Концепция системы освещения помещений с автоматическим управлением на базе светодиодов

В данной статье рассмотрены существующие системы освещения и предложена концепция системы автоматического управления искусственным освещением, выполненным на базе светодиодов.

В настоящее время целью светотехнического расчета является подбор осветительного оборудования, расчет освещенности, уточнение типа светильника, мощности источников света, их расположение. При этом влияние светящихся элементов источников света, их цветопередача и особенности сумеречного зрения не учитываются.

Известно, что существует зависимость между освещением (его спектральным составом, интенсивностью излучения) и процессами жизнедеятельности живых организмов.

Качественное освещение обеспечивает адекватное зрительное восприятие объектов, от качества освещения зависят такие параметры как цветопередача, и четкость восприятия объекта. [1]

Другим важным фактором является влияние света на физиологические процессы живых организмов. Световые лучи видимого спектра проникают в тело на глубину около 2,5 см. Они стимулируют биохимические процессы, увеличивают иммунную реактивность. Повышается возбудимость коры головного мозга, деятельность желез внутренней секреции, обмен веществ. При этом разные цвета видимого спектра оказывают различное влияние на нервно-психические процессы. Ультрафиолетовое излучение, попадая на кожу человека, оказывает фотоэлектрический и люминесцентный эффекты. Умеренное ультрафиолетовое облучение повышает иммунные свойства. Малые дозы УФ облучения оказывают возбуждающий эффект. Инфракрасное излучение ускоряет биохимические и иммунные реакции, в результате чего ослабевает нервное напряжение. [2]

Из сказанного выше можно сделать вывод о том, как много значит в нашей жизни освещение.

С усилением процесса урбанизации, большинство людей вынужденно большую часть дня пользоваться искусственным освещением, характеристики которого чаще всего уступают естественному освещению. Ученые всего мира задумываются о различных способах улучшения показателей искусственного освещения. Так, например, исследователи из Уральской государственной сельскохозяйственной академии, провели сравнительный анализ воздействия излучения светодиодных светильников и люминесцентных ламп, на процесс роста живых организмов. [3]. Однако в данной работе не были рассмотрены аспекты автоматизации управления освещением на базе светодиодов. Вопросы управления освещенностью и спектральным составом излучения были рассмотрены японскими исследователями ещё в 1975 г. [4]. К сожалению, в то время технологии освещения на базе светодиодов не были широко распространены и в их работе источником излучения служили люминесцентные лампы.

Современные условия диктуют необходимость постепенного отказа от люминесцентных ламп, это вызвано, как вопросами экологической безопасности, так и появлением более качественных источников излучения. По сравнению с люминесцентными лампами, светодиоды имеют большую надежность, меньшее потребление энергии, а также лучшую спектральную характеристику [5,6].

На основе анализа ситуации, автором данной работы сформулирована концепция системы автоматического управления искусственного освещения на базе светодиодов.

Целью разработки системы является создание комфортных условий труда работников при рациональном использовании системы освещения.

Для достижения желаемого эффекта система автоматического управления должна обладать, как свойствами программной, так и стабилизирующей системы автоматического управления. Это, с одной стороны, обеспечит более широкие возможности в процессе управления освещением, с другой стороны позволит достигать заданных параметров освещения, за счет автоматической подстройки управляющих воздействий.

Функциональную схему предполагаемой системы можно представить в следующем виде (рис.1). Предполагается, что система посредством задающего устройства (ЗУ1) в зависимости от входящего сигнала времени вырабатывается контрольное значение нормы освещенности в текущий период времени. Далее поступивший сигнал сравнивается с действующим уровнем освещенности (показания измерительного преобразователя (ИП1), На основе результата сравнения формируется соответствующий закон регулирования (Р1) и выдается управляющий сигнал на контрольно пусковой блок (КПБ), который включает ту или иную группу исполнительных устройств (светодиодов).

Рис. 1. Функциональная схема системы.

Элементы схемы: Р — регулятор; ЗУ — задающее устройство;

ИУ — исполнительное устройство (светодиоды);

ИП — Измерительный преобразователь (обратная связь);

КПБ — контрольно пусковой блок (драйвер, блок питания).

Физические величины: t — время; L — яркость; E — освещенность;

S — спектральный состав

Рис. 2. Принципиальная схема системы

Работа второго контура аналогична первому, но в этом случае контролируемым параметром является спектральная характеристика освещения.

Функциональная схема, однако, показывает лишь функции элементов системы.

Возможная техническая реализация предлагаемой системы показана на рис. 2.

В качестве источников освещения для достижения оптимальных воздействий на освещенность в помещении были приняты 2 типа осветительных приборов:

Светодиодные светильники — сборки светодиодов выбранного оттенка белого света, монтируемые на месте традиционных ламповых светильников. Данные светильники должны обеспечивать необходимый уровень освещенности в условиях отсутствия или сильного недостатка естественного освещения.

Светодиодные ленты — сборки светодиодов с различной длинной волны излучения (УФ, видимого спектра, ИК диапазона). Ленты могут быть расположены по периметру помещения и непосредственно у рабочих мест. Данные устройства обеспечивают регулирования спектрального состава и яркости освещения, как в объеме всего помещения, так и непосредственно в местах установки.

В случае работы системы на постоянном токе, яркость свечения светодиодов в определенных рамках можно будет регулировать с помощью широтно-импульсной модуляции, что позволит управлять уровнем освещенности не только с помощью подключения или отключения светодиодных модулей, но и плавное регулирование с помощью програмно-аппаратного управления питанием.

Программно аппаратный комплекс позволит автоматическое и ручное дистанционное управление системой освещения, а так же её диспетчеризацию непосредственно с автоматизированного рабочего места и с удаленного терминала (например по средствам web интерфейса).

Главным управляющим узлом системы является сервер. В сервер загружена управляющая программа, которая позволяет за счет исполнительных устройств добиваться требуемой интенсивности и состава освещения в широком диапазоне. Предполагается, что программа сервера будет отрабатывать алгоритм «естественного освещения», создавая в помещении освещение близкое по параметрам к естественному освещению в текущий период времени. С другой стороны, как было сказано выше, освещение в определенной степени способно воздействовать на биологические ритмы человека, поэтому данную систему можно использовать для повышения производительности труда или наоборот для создания обстановки способствующей скорейшему расслаблению.

Концепция системы предусматривает возможность полной симуляции естественного освещения, как по необходимой яркости, так и по его составу. Предлагаемое решение может быть использовано, как в целях оказания благотворного воздействия на человека, так и в целях энергосбережения. Применение данной системы обосновано, как для освещения общественных или производственных помещений, так и для создания системы освещения для системы жизнеобеспечения замкнутого цикла, например космическая станция, подводная лодка, полярные станции.

На текущий момент автору работы не известно о промышленных образцах подобных систем. Существующий патент на светодиодное освещение применяется в растениеводстве [8], у автора работы нет данных о возможных последствиях воздействия данной системы на человека.

Литература:

1. Качество Искусственного освещения -Андрей Ланцов (http://www.e-audit.ru/light/quality.shtml)
2. Елена Петровна Гора Экология человека, М., Дрофа http://www.libma.ru/nauchnaja_literatura_prochee/yekologija_cheloveka/p2.php
3. Перспективы применения светодиодов в растениеводстве (Александр Прокофьев | Андрей Туркин | Андрей Яковлев). Полупроводниковая светотехника № 5 2010 стр. 60.
4. CONTROL OF ARTIFICIAL LIGHT FOR PLANTSII. AUTOMATIC CONTROL OF LIGHT INTENSITY AND SPECTRAL COMPOSITION - TSuyoshl MATSUI, Hlroml EGUCHI, Yasuhlko SOEJIMA, and Mlchlo HAMAKOGABiotron Institute, Kyushu University, Fukuoka, Japan (Received June 2, 1975) http://astp.jst.go.jp/modules/search/DocumentDetail/0582–4087_13_3_CONTROL %2BOF %2BARTIFICIAL %2BLIGHT %2BFOR %2BPLANTS_N %252FA
5. Люминесцентная лампа — Материал из Википедии — свободной энциклопедии
6. Белый светодиод Материал из Википедии — свободной энциклопедии
7. Datasheet SUPER FLUX LED LA M P, 4PIN LED — BL-FL760Rxx
8. СВЕТОДИОДНЫЙ ФИТООБЛУЧАТЕЛЬ (патент № 2454066) http://www.freepatent.ru/patents/2454066