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暗くなったら点灯する人感センサーライトの製作

暗くなったら明るさを検知し、人が近づいた時に点灯するライトが壊れた。
今、会社経営で新聞を賑やかにしている東芝製の大分昔の製品だったのだが、暫くの間放置されていたので内部電池の漏液が回路接点をダメにしたようだ。最近、朝早く暗いうちにトイレに起きるようになったので、あれがあると足元が明るく助かる。

これくらいの物ならば今どき安いのが売っているだろうと、以下の条件で探してみた。

1.省エネ型(LED)であること
2.当然ながら人感センサーで点灯すること
3.暗い時に自動で動作すること
4.電池や充電型ではなくACDCアダプターで動作すること(コンセント型や電球型では設置場所的にダメ)

・・・いろいろググってみましたが、1.2.の条件ならばたくさんあるのですが、更に3.4.が加わるとあまりありません。そして高額のものになるようです。

それならば作りましょうという結論です。

【完成写真】
話が長くなりそうなので最初に完成写真を載せます。

MotionSensorLight_2.jpg

右上がLEDライト、その左が人感センサー、左下に欠けているのが照度センサー、中央下が自作したコントローラです。

【製作説明】

材料は容易に入手できる安いものが良いですね。以下の画像は秋月さんからのNETからお借りしました

・LEDライト:9~12VDC、3.8W、昼光色(秋月・900円)
MotionSensorLight_12.jpg

・人感センサー:焦電型赤外線センサモジュール、5~12VDC、2m検知(秋月・850円)
MotionSensorLight_13.jpg

・光センサー:リニア光センサー、VCC=5V、1~200Lux(秋月・150円)
MotionSensorLight_15.jpg

早速物を入手して作ってみることにしました。基本的な考え方は
1)光センサーで暗くなったらONリレーが動作すること
2)AND 人感センサーがONしたら、LEDライトをONさせる
3)2)ではデレイ・リレーを起動させ20秒後程度にOFFさせる。タイマーIC、555を使います。

順に単品で機能を確認して行きます。

1)光センサーでリレーをONさせる : 簡単に考えていましたがここが一番時間がかかりました。

問題点その1:簡単な回路でOKなのだが出力がかなり低い

MotionSensorLight_16.jpg

5Vを印加し、光強度に比例した電流が流れるので負荷抵抗で電圧を取り出すのですが、

MotionSensorLight_17.jpg

暗い、明るいの境目となる10Lux 付近では、8 uA程度しか流れません。10kΩの負荷抵抗で算定すると、80mV程度になります。これではトランジスタ動作のVbe 0.7V まで昇圧するにはオペアンプで10倍程度増幅が必要になります。

そこで、【増幅オペアンプ回路】が必要になります。

MotionSensorLight_6.jpg

LM358という廉価オペアンプなのですが、電源電圧の10%~90%範囲はリニアに増幅します。このような回路に好んで使用するオペアンプです。
10Kの負荷抵抗で発生した電圧をオペアンプで増幅しますが、120k/12kΩなので、約10倍に増幅します。

尚、マイコンの電源は当初単電源を試みましたが、特に今回必要な低レベル電圧ではリニアで無くなるため、LTC1144という負電圧コンバータを使い±12Vの電源を供給しています。

問題点その2:リレーが動作時に唸ります

このオペアンプ出力は10Lux 付近では10倍の0.8Vになるので、リレーを駆動するためのスイッチとなるトランジスタをONさせることができます。しかし、そうやって作ってみた単動作回路では、「リレーが発振するように動く」というトラブルが出ました。
即ち、光の強弱や、リレーON-OFF時の電圧減増によりON-OFFを繰り返すのです。これではリレーが壊れます。

・・・色々調べてみると、このような比例制御によってON-OFFする場合は、「ヒステリシスを付ける」必要があるということです。
即ち、ONする時の電圧よりもOFFする時の電圧をある程度低く設定すれば、その範囲にある場合はON-OFFしないという不感帯が設けられるということです。

更に調べてみると、これを実現するには、「シュミット・トリガー」という回路が良いらしいですが、「ディスクリート」で勉強して作ってみたい小生としてはトランジスタで構成する回路を選びました。

・・・勉強し、シミュレーションして達成したのが以下の回路と、LTSpiceシミュレーション結果です。

MotionSensorLight_9.jpg

一番左が入力電圧で、光センサーの負荷抵抗から、10 Lux + α 時点で約100mVが入力される前提です。0~500mVまで変化するように設定しています。
これがOPAMPで10倍に増幅されます。
これ以降にある、Q1、Q2トランジスタと周辺の抵抗で構成された回路が、「シュミット・トリガー」です。その後にあるQ3トランジスタはR6というリレーコイルを駆動するものです。

詳しい回路の動作は「シュミット・トリガー」を参照願いたいのですが、結果的に上側のシミュレーション図に示すように、光センサーからの出力V(in)が110mV になるとリレーがONします。その状態から、光センサーからの出力が下がり、65mV程度になった時点でリレーがOFFします。即ち、光センサー出力が 65~110mV範囲の時には、リレーはON-OFFどちらかの状態から動かないということになります。

このような検討から、【シュミットリガー回路+光センサーONでリレーOFF(暗くなるとON)】 回路を設けました。
光センサーが受光して、OPOUT電圧が0.7V以上に上がると、K1リレーが切れます(=明るいと動作しない)

まとめを書いてみると簡単ですが、シュミットトリガー回路の抵抗定数設定はトライ&エラーなので時間がかかりました。

MotionSensorLight_7.jpg

2)人感センサーで動作させる

使ったセンサーは、「動体センサー」なので人体が近くにあっても動かなければONしません。
即ちこれは、「動いた時にだけONする」仕様なので、後述するオフディレイ・タイマーのパルス起動要件には合っています。

MotionSensorLight_14.jpg

モーション・センサー(人感センサー)は、電源、GND、内部TTL回路(ONでLOW)のコネクタで接合されます。
このLOW信号をPNPトランジスタで受け、K2リレーをONします。
当初5Vで動作させようとしていましたが、内部に5VのDC-DCコンバータがあり動作が安定しないようなので、電源を12Vに変更しました。
リレーは5V用しか無かったので、動作コイルに直列に230Ω(実際は220Ω)を入れました。

3)点灯時間を遅延させるオフディレイ・タイマー

MotionSensorLight_8.jpg

点灯させたLEDをある時間以降に消灯を遅延させるOFF Delay Timer です。
定番の555タイマーICを使っていますので、特段の説明は省きます。10uFコンデンサと1M+1M=2MΩ抵抗を使っていますので、計算動作時間は 22sec ですが、作ったものは 29sec 動作でした。抵抗値が大きいか、コンデンサが大きいかですが、31%もの偏差ですので、多分コンデンサの容量が実際に大きいのではないかと推測されます。


4)番外編:ユニバーサル基板製作を容易にするためには

一品料理である今回の基板を製作するに当たり、どうやって確実に正確にユニバーサル基板で作るか という課題です。

簡単な回路であれば、PasSという基板回路エディタを使って来たが、これは回路を最初から実体配線図で描く必要があるので、特殊な部品も登録しそのリソーセスが使え、回路図ベースで設計し、そこから基板図が作成できるEAGLEのようなツールが良い。

ここで一計を案じました。

1.EAGLEの回路図で設計する
2.基板図の設定を以下のようにする
  1)グリッドは0.1inchに設定する(ディフォルト)
  2)グリッドを線で表示させる。グリッドの交差点がユニバーサル基板の穴位置になる
  3)使用するユニバーサル基板サイズや、目印となる番号・記号などを記載する
3.部品配置はグリッド交差ポイントに合わせるようにする。
4.配線もグリッド線、グリッド好転をベースに配置する。

このようにすると、EAGLEで作った回路図をベースにしてユニバーサル基板図が容易に作成できます。

【今回作成したユニバーサル基板図】

MotionSensorLight_10.jpg

周囲にある数値やアルファベットは、使用したユニバーサル基板に銘打たれたものです。
これを記載し、EAGLEの表、裏印刷機能を使って印刷して置けば、部品配置が容易、裏面の配線も容易になります。

最後に参考までにEAGLEの回路図全体を載せておきます。

MotionSensorLight_18.jpg

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一晩使ってみての結果です。

良かったこと
・人感センサーの感度は問題ありません。ちょうど良い距離でセンシングしてくれます。
・昼光色LEDライトの質感もOK、もうちょっと暗くても良いかもとの意見もあり
・OFFディレイ時間29秒もちょうど良い長さです

不満なこと
・周囲が明るくなって、廊下もほんのりと明るいのに点灯する。OFF感度をもう少し暗めにしたい
 ⇒光センサーの負荷抵抗を低くすれば簡単に調整ができそうだ。いっそ可変抵抗にするか?
・意外に人感センサー・リレーの音が大きい。特に深夜になると周囲騒音が下がるので気になる
 ⇒機械式リレーを止めて電子リレーにしようか。
 秋月に安いリレーがあるようだが、制御信号ONでリレー接点ON回路しかないので、信号側で反転回路が必要かも

MotionSensorLight_20.jpg

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調べてみると、この電子リレーはAC電圧専用のようです。

・・・考えてみると、ここにはリレーではなくフォトカプラを入れても良いことに気が付きました。
明るさでON-OFFしているリレーコイルに直列に入れてあげればOKでしょう。

MotionSensorLight_21.jpg

リレーが入っていた赤丸部分をTLP521-1フォトカプラに交換しました。
注意すべきはこのフォトカプラは5V用なので、感度の問題で12V で使っている人感センサー回路では、一次側に1.2k の抵抗を入れLED電流を抑えています。2次側回路はタイマー・トリガーが5Vなのでそのまま接続します。

ついでに光センサー負荷抵抗を可変抵抗に交換しました。

MotionSensorLight_22.jpg

人感センサーのリレーが無くなり、豆粒大のフォトカプラになりました。カチカチ音がしないのでGoodです。

廊下がほんのり明るい時には点灯しないように半固定抵抗で調整を試みましたがダメのようです。
人間の目の感度が相当良いのでしょうね。




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