МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ Мордовский государственный университет им. Н.П. Огарёва Институт электроники и светотехники. Светотехника и источники света РЕФЕРАТ На тему: «История создания технических средств для управления освещением» Работу выполнил: Студент 1 курса 104 группы Электроника и Наноэлектроника Шунихин Дмитрий Сергеевич Работу проверила: Доцент, преподаватель кафедры светотехники и источников света Синицына Людмила Васильевна Саранск ‒ 2022 Содержание Введение…………………………………………………………………………...2 1. Розетки. История и современность ………………………………….………..2 2. История создания автоматического выключателя…………………………....6 3. История создания датчиков освещения…………………...………………….12 4. История создания генераторов…………………………………………….....14 Заключение……………………………………………………………………….16 Список использованных источников…………………………………………...17 1 Введение. Цель: Рассмотреть историю создания технических средств для управления освещением. В наше время сложно представить себе дом или квартиру, в которой нет системы освещения. Мы свыклись с тем, что розетки и выключатели являются неотъемлемым атрибутом нашего жилища. Однако, интересовались ли Вы хоть раз, как они появились, и кто их изобрёл? Итак, начнём с того, чтоб любой бытовой выключатель – это коммутационный аппарат с несколькими контактами. Он предназначен для работы в сетях с напряжением до 1 000 вольт. Управляются выключатели вручную. Технические свойства у всех устройств одинаковы, а размеры, цвет, материалы, применяемые для изготовления, определяются изготовителем. Выключатели предназначены для включения и выключения различных бытовых электрических приборов и систем освещения (люстр, плафонов, светильников). Первый автоматический выключатель увидел свет в 1879 году. Именно тогда американский изобретатель Эдисон продемонстрировал общественности систему современного освещения. В то время она состояла из лампы накаливания, патрона с резьбой, цоколя, розетки, вилки и предохранителей. Он смог соединить их в единую систему электроснабжения. Также в эту систему он добавил трехпроводную сеть постоянного тока напряжением 110 В. В том же году (1880), когда начинает действовать система, Эдисон представляет новую лампу накаливания со сроком службы в 1200 часов. Благодаря подобной системе освещения и электроснабжения компания Эдисона стала продавать 75 % всех лампочек в США. В наше время розетки и выключатели могут иметь разнообразную форму и цвет, выполняются из разных материалов: металла или пластика. Для качественной и безопасной эксплуатации они должны отвечать всем техническим нормам, а также быть правильно установленными. Современные 2 производители предлагают широкий выбор розеток и выключателей на любой потребительский вкус. Они подчёркивают стиль жилища и вносят заключительный акцент в оформление интерьера. При выборе изготовителя зачастую отдаётся предпочтение европейским брендам. На текущий момент одними из наиболее прославленных являются розетки и выключатели Шнайдер, а также розетки и выключатели Merten. 1. Розетки. История и современность. История изобретения, усовершенствования и использования розетки. Прошлое розетки довольно таинственно. Доподлинно известно, что она появилась в XIX веке и сразу несколько человек претендовали на её изобретение. Говорят, изобрёл прибор Тесла – физик, которого полжизни преследовали трудности и неприятие его исследований и открытий. Переехав из Европы в Америку, он устроился инженером в компанию Томаса Эдисона. Однажды Эдисон пообещал Тесле 50 тысяч американских долларов (в наше время — это около 1 миллиона), если ему удастся конструктивно усовершенствовать электрические машины постоянного тока. Когда появились розетки в домах? Первое время электричество использовали лишь для освещения зданий и улиц. Изобретение розеток, как бы там ни было, приходится на то время, когда свет пришёл в дома. Сначала это были только лампочки, вместе с ними появились и первые выключатели. Вскоре выпустили первый электроприбор. Это был вентилятор. Уже через 6 лет компании изготавливали 85 видов электроустройств. Однако использовать их было трудно. К сети устройства подключались напрямую, потому они стояли как мебель, и их нельзя было никуда убрать. Тогда электророзетка и получила распространение. Первым, патент на электрическую розетку в 1904 году получил Харви Хаббелл. Кроме того, он добился принятия единого стандарта. Запатентованная 3 Хаббелом штепсельная пара отличается от распространённой в настоящее время (преимущественно в Европе и России) только формой штырей вилки. У «Хаббеловского» изделия штыри представляют собой плоские фигурные пластины и соответствующей формы разъемы в розетке. Стоит отметить, что плоские контакты также имеют распространение (например, американский и японский, стандарты Великобритании и Израиля). Другие производители приняли разъём Хаббелла и к 1915 году он стал широко распространён, хотя и в 1920х годах, и даже значительно позднее переходники для патронов Эдисона пользовались популярностью. Хоть и нечасто, но такие переходники можно найти в продаже и сегодня. Изначально, розетка не была приспособлена для закрепления на стене. Подобный тип розеток дожил до наших дней, например, в виде розеток на бытовых удлинителях. Чуть позже розетки стали монтировать на стену, еще позже, при переходе к скрытой проводке, в углубление в стене. Такое направление эволюции розеток можно объяснить двумя причинами. Первоначально, электричество приходило в уже существующие здания, проводка устраивалась по поверхности стен, поскольку это не требовало объемных строительных работ. С другой стороны, низкое качество изоляции проводников, подверженность ее старению, требовало иметь возможность визуально контролировать и по мере надобности обслуживать и заменять провода и места их соединений. В настоящее время, преимущественно используются медные провода, как наиболее подходящие, имеющие низкое сопротивление и высокую долговечность, что позволило в большинстве перейти к использованию внутренней проводки. С момента выдачи патента на изобретение Хаббела, до идеи объединения в одном корпусе более чем одной розетки прошло 14 лет. В 1918 году основатель компании «Matsushita Electric» Коносокэ Мацусита вышел на японский рынок с двойной розеткой. Такое решение позволяло упростить монтаж и сэкономить место на стене. Следующей важной вехой в истории развития электрических розеток 4 стало изобретение Альбертом Бюттнером розетки с заземляющим контактом (Schuko). Патент на это изобретение вступил в силу в 1926 году. «Schuko» (Шуко) это разговорное название системы cиловых вилок и розеток для переменного тока, официально определённой в стандарте CEE 7/4 или известной неофициально как «Тип F». «Schuko» — это сокращение от немецкого термина Schutzkontakt (Шутцконтакт, дословно: «защитный контакт»), что просто указывает на то, что вилка и розетка снабжены контактами защитного заземления (в виде скоб, а не штырей). Разъёмы Schuko обычно используются в цепях на 230 В, 50 Гц, для токов силой до 16 А. По состоянию на 2011 год система используется в более чем 40 странах, включая большую часть континентальной Европы. В странах бывшего CCCР вилку Schuko часто называют «евровилкой», а розетку — «евророзеткой», видимо из-за того, что приборы, поставляемые из Европы (в данном случае Германии) комплектовались вилкой Schuko. Розетки Schuko критикуют за то, что они не снабжены предохранителем, неполяризованы по своей конструкции (хотя необходимость поляризации тоже подвергается сомнению), за значительное усилие для подключения и отключения вилки, что для некоторых людей является проблемой, и за большие габариты. Стандарт IEC 60906-1, возможно, вытеснит Schuko в будущем. Дальнейшее развитие электрических розеток шло в основном по пути снижения опасности случайного поражения пользователя электрическим током, оптимизации системы монтажа, поиска новых конструкционных материалов, введения дополнительных функций и поиска новых дизайнерских решений. Большинство производителей перешло к модульным типам устройств. Такие устройства позволяют комбинировать розетки с рамками под количество мест от 1 до 5 и организовывать, таким образом, места подключений с необходимым количеством розеток. Изначально розетки ставились на достаточной большой высоте от пола. 5 Впоследствии, в России был разработан стандарт, регламентирующий установку розеток на расстоянии 80 – 90 см от пола (в настоящее время ПЭУ определяет положение розеток не выше 180 см). Другие стандарты определяют ещё более низкое положение розеток, 20 – 30 см от пола. «Плинтусные розетки», имеющие соответствующую форму, устанавливаются непосредственно на плинтус, в кабель-канале которого прокладываются провода. Как выбрать розетку? Сегодня при выборе розетки нужно учитывать несколько факторов. Евророзетки не подойдут к бытовым приборам со штепсельными вилками советского образца. Впрочем, при желании можно поменять старый штепсель на вилку типа C. Необходимо учитывать силу тока, потребляемую той или иной бытовой техникой. Этот показатель указан в паспорте. В большинстве случаев достаточно 10 ампер. Исключения – мощный кондиционер, микроволновая печь, электрообогреватель. Для кухонной плиты нужна мощная розетка, ведь сила тока достигает 46 ампер. Сегодня розетки бывают разных видов и форм, например, со светодиодом. Они хороши в тёмное время суток. А в детской лучше установить розетки с автоматической шторкой для отверстий. Открывается она только при введении штепселя, другие предметы в прибор не воткнуть. 2. История создания автоматического выключателя. Необычная история обычного автоматического выключателя Эволюция защитного устройства: от времен Эдисона до наших дней Автоматический выключатель настолько привычен для нас, что кажется – в нем нет ничего интересного. Но прежде чем выключатель обрел свой современный облик и поселился в каждом доме, в офисах, школах, торговых центрах и на предприятиях, он прошел долгую эволюцию. Первый автомат защиты линии изобрел американец Чарльз Графтон 6 Пейдж. В 1838 г. он создал прерыватель – по сути, ртутный резервуар с контактным стержнем. При увеличении тока появлялось электромагнитное поле, заставляющее стержень подниматься из ртути. Цепь размыкалась, а когда магнитное поле исчезало, все элементы возвращались на свои места. Позднее появились прообразы плавких предохранителей. Их устройство в 1880 г. запатентовал Томас Эдисон: плавкая вставка из фольги или проволоки помещалась в стеклянную колбу. Внешне предохранитель напоминал привычную нам лампочку, но при кажущейся примитивности обеспечивал разрыв сети при перегрузке: вставка сгорала – цепь размыкалась. В конце XIX века появились рубильники с автоматической защитой от короткого замыкания. Первую модель создал русский изобретатель Михаил Осипович Доливо-Добровольский. Это был аппарат на пружинных контактах, которые во включенном состоянии удерживались защелкой. Под действием электромагнита она открывалась и приводила в действие отключающую пружину. Этот принцип оказался настолько эффективным, что используется в промышленных автоматических выключателях до сих пор. В начале ХХ века в Европе начался настоящий бум автоматических выключателей. На Всемирной выставке в Париже «Электрическое акционерное общество б. Шуккертъ в Нюрберге» представило трехфазный генератор с новым автоматическим выключателем. Журнал «Электричество» в 1902 г. сообщал: «Вторичное включение выключателя, после того как он выпал из цепи, возможно только тогда, когда причина, произведшая короткое замыкание или другое повреждение, действительно устранена. Прибор очень чувствителен. Он функционирует всегда при одном и том же токе. Посредством особого винта прибор может быть поставлен на любое количество ампер до 2000». В 1910 г. появился выключатель с двумя реле. Аппарат отключал сеть мгновенно лишь при больших перегрузках. Если же мощность в сети повышалась незначительно, выключатель срабатывал с регулируемой задержкой. 7 В этот же период изобретатели задумываются о том, как решить проблему электрической дуги, которая образуется при размыкании контактов и разрушает элементы автоматического выключателя. И Михаил ДоливоДобровольский изобретает дугогасительное устройство: металлическая решетка из изоляционного материала с узкими щелями гасит электрическую дугу за счет дробления на мелкие части. В 1911 г. на выставке в Турине был представлен первый масляный автоматический выключатель. Французы продемонстрировали сразу два варианта: трехфазный на 25 кВ и однофазный на 45 кВ мощностью 10 кВА. Вводы, контактная и дугогасительная системы в таком выключателе помещались в заземленный резервуар с маслом, которое находилось под давлением. Емкость с маслом служила не только для гашения дуги, но и для изоляции токоведущих частей. Простые, надежные и недорогие, эти автоматические выключатели имели и ряд существенных недостатков: могли взорваться, были пожароопасными и обладали весьма внушительными размерами. В 1914 г. все тот же Доливо-Добровольский изобретает деионную решетку со специальными электромагнитами для втягивания электрической дуги в щель дугогасительной камеры. Технология помогает гасить дугу максимально эффективно. Принцип, примененный 105 лет назад, используется в автоматических выключателях до сих пор. Немецкие инженеры Хуго Штоц и Генрих Шахтнер совершили революцию: они объединили тепловой и магнитный расцепители в единый блок многократного использования. В итоге аппараты стали защищать не только от перегрузок (как это делали их предшественники с одним тепловым расцепителем), но и от коротких замыканий. Теперь вставку не надо было менять после каждого срабатывания – достаточно было нажать кнопку и перезапустить выключатель. Автоматический выключатель Хуго Штоца Патент на изобретение немцы получили в 1924 г., а через четыре года на 8 рынке появился первый в мире модульный автоматический выключатель, который без конструктивных изменений выпускался потом на протяжении почти 30 лет Реклама автоматических выключателей Хуго Штоца в 20-х - 30-х годах XX века В 1930-е годы также появились дугогасительные камеры для гашения искр, которые возникают при срабатывании устройства, и контактные накладки из серебросодержащих материалов. Как говорит Денис Никитин, инженер-эксперт IEK GROUP – одного из ведущих производителей и поставщиков электротехники и светотехники, в наше время чистое серебро при производстве автоматических выключателей не применяется из-за низкой температуры плавления и быстрого разрушения при горении дуги. В современных устройствах используется сплав серебра с тугоплавким веществом (металлическим или неметаллическим) для повышения стойкости контактной группы. Например, в выключателях серии ВА47-29 и ВА47-100 IEK® используются напайки из серебросодержащего материала, который повышает износостойкость контактной группы и снижает переходное сопротивление. Соответственно, увеличивается срок службы автоматического выключателя, повышается его надежность. В России развитие технологий шло по несколько иному пути. В послевоенное время повсеместно использовались выключатели АБ25. Расцепители в них стояли только тепловые, следовательно, эти аппараты надежно защищали лишь от перегрузок. Короткие замыкания становились проблемой: электрическую сеть необходимо разомкнуть мгновенно, но биметаллической пластине теплового расцепителя, чтобы нагреться и сработать, нужно время. Ток короткого замыкания автоматический выключатель с таким расцепителем, конечно, отключал, но пожар в проводке мог начаться раньше. Что касается дугогасительных камер советских выключателей 1950– 9 1960-х гг., то они содержали небольшое количество пластин. Эффективность гашения дуги в таком случае невысока из-за малого дробления. В дугогасительных камерах современных устройств пластин значительно больше, при этом инженеры стараются найти оптимальный баланс между увеличенным количеством пластин для эффективности дугогашения и компактностью автоматических выключателей. В течение следующих 20 лет вектор развития автоматических выключателей в мире сместился в сторону улучшения характеристик, совершенствования дугогасительных и контактных систем, появления приводов. Но в нашей стране этот период ознаменован распространением выключателей АЕ1031. Автоматический выключатель АЕ1031 Расцепитель у них был по-прежнему только тепловой, но было и принципиальное отличие – отсутствие дугогасительной камеры. При срабатывании устройства его контакты расходятся на бо̀льшее расстояние, чем у аппаратов предыдущего поколения, и дуга гаснет. Подобные выключатели справляются со своей задачей и до сих пор встречаются в квартирных щитках жилых домов. Выключатель АЕ1031 в разобранном виде «Лучше заменить такой выключатель на современный, оснащенный электромагнитным расцепителем и дугогасительной камерой. Нагрузки значительно выросли и увеличились значения токов короткого замыкания, – поясняет Денис Никитин (IEK GROUP). – Чтобы обеспечить безопасность электрических сетей, от автоматических выключателей требуются надежное срабатывание и быстродействие. Современные аппараты срабатывают при коротком замыкании практически мгновенно – за 0,1 секунды». В 1990-е гг. Россия совершила колоссальный рывок в разработке и производстве автоматических выключателей, перенимая лучший опыт зарубежных компаний и внедряя собственные технологии, отвечающие на запросы внутреннего рынка. 10 Большинство современных отечественных выключателей имеют и тепловой, и электромагнитный расцепители, защищают сеть одновременно от перегрузок и коротких замыканий. Для них производители выпускают дополнительные модули, расширяющие функциональные возможности автоматических выключателей. Например, изобретены расцепители, которыми можно управлять дистанционно. Они позволяют размыкать цепь на расстоянии и незаменимы во время пожара, когда требуется отключить вентиляцию или открыть электромагнитный замок дверей, но доступа к щиту уже нет. Современный ВА47-60М IEK Импульс от системы пожарной охраны поступает на независимый расцепитель, и тот отключает автоматический выключатель. В качестве примера можно привести расцепитель РН47 с безвинтовым креплением с диапазоном рабочего напряжения 161–253 В, который используется для отключения одно-, двух-, трех- или четырехполюсного автоматического выключателя серий ВА47-29 и ВА47-100 IEK. Механическая износостойкость современных автоматических выключателей рассчитана не менее, чем на 20 000 циклов, а электрическая – не менее, чем на 6000. Столь внушительных показателей ведущим производителям удалось достичь благодаря специальной конструкции корпуса с улучшенной теплоотдачей и его дополнительной защите от прогорания из-за дуги (отвод тепла осуществляется за счет пластиковой и металлической пластин). Продолжается и эволюция дугогасительных камер: в них увеличивается количество пластин, на выходе устанавливаются двойные искрогасящие решетки, которые повышают пожарную безопасность аппарата, препятствуя выбрасыванию продуктов горения дуги наружу. Отдельно стоит сказать о вкладе отечественных производителей: в 2013 году российская компания IEK получила патент № 139886 на дугогасительную систему с увеличенным сроком службы за счет повышенной устойчивости к 11 токам короткого замыкания. Запатентованной технологией оснащены все автоматические выключатели серии ВА47-29 IEK. В современные аппараты все активнее внедряются системы автоматического регулирования характеристик (в зависимости от условий работы), прогнозируется все более широкое применение микропроцессоров для моделирования дуги и появление трехфазных автоматов с временем срабатывания 1 мс. Эволюция автоматического выключателя продолжается. 3. История создания датчиков освещения. Датчики – устройства, измеряющие физические характеристики объектов или окружающей среды (например, температуру, давление, наличие примесей в воздухе, положение в пространстве и т. д) и преобразующие ее в вид, удобный для дальнейшей обработки. Первые попытки создания датчиков были предприняты еще более трех веков назад, но первым датчиком, появившемся на рынке, считается термостат, изобретенный в 1883 году Уорреном Джонсоном. Впоследствии Уоррен Джонсон основал компанию Johnson Controls, основным направлением которой было разработка и производство автоэлектроники. С развитием технологий и элементной базы появились новые типы датчиков. С конца 1940-х годов началось производство инфракрасных датчиков, первый датчик движения появился в начале 1950-х годов и был изобретением Самюэля Баньо. Его устройство использовало ультразвуковые частоты, а также эффект Доплера. В конце 20-го века начали разрабатываться химические датчики (для определения химического состава среды) и биосенсоры. В настоящее время датчики являются одной из основных компонент робототехники при создании интеллектуальных систем, способных видеть (фотонная технология), чувствовать (физические измерения), слышать, мыслить/общаться (интеллектуальная электроника и беспроводные технологии), перемещаться (датчики, объединенные с исполнительными 12 механизмами), различать запахи (электронные носы). Датчики используются в горнодобывающей, аэрокосмической, автомобильной промышленности (например, парктроник, датчик уровня топлива, датчик дождя и многие другие), в сельском хозяйстве (для мониторинга сельскохозяйственных угодий, создание «умных» теплиц), в медицине для наблюдения за пациентами и их лечения (например, датчик для определения уровня сахара в крови, фитнес браслеты). Также датчики активно внедряют в системы домашней автоматизации (включение/выключение света в зависимости от показаний датчика освещенности, изменение интенсивности работы обогревающих элементов на основе показаний датчика температуры и влажности и другое). Современные гаджеты оснащены различными датчиками, практически в любом смартфоне сегодня есть гироскоп, датчик отпечатка пальцев, датчик освещенности. Основные характеристики датчиков: чувствительность (порог чувствительности) – наименьшее значение входной величины, приводящее к изменению измеряемой выходной; погрешность выходного сигнала – определена для нормальных условий эксплуатации, при изменении условий окружающей среды, погрешность увеличивается; диапазон измерения – минимально и максимально возможные значения величин, которые сможет детектировать датчик. Датчики можно разделить на две большие группы: активные (сами воздействуют на окружающую среду) и пассивные (окружающая среда воздействует на них). По измеряемому параметру бывают датчики: влажности, света, движения, положения в пространстве, газа, давления, температуры и многие другие. По типу выходного сигнала различают аналоговые и цифровые датчики. По среде передачи – проводные и беспроводные. Датчики могут являться частью какого-либо прибора, тогда они называются интегральные, а могут 13 представлять собой независимое устройство, так называемые элементные датчики. По способу питания датчики бывают автономные (работают от батареи) и подключенные к сети электропитания. 4. История создания генераторов. Первый многополюсный синхронный генератор переменного тока был создан в 1832 году неизвестным изобретателем. С тех пор проблемой ученых стало создание наиболее эффективных коммутирующих устройств, однако пока переменный ток применялся не очень широко, разработками генераторов занимались достаточно вяло. Тем более что получение переменного тока никогда не было особо сложной проблемой, ведь любые генераторы в обмотке создают переменный ток. Важным этапом в развитии генераторов переменного тока стало создание генератора Уайльда, который основывался на двух контактных кольцах и отдельном магнитном возбудителе. Позднее Уайльд разработал генератор, который не использовал отдельных возбудителей. Якорь генератора представлял собой двух-Т-образный стальной сердечник с двумя типами обмотки. Основным недостатком генератора Уайльда являлись чрезмерные потери стали во время работы генератора, из-за которых генератор не мог работать длительное время. Следующей ступенью развития генераторов переменного тока стала свеча Яблочкова, которая стала использоваться в освещении жилых помещений. Именно первые попытки применения переменного тока в бытовых условиях привели к развитию технологий генерирования тока и к усовершенствованию существующих генераторов. Яблочков разработал несколько вариантов генераторов переменного тока, рассчитанных на разное количество свечей, однако по-прежнему проблемой оставалась нагрузка на сердечники, не позволяющая генераторам работать длительное время. Проблема заключалась в технологиях того времени, не позволявших создать более пригодные для генераторов якоря. Производители разными способами решали этот вопрос, доходило даже до создания генераторов без сердечников, 14 однако эффективность таких машин так и оставалась невысокой. Заключительным этапом развития генераторов переменного тока стало создание двухфазного генератора с катушечными обмотками на станции Паддингтон. Машина весила 18 тонн, при том что мощность ее составляла 150 кВт. Однако на тот момент это был наиболее совершенный и эффективный генератор переменного тока, позволяющий питать электроэнергией жилые дома и создавать в них эффективную систему освещения. На современном же этапе вполне возможно купить дизельные электростанции, которые более эффективно и грамотно решают задачи создания электросистемы зданий. 15 Заключение Роль освещения в современной жизни является одной из ключевых при создании комфортных условий проживания, дизайнерских решений интерьера помещения, экстерьера здания. Соответственно появилась необходимость и в качественно новом подходе к системам управления освещением, более удобном и функциональном. Долгое время главным, да в принципе и единственным средством коммутации являлся обычный выключатель. Конечно, они были и одноклавишные, и двухклавишные и даже трехклавишные, сути это не меняет. Но жизнь не стоит на месте и с развитием технологий, наряду с традиционными схемами, стали применяться все новые и новые решения, благодаря которым можно реализовать более гибкий подход к управлению системами освещения. 16 Список использованных источников 1.https://smartsaver.ru/news/istorija-izobretenija-rozetok-i-vykljuchatelejkakie-proizvoditeli-populjarny-sejchas/ 2.https://vamel.ru/blog/poleznye-stati/kak-poyavilis-pervyeavtomaticheskie-vyklyuchateli/ 3. https://lightru.pro/sistemy-upravleniya-svetom/ 4. https://selectel.ru/blog/lighting-history/ 5. https://5watt.ua/blog/stati/istoriya-upravleniya-ulichnym-osvessheniem 17
