Устройство управления уровнем светового потока уличного светильника
APPARATUS FOR CONTROLLING THE LEVEL OF THE LIGHT FLUX OF A STREET LAMP

Изобретение относится к области электротехники, в частности к электроосветительным приборам, и может быть использовано в сетях наружного (уличного) освещения совместно с различными источниками света, имеющими управляемый (диммируемый) блок питания для организации режима пониженного энергопотребления в ночное время.
Известен энергосберегающий управляемый светильник наружного освещения, содержащий драйвер светодиодов со стабилизацией выходного тока, к входу которого подключено фазное напряжение переменного тока, а к выходу - блок светодиодов, причем в схему дополнительно введены второй и третий драйверы светодиодов со стабилизацией выходного тока и термореле, при этом первый вход первого драйвера соединен с выходом термореле, к входу которого подключается первая фаза трехфазной сети, первые входы второго и третьего драйверов подключаются соответственно к второй и третьей фазам трехфазной сети, вторые входы первого, второго и третьего драйверов соединены с нулевым проводом питающей сети, а одноименные по знаку выходы всех трех драйверов соединены между собой и подключены к одноименным полюсам блока светодиодов (см. патент РФ № 2452893 по МПК F21S 8/00, опубл. 10.06.2012).
Организация энергосберегающего режима работы осуществляется путем коммутации трех фаз питающего напряжения и соответственно наличием трех отдельных источников питания.
Недостатком такого решения является неизбежный перекос фаз, вызванный неравномерностью распределения нагрузки по фазам, необходимость прокладки четырехпроводной линии питания и существенное удорожание светильника из-за применения трех отдельных источников питания.
Наиболее близким по технической сущности является устройство организации искусственного освещения, содержащее источник света, соединенный с блоком питания по силовой цепи источника света, блок питания, соединенный по цепи питания 220B с программным задатчиком, обеспечивающим включение и выключение освещения по временным интервалам, заданным на каждые сутки, блок адаптивного диммирования с энергонезависимой памятью, соединенный с блоком питания по цепи питания блока управления освещением и по цепи управления диммированием источника света, предназначенной для передачи информационного сигнала на блок питания, на основании которого осуществляется автономное адаптивное диммирование уличных светильников в течение суток в зависимости от продолжительности светового дня, рассчитанной для данной географической зоны, при этом память блока адаптивного диммирования содержит график включения и выключения светильников по календарной дате для данной географической зоны и расписание включения и выключения энергосберегающего режима (см. патент РФ № 2526206 по МПК H05B 37/02, опубл. 20.08.2014).
Недостатком такого решения является привязка светильника с устройством организации искусственного освещения к конкретной географической зоне и невозможность его использования в других регионах включая регионы, расположенные за полярным кругом с учетом специфики освещения в условиях полярной ночи. Кроме этого, в связи с тем, что работа устройства организации искусственного освещения напрямую зависит от продолжительности светового дня и времени нахождения во включенном состоянии, неизбежны сбои в работе светильника при аномально длинных или коротких включениях вызванных аварийными ситуациями или регламентными работами.
Техническим результатом является расширение эксплуатационных возможностей с повышенной надежностью эксплуатации и сниженными расходами на электроэнергию и на обслуживание питающих сетей.
Технический результат достигается тем, что в устройстве управления уровнем светового потока уличного светильника, содержащее управляющий контроллер, модуль беспроводной связи, оснащенный нагревательным элементом электронный термостат и управляемый источник питания, выход управляющего контроллера соединен со входом диммирования блока питания уличного светильника, выход модуля беспроводной связи соединен со входом для приема сигналов управляющего контроллера, питание управляющего контроллера и модуля беспроводной связи организовано от управляемого источника питания, сигнальный вход которого подключен к электронному термостату, питание электронного термостата и управляемого источника питания осуществляется от сети переменного тока уличного светильника, причем питание для управляющего контроллера и модуля беспроводной связи зависимо от поступающих сигналов электронного термостата, а модуль беспроводной связи выполнен с возможностью приема и обработки сигналов глобальных навигационных спутниковых систем. Модуль беспроводной связи выполнен с возможностью приема и обработки сигналов глобальной навигационной спутниковой системы GPS. Модуль беспроводной связи выполнен с возможностью приема и обработки сигналов глобальной навигационной спутниковой системы ГЛОНАСС. Модуль беспроводной связи способен принимать и обрабатывать сигналы глобальных навигационных спутниковых систем GPS и ГЛОНАСС одновременно.
Для пояснения сущности изобретения представлена блок-схема светильника с предлагаемым устройством управления.
Устройство управления уровнем светового потока уличного светильника содержит управляющий контроллер 1, модуль беспроводной связи 2, оснащенный нагревательным элементом электронный термостат 3 и управляемый источник питания 4. Выход управляющего контроллера 1 соединен со входом диммирования блока питания уличного светильника 5 с источником света 6. Выход модуля беспроводной связи 2 соединен со входом для приема сигналов управляющего контроллера 1.
Питание управляющего контроллера 1 и модуля беспроводной связи 2 организовано от управляемого источника питания 4, сигнальный вход которого подключен к электронному термостату 3 для приема сигналов управления. Питание электронного термостата 3 и управляемого источника питания 4 осуществляется от сети переменного тока уличного светильника 7. Питание для управляющего контроллера 1 и модуля беспроводной связи 2 зависит от поступающих сигналов электронного термостата 3. Модуль беспроводной связи выполнен с возможностью приема и обработки сигналов глобальных навигационных спутниковых систем.
Устройство работает следующим образом.
При включении питания сетевое напряжение от сети переменного тока уличного светильника 7 поступает на блок питания уличного светильника 5, на управляемый источник питания 4 и на электронный термостат 3. Светильник включается на 100% мощности и работает в обычном режиме.
Одновременно с этим электронный термостат 3 анализирует температуру внутри устройства управления и при условии, что она  ниже -35°С подает питание на встроенный нагревательный элемент. Нагревательный элемент прогревает электронные компоненты управляемого источника питания 4, управляющего контроллера 1 и модуля беспроводной связи 2 до необходимой для работы температуры.
Для электронных компонентов устройства управления минимальная рабочая температура составляет -40°С. При условии, что на территории России зачастую встречаются и более низкие температуры, то для корректной работы применение электронного термостата 3 является необходимым решением.
До тех пор пока температура внутри устройства управления не поднимется выше -35°С электронный термостат не подаст управляющий сигнал на включение управляемого источника питания 4, при этом светильник продолжит работать в обычном режиме на 100% мощности. После повышения температуры внутри устр управ до -35°С электронный термостат 3 подает сигнал на включение управляемого источника питания 4, который в свою очередь запитывает управляющий контроллер 1 и модуль беспроводной связи 2.
Для более корректной работы в электронный термостат 3 введен гистерезис и при температуре окружающей среды -35°С и ниже температура электронных компонентов устройства управления будет поддерживаться в диапазоне от -35°С до -30°С.
Если включение светильника произошло при температуре выше -35°С, то управляемый источник питания 4 запитывает управляющий контроллер 1 и модуль беспроводной связи 2 без задержек, а встроенный нагревательный элемент электронного термостата 3 будет отключен.
При поступлении питающего напряжения от управляемого источника питания 4 включаются управляющий контроллер 1 и модуль беспроводной связи 2. Модуль беспроводной связи 2 принимает сигналы глобальных навигационных спутниковых систем.
Спутники непрерывно передают навигационные сигналы, в которые входят метки точного времени и координаты самих спутников. По задержке прохождения сигнала со спутников рассчитывается точное значение координат приемника, т.е. модуля беспроводной связи 2.
Принятые модулем беспроводной связи 2 данные передаются на вход для приема сигналов управляющего контроллера 1 в текстовом формате NMEA по интерфейсу UART.
Таким образом, управляющий контроллер 1, приняв информацию от модуля беспроводной связи 2, определяет в какой географической точке расположен уличный светильник, текущую дату и местное время.
На заводе изготовителе в энергонезависимую память управляющего контроллера 1 программно заносится информация о времени перехода в режим пониженного энергопотребления, времени выхода из режима пониженного энергопотребления и уровне мощности до которого необходимо снизить потребление в процентах от номинального значения.
Устройство управления маркируется индивидуальным номером, например, «24.00/06.00/50%», что означает: согласно графика включения-отключения наружного освещения светильник вечером включается на 100% мощности, в 24.00 часа ночи происходит автоматическое снижение светового потока до 50% от номинального значения, а в 06.00 часов утра происходит автоматический переход на 100% мощности до утреннего отключения. В зависимости от особенностей графиков освещения в разных регионах маркировка может иметь вид, например, «23.00/07.00/20%», «01.00/05.00/70%» и т.п.
Управление световым потоком происходит посредством передачи сигналов Широтно-импульсной модуляции (далее ШИМ) с выхода управляющего контроллера 1 на вход диммирования блока питания 5 уличного светильника.
При этом, если уличный светильник работает в обычном режиме, на 100% мощности, скважность ШИМ сигнала составляет 0% и не оказывает никакого влияния на вход диммирования блока питания 5 уличного светильника. При переходе в режим пониженного энергопотребления, например до 30% от номинальной мощности, управляющий контроллер изменит скважность ШИМ до 70%, для 50% мощности скважность будет составлять также 50% и т.д.
Алгоритм работы устройства управления обеспечивает корректную работу уличного светильника при различных аварийных ситуациях на линии питания. Это могут быть временные отключения электроэнергии в ночное время, либо включение для проведения ремонтных работ в дневное время. При каждом очередном включении управляющий контроллер 1 определяет свое местоположение, текущее время и выводит уличный светильник в режим работы согласно заложенных настроек.
Управляемый источник питания 4 представляет из себя маломощный импульсный преобразователь напряжения производства Arlight, Navigator, Robiton и т.п., электронный термостат 3 выполнен по схеме аналогового порогового компаратора на биполярных транзисторах производителей NXP, GALAXY, MCC и т.п.
В качестве управляющего контроллера 1 может быть использован микроконтроллер производителей ATMEL или STM, модуль беспроводной связи GPS+ГЛОНАСС производителей NEOWAY, GEOSTAR, Beitian, НАВИА или других. Встроенный нагревательный элемент представляет из себя проволочный резистор в керамическом корпусе мощностью 10 Вт. В электронном термостате 3 используется датчик температуры типа LM35A или подобный с минимальной рабочей температурой -55°С и ниже.
Предлагаемое устройство управления позволят автоматически снижать световой поток уличного светильника до заданного уровня в необходимый период ночного времени.
Применение уличных светильников с заявляемым устройством не ограничивается конкретным регионом, не требует дополнительных линий (каналов) управления и внешнего администрирования. При каждом включении управляющий контроллер 1 автоматически определяет географическое местоположение включенного светильника, а также получает временную информацию, необходимую для привязки к текущей дате и времени. Кроме этого гарантируется корректная работа светильника после одного или нескольких крайне коротких или длинных включений, вызванных техническими или аварийными ситуациями.
Уличные светильники с предлагаемым устройством управления могут эксплуатироваться при аномально низких температурах на всей территории, включая регионы, расположенные за полярным кругом, с учетом специфики освещения в условиях полярной ночи.