Automatische Lichtschalter mit Infrarot- und Akustiksensoren

Die moderne elementare Basis der Elektronik ermöglicht es Ihnen, Geräte zu erstellen, die einfach in der Schaltung sind, aber einen ziemlich breiten Funktionsumfang haben. Früher waren solche Geräte nur für den Einsatz in komplexen und teuren professionellen Systemen verfügbar, und jetzt macht ihre Verwendung unseren Alltag komfortabler und einfacher.

In diesem Artikel wird die Verwendung von Geräten beschrieben Infrarotsensoren. Früher wurden solche Sensoren hauptsächlich in Sicherheitssystemen eingesetzt, heute überrascht niemand mehr die Türen, die sich vor jeder ankommenden Person öffnen, oder die automatische Einbeziehung der Beleuchtung in den Eingang. Und das alles Infrarotsensoren! Oft werden sie pyroelektrische Sensoren genannt.

Pyroelektrischer Sensor. Gerät und Funktionsprinzip

Pyroelektrische Sensoren sind grundsätzlich passiv. Dies bedeutet, dass sie keine elektromagnetischen Signale erzeugen, sondern einfach sind InfrarotempfängerDaher ist es für den Menschen absolut harmlos.

Jeder Artikel ist Infrarotquelleund der menschliche Körper in diesem Sinne ist auch keine Ausnahme. Pyroelektrische Sensoren sind so konzipiert, dass sie nicht auf Infrarotstrahlung selbst, ihren absoluten Wert, sondern auf deren Änderung reagieren. Daher wird selbst eine geringfügige Bewegung eines Objekts, beispielsweise einer Person, von einem solchen Sensor erfasst.

Betrachten Sie als Beispiel den pyroelektrischen Sensor IRA-E710 von Murata. Das Gerät ist in Abbildung 1 dargestellt.

Abbildung 1. Pyroelektrischer Sensor IRA-E710

Die Basis des pyroelektrischen Sensors ist eine infrarotempfindliche Fotozelle, die ein elektrisches Signal erzeugt, das proportional zur Strahlungsmenge ist. Um die Fotozelle an die Schaltung und die anfängliche Signalverstärkung anzupassen, wird ein Feldeffekttransistor verwendet.

Wenn der Sensor nur auf einer Fotozelle aufgebaut ist, wird er nicht nur durch sich bewegende Objekte ausgelöst, sondern auch einfach durch Außentemperatur, Sonnenlicht, Strahler und Temperaturänderungen des Sensors selbst oder vielmehr seines Körpers.

Mit anderen Worten ist die Störfestigkeit eines solchen Sensors zu gering. Um dies zu erhöhen, werden pyroelektrische Sensoren auf der Basis von zwei in entgegengesetzter Richtung enthaltenen Fotozellen hergestellt, wie in der Abbildung gezeigt, wodurch Sie die gerade genannten Faktoren kompensieren können.

Ein solcher Sensor reagiert nur auf Änderungen der Größe der Strahlung, wodurch er als Bewegungsmelder verwendet werden kann. Eine noch größere Zuverlässigkeit beim Betrieb des Sensors bietet ein Lichtfilter, das auf eine Wellenlänge von 5 bis 14 Mikrometern abgestimmt ist. Eine solche Strahlung ist für den menschlichen Körper am charakteristischsten.

Man sollte jedoch nicht denken, dass der Sensor nur die Bewegung erhitzter Objekte aufnimmt. Es gibt immer einen bestimmten Infrarot-Hintergrund im Raum. Wenn Sie also ein Objekt bewegen, auch bei Umgebungstemperatur, ändert sich der allgemeine Hintergrund und der Sensor wird ausgelöst.

Die Nachteile des beschriebenen Sensors können auf die Tatsache zurückgeführt werden, dass er nur für Bewegungen über eine Fotozelle zur anderen empfindlich ist. Wenn Sie sich entlang der Oberflächen beider Fotozellen bewegen, wird das Signal nicht erzeugt. Daher sollten sie bei der Installation solcher Sensoren entsprechend ausgerichtet werden, wie oben erläutert wird.

Um eine solche schädliche Wirkung in besonders kritischen Fällen zu beseitigen, werden sie entwickelt und angewendet. Sensoren basierend auf vier Fotozellen. Zwar sind Sensoren dieses Typs komplexer und teurer, was auch das Schema ihrer Verbindung und Steuerung erschwert.

Für die konventionelle und SMD-Montage (Surface Mount) sind Sensoren erhältlich. Ihr Aussehen ist in Abbildung 2 dargestellt.

Abbildung 2. IRA-E710-Sensoren. Aussehen

Die Verwendung von Bewegungssensoren

Ursprünglich Bewegungssensoren beabsichtigt zu schaffen Einbruchmeldeanlagen. Mit der Entwicklung der Elementbasis wurden pyroelektrische Sensoren viel billiger und erschwinglicher, so dass sie für Haushaltszwecke verwendet werden konnten.

Es ist vor allem automatische Einbeziehung der Beleuchtung, Türöffnung sowie Verwaltung von Videoüberwachungssystemen. Durch eine solche Automatisierung können Sie eine erhebliche Menge an Strom oder Wärme im Raum einsparen. Bei Verwendung in Videoüberwachungssystemen wird Speicherplatz auf den Festplatten des Computers gespart, der den Betrieb des Videosystems steuert.

Der Algorithmus des automatischen Lichtschalters

Wenn das Licht automatisch eingeschaltet wird, z. B. im Eingangsbereich, wenn eine Person im Sichtfeld des Geräts erscheint, sollte sich die Beleuchtung einschalten und nach einiger Zeit ausschalten. Während sich eine Person im Sichtfeld des Geräts befindet, sollte die Beleuchtung nicht ausgeschaltet werden, die Verschlusszeit erhöht sich. Bei Tageslicht sollte die automatische Einbeziehung von Licht nicht erfolgen.

Scheinwerfer mit einem Bewegungssensor für die Installation im Freien funktionieren ebenfalls präzise: Beleuchtung der Tore und des Hofs in der Nähe des Hauses, Treppen am Eingang zum Geschäft und in anderen Fällen. Solche Scheinwerfer sind in Verbindung mit einem Bewegungssensor erhältlich, oder der Bewegungssensor kann separat sein.

Einer von automatische Lichtsteuerkreise in Abbildung 3 gezeigt.

Abbildung 3. Beleuchtungssteuerungsschema eines Bewegungssensors (Klicken Sie auf das Bild, um das Schema in einem größeren Format anzuzeigen)

Beschreibung der Schaltung

Als Empfänger von Infrarotstrahlung in der verwendeten Schaltung pyroelektrischer Sensor PIR1. Vor seinen Fotozellen ist ein Modulationsgitter aus schmalen undurchsichtigen und transparenten Streifen installiert, das sich horizontal befindet. Daher stellt sich heraus, dass für einen Fotodetektor ein Objekt, das sich über die Bänder des Modulationsgitters bewegt, entweder offen oder geschlossen ist, was das Auftreten einer Wechselspannung am Ausgang des Sensors verursacht.

Das Vorstehende ist in 4 dargestellt, die die korrekte Position des Sensors zeigt. Die Größe des vom Gerät erfassten Objekts wird durch die Bandbreite des Modulationsgitters bestimmt. Durch Ändern der Bandbreite können Sie die Empfindlichkeit des gesamten Geräts anpassen. Die Breite des Bereichs des Geräts kann durch Ändern der Größe des Fenstermodulationsgitters angepasst werden.

Abbildung 4. Installationsdiagramm des Bewegungssensors

Die Leistung des internen Verstärkers des PIR1-Sensors wird über den Filter R1C1 an seinen Ausgang 1 geliefert. Das Ausgangssignal des Sensors wird von Pin 2 entfernt und dem nicht invertierenden Eingang des Operationsverstärkers 1 des DA1-LM324-Chips zugeführt. Dieser Chip besteht aus vier voneinander unabhängigen Operationsverstärkern (Operationsverstärkern). Das einzige, was sie verbindet, sind die gemeinsamen Machtschlussfolgerungen und der Fall.

Bei OS1 ist ein Verstärker mit einer Verstärkung von ca. 150 montiert, an den der PIR1-Sensor direkt angeschlossen ist. Wenn sich im Sensorabdeckungsbereich keine Bewegung befindet, liegt am Ausgang von ОУ1 ein konstanter Spannungspegel vor, etwa die Hälfte der Spannung der Stromquelle.

Wenn ein sich bewegendes Objekt im Sichtfeld des Sensors an Klemme 2 erfasst wird, erscheint eine Wechselspannung, die von OS1 verstärkt wird. Am Ausgang von OS1 erscheint eine variable Komponente, die über einen Kondensator C2 der nächsten an OS2 durchgeführten Verstärkungsstufe mit einer Verstärkung von ungefähr 100 zugeführt wird.

Nach diesen Stufen kommt das auf den erforderlichen Pegel verstärkte Signal an an den Eingang des Komparators an OU3 - Pin 10 des DA1-Chips. Der Ansprechpegel des Komparators wird durch den Wert der Widerstände R8, R11, R20 bestimmt. Im Ausgangszustand ist die Ausgangsspannung des Komparators niedrig.

Wenn am Ausgang von ОУ2 - Ausgang 14 - Rechteckimpulse auftreten, die den angegebenen Betriebspegel überschreiten, erscheint am Ausgang des Komparators ОУ3 - Ausgang 8 - genauer gesagt auch ein Hochspannungspegel, der den Kondensator C7 auflädt. Die VD5-Diode verhindert die Entladung dieses Kondensators über den Ausgang des Komparators, wenn dieser niedrig ist. Daher kann der Kondensator nur über die seriellen Schaltungen R14 und R22 entladen werden. Mit einem variablen Widerstand R22 kann die Entladezeit innerhalb von 5 Sekunden ... 5 Minuten eingestellt werden.

Die am Kondensator C7 akkumulierte Spannung wird dem nichtinvertierenden Eingang des zweiten Komparators am OS4 zugeführt, dessen Antwortpegel durch den Teiler R9, R13 eingestellt wird. Das Ausgangssignal dieses Komparators wird der Basis des Transistors VT1 zugeführt, der mit Triac VD2 verbindet die Last.

Die Reaktionszeit des Komparators am OS4 wird durch die Ladezeit des Kondensators C7 bestimmt, die sich mit der Reaktionszeit des Sensors erhöht: Bis die Bewegung im Sichtfeld des Geräts gestoppt ist, wird der Kondensator C7 wieder aufgeladen. Während sich jemand im Raum bewegt, kann die Beleuchtung nicht garantiert ausgeschaltet werden.

Damit sich die Beleuchtung bei Tageslicht nicht einschaltet, enthält das Gerät einen Lichtsensor einer VD7-Fotodiode vom Typ FD263, der in die entgegengesetzte Richtung eingeschaltet wird. Betriebsarten werden durch die Teiler R15, R23 eingestellt.

Die Spannung vom Motor des variablen Widerstands R23 wird der Basis des Transistors VT2 zugeführt. Während die dunkle Fotodiode im Raum geschlossen ist und die Spannung an der Basis des Transistors VT2 hoch ist, ist sie geschlossen und beeinflusst den Betrieb der Schaltung nicht.

Mit zunehmender Beleuchtung öffnet sich die Fotodiode und die Spannung an der Basis von VT2 fällt ab, was zu ihrer Öffnung führt. Ein offener Transistor über eine VD9-Diode leitet das Signal vom Ausgang des Operationsverstärkers 2 zum Eingang des Komparators am Operationsverstärker 3. Daher lädt sich der Kondensator C7 nicht auf und die Beleuchtung wird auch nicht eingeschaltet.

Um zu verhindern, dass der Tageslichtsensor das Tageslicht einschaltet, wird sein Betrieb über die VD8-Diode blockiert, die an den Ausgang des Komparators an OU4 angeschlossen ist. Der Kondensator C10 verzögert das Einschalten des Umgebungslichtsensors beim Einschalten der Lampe und verhindert so Fehlalarme des Sensors.

Die Leistung des Geräts ist transformatorlos. Über den Löschkondensator C9 wird die Netzspannung einem Gleichrichter zugeführt, der an den Dioden VD4 und VD6 hergestellt ist. Die Welligkeit der gleichgerichteten Spannung wird durch den Kondensator C8 geglättet, und die Spannung wird durch die Zenerdiode VD3 auf 16 V stabilisiert. Diese Spannung wird verwendet, um die Schlüsselstufe am Transistor VT1 zu versorgen, die den Betrieb des Leistungsschalters am Triac VD2 steuert.

An den Elementen R2, C3 und VD1 ist ein parametrischer 9,1-V-Spannungsregler angebracht, mit dem alle Knoten des Geräts mit Strom versorgt werden: ein PIR-Sensor, eine DA1-Mikroschaltung und Tageslicht-Fotosensor am Transistor VT2.

Die beschriebene Schaltung wird als Kit von Master Kit hergestellt. Das Kit enthält alle erforderlichen Funkkomponenten, eine fertige Leiterplatte und ein Gehäuse für die Montage des Geräts (siehe Abbildung 5). Das Kit enthält auch Anweisungen für die Montage und Einrichtung des Geräts.

Obwohl die Schaltung im Allgemeinen als einfach angesehen wird und bei fehlerfreier Montage aus zu wartenden Teilen sofort funktionieren sollte, möchte ich darauf hinweisen, dass sie über eine transformatorlose Leistung verfügt. Daher sollten Sie bei der Montage und Inbetriebnahme äußerst vorsichtig sein, die Sicherheitsbestimmungen einhalten und noch besser einen Trenntransformator verwenden.

Abbildung 5. Gehäuse aus dem Master Kit-Kit

Die Schaltung geht in anderthalb bis zwei Minuten nach dem Einschalten vollständig in den Betriebsmodus über. Daher sollten alle Einstellungen nach Ablauf dieser Zeit vorgenommen werden. Die Einstellungen sind einfach und werden durch den Widerstand R22 auf die Einstellung der erforderlichen Verzögerungszeit reduziert, und mit Hilfe des Widerstands R23 wird die Schwelle des Lichtsensors ausgewählt.

Die Schwelle des Bewegungssensors selbst wird durch den Wert des Widerstands R11 bestimmt.Wenn eine Erhöhung der Empfindlichkeit erforderlich ist, kann ihr Wert etwas verringert werden. Dementsprechend müssen Sie bei einer großen Anzahl von Fehlalarmen den Wert in Richtung der Erhöhung ändern.

Fig. 6 zeigt ein weiteres Diagramm eines Infrarot-Bewegungssensors, das der in Fig. 3 gezeigten Schaltung sehr ähnlich ist.

Abbildung 6. Infrarot-Bewegungssensor. Option 2 (zum Vergrößern auf das Bild klicken)

Ein ähnliches Schema ist mit einem Suchscheinwerfer mit einer Halogenlampe in Form eines einzigen Geräts ausgestattet und wird in der Regel an den Eingängen privater Haushalte installiert. Ihr Zweck ist es, das Licht im Hof ​​einzuschalten, wenn die Eigentümer des Hauses ankommen, und die Eigentümer zusätzlich vor dem Eindringen von Gästen, einschließlich ungebetener Gäste, in das Gebiet zu warnen. Das Schema selbst ist dem vorherigen sehr ähnlich und führt dieselben Funktionen aus, sodass eine detaillierte Beschreibung nicht erforderlich ist. Lassen Sie uns nur auf einzelne Knoten eingehen.

Als Infrarotsensor wird ein PIR D203C-Fototransistor verwendet, dessen Signal dem DA1-Chip wie in der vorherigen Schaltung zugeführt wird. Die Empfindlichkeit des Sensors wird durch einen variablen Widerstand VR3 eingestellt. Der Lichtsensor ist auf einem CDS-Fotowiderstand aufgebaut, der durch den Tageslichttransistor VT2 den Betrieb des Transistors VT1 blockiert, der ein Laststeuerrelais enthält. Daher erfolgt tagsüber keine Aufnahme des Suchscheinwerfers.

Wie die vorherige enthält die Schaltung eine Zeitverzögerung, die am Kondensator C14 durchgeführt wird, dessen Entladungszeit durch einen variablen Widerstand VR1 geregelt wird. Die Zeiteinstellgrenzen sind direkt im Diagramm angegeben.

Ein Halogenscheinwerfer mit Bewegungssensor ist für die Installation auf der Straße vorgesehen, sodass neben Menschen auch Katzen, Hunde oder andere kleine Tiere in den Sensorabdeckungsbereich fallen können. Dies kann zu einer falschen Auslösung der Sensoren und zum Einschluss von Licht führen.

Zum Schutz vor solchen Fehlalarmen wird empfohlen, vor dem Sensor einen Schutzschirm anzubringen, der den Sichtbereich des Geräts von unten etwas einschränkt: Es reicht völlig aus, nicht das gesamte Tor, sondern nur die obere Hälfte zu sehen, um die Person zu unterscheiden, die gekommen ist.

Bei komplexeren Bewegungssensoren wird dieses Problem durch gelöst integrierter Mikrocontroller, die durchaus in der Lage ist, die Größe eines Objekts zu bestimmen: eine Maschine, eine Person oder eine Maus. Natürlich sind solche Sensoren teurer.

Automatische Lichtschalter mit akustischen Sensoren

Für Lichtsteuerung In den Eingängen von Mehrfamilienhäusern werden auch verwendet optische akustische Schalter. Die Schalter enthalten ein Mikrofon, einen optischen Sensor und ein Ausgabeschlüsselgerät.

Die Funktionsweise solcher Schalter ist die gleiche wie bei Infrarot: Tagsüber wird das Mikrofon durch einen optischen Sensor ausgeschaltet, und im Dunkeln wird die Beleuchtung auch bei unbedeutenden Geräuschen im Eingang eingeschaltet. Die Belichtungszeit beträgt ca. 1 Minute, danach erlischt das Licht.

Mit dem neuen Auftreten von Geräuschen wiederholt sich der Zyklus. Die Mikrofonempfindlichkeit ist so bemessen, dass Schall in einer Entfernung von bis zu 5 m aufgenommen wird, was für die Zugangsbedingungen völlig ausreicht. Natürlich kann ein solcher Sensor nicht auf der Straße verwendet werden, da das Licht bei jedem Geräusch eingeschaltet wird, beispielsweise bei einem vorbeifahrenden Auto.

Strukturell sind optisch-akustische Schalter in zwei Versionen erhältlich: entweder als separate Einheit an Wand oder Decke oder in Leuchten verschiedener Bauart eingebaut. Solche Schalter sind in den 7 bzw. 8 gezeigt.

Abbildung 7. Optisch-akustischer Energiesparschalter EV-05

Abbildung 8. Die EVS-01-Lampe mit integriertem optisch-akustischen Schalter

Der Preis für solche Schalter ist in der Regel geringer als für Schalter mit Infrarotsensor, daher können sie für den Einsatz in Wohngebäuden und kommunalen Diensten empfohlen werden, obwohl dies die Installation von Infrarotsensoren nicht ausschließt.

Lesen Sie auch:Auswählen, Konfigurieren und Anschließen eines Fotorelais für die Außen- oder Innenbeleuchtung