СИГНАЛИЗАТОР ОБЛЕДЕНЕНИЯ Российский патент 1998 года по МПК G08B19/02 

Изобретение относится к средствам сигнализации и контроля и может быть использовано на транспорте, в промышленности и в быту.

Известен сигнализатор обледенения электромеханического типа, содержащий громоздкие детали и потребляющий значительную мощность [1]
Наиболее близким к предлагаемому является сигнализатор чисто электронного типа комбинация электронного термометра с сигнализатором [2] В схеме использованы два компаратора напряжений, транзистор, светоизлучающий диод (СИД), три конденсатора большой емкости и 16 резисторов, в том числе два переменных резистора и один терморезистор, служащий датчиком температуры. Выходы последнего через экранированный кабель соединены с входами компаратора.

Оба компаратора, транзистор, СИД и ряд пассивных элементов включены так, что СИД при соответствующей регулировке датчика температуры ДТ начинает мигать при Т +4^oC, а при понижении температуры до Т -1^oC переводится в режим постоянного свечения, просигнализировав таким образом весь процесс от первых признаков возможного гололеда до возникновения льдоопасной обстановки.

Недостатки этого сигнализатора следующие:
недостаточная режимная стабильность из-за токовой перегрузки первого компаратора;
большое потребление тока от источника питания (12 мА) в режиме покоя и 30 мА при возбуждении СИДа);
использование в схеме больших номиналов электролитических конденсаторов (вплоть до 470 мкФ х 25В), что связано со значительным токопотреблением).

Цель изобретения устранение недостатков устройства-прототипа и расширение функций за счет цветовой индикации дополнительных температурных диапазонов.

Поставленная цель достигается в два этапа. На первом производится устранение недостатков прототипа, на втором практически в тех же габаритах и уровне потребляемой мощности вводятся новые цветовые градации внешней температуры. Прежде всего изменен подход к заданию температурных порогов не с помощью различных делителей напряжения, а путем установки фиксированных значений стабильных потенциалов, привязанных к единому уровню отсчета, затем принимаются меры, повышающие "внутреннюю" стабильность порогов компараторов напряжения; далее перестраиваются выходные цепи последних так, чтобы весь ток возбуждения СИД проходил через транзистор. На втором этапе на базе существенных улучшений схемы и параметров устройства вводятся два дополнительных компаратора напряжений, а также транзистор и второй СИД с иным, чем у первого, цветом свечения. При соответствующем конструктивном оформлении обоих СИД их свечение буде исходить из корпуса единым потоком, так что появится возможность отображения необходимых температурных диапазонов упомянутыми выше дополнительными цветовыми градациями при использовании лишь одного ДТ и лишь одного регулировочного переменного резистора.

На фиг. 1 приведена электрическая принципиальная схема устройства (его первый вариант); на фиг. 2 температурная диаграмма, поясняющая последовательность срабатывания компараторов и цвета свечения, индицирующие температурные диапазоны; на фиг. 3 электрическая принципиальная схема устройства в улучшенном варианте.

На фиг. 1 ДТ 1 первым выводом через экранированный кабель 2 подсоединен к первому выводу резистора 3, к неинвертирующему входу первого компаратора напряжения 4 с открытым выходом и к инвертирующему входу второго компаратора 5, аналогичного первому. Выходы компараторов объединены и подключены к базе транзистора 7 и через резистор 6 к его коллектору и к шине 20, эмиттер которого непосредственно связан с анодом СИД 8. Катод последнего через параллельно соединенные резистор 9 и конденсатор 10 подключен к общей шине 11, а напрямую к входу интегрирующей RC-цепочки 12, выход которой через резистор 13 соединен с инвертирующим входом первого компаратора 4, с подвижным выводом первого переменного резистора 14 и с первым выводом второго переменного резистора 15. Подвижный вывод последнего соединен с неинвертирующим входом компаратора 5. Вторые выводы переменных резисторов 14 и 15 подключены к средней точке делителя напряжения ДН 16, подключенного параллельно стабилизатору 17, катод которого соединен с вторым выводом резистора 3, с выводами питания (+Е_п) обоих компараторов (или только с выводами питания их аналоговых узлов, если такая возможность есть) и через резистор 18 с первым выводом фильтрующего конденсатора 19, с входной шиной питания 20. Кроме того, с общей шиной 11 соединены вторая обкладка конденсатора (вывод) интегрирующей цепочки 12, общий вывод ("0") каждого компаратора, первый вывод переменного резистора 14, анод стабилитрона 17, второй вывод ДТ 1, экран экранированного кабеля 2, второй вывод фильтрующего конденсатора 19.

Предлагаемое устройство работает следующим образом. На ДТ 1, состоящий из последовательно включенных полупроводниковых диодов, через резистор 3 и кабель 2 поступает ток от стабилизированного источника напряжения стабилитрона 17. Температурный коэффициент ДТ 1 Q 2,2 m мВ/град, где m число последовательно включенных диодов, поэтому текущему значению температур Т будет соответствовать выходной сигнал ДТ 1, равный
E(T)≈E(T₀)+2,2m(T₀-T_т), (1)
где E(T₀) выходное напряжение при некоторой фиксированной температуре T₀ > 4^o,
T_т < Т₀ -текущее значение температуры.

Подвижный вывод переменного резистора 14 ставится в положение, обеспечивающее на инвертирующем входе первого компаратора 4 потенциал E₀₁, соответствующий первому температурному порогу ( + 4^oC):
E₀₁=E(T₀+2,2m(T₀-4) (2)
Аналогично задается второй температурный порог (-6^oC) с помощью второго переменного резистора 15. Однако благодаря принятому включению переменных резисторов с помощью второго резистора 15 к ранее полученному значению E₀₁ добавляется лишь фиксированная поправка
E₀₂≈E₀₁+2,2m(T₀₁+T₂)=E₀₁+ 2,2m•10=E₀₁+22m[мВ] (3)
Пока T<T₀₁, поддерживается условие E₀₁ > E(T) и компаратор 4 фиксирует на базе транзистора 7 низкий потенциал. Поэтому транзистор и СИД 8 обесточены, свечение отсутствует. При достижении сигналом E(T) "ближних окрестностей", потенциал E₀₁, компаратор 4 срабатывает, формируя на своем выходе высокий потенциал (см. фиг. 2). Транзистор 7 начинает проводить, снабжая СИД 8 нормированным током, в результате чего появляется свечение. Перепад напряжения с катода СИД 8 направляется на вход интегрирующей цепочки 12 и с ее выхода через резистор 13 его небольшая часть попадает на инвертирующий вход компаратора 4. Этой малой доли напряжения достаточно для того, чтобы вернуть компаратор 4 в исходное положение. Разряд конденсатора интегрирующей цепочки 12 через "свой" резистор и резистор 13 происходит достаточно медленно. Когда наступит снова неравенство E(T)> E₀₁+ε U_m (где U_m амплитуда перепада напряжения на резистор 9, e - коэффициент передачи его к входу компаратора 4), вновь произойдет возбуждение СИД 8 и начнет заряжаться конденсатор интегрирующий RC-цепочки 12. В итоге возникнут колебания с частотой (если необходимо) доли герца, вызывающие мигания СИД, сигнализирующие оператору (или водителю) о наступлении серьезной обстановки.

Дальнейшее понижение температуры приведет к устойчивому преобладанию потенциала неинвертирующего входа компаратора 4 над потенциалом его инвертирующего входа и частота миганий СИД 8 будет возрастать. При низкой температуре СИД 8 перестанет мигать и будет светить постоянно. Наконец, при T=-6^oC сработает второй компаратор 5, который надежно понизит потенциал базы транзистора 7 и свечение СИД 8 прекратится. Это означает, что опасный интервал температур миновал.

Существенную роль в поддержании процесса автоколебаний играет конденсатор 10 (C≤2 нФ), устраняющий "быстрые" автоколебания устройства, которые возникают вследствие задержки переключения компаратора 4 и наличия паразитной индуктивности у конденсатора интегрирующей цепочки 12, как правило, электрического. В противном случае быстрые автоколебания способны подавить полезные медленные.

Ввиду того, что цепь установки пороговых напряжений E₀₁ и E₀₂ питается стабилизированным напряжением и, кроме того, (E₀₂ - E₀₁)<<E₀₁ (в типичных случаях на 2 порядок) переменный резистор 15 может быть заменен на 2-резисторный ДН, помеченный на фиг. 1 пунктиром и с тем же номером 15, средняя точка которого как бы соответствует подвижному выводу резистора 15. При этом точность задания (E₀₂ - E₀₁) ухудшится очень незначительно, но будет заметно более высокой, чем у прототипа, зато уменьшатся габариты устройства.

Описанное устройство удобно реализуется на интегральной схеме 1401СА1, содержащей 4 независимых компаратора напряжений с открытым коллекторным выводом, у которых общими являются выводы "+E_п и "0". Достоинство 1401САI еще и в том, что он способен функционировать в широком диапазоне температур и питающих напряжений и потребляет от шины питания не более 2 мА. Отсюда следует, что первый вариант предлагаемого устройства (фиг. 1) недоиспользует эту интегральную схему. Данный факт подталкивает к разработке второго варианта устройства (фиг. 3), способного выдавать информацию о температурных диапазонах T <T₀₂=-6^oC, а при необходимости и для T > T₀₁ +4^oC).

На фиг. 3 изображена в основном та часть модифицированного устройства, которая отличает его от фиг. 1. Дополнительные компараторы 21 и 22 аналогичны компараторам 4 и 5 и к шинам питания подключены так же. ДН 15 "удлинен" со стороны ДН 16 резисторами соответственно 23 и 24, точка соединения которых подключена к инвертирующему входу компаратора 22, выход которого через резистор 25 подсоединен к выходу интегрирующей цепочки 12. Второй вывод резистора 24 соединен с неинвертирующим входом компаратора 21, а его выход -- с выходом компаратора 4, выход компаратора 5 соединен с базой транзистора 26 п-р-п-типа и через резистор 27 с коллектором этого транзистора и с шиной питания 20. Эмиттер транзистора 26 через резистор 28 связан с анодом этого СИД 29, катод которого соединен с катодом первого СИД 8. В разрыв эмиттера первого транзистора 7 с анодом первого СИД 8 включен дополнительный резистор 30.

У всего ансамбля компараторов имеется один потенциальный пъедестал E₀₁, устанавливаемый подвижным выводом переменного резистора 14. Поскольку потенциал верхнего вывода ДН 15 стабилизирован, выбором номиналов сопротивлений резисторов, образующих ДН 15, могут быть достаточно точно заданы температурные пороги компараторов (5, 21, 22). В дальнейшем изложении, с целью сохранения общих с прототипом признаков в части подключения входов компараторов, будут именоваться первым, вторым, третьим и четвертым компараторы соответственно 4, 21, 5, 22.

При понижении температуры, как и в первом варианте, первым среагирует компаратор 4, который вызовет мигание первого СИД 8. В дальнейшем это мигание сменится постоянным его свечением. Но когда понизившаяся температура (- 6^oC) заставит сработать третий компаратор 5, через второй транзистор 26 и резистор 28 будет возбужден второй СИД и теперь будут светиться оба СИД.

Для создания эффекта многоцветности желательно, чтобы эти СИД различались спектрами излучения и были размещены в общем корпусе с единой линзой-колпачком. Из серийной продукции этому условию отвечает, например, элемент ЗЛС331А (АЛС331А), в который вмонтированы электрически объединенные катодами СИД с "красным" и СИД с "зеленым" спектрами.

Если первый СИД 8 отождествить с "красным" цветом, а второй СИД 29 с "зеленым", то при возбуждении на фиг. 3 обоих СИД цвет свечения будет оранжево-желтым. После срабатывания второго компаратора выход первого компаратора окажется зашунтирован и "красный" СИД 8 выключается. "Зеленый" СИД 29 полностью проявит свой цвет.

Если сработает четвертый компаратор 22, его выходной импеданс резко возрастет и третий резистор 25 прекратит шунтирование выхода интегрирующей цепочки. Это приведет к увеличению коэффициента передачи от катодов СИД до инвертирующего входа третьего компаратора 5, возобновит свое действие запаздывающая отрицательная обратная связь, схема перейдет, как и на начальном этапе, в режим автоколебаний с миганием зеленым цветом. Частота этих автоколебаний станет возрастать, если продолжится понижение температуры.

Итак, динамика цветовой картины (см. фиг. 2) складывается следующим образом:
1) "бесцветие" (T > T₀₁),
2) мигание красного (T≈T₀₁),
3) красный T(₀₁ > T > T₀₂), ←_ (T₀₂ < T < T₀₁),
4) оранжево-желтый (T≤T₀₂), J- (T₀₃ < T≤T₀₂),
5) зеленый (T≤T₀₃) J- (T₀₄<T≤T₀₃),
мигания зеленого (T ≤T₀₄.

Абсолютные значения порогов должны отличаться хотя бы на несколько ^oC.

Резисторы 28 и 30 позволяют регулировать вклад каждого СИД в упомянутую цветовую гамму.

Частота миганий СИД в двух граничных диапазонах может быть найдена из выражения

Прецизионный датчик температуры, стабилизация "внутренних" и внешних порогов компараторов, подавление нежелательных "быстрых" колебаний, меньшее число деталей выгодно отличают первый вариант предлагаемого устройства от прототипа.

Во втором варианте разработанного устройства эти преимущества увеличены ценой добавления (если судить по монтажу) резистора, светоизлучающего диода и транзистора.

Таким образом, из вышеизложенного следует, что поставленная цель полностью достигнута.

Литератьура
1. Авторское свидетельство СССР N 1180944, кл. G 08 B 19/02, 1984.

2. Х. Крибель. Схемы любительских электронных устройств, рис. 6.6, с. 60. М. Энергоатомиздат, 1992 (прототип).

Изобретение относится к средствам сигнализации и контроля и может быть использовано на транспорте, в промышленности и в быту. Технический результат заключается в расширении функций устройства, который достигается за счет цветовой индикации дополнительных температурных диапазонов. Сигнализатор обледенения основан на принципе электронного термометра, но в отличие от известных устройств обладает высокой стабильностью температурных порогов, экономичен и прост в устройстве. Погрешность в определении температур в четырех дискретных точках не превышает ±0,4^oC, а в двух граничных диапазонах - ±2^oC. 2 с.з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Сигнализатор обледенения для автотранспорта, содержащий датчик температуры, первый вывод которого соединен с общей шиной, а второй вывод через экранированный кабель с неинвертирующим входом первого компаратора, выполненного с открытым коллектором, и с инвертирующим входом второго компаратора, выполненного с открытым коллектором, общий вывод каждого из которых соединен с общей шиной, интегрирующую RC-цепочку, вывод которой подключен к общей шине, постоянные и переменные резисторы, транзистор, соединенные последовательно светодиод и токоограничивающий резистор, фильтрующий конденсатор, включенный между шинами питания и общей, отличающийся тем, что датчик температуры выполнен из последовательно включенных полупроводниковых диодов, выходы компараторов объединены и подключены к базе транзистора и через первый резистор к шине питания, транзистор выполнен n - p n-типа проводимости и коллектором соединен с шиной питания, а эмиттером - с анодом светодиода, катод которого соединен с первым выводом конденсатора, второй вывод которого и свободный вывод токоограничивающего резистора соединены с общей шиной, катод светодиода соединен с входом интегрирующей RC-цепочки, выход которой через второй резистор соединен с инвертирующим входом первого компаратора, с подвижным выводом первого переменного резистора, первый вывод которого соединен с общей шиной, и с первым выводом второго переменного резистора, подвижный вывод которого соединен с неинвертирующим входом второго компаратора, вторые выводы переменных резисторов соединены со средней точкой двухрезисторного делителя напряжения, включенного параллельно дополнительно введенному стабилитрону, катод которого непосредственно подключен к выводам питания обоих компараторов, а через третий и четвертый резисторы соответственно к шине питания и к второму выводу датчика температуры, первый вывод которого соединен с анодом этого стабилитрона. 2. Сигнализатор обледенения, содержащий датчик температуры, первый вывод которого соединен с общей шиной, а второй вывод через экранированный кабель
с прямым и инвертирующим входами соответственно первого и второго компараторов, выполненных с открытым коллектором, общий вывод каждого из которых соединен с общей шиной, интегрирующую RC-цепочку, вывод которой подключен к общей шине, постоянные и переменные резисторы, первый транзистор, соединенные последовательно первый светодиод и токоограничивающий резистор, фильтрующий конденсатор, включенный между шинами питания и общей, отличающийся тем, что в него дополнительно введены третий и четвертый компараторы, выполненные с открытым коллектором, общими выводами подключенные к общей шине, второй транзистор, причем оба транзистора выполнены n p n-типа проводимости, второй светодиод, помещенный в общий корпус с первым, катоды светодиодов объединены, токоограничивающий резистор зашунтирован конденсатором, один вывод которого соединен с общей шиной, а другой с входом интегрирующей RC-цепочки, выход которой через первый и второй резисторы связан соответственно с выходом четвертого компаратора и инвертирующим входом первого компаратора, с подвижным выводом переменного резистора, первый вывод которого соединен с общей шиной и с первым внешним выводом первого делителя напряжения, образованного третьим шестым последовательно включенными резисторами, точки соединения которых в порядке удаления от подвижного вывода образуют соответственно первый, второй и третий внутренние выводы этого делителя напряжения, второй внешний вывод которого подключен к второму выводу переменного резистора и к выходу второго двухрезисторного делителя напряжения, шунтирующего дополнительно введенный стабилитрон, катодом соединенный с выводами питания всех компараторов, а через седьмой и восьмой резисторы - соответственно с шиной питания и с вторым выводом датчика температуры, первый вывод которого соединен с анодом этого стабилитрона, внутренние первый, второй и третий выводы первого делителя напряжения соединены соответственно с инвертирующим входом третьего компаратора, с неинвертирующим входом второго компаратора и с инвертирующим входом четвертого компаратора, при этом выходы первого и второго компараторов соединены с базой первого транзистора, выход третьего компаратора с базой второго транзистора, их коллекторы непосредственно, а базы через десятый и девятый резисторы соответственно связаны с шиной питания, эмиттеры первого и второго транзисторов через одиннадцатый и двенадцатый резисторы соответственно связаны с анодами светодиодов, датчик температуры выполнен из последовательно включенных полупроводниковых диодов.