Содержание
Сенсорный выключатель – это электрический прибор для управления освещением, отличающийся от обычного наличием датчика. В зарубежной практике устройства справедливо называют электронными. И это правильно, в составе сенсорного выключателя активно используются достижения твердотельной электроники.
Ключевые особенности сенсорных выключателей
Сенсорными выключатели названы за использование в составе датчика (англ. – sensor). Способен регистрировать тепло руки, отмечать прикосновение, ориентироваться на звук. Подобные приборы называют сенсорами присутствия и управление освещением для них вторично. Гораздо чаще сложные электронные устройства берут на себя роль охранников или контролёров различных процессов. Типичным примером становятся автоматические двери супермаркета.
В сенсорном выключателе датчик физически не в состоянии вырабатывать сильный сигнал для управления напрямую. Уровень напряжения (или тока) составляет единицы милливольта (миллиампера). Этого недостаточно даже для передачи сигнала на базу транзистора. Второй особенностью сенсорных выключателей считается наличие усилительных приборов. Обычно это транзисторы или иные представители твердотельной электроники, идущие каскадом: первым поставлен высокочувствительный, но маломощный, потом более грубый, но способный тянуть тяжёлую нагрузку. Часто используется гальваническая развязка цепей при помощи оптронов, где управляющий сигнал передаётся через оптическое излучение (свет). Это отделяет хрупкие датчики от силовой части сенсорного выключателя.
Современный выключатель
Помимо оптического применяется и радиодиапазон. Тогда средой передачи становится эфир с использованием протоколов беспроводной связи WiFi, BlueTooth и др. В состав входят активные элементы, для их питания нужна энергия. Получается от батареек либо выпрямлением сетевого напряжения и обрезкой до нужного уровня. Простейшим примером станет стабилизатор параллельного типа на стабилитроне. И совсем редко присутствует возможность встраивания полноценного импульсного блока питания.
В зависимости от типа датчика освещение реагирует на разные раздражители. К примеру, хлопок в ладоши, голосовую команду, взмах рукой, либо СМС со смартфона. Это далеко не полный перечень услуг, встречаемый в системе Умный дом. В последнем случае становится возможным по-настоящему интеллектуальное управление электронной начинкой здания. В противном случае свет может включаться раздражителем, а выключаться, к примеру, таймером. Что неудобно и не способствует экономии электроэнергии.
Разновидности сенсорных выключателей
Сенсорные выключатели бывают дистанционными или локальными. В последнем случае находятся в непосредственной близости от коммутируемой силовой цепи освещения. В объёме одного топика нет возможности подробно рассмотреть все типы сенсорных выключателей. Читателю полезно ознакомиться с известными сегодня системами сигнализации. Многие сенсорные выключатели позаимствовали принцип действия из области охраны.
Пассивные инфракрасные сенсоры
Сейчас тематике пассивных инфракрасных сенсоров (PIR) уделяется большое внимание в охранных системах. Эти датчики реагируют на тепло, излучаемое человеческим телом. Чтобы избежать ложных тревог, ширина активного спектра урезана с обеих сторон. Выключатель срабатывает по пиковому излучению тела температурой порядка 36 градусов Цельсия. Обычно сенсорная система состоит минимум из двух приёмников оптического излучения, чтобы определить угловое положение объекта раздражения: входит человек в помещение или выходит.
Сенсоры освещения
В этом случае чувствительные площадки фоторезисторов (фототранзисторов) направлены по-разному. Тогда сигнал на них отличается, по разности судят об угловом положении. Этим достигается иная цель: прибор призван реагировать только на движущиеся объекты, чем минимизируется шанс ложного срабатывания. Человек обычно не сохраняет спокойствия, вызывает тревогу (сигнализация). От подобных систем легко защититься, одев обычный космический скафандр. Но в системе освещения подобные трюки не актуальны по очевидной причине: посетитель, наоборот, хочет, чтобы его заметили. Благодаря возможности определения направления, отдельные сенсорные приборы работают в режиме диммера: махнёшь в первом направлении – свет становится ярче, во втором – приглушается (продукция Leviton).
Сенсорный выключатель устанавливается так, чтобы срабатывать на избранный род посетителей. Допустим, человек сидящий в инвалидном кресле, ребёнок не будут замечены, если сенсор подвешен слишком высоко. Допускается снабдить помещение поясняющими надписями: махни рукой в окошечко. Это требуется при нежелании тратить электроэнергию на домашних животных. Несмотря на наличие шерсти, все живое отличается по температуре от окружающей среды.
Инфракрасные датчики не способны охватить все помещение физически. По тривиальной причине наиболее эффективные сенсорные выключатели на их основе – проходные. Ставятся в начале и конце коридора либо лестницы. При применении задержки выключения становится возможным использование в кладовках, подсобных помещениях. По-настоящему полезными сенсорные системы на пассивном инфракрасном излучении становятся в паре с интеллектуальным контроллером, который займётся подсчётом людей, вошедших и вышедших из помещения. Разумеется, любой умник из хулиганских побуждений такой тандем попытается обмануть, разумно дополнить сенсорный выключатель и контролёр вспомогательными средствами.
Использование сенсорного выключателя
Пьезоэлементы
Пьезоэлементы в сенсорных выключателях используются двух типов, в принцип действия которых заложены, соответственно:
- Пьезорезистивный эффект – изменение сопротивления образца под действием механических нагрузок.
- Пьезоэлектрический эффект – образование на гранях кристалла разницы потенциалов под действием механической деформации.
Оба эффекта открыты в XIX веке. Хронология совпадает с порядком следования в приведённом списке.
Пьезорезистивные сенсорные выключатели
Пьезорезистивный эффект (термин введён в 1935 году Джоном В. Куксоном из Висконсинского университета, от греческого piezo – давить) описан лордом Кельвином (журнал Труды Королевского научного общества, том 8, стр. 550-555, 1856-1857 годы, заметка от 17 июня 1857 года про исследование проводимости коммерческих проводов для телеграфа) на примере железа, платины и меди. Возможно, высказывание на тему увеличения сопротивления образца в пределах 0,5% в ответ на сильные и многочисленные изгибы вдоль всей длины лишь с натяжкой относится к теме. Но историки несогласны. Лорд Томсон исследовал причины различия проводимости образцов, использовавшихся в морском флоте и вывел простую формулу: важен поставщик меди. Деформации влияют на сопротивление в малой степени, допустимо пренебречь.
Томсон знал о влиянии механического натяжения. И на вручении ему премии Королевского общества (Бейкеровская лекция, 1856 год) доложил о любопытном эксперименте. В плечи измерительного моста Уитсона он включал проводники меди или железа одинаковой длины, но некоторые образцы растягивались подвесами. Прибор на диагонали регистрировал разницу. Томсон объяснил это механическими деформациями. Но доподлинно неизвестно, связно ли появление эксперимента с исследованиями, проводившимися в отношении телеграфных проводов. В довершение читатели могут ознакомиться с порядком цифр изменения сопротивления (ось абсцисс) на рисунке, взятом из журнала Труды IEEE за 2009 год.
Порядок измерений
Потом последовали многочисленные работы аналогичного толка. В XIX веке это заметки Томлинсона, а в XX – Бриджман и Ролника. Первые интересные результаты получил в 1932 году Аллен, установивший анизотропность изменений кристаллов цинка, кадмия, сурьмы, висмута и олова. Что касается прочих исследований, идеи Бриджман привели к созданию тензорных уравнений, описывающих процесс. В 1938 году, благодаря усилиям многих учёных, на свет появляются первые датчики. Наподобие тех, что сегодня используются в напольных весах и преобразуют деформацию в изменение сопротивления. Уже в 1950 году Бардин и Шокли предсказали значительный пьезорезистивный эффект в правильных кристаллических структурах за три года до открытия.
В нынешнем виде пьезорезистивный эффект появился на свет 30 декабря 1953 года, благодаря инженеру с распространённой фамилией Смит из Лабораторий Белла, описавшему любопытное поведение кристаллов кремния и германия обоих типов проводимости. Вследствие механических воздействий образцы изменяли сопротивление. Магистр Университета Западной резервации Коннектикута активно интересовался анизотропными свойствами полупроводников и работами Бардина и Шокли. Новые датчики появились уже в 1950 году с чувствительностью в 50 раз превышавшей аналоги из чистых металлов.
Первой компаний, занявшейся производством пьезорезистивный датчиков, стала Kulite Semiconductor, основанная в 1958 году. В современных моделях кнопки созданы на основе тонкой мембраны полупроводника. При нажатии по центру у краёв возникает сильное натяжение, что изменяет проводимость участка. Измерение ведётся по мостовой схеме либо прочими методами. Напряжение дисбаланса усиливается и служит для управления включением и выключением света.
Пьезоэлектрические сенсорные выключатели
Пьезоэлектрический эффект открыт в 1880 году братьями Жаком и Пьером Кюри. Как и в предыдущем случае, явление оказалось предсказано заранее. Опираясь на теоретические предпосылки, Рене-Жюст Гаюи и Антуан Сезар Беккерель предположили о возможной связи электричества и механических деформаций. Первые успешные опыты поставлены на кристаллах кварца, турмалина, топаза, сахарном тростнике и сегнетовой соли. Да, многие вещества проявляют пьезоэлектрические свойства:
- Человеческие кости и сухожилия.
- Молекулы ДНК.
- Дентин и эмаль зубов.
Год спустя Габриэль Ионас Липпман предположил, исходя из основ термодинамики, существование обратного эффекта: деформации кристаллов под действием электрического поля. Эта догадка была подтверждена в 1882 году Жаком и Пьером Кюри, попутно они создали пьезоэлектрометр, использованный для исследования радиоактивных элементов. В 1910 году вышел учебник по физике кристаллов в авторстве Вольдемара Войгта.
Эффект вызвал пристальное внимание учёных. В 1917 году на фоне Первой мировой войны появляется сонар для подводных лодок (Пол Лангевин), а в 1921 – первый кварцевый резонатор (Волтер Гайтон Кэди). Развитие поисков привело к обнаружению титаната бария в 1946 году (Артур фон Хиппел). За послевоенное время появилось достаточно много применений эффекту пьезоэлектричества, но все они были мало связаны с рассматриваемой темой. Что касается устройств управления, отметим два из них, в обоих случаях применяющие полимерные пленки в качестве чувствительных элементов:
- US3935485 на пьезоэлектрическую клавиатуру. Назначение устройства не конкретизируется, но смотря на имена заявителей (Kureha Kagaku, Kogyo Kabushiki, Kaisha) и год (1976), предположим, что сборка предназначалась для управления автоматизированными линиями сборки на конвейерах.
- Заявленный в US4343975 (1980 год) образчик каждый может лицезреть и сегодня на электронных весах в магазине. Это клавиатура с подсветкой, благодаря чему работа оператора сильно упрощается.
