УСТРОЙСТВО ДЛЯ ВКЛЮЧЕНИЯ ЛАМП НАКАЛИВАНИЯ Российский патент 1997 года по МПК H05B39/02 

Изобретение относится к автоматике и электротехнике и может быть использовано при реализации режимов "мягкого" включения электровакуумных приборов, имеющих нить накаливания: электрических осветительных ламп накаливания, подогревателей катодов электронных электровакуумных приборов, например, таких как телевизионные электронно-лучевые трубки, генераторные и усилительные лампы радиопередатчиков и т.п.

Известно, что при включении осветительных электрических ламп накаливания и электронных электровакуумных приборов и подаче при этом номинального напряжения питания на нить накала, возникают ее значительные тепловые перенапряжения. Это связано с тем, что за счет низкого омического сопротивления холодной нити накаливания протекающий через нее начальный ток значительно превышает его номинальное значение. В результате происходит износ нити накаливания за счет испарения материала нити, ее утончение, вплоть до обрыва. При этом сокращается время наработки на отказ у устройств, использующих электровакуумные приборы с нитями накаливания, снижается их надежность. На замену вышедших из строя электрических осветительных ламп накаливания и электронных приборов затрачиваются значительные средства.

Известен способ и устройство для электропитания ламп накаливания (1), заключенный в питании осветительных ламп пониженным напряжением, с ручной регулировкой величины этого напряжения. Такой способ позволяет увеличить срок службы ламп накаливания, однако не удобен при массовом применении из-за использования трансформатора с переключаемыми вручную вторичными обмотками. Кроме того, использование для питания ламп накаливания пониженного напряжения приводит к изменению спектрального состава светового потока, что допустимо не во всех случаях. В электронных электровакуумных приборах указанный способ не приемлем, поскольку приводит к уменьшению температуры катодов и снижению их эмиссии.

Известны устройства, содержащие балластные резисторы, включаемые в начальный момент времени в цепь нагрузки и ограничивающие пусковые токи до приемлемых значений. К числу таких устройств относится, например, "Однонаправленная коммутационная схема для ограничения сверхтоков в лампах" (2), содержащая диодную цепь с двумя группами диодов, соединенных в обратно-параллельном порядке, а также резистор, включенные последовательно с нагрузкой, полупроводниковый управляемый ключ с проводимость в двух направлениях, включенный параллельно резистору, а также схема управления ключом, содержащую два диода, резистор и две емкости, причем резистор и одна из емкостей образуют зарядную RC-цепь. При подаче напряжения питания, за счет протекания зарядного тока RC-цепи, шунтируется цепь управления полупроводникового ключа, что препятствует его отпиранию. В результате, ток, протекающий по цепи нагрузки, ограничивается по величине суммарным сопротивлением резистора и нити накаливания. При разогреве нити накаливания ее сопротивление увеличивается до номинального значения. К этому моменту заканчивается заряд цепи, ключ начинает отпираться и шунтирует балластный резистор, что вызывает установку номинального значения тока через нить накаливания.

Достоинством этого устройства является автоматический режим работы и простота. Его недостатками являются недостаточное подавление бросков тока через нагрузку, поскольку реализуется только один шаг регулирования, необходимость согласования сопротивления балластного резистора, его мощности, а также рабочих токов диодов в цепи нагрузки с мощностью этой нагрузки, повышенные размеры устройства из-за наличия конденсатора большой емкости и значительное число мощных диодов, включенных последовательно с нагрузкой при ее работе.

Известных автоматические регуляторы мощности с так называемым "фазовым" способом управления, в основе которых лежит принцип изменения момента отпирания полупроводникового ключа по отношению к моменту начала текущей полуволны переменного напряжения. В результате изменяется среднее значение тока, протекающего через нагрузку за один период питающего переменного напряжения. Плавно изменяя момент отпирания ключа при включении устройства, например, за счет заряда RC-цепи, можно реализовать плавное увеличение тока нагрузки до его номинального значения.

Наиболее близким по технической сущности устройством (прототипом) является "Осветительное устройство" (3), содержащее полупроводниковый управляемый ключ, на основе двухстороннего тиристора, включенный последовательно с нагрузкой, лампой накаливания, а также схему его управления, содержащую ограничитель амплитуды импульсов напряжения на основе стабилитронов, управляемый генератор импульсов на основе однопереходного транзистора, две зарядные RC-цепи и схему разряда на основе полевого транзистора.

К достоинствам данного устройства можно отнести сравнительную простоту, плавное изменение мощности, подаваемой в нагрузку, от нуля до номинального значения, быструю готовность к повторному включению в результате работы схемы разряда. К недостаткам данного устройства, как и всех устройств с фазовым способом регулирования мощности, можно отнести необходимость обеспечения мер по защите первичной сети и эфира от возникновения радиопомех, связанных с быстрой коммутацией значительных уровней мощности и влияющих на работу радиоустройств. Применяемые с этой целью меры заключаются в установке на входе устройства со стороны первичной сети защитных дросселя и конденсатора, что приводит к усложнению устройства и снижению его технологичности. Другим недостатком устройства является питание схемы управления от отдельного выпрямителя, что вызывает необходимость применения разделительного трансформатора в цепи управления ключа и также снижает технологичность устройства.

Указанные недостатки затрудняют использование указанного устройства для целей автоматического управления режимом включения ламп накаливания при массовом его применении.

Цель изобретения повышение срока службы электрических ламп накаливания и электронных электровакуумных приборов, повышение технологичности устройства.

Поставленная цель достигается тем, что в устройство для включения ламп накаливания, содержащее первый ключ, второй ключ, ограничитель напряжения и источник питания, при этом первый вывод первого ключа соединен с первым выводом внешней нагрузки в виде нити накаливания, второй вывод внешней нагрузки подключен к первой клемме источника переменного напряжения, а второй вывод первого ключа подключен ко второй клемме этого источника, введены счетчик импульсов, коммутатор, удвоитель частоты следования импульсов, формирователь импульсов и схема начальной установки, при этом входной вывод ограничителя напряжения подсоединен к первой клемме источника переменного напряжения, первый выходной вывод ограничителя напряжения подключен к объединенным вместе входу второго ключа, входу коммутатора, входу схемы начальной установки и первому входному выводу источника питания, объединенные вместе вторые входной и выходной выводы ограничителя напряжения, удвоитель частоты следования импульсов и формирователь импульсов соединены последовательно, вход удвоителя частоты следования импульсов подключен к выходу коммутатора, а выход формирователя импульсов подключен к управляющему выводу первого ключа, выход второго ключа подключен ко входу счетчика импульсов, выход последнего разряда, выходные разряды и вход сброса которого подключены, соответственно, к управляющему входу второго ключа, управляющему входу коммутатора и выходу схемы начальной установки, при этом первый выходной вывод источника питания и подключенные ко второй клемме источника переменного напряжения объединенные вместе его второй входной и выходной выводы, являются, соответственно, первой и второй клеммами питания второго ключа, счетчика импульсов, коммутатора, удвоителя частоты следования импульсов, формирователя импульсов и схемы начальной установки.

Такое техническое решение позволяет реализовать режим включения нагрузки с постепенным увеличением тока через нее за счет изменения, на начальном интервале времени после включения устройства, частоты включения нагрузки по отношению к частоте питающего переменного напряжения. При этом среднее значение тока через нагрузку изменяется от некоторого начального значения, установленного за счет определенного выбора связей между счетчиком импульсов и коммутатором и внутренней структуры коммутатора, до номинального значения, определяемого выходным напряжением источника переменного напряжения и сопротивлением нагрузки (разогретой нити накаливания).

Устройство для включения ламп накаливания, выполненное по такой схеме, не содержит индуктивностей (дросселей, трансформаторов), что повышает его технологичность. Функциональные элементы устройства, счетчик импульсов, коммутатор импульсов, удвоитель частоты следования импульсов, формирователь импульсов, схема начальной установки, могут быть выполнены по интегральной технологии, что также повышает технологичность устройства. При реализуемом режиме включения нагрузки, исключается коммутация ключа в моменты протекания через него значительного тока, в результате чего не возникает необходимости в применении специальных мер, препятствующих возникновению радиопомех, поскольку отсутствует их источник.

Устройство для включения ламп накаливания с указанной структурой наиболее подходит для случая его размещения вдали от выключателя, с помощью которого производится подача напряжения источника переменного напряжения на нагрузку, например, для случая размещения устройства внутри осветительных приборов (плафоны, люстры), включаемые выключателем, размещенным на стене помещения.

При размещении устройства вблизи выключателя, например, в щитах питания, настольных лампах и т.п. возможны варианты его построения, при которых выключатель воздействует непосредственно на элементы устройства. В этом случае выключатели будут коммутировать цепи с малыми рабочими токами, что позволит существенно снизить предъявляемые к нему требования, следовательно уменьшить стоимость, повысить надежность, поскольку будет отсутствовать такой фактор, как подгорание контактов выключателя при коммутации больших токов.

Другим фактором, оказывающим влияние на структуру рассматриваемого устройства для включения ламп накаливания, является форма переменного напряжения, вырабатываемого источником переменного напряжения. В случае синусоидальной формы напряжения, для обеспечения работы нагрузки в режиме номинальной мощности необходимо обеспечить подачу отпирающего сигнала на управляющий вывод первого ключа с частотой, равной удвоенной частоте питающего напряжения (т. е. для каждой полуволны переменного напряжения). При этом в составе устройства необходим удвоитель частоты следования импульсов, а первый ключ может быть выполнен на основе симметричного тиристора. В ряде случаев допустимо питание нагрузки однополярными синусоидальными или прямоугольными импульсами напряжения. Например, питание цепей накала кинескопов в телевизионных приемниках в настоящее время производится от импульсных источников питания, вырабатывающих последовательность однополярных импульсов. В этом случае удвоитель частоты следования импульсов в составе не требуется, а в качестве первого ключа может быть использован тиристор. Кроме этого, в случае питания нагрузки прямоугольными импульсами напряжения, может не требоваться наличие в составе устройства формирователя импульсов и ограничителя напряжения, при этом запускающие импульсы могут подаваться на устройство извне, например, с выхода задающего генератора импульсов источника переменного напряжения. При использовании устройства для включения ламп накаливания в составе других устройств, имеющих вторичные источники питания, может не требоваться наличие собственного внутреннего источника питания.

Указанные особенности позволяют реализовать несколько вариантов выполнения устройства для включения ламп накаливания, аналогичных по выполняемым функциям, но несколько отличных по своей внутренней структуре и составу элементов.

Для пояснения сущности изобретения ниже приводится конкретный пример его выполнения со ссылкой на предлагаемые чертежи.

На фиг. 1 представлена структурная схема устройства для включения ламп накаливания в первом (основном) варианте исполнения.

На фиг. 2 представлена структурная схема устройства для включения ламп накаливания во втором варианте исполнения.

Устройство для включения ламп накаливания (фиг.1) содержит первый и второй ключи 1 и 2, причем первый вывод ключа 1 подсоединен к первому выводу внешней нагрузки в виде нити накаливания 3, а также ограничитель напряжения 4, счетчик импульсов 5, коммутатор 6, удвоитель частоты следования импульсов 7, формирователь импульсов 8, источник питания 9 и схему начальной установки 10, при этом второй вывод нагрузки 3 подключен к первой клемме источника переменного напряжения, второй вывод первого ключа 1 подключен ко второй клемме этого источника, первый входной вывод ограничителя напряжения 4 подсоединен к первой клемме источника переменного напряжения, первый вывод ограничителя напряжения 4 подключен к объединенным вместе входу второго ключа 2, входу коммутатора 6, входу схемы начальной установки 10 и первому входному выводу источника питания 9 объединенные вместе вторые входной и выходной выводы ограничителя напряжения 4 подключены ко второй клемме источника переменного напряжения, удвоитель частоты следования импульсов 7 и формирователь импульсов 8 соединены последовательно, вход удвоителя частоты следования импульсов 7 подключен к выходу коммутатора 6, а выход формирователя импульсов 8 подключен к управляющему выводу первого ключа 1, выход второго ключа 2 подключен ко входу счетчика импульсов 5, выход последнего разряда, выходные разряды и вход сброса которого подключены, соответственно, к управляющему входу второго ключа 2, управляющему входу коммутатора 6 и выходу схема начальной установки 10, при этом первый выходной вывод источника питания 9 и подключенные ко второй клемме источника переменного напряжения объединенные вместе его вторые входной и выходной выводы, являются, соответственно, первой и второй клеммами питания второго ключа 2, счетчика импульсов 5, коммутатора 6, удвоителя частоты следования импульсов 7, формирователя импульсов 8 и схемы начальной установки 10.

Первый ключ 1 может быть выполнен на основе тиристора, либо симметричного тиристора. При этом анод, катод и управляющий электрод тиристора являются, соответственно, первым, вторым и управляющим выводами первого ключа 1.

Второй ключ 2 может быть выполнен на основе последовательно включенных логических элементов 2И-НЕ и НЕ. При этом входы элемента 2И-НЕ являются, соответственно, входом и управляющим входом второго ключа 2, выход элемента НЕ является выходом второго ключа 2.

Нагрузкой 3 может являться любой активный двухполюсник в виде нити накаливания в цепи переменного тока, например, электрическая осветительная лампа накаливания, подогреватель катода электронной лампы и т.п. При этом клеммы нагрузки являются ее первым и вторым выводами.

Ограничитель напряжения 4 может быть выполнен по схеме последовательно включенных резистора и стабилитрона. При этом свободные выводы резистора и стабилитрона являются, соответственно, первым и вторым входными выводами ограничителя напряжения 4, а общая их точка и свободный вывод стабилитрона - первым и вторым выходными выводами ограничителя напряжения 4.

Счетчик импульсов 5 может быть выполнен по схеме двоичного L разрядного счетчика (L>1) со сбросом в ноль и содержит последовательно включенных триггеров со сбросом в ноль, при этом счетный вход триггера первого разряда, инверсный выход триггера последнего разряда и соединенные вместе выводы сброса всех триггеров являются, соответственно, входом, выходом последнего разряда и входом сброса счетчика импульсов 5. Выходные разряды счетчика 5 содержат несколько линий, каждая из которых является прямым либо инверсным выходом одного из триггеров. Количество линий определяется конкретной схемой реализации коммутатора 6.

Коммутатор 6 может быть выполнен по различным схемам. Его основная функция управляемая передача на выход сигналов со входа либо с управляющего входа. Он, например, может содержать набор стандартных элементов цифровой логики, соединенных должным образом для выполнения заданной программы работы, либо выполнен на основе мультиплексора, либо выполнен на основе управляемого переключателя на базе КМОП структур (например, на основе мультиплексеров серии 561).

Удвоитель частоты следования импульсов 7 может быть выполнен по любой известной схеме.

Формирователь импульсов 8 может быть выполнен по любой известной схеме ждущего генератора коротких импульсов.

Источник питания 9 может быть выполнен по схеме последовательно включенных полупроводникового диода и емкости. При этом свободные выводы диода и емкости являются, соответственно, первым и вторым входными выводами источника питания 9, а их общая точка и свободный вывод емкости первым и вторым выходными выводами источника питания 9.

Схема начальной установки 10 может быть выполнена по любой схеме, реализующей процедуру генерации на выходе одиночного импульса при подаче на вход импульсной последовательности. В простейшем случае она может содержать выпрямительный диод, зарядную RC-цепь и логический инвертор.

Устройство для включения ламп накаливания работает следующим образом.

Напряжение на клеммах источника переменного напряжения (например, напряжение 220 В, частота сети 50 Гц) ограничивается с двух сторон первым ограничителем напряжения 4, в результате чего на его выходе образуется последовательность однополярных импульсов (например, амплитудой 12 В). Эта последовательность импульсов поступает на вход источника питания 9, который осуществляет функции выпрямления и сглаживания напряжения, в результате чего вырабатывается постоянное напряжение относительно второй клеммы источника (например, 12 В), питающее элементы устройства, а именно, второй ключ 2, счетчик импульсов 5, коммутатор 6, удвоитель частоты следования импульсов 7, формирователь импульсов 8, схему начальной установки 10.

Последовательность импульсов с выхода ограничителя напряжения 4 поступает также на вход коммутатора 6, вход схемы начальной установки 10 и вход второго ключа 2, состояние которого определяется управляющим потенциалом, поступающим на его управляющий вход с выхода последнего разряда счетчика импульсов 5.

На управляющий вход коммутатора 6 с выходных разрядов счетчика 5 поступают импульсные последовательности с частотами повторения, меньшими, по отношению к частоте последовательности на входе коммутатора 6. В зависимости от состояния коммутатора 6, определяемого кодовой комбинацией на выходных разрядах счетчика 5, на его выход проходит одна из импульсных последовательностей. Частота следования импульсов на выходе коммутатора 6 увеличивается вдвое в удвоителе частоты следования импульсов 7, после чего импульсы формируются по длительности и амплитуде в формирователе импульсов 8 и поступают на управляющий вывод первого ключа 1, вызывая его отпирание. В результате, через нагрузку 3 протекает ток, среднее значение которого определяется частотой следования импульсов, управляющих первым ключом 1.

В начальный момент времени после подключения устройства к источнику переменного напряжения, схема начальной установки 10, под действием поступающих на ее вход импульсов, вырабатывает на выходе импульс начальной установки, который производит начальный сброс счетчика 5, в результате чего на выходе его последнего разряда появляется потенциал, воздействующий на управляющий вход второго ключа 2 и разрешающий прохождение импульсной последовательности через второй ключ 2 на вход счетчика 5. При работе счетчика 5 изменяется его состояние, в результате чего во времени изменяется кодовая комбинация на его выходных разрядах, вызывая изменение состояния коммутатора 6 и, как следствие, программное изменение (увеличение) частоты импульсов, управляющих ключом 1. В результате, ток через внешнюю нагрузку 3 увеличивается от некоторого начального значения до номинального, определяемого сопротивлением нагрузки 3 и напряжением источника переменного напряжения.

По истечении некоторого временного интервала, например, длительностью в 1-2 секунды, счетчик импульсов вырабатывает на выходе последнего разряда потенциал, при поступлении которого на управляющий вход второго ключа 2 прекращается поступление на вход счетчика 5 импульсной последовательности и счет прекращается. При этом кодовая комбинация, зафиксированная на выходных разрядах счетчика 2, соответствует режиму пропускания через коммутатор 6 импульсной последовательности, присутствующей на его входе и соответствующей номинальному току через нагрузку 3.

Это состояние сохраняется сколь угодно долго, пока не прекратиться подача входного переменного напряжения, не произойдет выключение нагрузки внешним выключателем. При следующем включении цикл работы устройства повторяется.

Поскольку счетчик импульсов 5 состоит из цепочки последовательно включенных триггеров, частота следования импульсов понижается в два раза на каждом очередном триггере счетчика 5. Таким образом, на выходных разрядах счетчика присутствуют импульсные последовательности с различными частотами следования импульсов, кратными частоте источника переменного напряжения. Например, выходные разряды счетчика 5 могут объединять сигналы с частотами следования импульсов, равными 1/2, 1/4, 1/8, 1/(2^L-2), 1/(2^L-1), 1/2^L (при L≥6) по отношению к частоте сети F_н. При этом первые три из указанных последовательностей, наряду с импульсной последовательностью с основной частотой F_н, поступающей на вход коммутатора 6, используются для последующего управления первым ключом 1, а остальные в качестве временных интервалов, обеспечивающих заданную программу работы коммутатора 6.

Программа работы коммутатора 6, например, может предусматривать четыре последовательных временных интервала в пределах начального интервала включения нагрузки 3, в течение которых с определенной очередностью на выход коммутатора 6 передаются последовательности импульсов с частотами следования 1/8, 1/4, 1/2, 1 по отношению к частоте сети F_н.

На фиг. 2 представлена структурная схема устройства для включения ламп накаливания для случая его использования в составе других устройств, например, в составе импульсного источника питания. В этом случае, для организации рассмотренного выше режима работы устройства, может быть использован сигнал внешнего генератора импульсов, который является задающим генератором для импульсного источника переменного напряжения, питающего нагрузку 3. В этом случае входная импульсная последовательность, поступающая на входы второго ключа 2, коммутатора 6 и схемы начальной установки 10, совпадает по частоте и фазе с питающим импульсным напряжением, подаваемым на нагрузку 3 через первый ключ 1. При этом отпадает необходимость во введении в состав устройства для включения ламп накаливания таких структурных элементов как ограничитель напряжение 4, удвоитель следования импульсов 7, источник питания 9 (питание устройства можно производить от источника постоянного напряжения, питающего, например, задающий генератор импульсов). Работа устройства в таком варианте исполнения не отличается от рассмотренного выше режима работы устройства по схеме фиг.1.

Рабочий цикл устройства для включения ламп накаливания, выполненного по схемам фиг. 1, фиг. 2, может быть также организован за счет воздействия на схему начальной установки 10. Так, например, схема начальной установки 10 может иметь в своем составе управляющий выключатель, в одной из положений которого входная импульсная последовательность проходит на выход схемы начальной установки 10, за счет чего проводится непрерывная начальная установка счетчика импульсов 5. В этом случае нулевая кодовая комбинация на выходных разрядах счетчика 5 может запрещать прохождение через коммутатор 6 любой из входных импульсных последовательностей, управляющее воздействие на ключ 1 будет снято, что будет соответствовать режиму "Выключено" для нагрузки 3. Во втором положении управляющего выключателя реализуется рассмотренный выше режим работы, при котором схема 10 вырабатывает одиночный "импульс сброса" счетчика 5, после чего проводится включение нагрузки 3 с постепенным возрастанием тока через нее.

Использование: при реализации режимов "мягкого" включения электровакуумных приборов, имеющих нить накаливания: электрических осветительных ламп накаливания, подогревателей катодов электронных электровакуумных приборов, например, таких как телевизионные электронно-лучевые трубки, генераторные и усилительные лампы радиопередатчиков и т.п. Устройство содержит тиристорный ключ, включенный последовательно с нагрузкой (нитью накаливания), и схему управления, в состав которой входят формирователь временных интервалов и делитель частоты на базе счетчика импульсов, коммутатор, удвоитель частоты следования импульсов и схема начальной установки. При включении устройства, ток через нагрузку повышается постепенно, от некоторого начального значения до номинального, определяемого сопротивлением разогретой нити накаливания, за счет программного изменения числа импульсов тока, пропускаемых тиристорным ключом. В результате исключается перегрузка нити накаливания электровакуумного прибора при его включении, что приводит к повышению его срока службы. 2 ил.

Устройство для включения ламп накаливания, содержащее первый ключ, второй ключ, ограничитель напряжения и источник питания, при этом первый вывод первого ключа соединен с первым выводом внешней нагрузки в виде нити накаливания, второй вывод внешней нагрузки подключен к первой клемме источника переменного напряжения, а второй вывод первого ключа подключен к второй клемме этого источника, отличающееся тем, что в него введены счетчик импульсов, коммутатор, удвоитель частоты следования импульсов, формирователь импульсов и схема начальной установки, при этом первый входной вывод ограничителя напряжения подсоединен к первой клемме источника переменного напряжения, первый выходной вывод ограничителя напряжения подключен к объединенным вместе входу второго ключа, входу коммутатора, входу схемы начальной установки и первому входному выводу источника питания, объединенные вместе вторые входной и выходной выводы ограничителя напряжения подключены к второй клемме источника переменного напряжения, удвоитель частоты следования импульсов и формирователь импульсов соединены последовательно, вход удвоителя частоты следования импульсов подключен к выходу коммутатора, а выход формирователя импульсов подключен к управляющему выводу первого ключа, выход второго ключа подключен к входу счетчика импульсов, выход последнего разряда, выходные разряды и вход сброса которого подключены соответственно к управляющему входу второго ключа, управляющему входу коммутатора и выходу схемы начальной установки, при этом первый выходной вывод источника питания и подключенные к второй клемме источника переменного напряжения объединенные вместе его вторые входной и выходной выводы являются соответственно первой и второй клеммами питания второго ключа, счетчика импульсов, коммутатора, удвоителя частоты следования импульсов, формирователя импульсов и схемы начальной установки.