3.5.1. Электронные «умные» выключатели освещения. Сегодня очень популярны выключатели света, конструктивно совмещенные с микроволновым сенсором; их устанавливают вместо обычных клавишных выключателей практически везде – от жилых комнат до подсобных помещений и внешнего уличного освещения. Датчики движения, установленные вне дома, позволяют не только выявлять движение на обширной зоне садово-паркового участка или помещения (причем контроль по вертикали исключает возможность «подкрадывания» злоумышленника под датчиком), но и включать свет и отключать его через некоторое, заданное владельцем, время. Тем самым обеспечивается энергосберегающий режим включения внешних светильников и защита от незамеченного появления нежданных гостей. Датчики движения могут управлять не только световыми приборами, но и электромеханическим приводом или системой сигнализации. В приборах охраны также нередко можно встретить бесконтактные датчики, реагирующие на тепловое излучение; внешне они выглядят как коробочки с выпуклым матовым стеклом, обращенным к зоне охраны. «Матовое стекло» неоднородно, а разграничено на сектора с разным углом наклона и плотности относительно поверхности. Это линзы Френеля. Известный французский изобретатель знаменит тем, что в XIX веке воплотил в жизнь проект оборудования маяков специальными выпуклыми стеклами неоднородного состава. Свет, пропущенный через такие линзы, проникает сквозь туман через многие морские мили. В зависимости от типа применяемой линзы можно получать территорию перекрытия (охраны) датчика вертикальную – типа «занавес», широкую по глубине, сфокусированную или размытую. Когда в зоне защиты появляется излучатель тепла – человек или животное, изменение теплового излучения в инфракрасном спектре улавливается датчиком, усиливается и управляет оконечным силовым каскадом. Оконечное устройство – реле может управлять сиреной либо любой другой нагрузкой; таков автоматический выключатель освещения, который в активное состояние приводит появление человека в комнате. Пироэлектрический детектор – основа прибора реагирует на изменение инфракрасного (далее – ИК) фона, поэтому недвижимый объект (даже излучающий тепло) не вызывает изменения состояния датчика. В связи с этим в схему введен узел задержки выключения для того, чтобы эффективно использовать прибор, как автоматический выключатель света в комнате. Чувствительность регулируется изменением угла наклона и приближения к линзе самого датчика и электронным способом – регулировкой усиления первого каскада схемы. В схемах охраны такие датчики получили названия «инфракрасных датчиков движения» или «датчиков движения». Инфракрасный датчик – это пироэлектрический детектор (рис. 3.49), состоящий из чувствительных керамических поверхностей, закрытых кварцевым окном, пропускающим только ИК-лучи. Рис. 3.49. Вид на пироэлектрческие детекторы (ИК-детекторы). Рис. 3.50. Пояснение принципа работы электронного устройства с датчиком в виде ИК-детектора. На рис. 3.50 показан принцип работы электронного устройства с датчиком в виде ИК-детектора. В корпусе типа ТО-5 реализован полевой транзистор, усиливающий сигнал с чувствительной поверхности. Как устроен датчик движения. В середине датчика расположены приемники ИК-света – фотоэлементы. Линза Френеля состоит из множества маленьких линз, каждая из которых фокусирует ИК-свет на плоскость фотоэлемента, а одна из них – непосредственно на сам фотоэлемент (сигнал регистрируется). При движении человека через какое-то время фокус линзы уходит с фотоэлемента и сигнал пропадает. Затем уже другая линза фокусирует ИК-излучение от человека на фотоэлемент и сигнал опять появляется. Такое появление-исчезновение-появление сигнала – признак присутствия человека. Каждая линза охватывает свой сегмент. Сигнал пропадает при выходе человека (руки человека) за границы этого сегмента. При перемещении внутри сегмента сигнал не меняется. Из вышесказанного можно сделать несколько логичных выводов. 1. Чем больше таких линз, тем более мелкие перемещения может улавливать датчик. 2. С удалением от датчика размер сегмента увеличивается и с какого-то расстояния все небольшие перемещения, например движение рук, покачивания головы, будут находиться в границах одного сегмента; после этого расстояния датчик присутствия может работать уже только как датчик движения. 3. У датчиков движения сегменты более крупные по сравнению с датчиками присутствия. 4. Датчики движения реагируют на более яркий ИК-свет по сравнению с датчикам присутствия. Особенности выбора мест для установки датчиков движения. На датчик не должен падать прямой свет ламп; это поможет повысить его чувствительность. В зоне обнаружения датчика не должно быть посторонних объектов, ограничивающих обзор датчика, к примеру, подвесных светильников, не должно быть перегородок, даже стеклянных, поскольку ИК-свет сквозь стекло не проходит. Основная характеристика датчика движения – радиус обнаружения. Для датчика присутствия – радиус обнаружения сидящего или стоящего человека и радиус обнаружения идущего человека. Этот радиус должен «дотягивать» до углов помещения, т. е. один датчик контролирует зону (в зависимости от модели и предназначения) от 2 до 6 м. Как вариант, в комнате придется ставить 2–3 датчика. Почти все современные датчики движения (присутствия) на сегодня – это датчики с круговыми или овальными диаграммами обнаружения. Поэтому охватить прямоугольное помещение датчиками с круговыми диаграммами можно только с перехлестом диаграмм. Немецкая компания Theben AG делает датчики присутствия с квадратной зоной обнаружения, что значительно упрощает проектирование; в этом случае датчиков требуется меньше: 4 «квадратных» вместо 7 с круговой диаграммой. Углы помещения надежно перекрываются. Электрическая схема стандартного датчика движения представлена на рис. 3.51. Рис. 3.51. Электрическая схема промышленного датчика движения. Она состоит из популярного в настоящее время инфракрасного датчика BL1, двухкаскадного усилителя и схемы задержки выключения. Кроме того, на одном элементе DА1.3 собрано фотореле, реагирующее на общую освещенность площади перекрытия. Регулируемая задержка выключения необходима автомату для плавного выключения света после возможного резкого выхода человека из помещения. Фотореле также необходимо для того, чтобы свет включался только во время явно недостаточной освещенности комнаты, например, вечером, а не каждый раз, когда входит человек. Оба второстепенные устройства можно без последствий из схемы исключить или модернизировать, незначительно изменив схему с тем, чтобы, к примеру, скорректировать время задержки выключения в более широких пределах. Если оставить только датчик движения, то элементы DA1.1, DA1.4, R18, R19, R20, фоторезистор R2, R6, R7, R8, R1, R3, R9, R12, R21, C8 из схемы нужно исключить; между выводами 1 и 3 DA1.3 включить компенсационную цепь обратной связи, аналогичную С5R14 в первом каскаде. Ограничительный резистор R22 в таком варианте подключают к точке соединения катодов диодов VD1 и VD2. Датчик (в авторском варианте) без сбоев работает на кухне, в режиме «24 часа» уже более года, обеспечивая управление освещением. Самая дорогостоящая деталь схемы – сам датчик – пироэлектрический детектор, который пришлось взять из схем охраны, его тип RE46. Однако стоимость его стала невелика из-за массового производства датчиков движения несколько лет назад, а эффективность предлагаемой схемы превосходит на практике распространенные среди радиолюбителей устройства, типа емкостных, индуктивных датчиков и инфракрасных барьеров. Схема работает следующим образом. Быстрое изменение теплового поля в зоне активности датчика приводит к небольшим до 50 мВ скачкам напряжения на выходе детектора. Этот сигнал усиливается первым каскадом на полосовом усилителе DA1.2. Сигнал подается на неинвертирующий вход элемента ОУ DA1.2 с той же полярностью. В составе микросхемы DA1 КР1401УД2А имеется четыре независимых однотипных операционных усилителя, объединенных по питанию и реализованных на КМОП полевых транзисторах. Следующий усилительный каскад собран на втором ОУ. Конденсатор С1 ослабляет помехи, вызываемые искусственным освещением, когда свет уже зажжен. Если увеличить его емкость, усилится помехоподавление, но снизится чувствительность – медленные во времени перемещения останутся без реакции прибора, что недопустимо. Чувствительность датчика можно незначительно изменить резистором R5, R4 и конденсатором С2. Делитель напряжения, выполненный на резисторах R10, R11, R15 и R17, задает смещение около 8 В на ОУ, примерно 2/3Uпит. На компараторе DA1.1 собрано фотореле, порог срабатывания которого регулируется подстроечным резистором R7. Фоторезистор чувствительной поверхностью должен быть закреплен на раме и должен быть обращен к окну. При затемненности фоторезистора R2 (типа СФ3-1) на выходе ОУ DA1.1 присутствует положительный потенциал, корректирующий режим усиления второго каскада. Конденсатор С4 не пропускает постоянную составляющую двух каскадов усиления, а конденсатор С3 стабилизирует напряжение смещения DA1.2. Коэффициент усиления первых двух ОУ регулируется резистором R16. На элементе DA1.4 реализовано реле времени, запускаемое выпрямленным диодами VD1 и VD2 положительным сигналом, приходящим с выхода DA1.3. Время задержки выключения зависит от номиналов элементов С8R18R19 и может достигать десятков минут. Чем больше время задержки, тем меньше точность временного интервала. Цепь R18R19 при нахождении оптимальной задержки, разумно заменить на один постоянный резистор. С выхода DA1.4 импульс включения поступает на транзисторный ключ, который управляет реле К1. Реле своими контактами на замыкание включает лампу освещения кухни. Слаботочное электромагнитное реле К1 – любое маломощное, на напряжение срабатывания 10–12 В и коммутируемый ток до 2 А, например, автомобильное реле на 12 В позиция 3747.06 в каталоге ВАЗ 2106. Все постоянные резисторы типа МЛТ-0,125. Оксидные конденсаторы К50-12. Остальные конденсаторы типа КМ, Н70. Переменные резисторы – СП5-1ВБ. Частая регулировка устройства не нужна, поэтому они «прячутся» на монтажной плате. Транзистор VТ1 можно заменить на КТ815 с индексами (А – Г), КТ817 с индексами (А – Б), КТ940А – КТ940Б. Реле К1 можно заменить на РЭС 10, РЭС 15, РЭС 48А, а также на реле зарубежного производства, например фирмы Pasi, на рабочее напряжение 12 В и коммутируемый ток 3 А, типа BV2091-112DM. Схема источника питания для датчика движения показана на рис. 3.52. Полезный ток этого устройства составляет 100 мА. Рис. 3.52. Электрическая схема источника питания. На рис. 3.53 представлен еще один вариант первого каскада электрической схемы датчика движения с использованием пироэлектрического датчика – детектора RE46 (и аналогичных), а также показана цоколевка выводов пироэлектрического детектора RE46. Рис. 3.53. Электрическая схема усилителя сигналов к датчику движения и цоколевка выводов пироэлектрического датчика RE46. Эта схема с использованием операционного усилителя позволяет применять датчик, как составную часть более сложных конструкций, к примеру, охранных систем. Элементы схемы крепятся на монтажной плате и закрываются пластмассовым корпусом. При монтаже необходимо быть осторожным. Паять пироэлектрические датчики нужно аккуратно, желательно с антистатическим заземленным браслетом, не перегревая выводов датчика – пайка каждого вывода должна быть не более 1 сек. Перегрев может вывести прибор из строя или ухудшить характеристику чувствительности. Линза Френеля СЕ12 представлена на рис. 3.54. Пироэлектрический датчик (на схеме рис. 3.51 он обозначен BL1) чувствительной стороной должен быть обращен к контролируемой зоне и расположен на расстоянии 1,7–2,5 см от поверхности линзы Френеля. Инфракрасный датчик марки Steinel с сегментированной линзой Френеля контролирует полукруг радиусом до 12 м, датчик с полусферической мультилинзой – площадь 450 м² в диапазоне 360°. Рис. 3.54. Неоднородный материал линзы Френеля. Регулируются время включения, на протяжении которого еще будет гореть свет, когда «тепловой» объект покинет зону охвата датчика – от 10 сек до 15 мин, сумеречный порог, т. е. уровень освещенности, при котором будет включаться свет. Номинальная мощность нагрузки 500, 600, 1000, 1200 Вт. Степень защиты IP54, работают при температуре от –20 °C до +50 °C. Инфракрасные датчики фирмы DUWI (производства Германии) имеют аналогичное назначение и относятся к бизнес-классу по соотношению цена – качество. Дальность действия встраиваемого 500-ваттного прибора (С8003) – 10 м, действия в горизонтальной плоскости 120°, задержка времени от 3 сек до 12 мин. Мощность датчиков для внешнего монтажа 1000, 1200, 3000 Вт, радиус контроля 12 м. Угол охвата – 110, 180, 240°; определяется конструкцией. Мощный датчик, который коммутирует нагрузку в сети 220 В мощностью до 3000 Вт, контролирует сектор 240° с дальностью 16 м. Задержка времени от 5 сек до 12 мин. Степень защиты от IP44 до IP66. Сравнимы с ними по эксплуатационным характеристикам сенсоры фирмы Massive, Бельгия (С8011–С8012), KOPP, Германия (C8021–C8023, C8031–C8034), Globo, Австрия (С8016). Датчики движения с радиоканалом производства Legrand работают с радиоинтерфейсом (С8042), который по радиоканалу принимает команду и транслирует ее в сеть электропитания. Зона управления электроприбора от 12 м и 90° до 16 м и 180°. Дальность передачи радиосигнала до 200 м. Датчик движения С8047 фирмы АВВ коммутирует нагрузку мощностью до 3680 Вт, охватывает зону 16 м и 200° с контролем на уровне земли и с тыльной стороны ±30°; зона и порог чувствительности регулируются дистанционно с помощью ИК-пульта. Датчик Presence Light360 коммутирует нагрузку 1200 Вт, имеет класс защиты IP54 от немецкой компании Theben (С8052), с необычным дизайном, встраивается в потолок и контролирует зону 8×8 м. Имеет автоматическую оптимизацию задержки освещения (от 10 сек до 20 мин), дистанционное управление и дистанционную настройку датчиков с помощью ИК-пульта. Внешний вид Presence Light360 представлен на рис. 3.55. Электрическая схема подключения датчика движения (любой модели) представлена на рис. 3.56. Рис. 3.55. Внешний вид датчика Presence Light360. Рис. 3.56. Электрическая схема подключения датчика движения (любой модели).