Сенсорный выключатель

Сенсорный выключатель – это электрический прибор для управления освещением, отличающийся от обычного наличием датчика. В зарубежной практике такие устройства совершенно справедливо называют электронными. И это правильно, потому что в составе сенсорного выключателя активно используются достижения твердотельной электроники.

Ключевые особенности сенсорных выключателей

Сенсорными выключатели названы потому, что используют в своём составе датчик (англ. – sensor). Он может регистрировать тепло руки, отмечать прикосновение, либо ориентироваться на звук. Обычно такие 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 являются автоматические двери супермаркета.

В сенсорном выключателе датчик физически не может вырабатывать сильный сигнал для управления напрямую. Уровень напряжения (или тока) обычно составляет единицы милливольта (миллиампера). Этого недостаточно даже для передачи сигнала на базу транзистора. Поэтому второй особенностью сенсорных выключателей является наличие усилительных приборов. Обычно это транзисторы или иные представители твердотельной электроники, идущие каскадом: первым поставлен высокочувствительный, но маломощный, затем более грубый, но способный тянуть тяжёлую нагрузку. Часто используется гальваническая развязка цепей при помощи оптронов, где управляющий сигнал передаётся через оптическое излучение (свет). Это позволяет отделить хрупкие датчики от силовой части сенсорного выключателя. (См. также: Автоматический выключатель)

Помимо оптического может применяться и радиодиапазон. В этом случае средой передачи становится эфир с использованием протоколов беспроводной связи WiFi, BlueTooth и др. Поскольку в состав входят активные элементы, то для их питания нужна энергия. Она может быть получена от батареек, либо выпрямлением сетевого напряжения и обрезкой его до нужного уровня. Простейшим примером является стабилизатор параллельного типа на стабилитроне. И совсем редко имеется возможность встраивания полноценного импульсного блока питания.

В зависимости от типа датчика освещение может реагировать на самые разные раздражители. Например, хлопок в ладоши, голосовую команду, взмах рукой, либо СМС со смартфона. Это далеко не полный перечень услуг, которые можно встретить в системе Умный дом. В последнем случае становится возможным по-настоящему интеллектуальной управление электронной начинкой здания. В противном случае свет может включаться раздражителем, а выключаться, к примеру, таймером. Что не очень удобно и безусловно не способствует экономии электроэнергии.

Разновидности сенсорных выключателей

Сенсорные выключатели бывают дистанционными или локальными. В последнем случае они находятся в непосредственной близости от коммутируемой силовой цепи освещения. В объёме одного топика нет возможности подробно рассмотреть все типы сенсорных выключателей. Читателя будет полезно ознакомиться с существующими на сегодняшний день система сигнализации. Многие из сенсорных выключателей позаимствовали принцип действия из области охраны.

Пассивные инфракрасные сенсоры

Сейчас тематике пассивных инфракрасных сенсоров (PIR) уделяется большое внимание в охранных системах. Эти датчики реагируют не тепло, излучаемое человеческим телом. Чтобы избежать ложных тревог, ширина активного спектра урезана с обеих сторон. То есть выключатель срабатывает по пиковому излучению тела температурой порядка 36 градусов Цельсия. Обычно сенсорная система состоит минимум из двух приёмников оптического излучения. С тем, чтобы определить угловое положение объекта раздражения: например, входит человек в помещение или выходит.

В этом случае чувствительные площадки фоторезисторов (фототранзисторов) направлены немного по-разному. Тогда сигнал на них отличается, и по разности можно судить об угловом положении. Этим достигается и иная цель: прибор должен реагировать только на движущиеся объекты, чем минимизируется шанс ложного срабатывания. Человек обычно не сохраняет спокойствия, а потому и вызывает тревогу (сигнализация). От подобных систем можно 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, некоторые сенсорные приборы работают в режиме диммера: махнёшь в одном направлении – свет становится ярче, в другом – приглушается (продукция Leviton).

Сенсорный выключатель должен устанавливаться таким образом, чтобы срабатывать на избранный род посетителей. Допустим, человек сидящий в инвалидном кресле, или ребёнок не будут замечены, если сенсор подвешен слишком высоко. Можно и снабдить в таком случае помещение поясняющими надписями: махни рукой в окошечко. Это нужно в тех случаях, когда нет желания тратить электроэнергию на домашних животных. Несмотря на наличие шерсти, все живое отличается по температуре от окружающей среды. (См. также: Как подключить двухклавишный выключатель света)

Инфракрасные датчики не могут охватить все помещение физически. По этой 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 могут стать в паре с интеллектуальным контроллером, который займётся подсчётом людей вошедших и вышедших из помещения. Разумеется, любой умник из хулиганских побуждений такой тандем может попытаться обманут, поэтому разумно дополнить сенсорный выключатель и контролёр вспомогательными средствами.

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 можно отнести к этой теме. Но историки делают именно так. Лорд Томсон исследовал причины различия проводимости образцов, использовавшихся в морском флоте и вывел простую формулу: важен поставщик меди. Деформации влияют на сопротивление в очень малой степени, которой можно пренебречь.

Как бы то ни было, 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 одной длины, но некоторые образцы были растянут подвесами. Прибор на диагонали регистрировал некую разницу. Томсон объяснил это механическими деформациями. Но доподлинно неизвестно, связно ли появление данного эксперимента с исследованиями, проводившимися в отношении телеграфных проводов. В довершение всего читатели могут сами ознакомиться с порядком цифр изменения сопротивления (ось абсцисс) на рисунке, взятом из журнала Труды IEEE за 2009 год.

Затем последовали многочисленные работы аналогичного толка. В XIX веке это заметки Томлинсона, а в XX – Бриджман и Ролника. Но первые интересные результаты получил в 1932 году Аллен, установивший анизотропность изменений кристаллов цинка, кадмия, сурьмы, висмута и олова. Что касается прочих исследований, то идеи Бриджман привели к созданию тензорных уравнений, описывающих сам процесс. В 1938 году, благодаря усилиям многих учёных, на свет появляются первый 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 такового.

В нынешнем своём виде пьезорезистивный эффект появился на свет 30 декабря 1953 года, благодаря инженеру с распространённой фамилией Смит из Лабораторий Белла, который описал любопытное поведение кристаллов кремния и германия обоих типов проводимости. Вследствие механических воздействий образцы изменяли своё 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, является 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 можно вести по мостовой схеме или другими 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 было предсказано заранее. Опираясь на теоретические предпосылки, Рене-Жюст Гаюи и Антуан Сезар Беккерель предположили о возможной связи электричества и механических деформаций. Первые успешные опыты были поставлены на кристаллах кварца, турмалина, топаза, сахарном тростнике и сегнетовой соли. Да, многие вещества проявляют пьезоэлектрические свойства, в том числе:

1. Человеческие кости и сухожилия.


2. Молекулы ДНК.


3. 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 обнаружения 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, то можно отметить два из них, в том и другом случае применяющие полимерные пленки в качестве чувствительных элементов:

1. US3935485 на пьезоэлектрическую клавиатуру. Назначение устройства не конкретизируется, но смотря на имена заявителей (Kureha Kagaku, Kogyo Kabushiki, Kaisha) и год (1976), можно предположить, что сборка предназначалась для управления автоматизированными линиями сборки на конвейерах.


2. 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.