СЕНСОРНЫЙ ПЕРЕКЛЮЧАТЕЛЬ ПЕРЕМЕННОГО ТОКА ДЛЯ АКТИВНОЙ НАГРУЗКИ Российский патент 1997 года по МПК H03K17/00 

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано для коммутации осветительных сетей.

Известны сенсорные переключатели активной нагрузки. В переключателе [1] содержащем контактную площадку, источник электропитания, формирователь перепада напряжения на основе логического элемента 2И-НЕ, выходной сигнал которого является сигналом управления коммутирующим устройством. В нем при касании входных зажимов входная цепь, содержащая высокоомный делитель, создает уровень низкого напряжения на входе логического элемента и высокого на выходе. Это состояние сохраняется до тех пор, пока палец прижат к сенсору.

Недостатком известного устройства является зависимость времени включения от длительности нажатия и критичность к величине параметров входного сигнала, т.е. емкости и проводимости тела человека.

Известно также устройство [2] содержащее сенсор, резистивный делитель, генератор тактовых импульсов, триггер, выход которого является выходным сигналом управления, в качестве селектора применен мультивибратор исполнительное устройство. В нем с прикосновением пальца к сенсорной площадке емкость тела и резистор резистивного делителя образуют интегрирующую цепь, триггер переключается в состояние, соответствующее высокому уровню, включающему исполнительное устройство. После отпускания пальца очередной тактовый импульс возвратит триггер в исходное состояние, т.е. отключит исполнительное устройство.

Устройство [2] является наиболее близким по технической сущности к предлагаемому устройству.

Недостатком его является незащищенность интегральных микросхем от статического электричества, критичность к величине емкости человека и длительности входного сигнала, а также возможность включения и отключения нагрузки только от одного сенсора.

Целью изобретения является улучшение показателей надежности и расширение функциональных возможностей.

Указанная цель достигается тем, что в устройство, содержащее сенсорный формирователь тактовой частоты, вход которого подключен к сенсорной площадке, формирователь сигнала коммутатора, исполнительное устройство, отличающееся тем, что в него введены п-1 сенсорных площадок, причем все сенсорные площадки соединены параллельно между собой, узел временной задержки и вспомогательный источник питания с цепью начальной установки, а исполнительное устройство выполнено в виде ключа управления, двунаправленного ключа, один вывод которого подключен к активной нагрузке, другой вывод к фазному проводу сети переменного тока, управляющий электрод к первому выводу ключа управления, второй вывод которого соединен с первым входом вспомогательного источника питания с цепью начальной установки, второй выход которого соединен с первым выходом формирователя сигнала коммутатора, второй вход которого соединен с выходом узла временной задержки, первый выход с управляющим входом ключа управления, второй вывод с третьим входом узла временной задержки, второй вход которого подключен к фазному, третий вход формирователя сигнала коммутатора соединен с выходом формирователя тактовой частоты и первым входом узла временной задержки, четвертый вход формирователя сигнала коммутатора соединен с выходом сенсорного формирователя.

Кроме того, устройство отличается тем, что ключ управления содержит транзистор, электромагнитное реле с контактом, первый вывод контакта которого является первым выводом ключа управления, второй вывод контакта через первый резистор соединен с фазным проводом и с коллектором транзистора, база которого через второй резистор соединена с управляющим входом ключа управления, второй вывод которого соединен с первым выводом обмотки электромагнитного реле и с анодом диода, катод которого соединен с вторым выводом обмотки электромагнитного реле и с эмиттером транзистора.

Кроме того, устройство отличается тем, что вспомогательный источник питания с цепью начальной установки содержит цепь из последовательно соединенных первого конденсатора и третьего резистора, причем первая обкладка первого конденсатора цепи соединена с первой обкладкой второго конденсатора с катодом стабилитрона и с фазным проводом цепи переменного тока, нулевой провод которой соединен через третий конденсатор с первым выводом четвертого резистора, второй вывод которого соединен с анодом стабилитрона и катодом второго диода, анод которого соединен с второй обкладкой второго конденсатора, с первым выводом третьего резистора цепи и первым выходом вспомогательного источника питания, второй выход которого соединен с вторым выводом третьего резистора и второй обкладкой первого конденсатора цепи.

Кроме того, устройство отличается тем, что узел временной задержки содержит элемент И-НЕ, первый вход которого является первым входом узла временной задержки, третий вход которого соединен с вторым входом элемента И-НЕ, выход которого соединен со счетным входом первого счетчика импульсов, выход которого соединен со счетным входом второго счетчика импульсов, выход которого соединен со счетным входом третьего счетчика импульсов, выход которого является выходом узла временной задержки, установочные входы первого, второго, третьего счетчика импульсов объединены и соединены с третьим входом узла временной задержки, входы разрешения первого, второго и третьего счетчиков, являющиеся вторым входом узла временной задержки, объединены и соединены с фазным проводом.

Кроме того, устройство отличается тем, что формирователь тактовой частоты содержит первый триггер Шмидта, вход которого соединен с первым выводом пятого резистора и с первой обкладкой четвертого конденсатора, вторая обкладка которого соединена с фазным проводом сети переменного тока, нулевой провод которой соединен с вторым выводом пятого резистора, выход первого триггера Шмидта через первый элемент НЕ соединен с выходом формирователя тактовой частоты.

Кроме того, устройство отличается тем, что сенсорный формирователь содержит второй триггер Шмидта, вход которого соединен непосредственно с катодом третьего диода, с первой обкладкой пятого конденсатора, с первым выводом шестого резистора и через седьмой резистор с входом сенсорного формирователя, выход второго триггера Шмидта соединен через элемент НЕ с выходом сенсорного формирователя. Кроме того, устройство отличается тем, что формирователь сигнала коммутатора содержит элемент ИЛИ, первый вход которого является первым входом формирователя, второй вход является вторым входом формирователя, выход через третий элемент НЕ соединен с R-входом первого триггера, прямой выход которого является первым выходом формирователя, инверсный выход является вторым выходом формирователя и соединен с D-входом первого триггера, С-вход которого соединен с прямым выходом второго триггера, С-вход которого является третьим входом формирователя, D-вход четвертым входом формирователя, R- и S-входы соединены с S-входом первого триггера и с нулевым проводом сети переменного тока.

Сравнительный анализ с прототипом показывает, что заявленное устройство отличается наличием новых блоков (например, узел временной задержки, вспомогательный источник питания с целью начальной установки и др.) с их связями с остальными узлами и элементами схемы. Таким образом, заявленное устройство является новым, т.к. оно неизвестно из уровня техники.

Сравнение заявленного устройства с другими техническими решениями показывает, что при введении новых узлов с указанными связями с остальными элементами, появляются новые свойства, такие как повышенная надежность, связанная как с защитой интегральных схем от статического электричества, так и независимого сенсорного сигнала от конкретного человека. Кроме того, расширяются функциональные возможности, заключающиеся в возможности включения устройства с параллельных точек, различном времени нахождения во включенном состоянии. Это позволяет сделать вывод о том, что техническое решение имеет изобретательский уровень, так как для авторов он явным образом не следует из уровня техники.

На фиг. 1 приведена структурная схема устройства; на фиг. 2 - принципиальная схема.

Устройство содержит активную нагрузку 1, включенную последовательно в цепь двунаправленного ключа 2, управляемого ключом 3, который, в свою очередь, управляется формирователем сигнала коммутатора 4. Формирователь 4 управляется сенсорным формирователем 5, формирователем тактовой частоты 6, связан с узлом временной задержки 7.

Узлы 4 7 питаются от вспомогательных источников питания с цепью начальной установки 8. Активная нагрузка 1 может быть выполнена, например, в виде ламп накаливания, двунаправленный ключ 2 в виде симистора (например, из серии 2У208). Исполнительное устройство выполнено в виде ключа управления 3, двунаправленного ключа 2, один вывод которого подключен к активной нагрузке 1, другой вывод к фазному проводу сети переменного тока, управляющий электрод к первому выводу ключа управления, второй вывод которого соединен с первым выходом формирователя сигнала коммутатора, второй вход которого соединен с выходом узла временной задержки 7, первый выход с управляющим входом ключа управления 3, второй выход с третьим входом узла временной задержки 7, второй вход которого подключен к фазному проводу, третий вход формирователя сигнала коммутатора 4 соединен с выходом формирователя тактовой частоты 6 и первым входом узла временной задержки 7, четвертый вход формирователя сигнала коммутатора 4 соединен с выходом сенсорного формирователя тактовой частоты - сенсорного формирователя 5, входы формирователя тактовой частоты 6 подключены к сети.

Ключ управления 3 содержит транзистор 9, электромагнитное реле 10 с контактом 10', первый вывод контакта является первым выводом ключа управления, второй вывод контакта через первый резистор 11 соединен с фазным проводом и с коллектором транзистора 3, база которого через второй резистор 12 соединена с управляющим входом ключа управления 3, второй вывод которого соединен с первым выводом обмотки электромагнитного реле 10 и с анодом диода 13, катод которого соединен с вторым выводом обмотки электромагнитного реле и эмиттером транзистора.

Формирователь сигнала коммутатора 4 содержит элемент ИЛИ 14, первый вход которого является первым входом формирователя, второй вход является вторым входом формирователя, выход через третий элемент НЕ 15 соединен с R-входом первого триггера 16, прямой выход которого является первым выходом формирователя 4, инверсный выход является вторым выходом формирователя и соединен с D-входом первого триггера 16, С-вход которого соединен с прямым выходом второго триггера 17, С-вход которого является третьим входом формирователя 4, D-вход четвертым входом формирователя 4, R- и S-входы второго триггера 17 соединены с S-входом первого триггера 16 и с нулевым проводом сети переменного тока.

Сенсорный формирователь 5 содержит n сенсорных площадок 18' 18ⁿ, соединенных параллельно, второй триггер Шмидта 19, вход которого соединен непосредственно с катодом третьего диода 20, с первой обкладкой пятого конденсатора 21, с первым выводом шестого резистора 22 и через седьмой резистор 23 с входом сенсорного формирователя 5, выход второго триггера Шмидта 19 соединен через элемент НЕ 24 с выходом сенсорного формирователя, анод третьего диода 20 через ограничительный резистор 25 подключен к второму выводу шестого резистора 22 и второй обкладкой пятого конденсатора 21 и соединен с нулевым проводом сети переменного тока (последняя часть от слова "анод" отсутствует в формуле, п.6 целесообразно ввести).

Формирователь тактовой частоты 6 содержит первый триггер Шмидта 26, вход которого соединен с первым выводом пятого резистора 27 и с первой обкладкой четвертого конденсатора 28, вторая обкладка которого соединена с фазным проводом сети переменного тока, нулевой провод которой соединен с вторым выводом пятого резистора 27, выход первого триггера Шмидта 26 через первый элемент НЕ 29 соединен с выходом формирователя тактовой частоты 6.

Узел временной задержки 7 содержит элемент И-НЕ 30, первый вход которого является первым входом узла временной задержки, третий выход которого соединен с вторым входом элемента И-НЕ, выход которого соединен со счетным входом первого счетчика импульсов 31, выход которого соединен со счетным входом второго счетчика импульсов 32, выход которого соединен со счетным входом третьего счетчика импульсов 33, выход которого является выходом узла временной задержки, установочные R-входы (входы сброса, первого, второго и третьего счетчиков импульсов 31 33 объединены и соединены с третьим входом узла временной задержки, входы разрешения первого, второго и третьего счетчиков импульсов, являющиеся вторым входом узла временной задержки 7, объединены с фазным проводом. Питание всех ИМС (интегральных микросхем устройства), таких как 30 33 и др. осуществляется непосредственно от стабилитрона параметрического стабилизатора вспомогательного источника питания с цепью начальной установки 8 (точки Е и Н на фиг. 2, например, как показано для третьего счетчика импульсов 33). Входы разрешения (V-входы) счетчиков импульсов объединены (31 33) и подключены к фазному проводу сети.

Вспомогательный источник с цепью начальной установки 8 содержит цепь из последовательно соединенных первого конденсатора 34 и третьего резистора 35, причем первая обкладка первого конденсатора цепи соединена с первой обкладкой второго конденсатора 36, с катодом стабилитрона 37 и фазным проводом цепи переменного тока, нулевой провод которой соединен через третий конденсатор 38 с первым выводом четвертого резистора 39, второй вывод которого соединен с катодом второго диода 40, анод которого соединен с второй обладкой второго конденсатора 36, с первым выводом третьего резистора цепи 35 и первым выходом вспомогательного источника питания 8, второй выход которого соединен с вторым выводом третьего резистора 35 и второй обкладкой первого конденсатора цепи 34. Т.е. вспомогательный источник питания с цепью начальной установки представляет собой параметрический стабилизатор напряжения на стабилитроне 37, питание которого осуществляется от сети переменного тока U_~ через делитель, содержащий первый конденсатор 34 и третий резистор 35 и развязывающий второй диод 40. Емкостным сглаживающим фильтром является второй конденсатор 36, а делитель из первого конденсатора 34 и третьего резистора 35 представляет собой цепь начальной установки, средняя точка которой является вторым выходом вспомогательного источника питания с цепью начальной установки 8. В качестве триггеров Шмидта могут быть использованы ИМС 561ТЛ1, D-триггеров 561ТМ2, счетчиков 561ИЕ10 и др. элементы КМОП 561, 564 серий. Разряды А, В, С, D третьего счетчика 33, например, дают возможность образовать время работы устройства 81; 162; 324 и 548 с, т.е. 1,5; 3; 6 и 12 мин при использовании исходной тактовой частоты промышленной сети 50 Гц.

Устройство работает следующим образом.

В нормальном режиме эксплуатации двунаправленный ключ 2 закрыт и нагрузка 1 отключена от источника сети U_~, вспомогательный источник питания 8 является параметрическим стабилизатором и вырабатывает сигнал начальной установки, который обеспечивает начальное отключенное состояние переключателя. Наличие переменного напряжения позволяет формирователю тактовой частоты 6 вырабатывать исходные для работы формирователя сигналов коммутатора 4 и узла временной задержки 7 импульсы первичной частоты (например, 50 Гц). Такое состояние переключателя может быть применено только сенсорным формирователем 5. Принцип работы сенсорного формирователя 5 заключается в использовании электрографических свойств тела человека и способа подведения промышленной сети переменного тока к потребителям. Используя одну из фаз трехфазного генератора первичной сети и нулевой провод и учитывая, что в системах с глухозаземленной нейтралью "нуль" заземлен, как и во многих других промышленных установках и установках бытового назначения человека своими ногами через переходное сопротивление одежды, обуви, покрытия пола и т.п. всегда соединен с "нулем", при этом руки являются окончанием этого составного сложного сопротивления. При касании человеком оголенной рукой одной из сенсорных пластин 18'.18ⁿ и, используя в схеме сенсорного переключателя потенциал фазы, появляется возможность протекания тока. Если в качестве исходной тактовой частоты использовать промышленную частоту 50 Гц, то время "дребезга" контакта рука-пластина значительно меньше 20 мс (период промышленной частоты), поэтому специальных мер для защиты от "дребезга" не требуется. При кратковременном касании рукой сенсорной пластины сенсорный формирователь 5 вырабатывает импульс запуска, который включает узел 4 - формирователь сигналов коммутатора, последний включает ключ управления 3 и двунаправленный ключ 2, запуская при этом узел временной задержки 7. Узел 7 позволяет состояние включения узла 2 и нагрузки 1 фиксировать в течение определенных промежутков времени, по истечении которых вырабатывается сигнал сброса сенсорного переключателя в исходное состояние. В исходное состояние схема будет возвращена и досрочно при повторном кратковременном касании сенсорной пластины. При этом узел временной задержки 7 также будет возвращен в исходное состояние. Использование элементов КМОП для построения узлов не потребует стабилизированного вспомогательного источника питания с цепью начальной установки 8.

В режиме включения сенсорный формирователь 5 обеспечивает резкий перепад напряжения с помощью делителя из шестого и седьмого резисторов 22 и 23, пятого конденсатора 21, третьего диода 20, ограничительного резистора 25, сигнал, подаваемый на вход второго триггера Шмидта 19 формирует на его выходе прямоугольный импульс напряжения, подаваемый через элемент НЕ 24 на D-вход второго триггера 17 формирователя сигнала коммутатора 4, сигнал с прямого выхода первого триггера 16 открывает через второй резистор 12 транзистор 9 ключа управления 3, срабатывает электромагнитное реле 10 и контактом 10' включает цепь управления двунаправленного ключа 2 и нагрузку 1. Формирователь тактовой частоты 6 преобразует с помощью пятого резистора 27 и четвертого конденсатора 28 входной сигнал промышленной частоты первого триггера 26 в последовательность прямоугольных импульсов, которые через первый элемент НЕ 29 поступают на вход синхронизации второго триггера 17 и первый вход элемента И-НЕ 30, выход которой подается на С-вход первого счетчика импульсов 31. Выходы третьего счетчика импульсов 33 в зависимости от разряда А, В, С, D обеспечивают различное время (например, в соотношении 1:2:4:8) нахождения нагрузки 1 во включенном состоянии.

Таким образом, предложенное устройство обеспечивает переключение активной нагрузки переменного тока с помощью n сенсорных площадок от конкретных условий использования, возможность создания системы с различным временем нахождения под напряжением активной нагрузки, возможность работы по программе. Приведенные сведения подтверждают возможность осуществления предлагаемого изобретения.

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано для коммутаций осветительных сетей. Сенсорный переключатель переменного тока для активной нагрузки содержит активную нагрузку, двунаправленный ключ, управляемый ключ 3, формирователь сигнала коммутатора, формирователь тактовой частоты, узел временной задержки. 6 з. п. ф-лы, 2 ил.

1. Сенсорный переключатель переменного тока для активной нагрузки, содержащий сенсорный формирователь тактовой частоты, вход которого подключен к сенсорной площадке, формирователь сигнала коммутатора, исполнительное устройство, отличающийся тем, что в него введены n-1 сенсорных площадок, причем все сенсорные площадки соединены параллельно между собой, узел временной задержки и вспомогательный источник питания с цепью начальной установки, а исполнительное устройство выполнено в виде ключа управления, двунаправленного ключа, один вывод которого подключен к активной нагрузке, другой вывод к фазному проводу сети переменного тока, управляющий электрод - к первому выводу ключа управления, второй вывод которого соединен с первым выходом вспомогательного источника питания с цепью начальной установки, второй выход которого соединен с первым входом формирователя сигнала коммутатора, второй вход которого соединен с выходом узла временной задержки, первый выход с управляющим входом ключа управления, второй вывод с третьим входом узла временной задержки, второй вход которого подключен к фазному проводу, третий вход формирователя сигнала коммутатора соединен с выходом формирователя тактовой частоты и первым входом узла временной задержки, четвертый вход формирователя сигнала коммутатора соединен с выходом сенсорного формирователя. 2. Переключатель по п.1, отличающийся тем, что ключ управления содержит транзистор, электромагнитное реле с контактом, первый вывод контакта которого является первым выводом ключа управления, второй вывод контакта через первый резистор соединен с фазным проводом и с коллектором транзистора, база которого через второй резистор соединена с управляющим входом ключа управления, второй вывод которого соединен с первым выводом обмотки электромагнитного реле и с анодом диода, катод которого соединен с вторым выводом обмотки электромагнитного реле и с эмиттером транзистора. 3. Переключатель по п.1, отличающийся тем, что вспомогательный источник питания с цепью начальной установки содержит цепь из последовательно соединенных первого конденсатора и третьего резистора, причем первая обкладка первого конденсатора цепи соединена с первой обкладкой второго конденсатора, с катодом стабилитрона и с фазным проводом цепи переменного тока, нулевой провод которой соединен через третий конденсатор с первым выводом четвертого резистора, второй вывод которого соединен с анодом стабилитрона и с катодом второго диода, анод которого соединен с второй обкладкой второго конденсатора, с первым выводом третьего резистора цепи и первым выходом вспомогательного источника питания, второй выход которого соединен с вторым выводом третьего резистора и второй обкладкой первого конденсатора цепи. 4. Переключатель по п.1, отличающийся тем, что узел временной задержки содержит элемент И-НЕ, первый вход которого является первым входом узла временной задержки, третий вход которого соединен с вторым входом элемента И-НЕ, выход которого соединен со счетным входом первого счетчика импульсов, выход которого соединен со счетным входом второго счетчика импульсов, выход которого соединен со счетным входом третьего счетчика импульсов, выход которого является выходом узла временной задержки, установочные входы первого, второго и третьего счетчиков импульсов объединены и соединены с третьим входом узла временной задержки, входы разрешения первого, второго и третьего счетчиков, являющиеся вторым входом узла временной задержки, объединены и соединены с фазным проводом. 5. Переключатель по п.1, отличающийся тем, что формирователь тактовой частоты содержит первый триггер Шмидта, вход которого соединен с первым выводом пятого резистора и с первой обкладкой четвертого конденсатора, вторая обкладка которого соединена с фазным проводом сети переменного тока, нулевой провод которой соединен с вторым выводом пятого резистора, выход первого триггера Шмидта через первый элемент НЕ соединен с выходом формирователя тактовой частоты. 6. Переключатель по п.1, отличающийся тем, что сенсорный формирователь импульсов содержит второй триггер Шмидта, вход которого соединен непосредственно с катодом третьего диода, с первой обкладкой пятого конденсатора, с первым выводом шестого резистора и через седьмой резистор с входом сенсорного формирователя, выход второго триггера Шмидта соединен через элемент НЕ с выходом сенсорного формирователя. 7. Переключатель по п. 1, отличающийся тем, что формирователь сигнала коммутатора содержит элемент ИЛИ, первый вход которого является первым входом формирователя, второй вход вторым входом формирователя, выход через третий элемент НЕ соединен с R-входом первого триггера, прямой выход которого является первым выходом формирователя, инверсный выход вторым выходом формирователя и соединен с D-входом первого триггера, C-вход которого соединен с прямым выходом второго триггера, C-вход которого является третьим входом формирователя, D-вход четвертым входом формирователя, R- и S-входы соединены с S-входом первого триггера и с нулевым проводом сети переменного тока.