Схема автоматического управления светодиодным светильником
Однажды ко мне обратился один из посетителей сайта с просьбой помочь создать схему автоматического управления фитосветильником.
Попробовал найти в интернете что-либо подходящее. Ничего подходящего найти не удалось. Так как тема меня заинтересовала то я решил сам заняться разработкой схемы такого устройства.
Прежде чем создавать схему нужно определить какие требования предъявляются к такому устройству.
1. Возможность ручной регулировки уровня освещённости.
2. Поддержание стабильного уровня освещённости независимо от интенсивности дневного света.
И ещё нужно определиться с тем какой диапазон уровня освещённости вам требуется. В разных источниках значение верхнего уровня освещённости несколько отличается. В одних указано 6 000 – 10 000 Люкс, в других 6 000 – 15 000 Люкс. Всё зависит от того, что вы выращиваете.
По поводу второго пункта.
Понятно, что такое устройство предназначено в основном для освещения теплиц. Теплицы имеют стеклянные стены и крышу через которые проникает дневной свет.
Интенсивность дневного света может изменяться в очень широком диапазоне. над теплицей может быть ясное небо и светить яркое солнце, а могут быть плотные тучи и лить проливной дождь или идти снег, может также быть множество промежуточных вариантов. Поэтому яркость светильника должна изменятся так чтобы уровень освещённости в теплице оставался постоянным.
Исходя из этих требований и родилась схема автоматического управления светодиодными фитосветильниками описание которой приводится ниже.
Принцип поддержания постоянного уровня освещённости использован такой же, как и в стабилизаторе напряжения для поддержания стабильного напряжения на выходе, Рис. 1.
Рис. 1
Функциональная схема стабилизатора напряжения.
Здесь:
ИОН – источник опорного напряжения.
УО – усилитель ошибки.
Силовая – силовая схема, обеспечивающая питание нагрузки.
В схеме создана глубокая Отрицательная Обратная Связь (ООС), выход силовой схемы (Uвых) подключен к инвертирующему входу УО.
На не инвертирующий вход подаётся опорное напряжение (Uоп).
Если Uвых и Uоп не совпадают, то на выходе УО формируется напряжение ошибки (Uош).
Uош = (Uвых — Uоп) * Ку
Ку – коэффициент усиления УО.
Uош в качестве управляющего сигнала подаётся на вход силовой схемы. Коэффициент стабилизации зависит от коэффициента усиления по напряжению у УО. Чем выше Ку, тем выше коэффициент стабилизации.
Если ИОН сделать регулируемым, то при изменении величины Uоп будет изменяться и величина Uвых.
Этот же принцип применён и в схеме управления светодиодным светильником, Рис. 2.
Рис. 2
Функционалиная схема управления светильником.
Здесь ООС образуется через световой поток от светильника к фоторезистору (R2). При изменении уровня освещённости изменяется сопротивление фоторезистора, что приводит к изменению падения напряжения на R2. Это напряжение поступает на вход буферного усилителя с Ку = 1. Операционный усилитель, включенный по такой схеме, имеет очень большое входное сопротивление, что обеспечивает отсутствие искажений в работе ООС.
Следующий операционный усилитель выполняет роль усилителя ошибки (УО). Не инвертирующий вход УО подключен к ползунку потенциометра R4 который выполняет роль регулируемого ИОН.
С выхода УО напряжение ошибки в качестве управляющего напряжения (Uупр) подаётся на силовую схему.
Для управления яркостью свечения светодиоды запитаны импульсным напряжением. При достаточно большой частоте следования импульсов благодаря инерционности восприятия частое мигание светильников воспринимается как глазом, так и растениями как сплошной световой поток.
При изменении скважности импульсов (S), будет меняться и яркость свечения.
Скважность определяется по формуле:
S = T / t,
где T – период следования импульсов, t – длительность импульса.
Рис. 3
Чем короче импульсы, тем скважность больше, а световой поток слабее, Рис.3а. Чем длиннее импульсы, тем скважность меньше, а световой поток сильнее, Рис. 3б.
Конструкция системы автоматического управления фитосветильником.
Световой поток в любом случае идёт сверху. Датчик освещённости должен находится внизу и смотреть вверх. Поэтому устройство управления светодиодными светильниками должно состоять из двух частей.
1. Датчик освещённости (фотодатчик). Механически отделён от светильника.
2. Силовая схема. Встроена в корпус светильника.
В результате получились две принципиальные схемы, Рис. 4, 5.
Для создания принципиальных схем и проекта печатной платы использовались программа проектирования печатных плат Altium Designer и комплект Готовых интегрированных библиотек.
Рис. 4
Схема фотодатчика
Рис.
Схема силовая
Схема фотодатчика, Рис. 4.
В схеме фотодатчика можно выделить четыре основных узла.
— Приёмник света – фоторезистор PGM1200-MP (R2).
— Буферный усилитель DA1.1.
— Усилитель ошибки DA1.2.
— Регулируемый источник опорного напряжения (ИОН) – потенциометр R6 (YRV-R1615N или другой).
Конденсатор C1 интегрирует импульсное напряжение, получающееся на фоторезисторе, создаёт ту самую инерционность восприятия. В результате на выходе DA1.1 имеем постоянное напряжение обратно пропорциональное среднему уровню светового потока.
Схема силовая, Рис. 5.
Напряжение управления от фотодатчика в силовой схеме, контрольная точка (4), через резистор R3 подаётся на инвертирующий вход компаратора DA2.1, на не инвертирующий вход подаётся пилообразное напряжение с генератора пилообразного напряжения, контрольная точка (5). На выходе компаратора формируются прямоугольные импульсы, которые через драйвер силовых ключей DA3.1 поступают на затвор силового MOSFET транзистора, контрольная точка (6).
Рассмотрим этот процесс подробнее в режиме, когда дневной свет отсутствует. Вариант зимнего вечера и солнце ушло за горизонт.
В этом случае яркость свечения светильника зависит только от положения ползунка потенциометра R6 задающего Uоп, Рис. 4.
Рис. 6
4 – Uупр, 5 – выход генератора пилы, 6- выход DA3.1
На Рис. 6 показана зависимость ширины импульсов на затворе транзистора (6) от величины управляющего напряжения Uупр (4).
Этот график соответствует случаю, когда задан высокий уровень Uоп. При этом Uупр также имеет высокий уровень. Длительность импульсов зависит от того на каком уровне управляющее напряжение (Uупр) пересекает пилообразное напряжение. То, что находится ниже игнорируется, из верхушек формируются импульсы.
От сюда видно, что при высоком уровне Uоп импульсы на затворе транзистора короткие, а следовательно светодиоды светят слабо и уровень светового потока от светильника низкий.
Рис. 7
На графике, Рис. 7, уровень Uоп, а, следовательно и Uупр низкий. Это приводит к формированию широких импульсов. Яркость свечения высокая.
Допустим у нас был установлен средний уровень Uоп, световой поток был средним. Напряжение в точке (1) в установившемся режиме равно Uоп.
Сдвинем ползунок R6 (Рис. 4) влево, Uоп возрастёт и станет выше чем U(1), это приведёт к резкому увеличению Uупр. Импульсы станут короче, Рис. 6. Световой поток уменьшится. Это приведёт к росту сопротивления фоторезистора, а следовательно и росту U(1) до тех пор пока напряжение в точке (1) не станет равно Uоп. При U(1) = Uоп схема войдёт в режим стабилизации.
При сдвиге ползунка в право произойдёт зеркальный процесс. Uоп уменьшится, что приведёт к увеличению яркости свечения светильника.
То какой светильник можно подключить к этой схеме зависит только от того какой марки будет транзистор VT4. Сейчас в схеме транзистор 20N06 он рассчитан на напряжение 60В и ток 15А. Наверное это слишком много, можно взять что-либо попроще.
Микросхема UCC27424 (DA3.1) является драйвером силовых ключей MOSFET. Её применение обеспечивает хорошую крутизну переднего и заднего фронтов импульса при работе на ёмкостную нагрузку (затвор транзистора MOSFET).
В случае если фотодатчик не будет подключен к силовой схеме, управляющее напряжение отсутствует и светильник будет работать в режиме обыкновенного светильника. При включении просто загорится на полную мощность благодаря наличию резистора R2 (Рис. 5).
В дневное время.
При достаточно высоком уровне светового потока от внешнего источника (например, на улице светит солнце) на величину сопротивления фоторезистора влияют одновременно внешний световой поток и световой поток от светильника.
В этом случае эквивалентную схему фоторезистора R2 (Рис. 4) можно представить как на Рис. 8.
Рис. 8
То есть R2 = ∑(R2.1 || R2.2)
Допустим мы при отсутствии внешнего освещения выставили какой-то уровень освещённости = Е0. При отсутствии внешнего освещения сопротивление R2.1 можно принять равным бесконечности тогда R2 = R2.2.
Если появляется засветка от внешнего источника, то величина сопротивления R2.1 уменьшается. Это приведёт к тому что U(1) станет меньше чем Uоп. в этом случае Uупр увеличится (так как U(1) воздействует на инвертирующий вход УО).
Рост Uупр приведёт к сокращению длительности импульсов в точке (6), следовательно, уменьшению яркости светильника (Рис. 6) до тех пор, пока суммарный уровень освещённости не станет равным Е0.
Таким образом яркость светильника будет изменяться в соответствии с изменением яркости внешнего освещения так сказать в противофазе.
Конечно, если яркость дневного света превысит тот уровень, который установлен потенциометром, то светильник просто погаснет и освещённость будет зависеть только от яркости дневного света.
Генератор пилообразного напряжения, Рис. 5.
В состав генератора пилообразного напряжения входят транзисторы VT1 – VT3 и микросхема программируемого таймера NE555 (либо её аналог).
Времязадающий конденсатор С1 заряжается от генератора тока VT1, R1, что обеспечивает линейную характеристику заряда конденсатора. Изменением ёмкости С1 можно изменить частоту сигнала, при величине 0,47мкФ частота ~290Гц.
Транзистор VT2 выполняет роль буферного усилителя с высоким входным сопротивлением. Резистором R5 устанавливается амплитуда пилы (UA), резисторами R8, R9 величина отрыва пилы от нулевого уровня, Рис. 9.
При тех значениях, которые на схеме:
UA = 3,3В
U отрыва = 0,5В
Рис. 9
Осциллограмма в точке (5)
На самом деле значения могут получиться другими из-за разброса параметров, особенно если будете использовать какой-либо аналог NE555.
Точной настройки этих величин не требуется. Схема благодаря глубокой ООС автоматически будет затягивать Uупр на нужный уровень пилы. Датчик ведь отслеживает уровень освещённости на той высоте, на которой он установлен, а светильник может быть установлен на разной высоте. Если установите светильник высоко, то схема заставит его светить ярче, если ниже, то яркость будет меньше. Но в любом случае уровень освещённости на высоте установки датчика будет определяться положением ползунка потенциометра, а не высотой установки светильника и не параметрами пилы.
Могу только посоветовать не устанавливать амплитуду больше 5В, а величину отрыва меньше 0,5В.
Наладка.
Для наладки потребуются люксметр и какой-либо светодиодный источник света, способный обеспечить максимальную требуемую величину освещённости. Я исходил из максимальной величины 15 000 Лк. Но может вам столько не надо и будет достаточно 10 000 Лк. Думаю, для этого можно взять какой-либо светодиодный фонарь с достаточно большим рефлектором или небольшой светодиодный прожектор. Подключить к нему транзистор VT4 как показано на Рис.4.
Резистор R3 (Рис. 5) выпаять или не запаивать, если он ещё не установлен. К выводу (2) DA2.1 временно подключить потенциометр как показано на Рис. 10. Величины сопротивлений могут быть пропорционально уменьшены или увеличены.
Рис. 10
Теперь силовая плата будет работать как простой регулятор яркости. При смещении движка потенциометра вверх яркость будет уменьшаться, при смещении вниз увеличиваться.
Фотодатчик должен быть соединён с силовой платой для обеспечения на нём питающего напряжения, разъёмы XP1 Рис. 4 и XS1 Рис. 5 соединены.
Датчик люксметра разместить рядом с фотодатчиком устройства так чтобы световой поток от подключенного светильника засвечивал их одинаково (иначе получится непонятно что).
Двигая ползунок потенциометра (Рис. 10), добьёмся показаний люксметра 6000Лк (нижний предел освещённости). Измерим напряжение на выходе DA1.1 (вывод 1), Рис. 4.
Теперь сдвинем ползунок так чтобы получить освещённость равную верхнему пределу 10 000Лк или 15 000Лк (тут решайте сами сколько вам нужно). Повторим предыдущее измерение.
Допустим на нижнем пределе освещённости получили 4,8В, на верхнем 2,5В. Теперь нужно подобрать резисторы R4, R8 (Рис. 4) так чтобы в точке (2) напряжение было на 5% больше 4,8В, а в точке (3) на 5% меньше 2,5В (величины которые получились в результате измерения).
Подбор величины сопротивления лучше производить двумя параллельно включенными резисторами. Например 7,1 кОм = 7,5 кОм || 130 кОм.
Теперь временную цепочку (Рис. 10) нужно убрать и запаять на место резистор R3.
Контроль результата.
Вращая потенциометр R6 (Рис. 4) и наблюдая показания люксметра, убедиться в том, что уровень освещённости изменяется в заданных пределах.
Установить потенциометром какой-то уровень освещённости (допустим 9000Лк). Произвести засветку от постороннего источника света, следить чтобы этот посторонний источник засвечивал датчик люксметра и фотодатчик устройства одинаково.
У светильника, подключенного к устройству яркость должна снизиться, а показания люксметра остаться прежними. Если посторонний светильник будет слишком ярким, то основной светильник просто погаснет, а показания окажутся завышенными.
На деле отклонения могут оказаться довольно заметными. Просто сложно, наверное, будет небольшими светильниками обеспечить равномерную засветку.
Один фотодатчик может управлять группой светильников, схема включения показана на Рис. 11.
Рис. 11
Думаю, 20 штук подключить можно. Есть только два условия.
1. Все светильники должны быть идентичными.
2. Во всех светильниках генераторы пилообразного напряжения должны быть настроены одинаково. Пила должна иметь одинаковую амплитуду и одинаковый отрыв от нуля.
Фотодатчик мы конечно можем разместить только под одним светильником, назовём его ведущим, остальные будут ведомыми. Если с ведущим светильником что-то случится и у него снизится светоотдача, то фотодатчик будет пытаться компенсировать этот изъян. Это приведёт к тому, что ведомые светильники будут светить ярче положенного. В этом случае фотодатчик можно перенести под другой светильник и заняться заменой испорченного.
На самом деле управлять уровнем освещения можно и удалённо, с какого-либо компьютера. Если Uоп (Рис. 4) подавать не с потенциометра, а с ЦАП (цифро-аналоговый преобразователь) подключенного к управляющему компьютеру.
Так же этот компьютер сможет управлять временем включения и выключения освещения. Включение и выключение могут быть плавными. Всё зависит от заложенной в компьютер управляющей программы.
Работоспособность схемы проверена в программе-симуляторе LTSpice.
Возможные замены.
Фотодатчик.
LM2904 – 1464УД1 или другой сдвоенный операционный усилитель.
Схема силовая.
2N4393 – КП303И
NE555 — КР1006ВИ1 или другой аналогичный.
1N4148 – любой маломощный импульсный диод, например КД503.
2SC4618 – маломощный кремниевый транзистор NPN с коэффициентом усиления по току >200. Например 2SC2712, КТ3102Б (В, Д) и др.
LM2903 — 1464СА1 или другой компаратор напряжения.
UCC27424 — MC33152
20N06 – транзистор MOSFET выбираете в зависимости от напряжения питания и потребляемого тока светодиодами светильника. То, что светильник включается в сеть ~220V не означает что и на светодиоды подаётся это же напряжение.
Была произведена пробная разводка печатных плат.
Плата фотодатчика получилась размером 25 х 50 мм, Рис. 12.
Рис. 12
Силовая плата 20 х 55 мм, Рис. 13.
Рис. 13
Хотя, наверное, стараться получить очень маленькие размеры плат думаю не стоит.
Бурыкин Валерий.
Готовые интегрированные библиотеки адаптированные под российский рынок можно найти здесь: