PCB技術 - LED照明インテリジェント制御システムにおけるセンサ技術解析

センサーは信号収集と電気機械変換のデバイスとして、その電気機械技術はすでにかなり成熟しており、ここ数年来、センサ技術は小型化、知能化、多機能化、低コスト化に大きく前進しています。感光センサー、赤外線センサーなどの各種センサーはLED照明器具とインテリジェント制御システムを構成することができ、センサーは収集した各種物理量信号を電気信号に変換し、集積回路化されたAD（AD）変換器、MCU（マイクロコントローラ）、DA（デジタルモード）変換器を介して収集した信号をインテリジェント化処理し、それによってLED照明器具のオンとオフを制御することができます。これによりMCU上で各種の制御要求を設定し、LEDランプのスイッチング時間、輝度、発色、多彩な変化を制御し、スマート照明制御の目標を達成することができます。

LED照明インテリジェント制御システムにおけるセンサ技術解析

感光センサ

感光センサーは比較的に理想的な、夜明け、暗く（日の出、日没）時の照度変化によって回路の自動スイッチを制御できる電子センサーです。感光センサーは、天候、時間帯、地域に応じてLED照明器具の開閉を自動的に制御することができます。明るい日中にはその出力を減らすことで消費電力を低減し、蛍光灯を使用している場合に比べて面積200平米のコンビニエンスストアでは消費電力を53%削減でき、寿命も約5～10万時間に及びます。一般的に、LED照明器具の寿命は4万時間程度です。発光する色もRGB（赤緑青）の多彩な変幻方式を採用することができ、灯りをより彩り、雰囲気をより活発にすることができます。

赤外線センサ

赤外線センサーは人体から放出される赤外線を検知することで動作します。主な原理は：人体発射の10μm程度の赤外線はフレネルフィルタレンズにより増強された後、焦電素子PIR（受動式赤外線）検出器に集積され、人が活動すると赤外線放射の放出位置が変化し、この素子は電荷バランスを失い、焦電効果が発生して電荷を外部に放出し、赤外線センサはフレネルフィルタレンズを透過する赤外線放射エネルギーの変化を電気信号、すなわち焦電変換に変換します。受動赤外線検出器の検出エリア内に人体の移動がない場合、赤外線センサが感知したのは背景温度だけであり、人体が人検出エリアに入り、フレネルレンズを通過し、焦電赤外線センサが感知したのは人体温度と背景温度の違いであり、信号が収集された後、システム中にすでに存在する検出データと比較して、本当に人などの赤外線源が検出エリアに入っているかどうかを判断します。

受動式赤外線センサには3つの重要な素子があります。それぞれはフレネルフィルタレンズ、焦電赤外線センサ、整合低ノイズ増幅器です。フレネルレンズには2つの役割があります。1つは集束作用、すなわち熱放出赤外信号がPIRに屈折します。2つは探査領域内をいくつかの明領域と暗領域に分け、探査領域内に入った移動物体／人がPIR上で温度変化の形で変化することができるようにする熱放出赤外信号です。一般的には、検出器上の環境温度が上昇し、特に人体の平熱（37℃）に近づくと、センサの感度が低下し、それを介して利得を補償し、感度を高める低ノイズ増幅器にも適合します。出力信号は電子スイッチを駆動し、LED照明回路のスイッチ制御を実現するために使用することができます。

超音波センサ

赤外線センサの応用に類似した超音波センサは近年、移動物体の自動検出により多くの応用が得られています。超音波センサは主にドップラー原理を利用して、人体が感知できる高周波超音波を超えて結晶振動を通じて外部に放射し、一般的に典型的には25〜40 kHz波を選択し、その後、制御モジュールは反射戻り波の周波数を検出し、もし領域内に物体の動きがあれば、反射波の周波数はわずかな波動、つまりドップラー効果があり、これによって照明領域の物体の移動を判断し、スイッチを制御する目的を達成します。

超音波の縦方向振動特性は、気体、液体及び固体中を伝播することができ、しかもその伝播速度が異なり、屈折と反射現象もあり、空気中では伝播周波数が低く、減衰が速いが、固体、液体中では減衰が小さく、伝播が遠いです。超音波センサはまさに超音波を利用したこれらの特性です。超音波センサは感受性範囲が広く、視覚的盲点がなく、障害物の干渉を受けないなどの特徴があり、小物体の運動を検出する有効な方法であることが証明されています。そのため、LED照明器具とシステムを構成することで、スイッチを敏感に制御することができます。超音波センサは感度が高く、空気振動、通風暖房冷凍システム及び周囲の近接空間の運動はすべて超音波センサに誤トリガを引き起こすため、超音波センサはタイムリーに校正する必要があります。

温度センサ

温度センサNTC（負温度係数）は、LED灯具の過熱保護として比較的早期に広く用いられています。LED照明器具に高出力LED光源を採用する場合、多翼のアルミニウム放熱器を採用しなければなりません。室内照明用のLED照明器具自体の空間が小さいため、放熱問題は現在も技術的ボトルネックの一つです。

LED照明器具の放熱が不快であると、LED光源が過熱により早期に光減衰する原因となります。LED照明器具がオンになると、熱空気が自動的に上昇するためにランプヘッドに熱が濃縮され、電源の寿命にも影響を与えます。そのため、LED照明器具を設計する際、アルミニウム放熱器のLED光源に近い方でNTCに密着させ、リアルタイムで照明器具の温度を収集することができ、照明カップのアルミニウム放熱器の温度が上昇すると、この回路を利用して定電流源の出力電流を自動的に低下させ、照明器具を冷却することができます。ランプカップアルミラジエータの温度が使用制限設定値まで上昇すると、自動的にLED電源をオフにし、ランプの過熱保護を実現し、温度が低下すると、自動的にランプをオンにします。

音響制御センサ

音声制御センサ、オーディオ増幅器、選択チャンネル回路、遅延オン回路及び制御可能なシリコン制御回路などからなる音響制御センサ（microphone array）です。音の比較結果で制御回路を起動するかどうかを判断し、レギュレータで所与の音制御センサの元の値を設定し、音制御センサは絶えず外部の音の強度と元の値を比較し、元の値を超えると制御センターに「音がある」信号を伝達し、音制御センサは廊下や公共照明場所で広く応用されています。

マイクロ波誘導センサ

マイクロ波誘導センサはドップラー効果の原理を利用して設計された移動物体検出器です。非接触で物体の位置が移動しているかどうかを検出し、対応するスイッチ操作を生成します。誰かが誘導区域内に入り、照明の需要に達すると、誘導スイッチが自動的にオンになり、負荷電器が動作し始め、人体が誘導区域を離れていない限り、負荷電器は持続的に動作します。人体が誘導領域を離れた後、センサーは遅延を計算し始め、遅延が終了し、センサースイッチは自動的にオフになり、負荷電器は動作を停止します。安全、便利、インテリジェント、省エネを実現します。

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