой. Эта пластмасса является фильтром, отсекающим оптические помехи в видимом диапазоне света. Поэтому ИМС отличается весьма высокой чувствительностью и низкой вероятностью появления ложных сигналов. При этом она имеет малые габариты - 5x10x13 мм и, что весьма важно, низкую стоимость – 0,5 USD.

Схема устройства

На схеме электрической принципиальной (рис.2 см. прикрепленные данные) можно условно выделить пять функциональных блоков: передатчик, приемник, цифровой таймер, регулятор яркости, блок стабилизаторов напряжения.

Передатчик выполнен на микросхемах DD1–DD5, транзисторе VT1 и светодиодах HL1–HL4 и содержит генератор на элементах DD1.1–DD1.3, стабилизированный кварцевым резонатором ZQ1, первый делитель частоты на 111, выполненный на элементах DD2.1, DD2.2, DD3.1, DD3.2, DD1.4, второй делитель частоты на 2080, выполненный на элементах DD4, DD5.1, DD5.3, ключевой транзистор VT1 и светодиоды HL1–HL3, излучающие в ИК части спектра.

Приемник содержит интегральный фотодатчик TSOP1736 с несущей частотой 36 кГц, RS-триггер на элементах DD6.1, DD6.2 и счетчики DD7.1, DD7.2.

Цифровой таймер содержит НЧ генератор на элементах DD8.1–DD8.3 и двоичный счетчик DD9. Визуальный контроль прошедшего времени выдержки осуществляют по линейке светодиодов HL6–HL9.

Регулятор яркости состоит из элементов VT2–VT5, VD13, R24–R33, VS1. Лампу накаливания HL1 включают в диагональ диодного моста VD14–VD17.

Цепи питания цифровой части, ИК светодиодов и фотоприемника разделены. Каждая из этих цепей запитывается от «своего» интегрального стабилизатора DA1, DA2 или DA3. Для облегчения рабочего режима маломощного стабилизатора DA1 в схему введена линейка накопительных конденсаторов большой емкости, ток заряда которых ограничен резистором R20 на уровне 50 мА. Поскольку скважность импульсов ИК излучения с заполнением частотой 36 кГц равна 64 и светодиоды потребляют относительно большой импульсный ток (до 1 А), во время импульса конденсаторы быстро разряжаются, а затем заряжаются в паузе между импульсами до номинального напряжения 5…10 В, задаваемого подстроечным резистором R21. Для гашения большей части сетевого напряжения служат разделительные конденсаторы C14, C20, C21. Для ограничения броска тока в начальный момент времени служит резистор R34.

Работа устройства

На элементах DD1.1, DD1.2 выполнен задающий генератор на частоту 4 МГц, который стабилизирован кварцевым резонатором ZQ1. После инвертирования и усиления элементом DD1.3 импульсы поступают на вход счетчика DD2.1. Элементы DD3.1 и DD3.2 путем подключения к соответствующим выходам счетчиков DD2.1, DD2.2 образуют совместно с элементом DD1.4 коэффициент деления, равный 111. Тактовая частота 36 кГц поступает на счетный вход DD4 и на один из входов элемента DD5.2. Благодаря подключению входов элемента DD5.1 к выходам Q6 и Q12 счетчика DD4, коэффициент деления составляет 2080 и на выходе Q12 (вывод 1) формируются импульсы частотой 17,3 Гц и скважностью 64. Напомним, что скважностью называется отношение периода следования к длительности импульса. Эти импульсы поступают на один из входов элемента DD5.2, на второй вход которого приходит импульсная последовательность с частотой 36 кГц. Эти импульсы, после инвертирования элементом DD5.4, управляют ключевым транзистором VT1.

Как отмечено выше, импульсы скважностью 64 с заполнением частотой 36 кГц излучаются линейкой светодиодов HL1–HL3 и после отражения от непрозрачного предмета возвращаются на фотоприемник TSOP1736. Каждый импульс ИК излучения, принимаемый фотоприемником, приводит к появлению на его выходе импульса отрицательной полярности, который поступает на вход CN (вывод 1) счетчика DD7.1 и на один из входов RS-триггера DD6.1, DD6.2, устанавливая его в условное «единичное» состояние. При этом на выходе DD6.1 формируется уровень лог. «1», соответственно на выходе DD6.2 – уровень лог. «0», который разрешает работу счетчиков DD7.1, DD7.2. Следует заметить, что первый отрицательный импульс с выхода фотоприемника еще не изменит состояния счетчика DD7.1, поскольку на выходе RS-триггера (вывод 4 DD6.2) в начальный момент времени присутствует запрещающий уровень лог. «1». Первый же отрицательный импульс разблокирует RS-триггер и разрешает работу счетчиков DD7.1, DD7.2. Одновременно, счетные импульсы частотой 17,3 Гц с выхода Q12 (вывод 1) счетчика DD4 приходят на вход CP (вывод 10) счетчика DD7.2, который служит для формирования обнуляющего импульса RS-триггера.

Схема, содержащая RS-триггер DD6.1, DD6.2 и счетчики DD7.1, DD7.2, служит как для селекции отраженных ИК импульсов, так и для повышения помехоустойчивости фотоприемника в целом. Для индикации счетных импульсов DD7.1 служит светодиод HL5. Благодаря подключению светодиода к первому разряду счетчика, частота световых импульсов в два раза ниже частоты счетных. Работа схемы селекции счетных импульсов построена на подсчете числа принятых фотоприемником импульсов за интервал времени формирования восьми счетных импульсов на счетном входе CP (вывод 10) счетчика DD7.2. Если за интервал времени формирования восьми счетных импульсов на входе CP (вывод 10) счетчика DD7.2 на вход CN (вывод 1) счетчика DD7.1 поступит четыре отрицательных импульса, то на выходе 4 (вывод 5) последнего сформируется положительный перепад, который после дифференцирования цепью C2R10 и двукратного инвертирования элементами DD6.3 и DD6.4 приведет к обнулению счетчика DD9 и запуску генератора на элементах DD8.1, DD8.2.

Если за период времени формирования восьми импульсов на счетном входе CP (вывод 10) счетчика DD7.2 фотоприемник не успеет сформировать четыре отрицательных импульса, то на выходе 4 (вывод 13) счетчика DD7.2 будет сформирован отрицательный перепад, который после дифференцирования цепочкой C3R11 приведет к обнулению RS-триггера с появлением на выходе элемента DD6.2 уровня лог. «1». Работа счетчиков будет заблокирована до момента появления очередного отрицательного импульса на выходе фотоприемника.

Поскольку в начальный момент времени, при включении питания, на выходе интегрирующей цепочки C4R14 формируется короткий отрицательный импульс, то после инвертирования элементом DD6.4 он также приводит к запуску таймера. Если фотоприемник не регистрирует отраженных ИК импульсов, таймер перейдет в режим ожидания и на выходе Q12 (вывод 1) счетчика DD9 по истечении времени задержки сформируется уровень логической единицы, который заблокирует работу генератора на элементах DD8.1, DD8.2 и после инвертирования элементом DD8.4 приводит к выключению лампы накаливания. Регулятор яркости собран по классической схеме [1] и [2] и никаких особенностей не содержит. Поэтому на рассмотрении его работы подробно останавливаться не будем.

Первый же обнуляющий импульс, приходящий на вход сброса R (вывод 10) счетчика DD9 устанавливает на его выходе Q12 (вывод 1) уровень лог. «0», который разрешает работу генератора на элементах DD8.1, DD8,2 и, после инвертирования элементом DD8.4, включает лампу накаливания. Длительность времени задержки таймера можно изменять подстроечным резистором R13 в пределах от 15 с до 5 мин. Расширить временной интервал можно подбором подстроечного резистора и увеличением емкости конденсатора C5. Если до истечения времени выдержки фотоприемник регистрирует новые ИК импульсы, то таймер обнуляется, и время выдержки продлевается.

Конструкция и детали

Устройство собрано на печатной плате (рис.3 см. прикрепленные данные) размерами 80x130 мм из двустороннего фольгированного стеклотекстолита толщиной 1,5 мм. Все микросхемы серии КР1561 заменимы их аналогами из серии КР1554 или из серии К561, в этом случае за исключением DD7, DD9, выходы которых «нагружены» светодиодами. В устройстве использованы постоянные резисторы типа С2-23-0,125, постоянные конденсаторы типа К10-17, К73-17 (C14, C20, C21) и электролитические типа К50-35. Светодиоды сверхъяркие: красного, желтого и зеленого цветов. Кварцевый резонатор ZQ1 на частоту 4000 кГц. Фотоприемник типа TSOP 1736 с несущей частотой 36 кГц заменим соответствующими аналогами с такой же несущей частотой.

Настройка заключается в установке требуемого выходного напряжения стабилизатора DA1 резистором R21, времени выдержки таймера резистором R13 и яркости лампы накаливания резистором R29. Для указанных на схеме номиналов резисторов R3–R5 и установке выходного напряжения стабилизатора на уровне 5 В максимальная дальность работы на отражение составляет около 2…3 м. Для ее увеличения выходное напряжение DA1 нужно увеличить резистором R21, а также подбором резисторов R3–R5 в сторону уменьшения. Однако при этом чрезмерно уменьшать их не следует, поскольку возрастающая амплитуда пульсаций по цепи питания может вызвать ложные срабатывания фотоприемника.

Литература

  1. Регулируем яркость светильника//Радио. – 1992. – №1. – C.22.
  2. Одинец А.Л. Автомат лестничного освещения//Радиомир. – 2006. – №5. – C.13–16.
Понравилась статья? Расскажите друзьям!
ПОХОЖИЕ СТАТЬИ
comments powered by Disqus