СПОСОБ УПРАВЛЕНИЯ ЭЛЕКТРОННЫМ КОММУТАТОРОМ ВЫХОДНОЙ ЦЕПИ ПЕРЕМЕННОГО ТОКА И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ Российский патент 1995 года по МПК H03K17/567 

Изобретение относится к импульсной технике, а именно к электронной коммутации цепи переменного тока, представляет собой способ и устройство управления коммутатором выходной цепи переменного тока с использованием сенсорных средств и может быть применено при создании комфортных условий освещения помещений.

Известен способ фазового управления электронным (тиристорным) коммутатором выходной цепи переменного тока, который характеризуется тем, что к управляющему электроду тиристора коммутатора прикладывается полуволна переменного напряжения, фаза которого может меняться по отношению к фазе питающего анодного напряжения. При этом меняется момент отпирания тиристора и соответственно меняется продолжительность подключения нагрузки и питающему напряжению.

Недостатком фазового управления является зависимость мощности, отдаваемой в нагрузку, от температуры окружающей среды. Указанная температурная нестабильность обусловлена, с одной стороны, зависимостью от температуры параметров цепи отпирания тиристора, а с другой медленным нарастанием управляющего напряжения (тока), характерным для способа фазового управления. Кроме того, медленное нарастание управляющего напряжения (тока) приводит к перегреву тиристора и снижению надежности коммутации.

Большую точность и стабильность включения обеспечивает способ импульсно-фазового управления. Известный способ характеризуется тем, что на управляющий электрод тиристора коммутатора подают импульсы с крутым фронтом, изменяя положение которых относительно фазы анодного напряжения, получают необходимый угол отпирания и соответственно меняют ток через нагрузку.

Если нагрузкой является осветительный прибор (лампы накаливания), то при использовании известного способа не обеспечивается достаточный срок службы ламп. Как известно, сопротивление холодной нити ламп накаливания в 8-10 раз меньше, чем раскаленной. Поэтому использование способа, который не ограничивает пусковой ток лампы, приводит к ускоренному выходу нити из строя.

Способ и устройство-прототип свободны от указанного выше недостатка и по технической сущности являются наиболее близкими к настоящему изобретению.

Способ-прототип характеризуется тем, что формируют управляющие импульсы с крутым фронтом и изменяют их фазовый угол относительно фазы коммутируемого напряжения, при этом в процессе включения фазовый угол плавно уменьшают к нулю а при выключении плавно увеличивают к π.

Устройство-прототип содержит пороговую схему на входе тиристорного коммутатора, фазосдвигающий узел с шунтирующим транзистором, времязадающую дифференцирующую RC-цепь и сенсорное средство.

Решение-прототип позволяет ограничитель пусковой ток лампы и, кроме того, после выключения лампы поддерживает ее сечение в течение 5-10 с.

Однако и это решение не создает достаточно комфортных условий для человека, включающего и выключающего освещение с помощью сенсорных средств.

Для создания комфортных условий необходимо обеспечить при включении, которое начинают воздействием на сенсор, ускоренное засвечивание нити, а при выключении, которое начинают также воздействием на сенсор, быстрый, но незначительный сброс яркости на время, достаточное для выхода человека из помещения. Засвечивание нити при включении и незначительный сброс яркости при выключении являются достаточной визуальной информацией о срабатывании сенсора.

Предметом изобретения является способ управления электронным коммутатором выходной цепи переменного тока, заключающийся в том, что формируют управляющие импульсы с крутым фронтом и изменяют их фазовый угол ϕ относительно фазы коммутируемого напряжения, при этом в процессе включения угол ϕ плавно уменьшают к нулю, а при выключении плавно увеличивают к π, после чего прекращают подачу управляющих импульсов, и отличающийся тем, что в процессе включения, который начинают воздействием на сенсор, перед плавным замедлением уменьшением угла ϕ к нулю устанавливают ускоренно фазовый угол 140^о < ϕ₁ < 160^о, а в процессе выключения, который начинают также воздействием на сенсор, перед плавным продолжительностью в сотни полупериодов коммутируемого напряжения увеличением угла ϕ к π увеличивают фазовый угол в течение первого полного полупериода до 30^о < ϕ₂ < 45^о и сохраняют угол ϕ₂ последующие сотни полупериодов коммутируемого напряжения.

Указанная совокупность операций позволяет наряду с продлением срока службы осветительных приборов (ламп накаливания) создать для человека комфортные условия освещения помещения, так как при нажатии на сенсор включения обеспечивается засвечивание нити лампы, а при нажатии на сенсор выключения сброс яркости с получением достаточной информации о срабатывании сенсора и достаточного освещения на время выхода человека из помещения.

Настоящий способ имеет развитие, состоящее, согласно изобретению, в том, что процессы включения и выключения начинают следующими друг за другом воздействиями на один и тот же сенсор. Это создает дополнительные удобства для пользователя.

Другое развитие предлагаемого способа управления коммутатором заключается в том, что плавное уменьшение фазового угла к нулю в процессе заключения ускоряют по достижении угла 60^о < ϕ₃ < 75^о. Это позволяет после плавного разогрева нити лампы и достаточного увеличения сопротивления ускоренно выйти в зажим полного накала.

Предметом данного изобретения также является устройство управления электронным коммутатором выходной цепи переменного тока, содержащее пороговое устройство, первый выход которого подключен к управляющему входу электронного коммутатора, управляемый фазосдвигающий узел, выход которого подключен к входу порогового устройства, времязадающую цепь, выход которой подключен к первому входу управляемого фазосдвигающего узла, сенсорное средство и отличающееся тем, что в него введены два триггера и датчик состояний электронного коммутатора, пороговое устройство и управляемый фазосдвигающий узел снабжены вторым выходом и вторым входом соответственно, а времязадающая цепь выполнена интегрирующей, при этом сенсорное средство подключено к счетному входу первого триггера, прямой и инверсный выходы которого подключены к S и R-входам второго триггера соответственно, второй вход управляемого фазосдвигающего узла и вход времязадающей цепи подключены к прямому выходу первого триггера, у которого инверсный выход соединен с D-входом, второй выход порогового устройства соединен со счетным входом второго триггера, прямой выход которого подключен выходу времязадающей цепи, а D-вход к выходу датчика состояний электронного коммутатора.

Эта блок-схема устройства управления электронным коммутатором позволяет, воздействуя на один и тот же сенсор, засветить нить лампы при включении и сбросить яркость при выключении с получением достаточной информации о срабатывании сенсора и достаточного освещения на время выхода человека из помещения.

Согласно изобретению устройство имеет развитие, касающееся наиболее простого и эффективного, а потому предпочтительного выполнения управляемого фазосдвигающего узла и характеризующееся тем, что указанный узел выполнен в виде последовательной RC-цепи, конденсатор которой является выходом узла, трех транзисторов и дополнительного конденсатора, при этом промежуток коллектор-эмиттер первого транзистора включен в цепь, шунтирующую конденсатор RC-цепи, коллектор первого транзистора подключен к его базе через промежуток коллектор-эмиттер второго транзистора, базовый выход которого является первым входом узла, и через цепь из последовательно соединенных дополнительного конденсатора и промежутка коллектор-эмиттера третьего транзистора, базовый вывод которого является вторым входом узла.

При этом дополнительный конденсатор может быть включен в коллекторную или эмиттерную цепь третьего транзистора.

Дополнительным отличием предложенного устройства управления является то, что датчик состояний электронного компаратора выполнен в виде диода, включенного последовательно с первым и вторым резисторами, и конденсатора, подключенного параллельно второму резистору и являющегося выходом датчика состояний.

На фиг. 1 представлена блок-схема устройства, реализующего способ; на фиг. 2 принципиальная схема управляемого фазосдвигающего блока (узла); на фиг. 3 принципиальная электрическая схема устройства для осуществления способа.

Блок-схема (фиг. 1) содержит коммутатор 1, например с использованием тиристора в диагонали диодного моста (см. фиг. 3) пороговое устройство 2, первый выход которого подключен к управляющему входу коммутатора 1, управляемый фазосдвигающий блок 3, выход которого подключен к входу устройства 2, времязадающую, например RC-цепь 4, выход которой соединен с первым входом блока 3, сенсорное средство 5, датчик 6 состояний коммутатора 1, два триггера 7 и 8.

Сенсорное устройство 5 подключено к счетному входу триггера 7, прямой и инверсный выход которого подключены к S и R-входам триггера 8, счетный вход которого подключен к второму выходу устройства 2. Прямой выход триггера 7 подключен к второму входу блока 3 и входу времязадающей цепи 4, выход которой подключен к прямому выходу триггера 8. Выход датчика 6 соединен с D-входом триггера 8.

Пороговое устройство 2 может быть выполнено, например, на двухтранзисторном аналоге тиристора.

Блок (узел) 3 содержит (см. фиг. 2) RC-цепь 9, 10, транзисторы 11, 12, 13 и конденсатор 14, включенный, например, в коллекторную цепь транзистора 13. Иное возможное включение конденсатора 14, т. е. его включение в эмиттерную цепь транзистора 13 показано на фиг. 3.

Датчик 6 может быть выполнен в виде (см. фиг. 3) конденсатора 15, диода 16 и резистивного делителя 17, 18.

Принцип работы блок-схемы фиг. 1, согласно изобретению, заключается в следующем.

Пусть в исходном состоянии на прямом выходе триггера 7 и соответственно на S-входе триггера 8 и его прямом выходе устанавливается низкий логический уровень. Конденсатор времязадающей цепи 4 не заряжается, транзисторы блока 3 (см. фиг. 2) закрыты и конденсатор 10 блока 3 не шунтируется. Фаза напряжения на входе порогового устройства 2 практически совпадает с фазой питающего напряжения и при срабатывании устройства 2 тиристор коммутатора 1 отпирается почти без задержки (угол близок к нулю). В нагрузку 19 отдается максимальная мощность (лампа горит ярко).

При нажатии на сенсор (кнопку) 5 триггер 7 переводится в единичное состояние. Высокий логический уровень поступает на S-вход триггера 8, устанавливая его также в единичное состояние, и открывает транзистор 13, который, в свою очередь, открывает транзистор 11 блока 3 (см. фиг. 2), но на время заряда конденсатора 14 блока 3, которое на порядок меньше времени заряда основного конденсатора 10 блока 3. Поэтому шунтирующее действие транзистора 11 проявляется лишь в течение незначительной части каждого полупериода питающего напряжения. Тем самым достигается "запаздывание" на угол ϕ₂ заряда конденсатора 10 и соответственно более позднее отпирание тиристора коммутатора 1. То есть при выключении, которое начинается воздействием на сенсор 5, лампа 19 незначительно, но резко притухает, информируя о том, что примерно через 10-15 с свет выключится совсем.

Далее процесс выключения развивается следующим образом.

По мере заряда конденсатора времязадающей цепи 4, например через 7-10 с, составной транзистор 12, 11 блока 3 выходит из области отсечки. Транзистор 11 начинает на все больше шунтировать конденсатор 10 блока 3 уже в течение всей продолжительности каждого полупериода питающего напряжения. Тиристор коммутатора 1 начинает отпираться позже (угол ϕ плавно увеличивается от ϕ₂ к π ) и к моменту насыщения транзистора 11 не отпирается совсем, так как напряжение на входе устройства 2 не достигает порогового уровня. Лампа 19 не горит.

Таким образом, сразу после воздействия на сенсор лампа 19 притухает, находится в таком состоянии (ϕ ϕ₂) например 7-10 с, а затем плавно гаснет (угол ϕ плавно увеличивается от ϕ₂ кπ ) в течение, например 3-5 с.

Процесс включения начинают повторным нажатием на сенсор 5. В результате триггер 7 переключается в нулевое состояние и конденсатор времязадающей цепи 4 начинает медленно разряжаться через относительно высокоомное входное сопротивление блока 3. При этом благодаря наличию триггера 8 система быстро входит как в режим засвечивания нити (ускоренно устанавливается угол 140^о < ϕ₁ < 160^о), так как в режим полного накала после медленного разогрева нити, т. е. после относительно продолжительного этапа уменьшения угла ϕ от ϕ₁ до 60^о < ϕ₃ < 75^о. Осуществляется это следующим образом. При переключении триггера 7 в нулевое состояние на вход триггера 8 подается логический нуль, а на R-вход поступает импульс, снимаемый с инверсного выхода триггера 7. Указанный импульс переводит триггер 8 в нулевое состояние и конденсатор времязадающей цепи 4 начинает ускоренно разряжаться по цепи, соединяющей его с прямым выходом триггера 8. Указанный ускоренный разряд конденсатора продолжается, пока транзисторы 12, 11 блока 3 не начнут закрываться (транзистор 13 закрыт изначально из-за низкого уровня на прямом выходе триггера 7).

Как только вследствие подзапирания транзисторов 12, 11 напряжение на выходе блока 3 возрастает до порогового уровня, срабатывает устройство 2, и его первый выходной импульс, открыв тиристор, начнет засвечивание нити.

Тот же импульс со второго выхода блока 2 поступает на счетный вход триггера 8 и, поскольку S 0, R 0 (работа в счетном режиме разрешена), переписывает на прямой выход состояние D-входа, на котором к этому моменту действует высокий уровень, снимаемый с датчика 6 состояний коммутатора 1.

Появление высокого уровня на прямом выходе триггера 8 прекращает ускоренный разряд конденсатора времязадающей цепи 4. Постоянная времени разряда указанного конденсатора и соответственно время закрывания транзисторов 11, 12 значительно возрастает.

По мере относительного медленного закрывания транзисторов 11, 12 блока 3 фазовый угол ϕ уменьшается от ϕ₁ к нулю. Продолжительность открытого состояния тиристора коммутатора 1 соответственно увеличивается. Этот процесс происходит плавно в течение, например, нескольких секунд. Затем после выхода нагрузки (лампы) 19 в режим разогретой нити (угол ϕ ϕ₃) потенциал на выходе датчика 6 (см. конденсатор 15 на фиг. 3) снижается до низкого уровня, который переписывается на прямой выход триггера 8, и разряд конденсатора цепи 4 вплоть до уровня логического нуля на обкладках происходит опять ускоренно. Соответственно ускоренно лампа 19 переходит в режим полного накала.

Лучший вариант осуществления изобретения представлен на фиг. 3.

По этой схеме был изготовлен образец устройства. Проведенные испытания показали его надежную работу с созданием комфортных условий освещения помещения.

Изобретение обеспечивает комфортные условия для человека, включающего и выключающего освещение с помощью сенсорных устройств. При включении и выключении, которые начинают следующими друг за другом воздействиями на один и тот же сенсор, с помощью управляемого фазосдвигающего узла осуществляют засвечивание нити включаемой лампы с получением достаточной информации о срабатывании сенсора и сохранением освещения на время выхода человека из помещения. 2 с. и 53 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Способ управления электронным коммутатором выходной цепи переменного тока, заключающийся в том, что формируют управляющие импульсы с крутым фронтом и изменяют их фазовый угол относительно фазы коммутируемого напряжения, при этом в процессе включения фазовый угол плавно уменьшают к нулю, а при выключении плавно увеличивают к π, после чего прекращают подачу управляющих импульсов, отличающийся тем, что в процессе включения, который начинают воздействием на сенсор, устанавливают ускоренно угол ϕ₁> 140^°, а в процессе выключения, который начинают также воздействием на сенсор, перед плавным продолжительностью в сотни полупериодов коммутируемого напряжения увеличением фазового угла к π его увеличивают в течение первого полного полупериода до угла 30^°< ϕ₂<45^° и сохраняют этот угол последующие сотни полупериодов коммутируемого напряжения. 2. Способ по п.1, отличающийся тем, что в процессе включения изменения угла дополнительно ускоряют при его уменьшении до значения 60^°< ϕ₃<75^°.
3. Устройство управления электронным коммутатором выходной цепи переменного тока, содержащее пороговое устройство, первый выход которого подключен к управляющему входу электронного коммутатора, управляемый фазосдвигающий узел, выход которого подключен к первому входу управляемого фазосдвигающего узла, сенсор, отличающееся тем, что в него введены два триггера и датчик состояний электронного коммутатора, пороговое устройство и управляемый фазосдвигающий узел снабжены вторым выходом и вторым входом соответственно, а времязадающая цепь выполнена интегрирующей, при этом сенсор подключен к счетному входу первого триггера, прямой и инверсный выходы которого подключены к S- и R-входам второго триггера соответственно, второй вход управляемого фазосдвигающего узла и вход времязадающей цепи подключены к прямому выходу первого триггера, у которого инверсный выход соединен с D-входом, второй выход порогового устройства соединен со счетным входом второго триггера, прямой выход которого подключен к выходу времязадающей цепи, а D-вход к выходу датчика состояний электронного коммутатора. 4. Устройство по п.3, отличающееся тем, что управляемый фазосдвигающий узел выполнен в виде последовательной RC-цепи, конденсатор которой является выходом узла, трех транзисторов и дополнительного конденсатора, при этом переход коллектор эмиттер первого транзистора включен в цепь, шунтирующую конденсатор RC-цепи, коллектор первого транзистора подключен к его базе через переход коллектор эмиттер второго транзистора, базовый вывод которого является первым входом узла, и через цепь из последовательно соединенных дополнительного конденсатора и перехода коллектор эмиттер третьего транзистора, базовый вывод которого является вторым входом узла. 5. Устройство по п.3, отличающееся тем, что датчик состояний электронного коммутатора выполнен в виде диода, включенного последовательно с первым и вторым резисторами, и конденсатора, подключенного параллельно второму резистору и являющегося выходом датчика состояний. 6. Устройство по п.4, отличающееся тем, что дополнительный конденсатор включен в коллекторную цепь третьего транзистора. 7. Устройство по п.4, отличающееся тем, что дополнительный конденсатор включен в эмиттерную цепь третьего транзистора.