Cảm biến ánh sáng và ứng dụng của nó với hệ thống chiếu sáng.

Bài báo này trình bày khái quát các đặc trưng của ánh sáng và cảm biến ánh sáng. Những ứng dụng của cảm biến ánh sáng trong hệ thông điều khiển chiếu sáng giúp tiết kiệm năng lượng.

Đặc trưng của ánh sáng.

Ánh sáng là một dạng bức xạ sóng điện từ mà mắt người có thể nhìn thấy. Sự phát xạ mà chúng ta nhìn thấy được như ánh sáng mặt trời, hoặc quang phổ nhìn thấy chỉ là một phần rẩt nhỏ trong toàn bộ dải quang phổ bao gồm tia gama, tia X và sóng rađio. Tia cực tím có bước sóng thấp nhất khoảng 380nm và bước sóng dài nhất khoảng 720nm. Sự bức xạ của hệ mặt trời bao gồm dải quang phổ rộng lớn của các bước sóng với cường độ sáng khác nhau. Ánh sáng nhìn thấy từ nguồn bức xạ mặt trời là ánh sáng trắng do sự pha trộn của nhiều bước sóng mà mắt người cảm nhận được. Tuy nhiên, khi đi qua lăng kính hay màn sương mù đọng lại trong không khí sau cơn mưa, ánh sáng bị khúc xạ trong dải màu sắc đa dạng tạo nên hiệu ứng cầu vồng.

Fullscreen+capture+1162013+102633+PM Cảm biến ánh sáng và ứng dụng của nó với hệ thống chiếu sáng.
Ánh sáng nhìn thấy trong toàn dải quang phổ

Vì mắt người chỉ có thể cảm nhận được một phần nhỏ trong tổng số phổ phát xạ, nên phần lớn chúng ta không biết rằng các đối tượng xung quanh liên tục phát ra các bức xạ. Khi nhiệt độ của đối tượng tăng, quang phổ của bức xạ phát ra từ nó thay đổi để thêm vào các bước sóng ngắn hơn. Và chúng khi đạt được nhiệt độ xác định thì chúng ta có thể nhìn thấy rõ các đối tượng này.
Người ta thường đo lường ánh sáng dựa theo phương pháp đo cường độ sáng. Cường độ sáng có thể xác định theo công suất phát sáng hoặc thông lượng sáng trên một góc khối, trên một mặt phẳng xác định hoặc kết hợp cả hai. Cường độ sáng tuân theo luật bình phương nghịch đảo, nghĩa là cường độ sáng giảm theo bình phương khoảng cách từ nguồn phát sáng. Nếu đo cường độ sáng ở khoảng cách gấp đôi, thì cường độ giảm bốn lần, nếu đo ở khoảng cách gấp ba thì cường độ sáng giảm chín lần so với giá trị ban đầu. Phần lớn các nguồn sáng phân phát ánh sáng đều theo mọi hướng, giống như hình cầu. Cường độ sáng có thể được tính toán theo công suất phát sáng (P) của nguồn sáng trên diện tích bề mắt phát sáng: I=P/A [W/m2], A=4.π.r2-diện tích hình cầu ánh sáng bao phủ, r-khoảng cách từ nguồn sáng đến điểm đo cường độ sáng.

Đo lường ánh sáng.

Như đã đề cập trước đó, ánh sáng nói chúng được coi là một phần của quang phổ mà mắt người có thể cảm nhận được. Vì ánh sáng là một hiện tượng rất phức tạp nó không thể được đo lường một cách dễ dàng như nhiệt độ không khí và áp suất. Mỗi nguồn sáng đều có nhiều đặc tính khác nhau. Ánh sáng có bước sóng xác định hoặc hỗn hợp của các bước sóng có thể đo được (đơn vị đo thường là nanomet). Nó có một tần số sóng (đơn vị đo bằng hertz hoặc chu kỳ trên giây). Ánh sáng có đặc tính cường độ mà có thể đo được theo một số cách khác nhau. Ngoài ra ánh sáng còn có nhiều đặc điểm khác như sự phân cực (định hướng bước sóng),… Ở khía cạnh phức tạp, gần như tất cả các nguồn ánh sáng, bao gồm cả mặt trời, đều phát ra một quang phổ gồm nhiều bước sóng đồng thời ở những cường độ khác nhau.

Trong đa phần các ứng dụng (chiếu sáng khu dân cư, chiếu sáng cho trồng cây xanh, …), chúng ta thường quan tâm đo ba tính chất của ánh sáng:
- Bức xạ: tổng mức năng lượng ánh sáng chiếu lên một bề mặt
- Chất lượng quang phổ: các thành phần bước sóng và cường độ tương đối của nó
- Khoảng thời gian: khoảng thời gian chiếu sáng hàng ngày
Sự kết hợp của ba đặc tính của ánh sáng nêu trên xác định năng lượng tức thời và tích lũy phục vụ cho một mục đích cụ thể trong việc sử dụng nguồn sáng một cách hiệu quả, như phục vụ cho quá trình quang hợp của cây xanh, phục vụ chiếu sáng, …
Trong những năm qua, các nhà khoa đã phát triển một sự gia tăng của các phương pháp đo ánh sáng và các đơn vị để đo tính chất khác nhau của ánh sáng. Mỗi thuộc tính, thường có một số tiêu chuẩn đo lường và đơn vị kỹ thuật. Độ rọi ở bề mặt sàn (foot-candle) thì đơn vị lux và lumen được sử dụng để mô tả độ sáng tương đối hoặc độ sáng nhìn bằng mắt thường. Đo bức xạ được sử dụng để mô tả các năng lượng bức xạ của ánh sáng, sử dụng các đơn vị thông thường bao gồm Watts, Calories và Joules. Tuy nhiên, một phương pháp đo lường dựa vào số lượng photon rơi xuống bề mặt chiếu sáng (tương tự như đo lường năng lượng quang tử) thì sử dụng đơn vị là micromols mỗi mét vuông trên giây (µmol m-2 s-1) hay đơn vị đo tương đương là microeinsteins mỗi mét vuông trên giây (µE m-2 s-1). Với các ứng dụng nuôi trồng cây xanh, mức lượng tử ánh sáng đo lường bức xạ nằm trong dải PAR (Photosynthetically Active Radiation). PAR luôn được định nghĩa trong khoảng 400-700 nm.
Hệ số chuyển đổi một số đơn vị đo lường ánh sáng được tính như sau:
- Độ sáng (phản ứng của mắt người): 1 lux = 1 lumen m-2 = 0,093 foot-candle;
1 foot-candle = 1 lumen ft-2 = 10,76 lumen m-2
- Bức xạ (tổng mức năng lượng ánh sáng): 1 W m-2 = 0,316998 BTU/(h ft2)
- Lượng tử PAR: 1 µmol m-2 s-1 (PAR) = 1 µE m-2 s-1 (PAR)

Có một điểm lưu ý trong đo lường ánh sáng là việc chuyển đổi các đơn vị đo lường ánh sáng là không hề dễ dàng như việc chuyển từ đơn vị độ sáng (lux) sang đơn vị PAR µmol m-2 s-1, vì hầu hết các nguồn sáng phát ra quang phổ của các bước sóng khác nhau dẫn đến năng lượng khác nhau, nên tồn tại các hệ số biến đổi khác nhau với từng nguồn sáng.

Cảm biến ánh sáng.

Cảm biến ánh sáng là một bộ phận quan trọng của hệ thống điều khiển chiếu sáng khu dân cư, điều khiển chiếu sáng trong nhà kính nuôi trồng cây xanh,…
Một cảm biến ánh sáng, như tên gọi của nó, là một thiết bị được sử dụng để phát hiện ánh sáng. Có rất nhiều loại cảm biến ánh sáng khác nhau, mỗi loại hoạt động theo một cách khác nhau. Ví dụ tế bào quang hoặc quang trở thay đổi điện trở của nó khi ánh sáng chiếu vào, chúng là một loại cảm biến ánh sáng và được sử dụng trong nhiều sản phẩm tiêu dùng để xác định cường độ của ánh sáng. Một thiết bị CCD (Charge-Coupled Device) có nhiệm vụ biến đổi năng lượng ánh sáng thành tín hiệu điện nhờ các đi-ốt quang và các vi mạch đi kèm với các đi-ốt đó được làm từ các phân tử bán dẫn. Các chip CCD được sử dụng như một cảm biến ánh sáng trong máy ảnh kỹ thuật số và các thiết bị nhìn ban đêm.
Các thiết bị chứa đựng cảm biến ánh sáng có nhiều công dụng trong các ứng dụng khoa học và đời sống hàng ngày. Một cảm biến ánh sáng đơn giản có thể là một phần của một thiết bị an ninh, thiết bị cảnh báo an toàn, chẳng hạn như một báo động chống trộm hoặc mở cửa gara. Các thiết bị này thường hoạt động bằng cách chiếu một chùm ánh sáng phát ra từ một cảm biến này đến cảm biến khác, nếu ánh sáng bị gián đoạn, một âm thanh báo động hoặc cửa gara sẽ tác động theo đúng yêu cầu cài đặt.
Nhiều thiết bị điện tử hiện đại, chẳng hạn như máy tính, điện thoại không dây và TV sử dụng bộ cảm biến ánh sáng môi trường xung quanh để tự động điều khiển độ sáng của màn hình, đặc biệt là trong điều kiện thiếu ánh sáng hoặc ánh sáng cao. Chúng có thể phát hiện mức ánh sáng trong một căn phòng và điều khiển tăng hoặc giảm độ sáng đến một mức độ thoải mái hơn cho người sử dụng. Cảm biến ánh sáng cũng có thể được sử dụng để tự động bật đèn bên trong hoặc bên ngoài một ngôi nhà hay trụ sở kinh doanh khi trời tối.

Các loại cảm biến ánh sáng.

Cảm biến quang: Cảm biến quang được thiết kế để bắt chước các phản ứng của mắt người. Cảm biến quang thường được sử dụng trong các ứng dụng phát sáng cho người sử dụng. Đơn vị đo lường của cảm biến quang thường được biểu thị theo đơn vị lux, lumen, hoặc foot-candle. Cảm biến quang không đặc biệt thích hợp để sử dụng trong các ứng dụng trồng cây xanh vì chúng có thể không đưa ra một chỉ dẫn chính xác cho dải quang phổ phát ra bởi nguồn ánh sáng khác nhau. Nói cách khác, mặc dù một nguồn sáng có thể xuất hiện “khá” sáng, được cảm nhận bằng mắt thường, nhưng quang phổ của nó có thể vẫn là không phù hợp cho trồng cây xanh. Tuy nhiên, cảm biến quang có thể được sử dụng để chỉ báo khá tốt về cường độ và tính đồng đều của ánh sáng trên một cây trồng, khi di chuyển về dưới tán lá được chiếu sáng (đối với hệ thống nuôi trồng cây xanh trong nhà kính).

Quang trở: Nội trở của quang trở giảm xuống (ví dụ: 10 kΩ tương ứng với ánh sáng 10 lux khi đo bằng quang điện trở LDR12mm-10K/2M) khi ánh sáng kích thích chiếu vào và tăng lên rất lớn (2 MΩ) khi không bị kích thích chiếu sáng (bề mặt quang điện trở bị che tối). Nhờ sự thay đổi điện trở này, quang trở được ghép nối vào các mạch điện tử phù hợp để tạo ra thiết chuyển mạch đóng/ngắt, hay dịch chuyển trong từng ứng dụng cụ thể, như hệ thống đóng/mở đèn chiếu sáng, hệ thống điều chỉnh chiếu sáng trong nhà kính.

Hỏa kế quang: Hỏa kế quang ngoài trời thường được thiết kế để đo bức xạ mặt trời nhận được từ toàn bộ bán cầu. Đơn vị đo lường thông thường là watt cho mỗi mét vuông trên giây (Wm-2). Trị số đo của hỏa kế quang có thể được sử dụng để hỗ trợ một loạt các quyết định điều chỉnh môi trường trồng cây xanh trong nhà kính hay đóng/mở hệ thống cột đèn chiếu sáng khu dân cư, hay bất kỳ các ứng dụng nào khác sử dụng ánh sáng mặt trời. Hỏa kế quang ngoài trời có thể được sử dụng cả ngoài trời và trong nhà, tuy nhiên nó không đặc biệt hữu ích trong việc đánh giá các nguồn chiếu sáng bổ sung đối với các ứng dụng tối ưu hóa bức xạ mặt trời trong nhà. Với phép đo bức xạ trong nhà (ví dụ nhà kính trồng cây xanh) việc sử dụng hỏa kế quang “tấm đen” sẽ cho kết quả đo tốt hơn loại hỏa kế quang ngoài trời.

Cảm biến PAR: Cảm biến PAR hay cảm biến đo bức xạ quang hợp (PAR) ở dải bước sóng 400-700 nm. Cảm biến này đo ánh sáng theo đơn vị micromol trên mét vuông trên giây (µmol.m2.s-1). Chúng được sử dụng chủ yếu trong các ứng dụng nghiên cứu làm vườn để đo bức xạ quang hợp trong tán cây, trong nhà kính, phòng cây sinh trường và nảy mầm, và các ứng dụng trong phòng thí nghiệm và nghiên cứu ánh sáng. Trong nhà kính thương mại, cảm biến PAR có thể được sử dụng để đo so sánh các giá trị PAR tại các điểm khác nhau ở trên và dưới tán cây xanh và/hoặc kiểm tra tính đồng đều của ánh sáng khi triển khai hệ thống chiếu sáng mới.

Lắp đặt và sử dụng cảm biến ánh sáng.

Cảm biến ánh sáng đặt ở xa để có thông tin nhằm điều chỉnh sự hoạt động thích hợp của thiết bị chiếu sáng phù hợp đáp ứng được yêu cầu như trong bóng mát, lúc tối hoàn toàn, hay phải sử dụng màn che sáng. Thông tin từ các cảm biến ở từng vị trí khác nhau cũng có thể được phối hợp sử dụng để kích hoạt điều khiển thiết bị ánh sáng dựa vào giá trị thực tế đo được.
Vị trí cố định đặt cảm biến ánh sáng nên bố trị ở khu vực bóng mát không điển hình hoặc khu vực đo ánh sáng mục tiêu. Cột điện, vòm mái và tán cây trồng có thể được lựa chọn để lắp đặt cảm biến áng sáng cố định. Tất nhiên luôn phải đảm bảo rằng không có bất kỳ một vật cản nào che chắn các tia sáng phát ra từ mặt trời. Cảm biến trong nhà và ngoài trời nên thường xuyên kiểm tra và làm sạch theo khuyến nghị của nhà sản xuất, vì có thể xuất hiện các vật cản, bụi bẩn,… Trong mọi tình huống, điều quan trọng là lắp đặt các cảm biến an toàn và theo chiều ngang. Hầu hết các cảm biến ánh sáng đều được yêu cầu hiệu chuẩn lại sau hai năm hoặc theo khuyến nghị của nhà sản xuất.

Bộ điều khiển tích hợp cảm biến ánh sáng.

Vì lượng ánh sáng mặt trời nhận được chịu ảnh hưởng của tất cả các yếu tố biến khí hậu, nên thông tin đo lường từ cảm biến ánh sáng là một yếu tố quan trọng trong hệ thống điều khiển tích hợp ánh sáng. Việc đọc ánh sáng, cả tức thời và tích lũy, được sử dụng để đánh giá tốc độ và mức độ phản ứng cần thiết cho hoạt động kiểm soát khí hậu môi trường cần quan tâm, như môi trường khí hậu trong nhà kính. Vì nhiều yếu tố làm thay đổi khí hậu môi trường và có thể tương quan trực tiếp với ánh sáng, đó là sự kết hợp với các yếu tố khác như gió, nhiệt độ và độ ẩm, nên chương trình kiểm soát khí hậu môi trường có thể được điều chỉnh liên quan đến thời tiết thực tế cả trong thời gian thực và trong tính toán dự báo. Ví dụ, khi mở một van “pha trộn” để cung cấp nhiệt vào gian phòng, hệ thống điều khiển có thể thay đổi các thiết lập liên quan đến năng lượng ánh sáng. Nếu giá trị ánh sáng đang được tăng, thì hệ thống có thể điều tiết trở lại việc cấp năng lượng cho nước nóng để ngăn chặn sự vượt quá nhiệt độ trong gian phòng, và các tổn thất nhiệt nếu có xảy ra (từ hai nguồn nước nóng + năng lượng mặt trời) có thể được bỏ qua. Điều này cũng đúng cho thông gió, hệ điều tiết thủy nông và bất kỳ hoạt động nào khác chịu ảnh hưởng bởi ánh sáng.
Theo ước tính, tiêu thụ năng lượng cho nhu cầu chiếu sáng chiếm khoảng 20-40% tổng tiêu thụ năng lượng trong tòa nhà, trung tâm thương mại và chiếm từ 3-10% trong tổng tiêu thụ năng lượng trong các ngành công nghiệp. Bởi vậy, cùng với giải pháp nâng cao ý thức sử dụng của người dùng, chúng ta cần thiết phải áp dụng các công nghệ kỹ thuật tiên tiến trong hệ thống điều khiển chiếu sáng nhằm tiết giảm đến mức thấp nhất điện năng tiêu thụ. Về kỹ thuật, đó là giải pháp thay thế đồng bộ các thiết bị chiếu sáng cũ, lạc hậu bằng thiết bị chiếu sáng tiên tiến, tiêu thụ ít điện năng (ngày nay, đó là việc sử dụng các đèn siêu sáng LED – tuổi thọ cao, chất lượng sáng tốt, tiêu thụ rất ít điện), đồng thời hiện đại hóa các hệ điều khiển chiếu sáng theo từng cụm, từng cấp độ tự động hóa (vận hành từ xa, vận hành tự động theo lịch trình tối ưu, theo nhận diện tự động vật thể để bật/tắt chiếu sáng…) dựa trên chỉ tiêu tiết kiệm năng lượng điện.
Các giải pháp điều khiển chiếu sáng tự động đã thành công và ứng dụng nhiều trong thực tế như là hệ thống điều khiển tự động chiếu sáng đường phố, khu dân cư, khu vực xung quanh nhà máy … Các hệ thống chiếu sáng này không chỉ bật/tắt chiếu sáng mà còn tự động thay đổi công suất phát sáng theo mật độ người tham gia giao thông/xuất hiện trong khu vực phát sáng.

Trong xã hội hiện đại ngày nay, các ngôi nhà/căn hộ “thông minh” với hệ thống tự động phát hiện và điều chỉnh chiếu sáng tùy thuộc vào mật độ/số người và cường độ ánh sáng hiện tại ở từng phòng ngày càng được sử dụng phổ biến. Hệ thống này không chỉ cho phép bật/tắt, điều chỉnh chiếu sáng trong từng phòng khi có người đi vào (bằng cảm biến bức xạ hồng ngoại PIR – pyroelectric infrared sensor) hoặc/và khi ánh sáng không đủ dùng (bằng cảm biến ánh sáng quang trở), mà còn liên kết các cụm điều khiển chiếu sáng ở các phòng với nhau để điều chỉnh dự báo chiếu sáng cho phòng khác (bật đèn sáng trước khi người đến). Cấu trúc điển hình hệ thống tự động chiếu sáng này như mô tả ở hình vẽ. Mỗi phòng được lắp đặt một bộ điều khiển chiếu sáng HLCM cùng với số lượng đèn xác định theo nhu cầu ánh sáng của phòng đó. Các bộ điều khiển chiếu sáng này liên kết với nhau bằng sóng rađiô RF hoặc bằng đường truyền mạng hữu tuyến theo chuẩn Modbus.

 Cảm biến ánh sáng và ứng dụng của nó với hệ thống chiếu sáng.

Hệ thống tự động điểu khiển chiếu sáng trong “nhà thông minh”

Tóm lại:

Ánh sáng là dạng vật chất đặc biệt, là một dạng năng lượng, nó vừa có tính chất sóng vừa có tính chất hạt. Vì vậy mà các thông số đặc trưng về ánh sáng như tốc độ, tần số và bước sóng hoàn toàn có thể đo được. Các cảm biến ánh sáng thì rất đa dạng, tuy nhiên những ứng dụng trong đời sống dân sinh hay trong lĩnh vực nông – công nghiệp thì cảm biến quang vẫn là loại được dùng phổ biến nhất. Kết hợp với công nghệ điện tử bán dẫn, công nghệ vi điều khiển, ngày nay đã cho phép thiết kế được các mạch điều khiển tích hợp cảm biến ánh sáng phục vụ hữu ích cho các ứng dụng đa dạng trong đời sống sinh hoạt hàng ngày cũng như trong lĩnh vực nông nghiệp và công nghiệp chiếu sáng. Những hệ thống tự động điều khiển chiếu sáng này có rất nhiều ưu điểm không chỉ ở kích thước nhỏ-gọn-nhẹ, tiêu tốn ít năng lượng, mà nó còn giảm được đánh kể lượng điện năng tiêu thụ của toàn hệ thống.

Send comment

*