Wraz ze wzrostem mocy lamp używanych do oświetlania terenów zewnętrznych zwiększa się rola sterowania nim. Energia powinna być wykorzystywana efektywnie. Z tego względu przy projektowaniu sterowania należy przeanalizować, co i kiedy powinno być oświetlone. Oświetlenie zapewnia bezpieczeństwo, zapewnia wygodę, odgrywa rolę estetyczną.

Gdy zapadają ciemności, oświetlone powinny pozostawać miejsca, w których znajdują się (lub mogą znajdować się) ludzie, wartościowe mienie. Oświetlane są także obiekty architektoniczne. Ludzie czują się bezpieczniej w miejscach oświetlonych. Czas, kiedy powinno być załączone oświetlenie zależy przede wszystkim od oświetlenia naturalnego, a właściwie jego braku oraz pory dnia. Automatyczne czujniki załączają lampy, gdy zapada zmierzch i wyłączają je, gdy robi się jasno. Jednak nie cały ten okres wymaga oświetlenia. Z tego względu znajdują zastosowanie zegary sterownicze wyłączające oświetlenie, całe lub częściej jego strefy w wybranych okresach nocy.

Analiza potrzeb

Pierwszym krokiem powinna być analiza potrzeb. W zależności od tego, co ma być oświetlane inne parametry czujnika mogą być potrzebne. Kolejnym kryterium jest moc załączanych lamp. Istotne jest też miejsce, w którym można zamontować czujnik lub jego sondę.

Oświetlenie placów, parkingów i innych dużych powierzchni jest zróżnicowane w czasie i przestrzeni. W zależności od pory dnia oraz od tego, czy jest to dzień powszedni czy świąteczny, potrzebne jest różne oświetlenie. W okresach intensywnego ruchu, np. przybywanie pracowników do pracy i w porze wychodzenia do domu potrzebne jest silniejsze oświetlenie parkingów. Podobnie w okresach dostaw towarów względnie ich ekspedycji place załadunkowe powinny być tak oświetlone, aby pracownicy mieli zapewniony komfort wykonywania pracy, a ochrona możliwość kontroli ruchu na tym terenie. W okresach spowolnionego ruchu wystarczy oświetlenie o znacznie niższym natężeniu. A w czasie, gdy na danym terenie nie powinno się nic dziać wystarczy oświetlenie umożliwiające zauważenie jakiegoś ruchu, czy przebywania osób postronnych na strzeżonym terenie. W takich wypadkach przydatne jest dodatkowe wyposażenie systemu sterowania oświetleniem w czujki ruchu (załączające dodatkowe lampy lub powiadamiające ochronę, która może ręcznie załączyć pełne oświetlenie).

Oświetlenie dużych powierzchni jest zwykle podzielone na sekcje. W zależności od ważności strefy oświetlenie może być silniejsze lub słabsze. Np. środek placu nie wymaga tak dobrego oświetlenia jak strefy wejść na teren, wjazdów i wyjazdów oraz wszelkich wejść do budynków, magazynów czy składów. Nieco inne wymagania stawiane są oświetleniu architektonicznemu oraz reklamom. Te instalacje powinny być załączone wtedy, gdy będą postrzegane przez ludzi przebywających w ich otoczeniu. Tego typu oświetlenie zwykle nie jest stopniowane, to znaczy, jest albo całkowicie załączone, albo całkowicie wyłączone. Najczęściej przyjmuje się, że załączenie powinno następować, gdy zaczyna się zmierzch i trwać do czasu, gdy ustaje ruch wokół obiektu, np. o godzinie 24. Potem powinno się załączać (jeśli jeszcze panuje mrok) o godzinie, w której rozpoczyna się ruch, np. o godz. 5 rano. Wyłączenie natomiast powinno następować po osiągnięciu wymaganej jasności dnia.

Do oświetlenia dużych terenów lub obiektów wykorzystuje się zwykle lampy o dużej mocy i często ciężkim rozruchu. Z tego względu elementem pośredniczącym w załączaniu są styczniki. Dzięki takiemu rozwiązaniu można przy doborze pominąć parametr obciążalności prądowej czujników zmierzchowych.

W naszym klimacie rzadko zmierzch zapada nagle. Zwykle, jeśli nie ma nagłej burzy, zmiany następują płynnie. Z tego względu nie ma sensu załączanie, od razu, pełnej mocy lamp. Kilkustopniowe, wielokanałowe czujniki pozwalają na stopniowe załączanie oświetlenia. W miarę jak ubywa światła naturalnego, jest ono uzupełniane światłem sztucznym. Podobnie dzieje się nad ranem. Ten sam proces powtarza się w odwrotnej kolejności. Wraz z przybywaniem światła naturalnego wyłączane są kolejne sekcje lamp.

Rodzaje czujników zmierzchowych

Najczęściej spotykane są kompaktowe czujniki zmierzchowe zawierające w jednej obudowie czujnik zmierzchu (czujnik natężenia oświetlenia) oraz układ wykonawczy, zwykle przekaźnik. Te bardziej skomplikowane składają się z dwóch części: sondy pomiarowej natężenia oświetlenia oraz układu analizującego i przekaźnika. Takie czujniki często są wyposażone w zegary sterownicze i bramki logiczne, dzięki którym mogą współpracować z zewnętrznymi zegarami oraz ręcznymi wyłącznikami. Najprostszymi rozwiązaniami, przeznaczonymi do wykorzystania w pojedynczych lampach, są np. świetlówki z wbudowanymi czujnikami zmierzchu lub podobnie wyposażone adaptery (urządzenia wyposażone w zewnętrzny i wewnętrzny gwint, np. E27; wkręca się je w miejsca żarówki, a samo źródło światła wkręca się do adaptera). Ze względu na trwałość, ograniczoną moc o mało precyzyjne ustawienie kierunku są traktowane, jako ostateczne rozwiązanie, gdy brak innych możliwości.

Oprócz czujników wykorzystywanych w zwykłych instalacjach oferowane są czujniki przeznaczone do obiektów wyposażonych w automatykę, często powiązaną z systemem monitoringu. Przykładowo w systemie KNX powszechnie wykorzystuje się czujniki natężenia oświetlenia dokonujące stałego pomiaru z czterech stron świata. Dane pomiarowe są wysyłane cyklicznie do systemu. W tym samym systemie znajduje się zegar sterowniczy, synchronizowany via internet lub drogą radiową (DCF77). Oprócz tego działa sieć czujek ruchu, obecności i system rejestracji pracowników.

Wszystkie te dane są przetwarzane przez serwery dostosowujące oświetlenie do rzeczywistych potrzeb. Logiczna analiza danych pozwala na wyprzedzające działanie. Przykładowo, zanim fala pracowników opuszczających zakład opuści budynek i dotrze na parking, oświetlone zostaną zarówno drogi dojścia, strefa wyjazdu oraz sektor parkingu przeznaczony dla tej grupy. Zaletą systemów automatyki jest również analiza zdarzeń i wyciągania wniosków. Zapobiega to niepotrzebnym załączeniom spowodowanym zjawiskami atmosferycznymi. Przelatująca chmura zostanie zignorowana, podobnie jak seria nocnych błyskawic. Jest tym bardziej ekonomiczne, im dłuższy jest czas rozruchu lamp. Szczególnym przypadkiem jest wyłączenie lamp metalohalogenkowych przez długotrwałą serię wyładowań atmosferycznych (albo przez oświetlenie laserem czujnika). Po wyłączeniu następowałaby długotrwała przerwa, do czasu aż lampy ostygną, aby dało się je ponownie załączyć. Inteligentny system zarządzany np. za pośrednictwem HomeServera nie dopuści do wyłączeń nocnych. W pewnych sytuacjach potrzebne jest stałe oświetlenie, niezależne od zmieniających się warunków. Wtedy także przychodzi z pomocą system KNX. Wymuszone sterowania uniezależnia stany łączeniowe od wszystkich lub wybranych parametrów sterowania.

EKSPERT Fachowego Elektryka

Na co zwrócić uwagę wybierając wyłącznik zmierzchowy?

Wybierając wyłącznik zmierzchowy należy zwrócić uwagę na następujące elementy:
1. Miejsce montażu: rozdzielnica (szyna TH35) lub ściana (pow. płaska)
2. Warunki pracy czujki i wybór miejsc usytuowania (zacienienie, lampy uliczne, oświetlenie sąsiadów)
3. Rodzaj, ilość i moc lamp które wyłącznik będzie załączał (przy dużej mocy stosować sterowanie przez stycznik odpowiedniej mocy)
4. Możliwość ustawienia czasu opóźnienie (istotne np. w przypadku oświetlenia od przejeżdżających samochodów)
5. Możliwość sprzęgnięcia z zegarem (Eticlock) przez wejście blokujące
(włączanie o określonej porze i określonych dniach tygodnia).

Analiza parametrów

Przed przystąpieniem do doboru czujnika warto jest poznać niektóre z ich parametrów. Przeanalizować je pod kątem potrzeb i wybrać te, które są istotne.

Budowa i wygląd zwykle nie odgrywają większej roli. Zawsze jednak lepiej, gdy sam czujnik, umieszczony na elewacji, jest niezauważalny. Przed wejściem technicznym do budynku można umieścić czujnik zmierzchowy z wbudowaną czujka ruchu o niewielkim zasięgu oraz lampą. Takie rozwiązanie nie wymaga doprowadzania specjalnej instalacji, wystarczy wypust oświetleniowy. Natomiast na froncie prestiżowego obiektu powinna znaleźć się miniaturowa sonda połączona przewodem z zamontowanym w rozdzielnicy aparatem. W biurach wyposażonych w automatykę budynkową czujkę (czterokierunkową) umieszcza się na dachu. Niezależnie od wyboru rodzaju urządzenia, każde z nich powinno posiadać stopień ochrony, co najmniej, IP 44. Choć w pewnych warunkach może to być za mało. Oferowane na polskim rynku czujki posiadają stopień ochrony od IP 20 do IP 66. Ważne jest też odporność na skrajne temperatury. Zwłaszcza ujemne. Dolna granica waha się od -50°C do -10°C. Czujki używane w naszym klimacie powinny mieć tę wartość przynajmniej na poziomie -25 lub -30°C. Górna granica odgrywa mniejszą rolę, gdyż czujki instalowane są zwykle na elewacji północnej. Jednak i w takim miejscu może nastąpić przegrzanie. Większość czujek ma górną granicę określoną na poziomie 45°C lub 50°C. Zdarzają się urządzenia doskonale radzące sobie w temperaturze do 70°C. Generalnie, im większa rozpiętość zakresu temperatur pracy, tym większa trwałość i pewność działania. Zwłaszcza, że anomalie pogodowe stają się typowymi zjawiskami.

Kolejnym parametrem jest napięcie zasilania. Do wyboru są czujki na 12 V, 24 V i 230 V. Te ostatnie mogą wymagać doprowadzenia czterech żył (L, N, PE i odejście do odbiornika) lub tylko dwóch (zasilanie i odejście). Natomiast element wykonawczy, jakim jest przekaźnik, może posiadać styki w podanym napięciem zasilania (np. 230 V) lub zaciski bezpotencjałowe. Najczęściej NO. Bardzo rzadko NC lub NO/NC. Tam, gdzie wbudowany przekaźnik bezpośrednio załącza obciążenie istotnym parametrem jest obciążalność. Zwykle wynosi ona 10 A (chwilowo ok. 80 A). Rzadziej znamionowo 16 A. Jeśli jednak wbudowany przekaźnik służy jedynie do załączania styczników, wtedy jego parametry prądowe są pomijalne.

Podstawowym parametrem czujki jest zakres jej działania. Najtańsze produkty mają fabrycznie ustawiony próg, po przekroczeniu którego następuje załączenie lub wyłączenie sterowanych lamp. Zwykle na poziomie kilku luksów. Zdecydowana większość może być regulowana. O ile dolną granicę nastawy wartości progowej są zwykle 2 lx, to najwyższe ustawienie mieści się w zakresie od 10 do 20  000 lx. Większość oferowanych czujek może być regulowana w zakresie od 2 do 200 lx lub 300 lx. I jest to zakres wystarczający. Czujki różnią się sposobem ustawiania wartości załączania. Najprostsze mają stałą, nieregulowaną wartość. Dominują wyposażone w obrotowy nastawnik wartości zadziałania. Niektóre zaś wyposażone są w przycisk uczenia, który należy nacisnąć i przytrzymać przez parę sekund, aby aktualnie pomierzona wartość natężenia oświetlenia została zapamiętana i przyjęta, jako wartość, przy której następuje zadziałanie. To ostatnie rozwiązanie najlepiej spełnia oczekiwania użytkowników, gdyż nie wymaga wielokrotnego doregulowywania. Wystarczy subiektywne określenie warunków, w których powinno następować załączenie oświetlenia.

W celu zapobieżenia krótkotrwałym zmianom warunków zewnętrznych czujniki zmierzchu są wyposażone w układy powodujące zwłokę zadziałania oraz histerezę. W decydującej ilości znajdujących się w sprzedaży czujek są to parametry niepodlegające regulacji. W niektórych miejscach przyczyni się to do działania niezupełnie zgodnego z oczekiwaniami. Przykładowo czujnik oświetlany reflektorami przejeżdżających samochodów czy migającą reklamą może niepotrzebne reagować. W takich miejscach niezbędna jest możliwość wydłużenia czasu reakcji. Najlepiej, aby zmiany natężenia oświetlenia były analizowane w jakimś przedziale czasu, a działanie przekaźnika zależało od wartości średniej. Czujki służące do załączania lamp wysokoprężnych o długim czasie rozruchu powinny mieć czas zwłoki ustawiony na, co najmniej, kilkanaście minut. Niewielkie zmiany są ignorowane przez histerezę. Im większa histereza, tym większa inercja. Ten parametr też warto regulować, aby dostosować do warunków miejscowych.

Do najprostszych zastosowań całkowicie wystarczają czujki jednokanałowe. Jeśli jednak oświetlany teren jest zróżnicowany, niektóre fragmenty są zasłonięte budynkami, drzewami względnie przez ukształtowanie terenu konieczne jest zastosowanie wielu czujek lub czujki kilkukanałowej. Zazwyczaj wystarczają trzy (czasem dwa) kanały. Dla każdego z nich osobno ustawiane są parametry. Czasem tylko wartość progowa, czasem także inne. Takie rozwiązanie pozwala na podział na sekcje, które załączane i wyłączane będą w zależności od warunków panujących w różnych miejscach. W ten sposób, z jednej strony zapewnione jest właściwe oświetlenia, a z drugiej ogranicza się ilość zużywanej energii do optymalnej wielkości.

Zegar sterowniczy

Zegary sterownicze mogą być wbudowane w czujki zmierzchowe. Podobny efekt uzyskuje się przy połączeniu oddzielnego zegara z czujką. Zarówno te wbudowane jak stanowiące oddzielne urządzenia mogą być ze sobą powiązane za pomocą funkcji logicznej OR lub AND. Najprościej da się to zrealizować łącząc wyjścia obu urządzeń szeregowo lub równolegle. Ewentualne zaprzeczenie można wykonywać za pomocą dodatkowych przekaźników negujących. Bardziej skomplikowane czujki są wyposażone w logikę służącą do zdefiniowania pożądanego działania. Dzięki takim rozwiązaniom można określać okresy, np. ze względów reprezentacyjnych lub bezpieczeństwa, w których oświetlenie będzie załączone w sposób ciągły, a ewentualne samoczynne wyłączenie następowałoby wyłącznie, gdy oświetlenie naturalne jest tak silne, że światło sztuczne przestawałoby być zauważalne. Przeciwnym wykorzystaniem powiązania zegara sterowniczego z czujka ruchu są sytuacje, gdy pomimo panującej ciemności oświetlenie sztuczne nie jest potrzebne. Np. neon w okresie, gdy wszelki ruch wokół budynku całkowicie zanika. Można przy tym określić minimalną wartość natężenia oświetlenia, która musi być zapewniona w jakichś miejscach.

Wtedy, niezależnie od czasu decydujące znaczenie ma pomiar jasności. Zegary sterownicze, również jedno- i wielokanałowe, pracują zwykle w cyklu dobowym, tygodniowym lub rocznym. Wybór następuje w zależności od miejscowych potrzeb. Jeśli rytm działania jest niemal niezmienny każdego dnia, to wystarczy cykl tygodniowy. W cyklu tygodniowym można wyróżnić każdy dzień z osobna lub - w prostszych - mieć dwa (dzień powszedni i weekend) lub trzy cykle (pierwszy od poniedziałku do piątku, drugi w soboty, a trzeci w niedziele). Żaden z tych zegarów nie uwzględnia dni świątecznych. Działanie zegara do rzeczywistych potrzeb najdokładniej można dostosować korzystając z zegara rocznego. Zapisany w pamięci kalendarz pozwala na łatwe i szybkie określenie wszystkich dni wolnych od pracy. Ponadto można w nim zapisać wszystkie inne nietypowe dni. Zarówno te świąteczne, jak też wymagające innego, np. wydłużonego, trybu pracy. Wygodną w eksploatacji cechą zegarów jest ich automatyczna synchronizacja. Albo za pomocą DCF77 (jeśli w dane miejsce dociera ten sygnał) albo za pośrednictwem Internetu (jeśli urządzenie lub system automatyki posiada dostęp do sieci).

Dodatkowe właściwości

Dość często w typowych czujkach zastosowane są dodatkowe elementy ułatwiające ich kalibrację i uruchomienie. Przykładem takich usprawnień są diody sygnalizujące LED. Dzięki nim łatwo stwierdzić, czy czujka pracuje i czy jest w stanie załączenia czy wyłączenia. Innym usprawnieniem jest przycisk „test” wyłączający np. parametry czasowe, dzięki czemu można w każdych warunkach sprawdzać działanie.

Każde urządzenie elektryczne pobiera jakąś moc. Zwykle jest to wartość ułamkowa. Warto jednak jest się przyjrzeć danym technicznym i wybrać takie urządzenia, które pobierają najmniej energii elektrycznej.

Pomiar natężenia oświetlenia oraz odliczanie czasu nie zawsze wystarczają do optymalnego zarządzania oświetleniem. Czasem występują sytuacje wymagające nadrzędnego, ręcznego sterowania. W niektórych miejscach takim parametrem jest detekcja ruchu lub obecności. Czasem konieczne jest powiązanie sterowania oświetleniem zewnętrznym z systemem monitoringu, wykrywającym np. pozostawione gdzieś przedmioty lub ich brak. Także niektóre warunki meteorologiczne mogą wymagać nietypowych działań, np. gęsta mgła. Niestety produkowane obecnie czujki nie pozwalają na dostosowanie się do wszystkich okoliczności, jakie mogą się zdarzyć. Najlepiej realizują takie zadania systemy automatyki budynkowej, np. stanowiący światową platformę KNX. Dzięki integracji różnych czujników, zegarów i systemów w jednej sieci można, korzystając z obszernych bibliotek funkcji logicznych, dowolnie planować działania oświetlenia. Dodatkową zaletą, jaką daje KNX jest możliwość kontrolowania działania z każdego miejsca i w każdym czasie. Natychmiastowe powiadamianie o wszelkich odstępstwach od zaplanowanego działania, o zdarzeniach nieprzewidywalnych czy zakłóceniach i awariach skraca czas reakcji i przyspiesza możliwość interwencji. Możliwość sterowania ręcznego często zapobiega powstawaniu strat. Ponadto rozwiązanie takie pozwala na zmniejszenia pracochłonności w zarządzaniu obiektami.

Andrzej Dubrawski

 

---