Управление освещением – пожалуй, одно из самых популярных направлений в домашней автоматизации. В настоящее время выпускаются различные сценарные выключатели, позволяющие управлять освещением по заданной программе, беспроводные (радио и ИК) выключатели, сенсорные выключатели, диммеры, модули управления светодиодными RGB-лентами и многое другое.
Однако, разрабатывая схему управления освещением для дома, нужно не забывать один очень важный момент – что ничего более простого и надежного, чем обычный клавишный выключатель, пока не придумано. В любой момент может случиться всякое – электронные девайсы или сервер выйдут из строя, смартфон окажется разряженным, а пульт управления потерянным или его попросту не будет под рукой. И вот тут-то вы вспомните про обычный выключатель, который ввиду полной автоматизации дома, казался, на первый взгляд, абсолютно лишним звеном. Но, как видите, в подобной ситуации он окажется далеко не лишним. Да и иногда включить/отключить освещение выключателем быстрее и удобнее, чем управлять им через систему автоматизации.
Это «лирическое отступление» было призвано показать существующую проблему, на первый взгляд незаметную, но при которой можно оказаться заложником «умного дома». Поэтому, при установке различных электронных систем управления освещением необходимо тщательно продумать интеграцию в них «классических» схем, которые продублируют электронные системы в случае их выхода из строя.
Главными условиями выполнения поставленной задачи является полная интеграция ручного управления в систему автоматизации, и в тоже время независимость их друг от друга, а так же возможность контроля состояния освещения (включено/отключено). Кроме того, даже в случае полного выхода из строя всей системы домашней автоматизации, управление освещением с помощью обычных выключателей должно продолжать функционировать без вмешательства в коммутационные цепи.
Рассмотрим некоторые способы построения схем управление освещением. Один из вариантов - реализовать схему по принципу работы проходных выключателей (рис.1).
Рис.1
Для того, что бы применить такую схему к нашей задаче, необходимо использовать один проходной выключатель, а вместо второго выключателя задействовать переключающий контакт электромагнитного реле, управляемого с системы домашней автоматизации. Далее, что бы не говорить абстрактно, я буду ссылаться на конкретное устройство управления – систему домашней автоматизации собственной разработки, построенный на базе мини-компьютера Raspberry Pi.
Для контроля состояния освещения применен оптрон, работающий на переменном токе (РС814) и формирующий на выходе высокий логический уровень при отключенном и низкий логический уровень при включенном освещении. Резистор R1 ограничивает ток через светодиод оптрона на уровне до 2 мА. Напряжение на выходе OUT фильтруется конденсатором С1 и подается на дискретный вход устройства системы автоматизации (рис.2)
Рис.2
Внимание! Приведенная схема управления и контроля состояния освещения корректно работает только в случае применения обычных ламп накаливания. По поводу применения ее для светодиодных и люминесцентных (энергосберегающих ламп) поговорим ниже.
При реализации указанной схемы освещения необходимо проложить между посадочной коробкой каждого выключателя и модулем управления трехжильный кабель соответствующего сечения, что позволит управлять одной лампой (или одной группой ламп).
Однако эта схема при всей своей простоте имеет определенные недостатки. Во-первых, в зависимости от того, в каком положении относительно друг друга находятся контакты выключателя и контакты реле, обмотка реле может оставаться в подтянутом состоянии неопределенно долго – ведь такая ситуация с вероятностью 50% будет присутствовать и при отключенном освещении. Казалось бы, ничего страшного в этом нет, однако данный вопрос связан с надежностью применяемых компонентов, в частности, электромагнитных реле. Сами по себе реле брендовых производителей (Finder, ABB, Legrand и т.д.) – компоненты довольно надежные, однако касательно китайских изделий, выпускаемых для «массового потребления», это утверждение не всегда справедливо.
Во-вторых, в такой схеме возможна ещё одна проблема. Если в модуле управления при пропадании/появлении сетевого питания не реализована функция восстановления предыдущего состояния реле, то в таком случае вполне вероятно самопроизвольное включение освещения. Например, если освещение до этого было отключено контактами подтянувшегося реле, то при пропадании напряжения реле отпустит контакты, а затем, при последующем восстановлении напряжения, реле не подтянется (т.е. останется в отпущенном состоянии) и освещение включится уже за счет контактов выключателя.
Следовательно, для повышения общей надежности схемы управления освещением, непосредственно для коммутации нагрузки оптимальным решением является использовать импульсные (бистабильные) реле с переключающим контактом, а реле модуля управления применить как промежуточные, которые будут включаться всего на 1-2 секунды (формировать импульс) и своими контактами переключать импульсное реле. Доработанная схема управления с применением такого реле приведена на рис.3
Рис.3
Более подробно о применении, подключении и работе импульсных реле можно почитать в статье Схемы управления освещением
Теперь остановимся на применении в нашей схеме светодиодных и люминесцентных (энергосберегающих ламп). Дело в том, что протекающий через оптрон ток, используемый для контроля состояния освещения, несмотря на значение всего порядка 2 мА, способен «подсвечивать» такие лампы. Причем, интенсивность свечения при выключенном состоянии может составлять до 10% от свечения при включенном состоянии. Разумеется, это абсолютно неприемлемо.
Данная проблема в отношении светодиодных и люминесцентных ламп довольно хорошо многим известна, в основном в связи с применением выключателей с подсветкой. При использовании выключателей с подсветкой при выключенном положении выключателя цепь резистор – неоновая лампа (или резистор – светодиод) создает протекание в схеме тока, из-за чего лампы могут светиться или мигать. В нашей ситуации аналогичная «паразитная» цепь получается «благодаря» светодиоду оптрона.
Какие возможны варианты решения указанной проблемы? Конечно, самый радикальный способ – это вообще отказаться от схемы контроля, оставив только схему управления. Но тогда будет невозможно контролировать состояние освещения через web-интерфейс. Кроме того, что значительно важнее, системе домашней автоматизации необходимо «знать» состояние освещения для реализации различных функций и сценариев управления. Поэтому отказаться от контроля – это не выход из положения, требуется принять меры технического характера, позволяющие «подавлять» подсветку и мигание ламп.
Одним из эффективных способов подавления миганий и подсветки светодиодных и люминесцентных ламп является подключение конденсатора на напряжение не менее 400В параллельно лампе. Экспериментально проверено, что емкости 10 nF (0,01 uF) вполне достаточно, что бы избавится от подсветки в светодиодной лампе мощностью 10 Вт (230В/45мА).
Следовательно, схему, приведенную на рис.3, необходимо дополнить конденсатором, включенным параллельно лампе. Это позволит эффективно управлять и осуществлять контроль состояния освещения при использовании любых типов ламп – накаливания, светодиодных и люминесцентных. Правда, шунтирование каждой лампы конденсатором можно отметить, как определенный недостаток.
Далее рассмотрим, как интегрировать автоматику в схему управления освещением из нескольких точек. Как вариант - это уже фактически рассмотренная схема с применением проходных выключателей. Но когда точек управления более двух, то в качестве «промежуточных» применяют специфические крестовые (или перекрестные) выключатели (рис.4)
Рис.4
Что бы реализовать с помощью реле модуля управления крестовой выключатель, необходимо реле с двумя независимыми группами контактов. Поэтому, правильным решением является установить на месте «крайнего» проходного выключателя крестовой выключатель, а этот «замещаемый» проходной выключатель реализовать уже на контактах реле – т.е. фактически мы повторим схему, рассмотренную выше. Только у нее дополнительно появляются «промежуточные звенья» – крестовые выключатели.
Очень часто для управления освещением из нескольких точек используют импульсные реле, о которых мы говорили выше. На этом принципе построены следующие две схемы управления освещением. Для реализации данных схем потребуется прокладка четырехжильного (рис.5) или трехжильного (рис.6) кабеля.
Рис.5
Рис.6
Приведенные схемы позволяют применить импульсные реле с одной группой включающих контактов. Кроме того, так как оптрон контроля состояния освещения включен не последовательно, а параллельно с нагрузкой, то отпадает необходимость шунтирования светодиодных и люминесцентных ламп конденсатором. Вместо проходного выключателя в этих схемах применяется выключатель без фиксации (кнопка). Таких кнопок можно включить в параллель любое количество.
Контакт реле К1.1, срабатывающий по команде модуля управления на 1-2 секунды имитирует нажатие кнопки, переключает импульсное реле, и, соответственно, включает/выключает освещение.
И в завершение небольшое демонстрационное видео реализации на макете разработанной схемы управления и контроля состояния освещения в ручном режиме и через web-интерфейс системы домашней автоматизации.
