СЕНСОРНЫЙ ПЕРЕКЛЮЧАТЕЛЬ ПЕРЕМЕННОГО ТОКА ДЛЯ АКТИВНОЙ НАГРУЗКИ Российский патент 1998 года по МПК H05B37/02 H05B39/00 

Изобретение относится к области электротехники 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 в нем применен мультивибратор. 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 опускания пальца очередной тактовый импульс возвратит триггер в исходное состояние, т.е. отключит исполнительное устройство.

Недостатком [2] 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.

Наиболее близким по технической сущности является устройство [3], взятое в качестве прототипа. Оно содержит сенсорный формирователь, формирователь тактовой частоты, формирователь сигнала коммутатора, исполнительное устройство, узел временной задержки и вспомогательный источник питания с цепью начальной установки, причем исполнительное устройство выполнено в виде ключа управления, двунаправленного ключа, последовательно с которым включена активная нагрузка, подключенная к сети переменного тока, вход формирователя тактовой частоты подключен к другому проводу, выход формирователя тактовой частоты подключен ко второму входу формирователя сигналов коммутатора и первому входу узла временной задержки, выход формирователя сигналов коммутатора подключен ко входу ключа управления, выход которого подключен к управляющему входу двунаправленного ключа, а выход сенсорного формирователя - к первому входу формирователя сигналов коммутатора, третий вход которого подключен к средней точке делителя цепи начальной установки, четвертый - к выходу узла временной задержки, пятый - ко второму входу узла временной задержки.

Недостатком этого устройства является отсутствие регулирования величины напряжения на нагрузке как по заданной величине угла управления, так и в зависимости от других факторов, например, освещенности для ламп накаливания.

Целью настоящего изобретения является повышение надежности активной нагрузки и увеличение к.п.д. устройства путем регулирования напряжения на ней в зависимости от заданных и внешних факторов.

Поставленная цель достигается тем, что в сенсорный переключатель переменного тока для активной нагрузки, содержащий сенсорный формирователь, формирователь тактовой частоты, формирователь сигналов коммутатора, исполнительное устройство, узел временной задержки и вспомогательный источник питания с цепью начальной установки, причем исполнительное устройство выполнено в виде ключа управления, двунаправленного ключа, последовательно с которым включена активная нагрузка, подключенная к сети переменного тока, вход формирователя тактовой частоты подключен ко второму входу формирователя сигналов коммутатора и первому входу узла временной задержки, выход формирователя сигналов коммутатора подключен ко входу ключа управления, а выход сенсорного формирователя подключен к первому входу формирователя сигналов коммутатора, третий вход которого подключен к средней точке делителя цепи начальной установки, четвертый - к выходу узла временной задержки, пятый - ко второму входу упомянутого узла, отличающийся тем, что в него введены переключающий узел и формирователь угла отсечки, причем указанный формирователь угла отсечки подключен к одной из фаз сети переменного тока и заземленного нулевого провода, выходы формирователя угла отсечки подключены ко входам переключающего узла, выход которого соединен с исполнительным элементов ключа управления, управляющего двунаправленным ключом.

Кроме того, устройство отличается тем, что формирователь угла отсечки выполнен в виде двузвенной регулируемой RC-цепи, ограничительный резистор второго звена которой подключен к одному выводу двунаправленного динистора, другой вывод которого является вторым входом переключающего узла.

А также устройство отличается тем, что между одной из силовых шин переменного тока и точкой соединения двунаправленного динистора и ограничительного резистора второго звена RC-цепи установлен фоторезистор.

На чертеже фиг. 1 приведена структурная схема устройства; на фиг.2 - принципиальная. Устройство содержит активную нагрузку 1, включенную последовательно в цепь двунаправленного ключа 2, управляемого ключом 3, который, в свою очередь, управляется формирователем сигналов коммутатора 4. Формирователь 4 управляется сенсорным формирователем 5, формирователем тактовой частоты 6, связан с узлом временной задержки 7. Узлы 4, 5, 6, 7 питаются от вспомогательного источника питания 8 с цепью начальной установки. Активная нагрузка 1 (фиг.1) может быть выполнена, например, в виде ламп накаливания, двунаправленный ключ 2 - в виде симистора (например, 2У208Г), ключ управления 3 может быть выполнен в виде транзистора 9, подключенного к дополнительному источнику 8 коллектором, в цепи которого установлено реле 10 (например, реле с магнитоуправляемым контактом РЭС-64) с контактом 11 в цепи управления элементов 2, встречным диодом 12, подключенным к обмотке элемента 10 и ограничительным резистором в цепи базы 13, узел 4 - формирователь сигналов коммутатора - выполнен на двух D-триггерах 14 и 15, схеме ИЛИ 16 и схеме НЕ 17, инверсный выход триггера 15 соединен с его D-входом, S-входы элементов 14 и 15 соединены с R-входом первого D-триггера 14 и нулевым проводом сетевого напряжения, прямой выход D-триггера 14 соединен с C-входом второго D-триггера 15, прямой выход которого подключен к резистору 13, выход элемента 16 соединен со входом элемента 17, выход которого подключен к R-входу второго D-триггера 15, сенсорные площадки 18'...18^п соединены параллельно между собой и подключены к резистору 19 резистивного делителя 19, 20, элементы 20, 21, соединены параллельно между собой и параллельно цепи 22, 23, причем элемент 19, один вывод конденсатора 21 и катод диода 22 подключен ко входу первого триггера Шмидта 24, выход которого подключен ко входу первого элемента НЕ 25, выход которого подключен к D-входу первого D-триггера 14 (первый вход элемента 4); формирователь тактовой частоты 6 содержит на выходе CR-делитель из элемента 26 и 27, средняя точка которых подключена ко входу второго триггера Шмидта 28, выход которого подключен ко входу третьего НЕ 29, выход которого подключен ко второму входу элемента 4, два входа элемента 2И-НЕ 30 узла временной задержки подключены к узлам 4 и 6, выход элемента 30 подключен к счетчику 31, его C-входу, R-входы счетчиков 31, 32, 33 и второму входу элемента 30, выход последнего разряда счетчика 31 подключен к C-входу счетчика 32, выход последнего разряда счетчика 32 подключен к C-входу счетчика 33, любая из выходов (A, B, C, D) счетчика 33 подключен к первому входу элемента 16 (4-й вход элемента 4); вспомогательный источник 8 содержит стабилитрон 34, последовательно включенные в нулевой провод конденсатор 35 и резистор 36, диод 37, включенный катодом к аноду стабилитрона 34, конденсатор 38, включенный на выходе вспомогательного источника является сглаживающим емкостным фильтром 38, а элементы 39, 40 - цепью начальной установки, средняя точка которых подключена к 3-му входу элемента 4. Резистор 41 - ограничитель тока в цепи управления.

В качестве триггеров Шмидта, например, могут быть использованы ИМС 561ТЛ1, D-триггеров - 561ТМ2, счетчиков - 561ИЕ10 и др. элементы КМОП 561, 564 серий. Разряды A, B, C, D третьего счетчика 33, например, дают возможность образовать время работы устройства 81 с, 162 с, 324 с, 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 изменено только сенсорным формирователем 5. Принцип работы сенсорного формирователя 5 заключается в использовании электрофизических свойств тела человека и способа подведения промышленной сети переменного тока к потребителя. 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 промышленных установках и установках бытового назначения, человек 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 человека оголенной рукой одной из сенсорных пластин 18'...18^п 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 коммутаторов, 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.

Сенсорный формирователь (фиг.2) обеспечивает резкий перепад напряжения при включении с помощью делителя из элементов 19, 20, 21, 22, 23, сигнал, подаваемый на вход триггера Шмидта 24, формирует на его выходе прямоугольный импульс напряжения, подаваемый через инвертор 25 на D-вход триггера 14 формирователя сигналов коммутатора 4, сигнал с прямого выхода триггера 15 открывает через ограничительный резистор 13 транзистор 9 ключа 3, срабатывает реле 10 и контактом 11 включает симистор 2 и нагрузку 1. Формирователь тактовый частоты 6 преобразует с помощью элементов 26 и 27 выходной сигнал промышленной частоты триггера Шмидта 28 в последовательность прямоугольных импульсов, которые через инвертор 29 поступают на вход синхронизации триггера 14 и один из входов узла временной задержки 7, содержащего схему 2И-НЕ 30, выход которой подается на C-вход счетчика 31. Выходы счетчика 33 в зависимости от разряда A, B, C, D обеспечивают различное время (например, соотношение 1:2:4:8) нахождения нагрузки 1 во включенном состоянии.

Вспомогательный источник 8 представляет собой параметрический стабилизатор напряжения на стабилитроне 34, питание которого осуществляется от сети переменного тока U через делитель из элементов 35 и 36 и развязывающий диод 37. Емкостным сглаживающим фильтром является элемент 38, а делитель из элементов 39 и 40 представляет собой цепь начальной установки, сигнал со средней точки которого подается на 3-й вход формирователя сигналов коммутатора.

В структурную схему фиг.1 дополнительно введен формирователь угла отсечки 42 и переключающий узел 43 причем формирователь подключен к сети переменного тока, выходы формирователя подключены ко входам переключающего узла, а выходы 43 - к использованному элементу ключа управления 3.

Формирователь угла отсечки 42 содержит двухзвенную RC-цепь на элементах 44, 45 и 46, 47, причем первое звено является регулируемым за счет резистора 45, выход двухзвенной RC-цепи, т.е. точка соединения элементов 46, 47 через ограничительный резистор 48 подключена к одному выводу двунаправленного динистора 49, другой вывод которого - ко второму входу переключающего узла 43, третий вход переключающего узла подключен к одному из выводов фоторезистора 50, соединенного с ограничительным резистором 48, другой вывод фоторезистора 50 подключен к силовой шине. Конденсаторы 44 и 47 первого и второго звеньев подключены, соответственно, одними выводами к фазному проводу /силовой шине/, другими - к точкам соединения резисторов 45 и 46 и 46, 48,другой вывод резистора 45 подключен к нулевому проводу. Точки "a", "b" и "c" на фиг. 2 является, соответственно, первым, вторым и третьим входами переключающего узла 43. При положении переключателя в позиции первого входа "a" к 8 управляющему электроду элемента 2 через вспомогательный элемент узла 3 осуществляется управление без регулирования по фазе, т.е. как в основном устройстве. В положении переключателя "b" управление I-осуществляется с помощью фазосдвигающей цепи (первого звена PC) 44, 45. Напряжение на конденсаторе 44 через резисторы 46, 48 и динистор 49 и исполнительный элемент узла 3 подается на управляющий электрод двунаправленного ключа 2, время заряда конденсаторов 44, 47 зависит от величины резистора 45. Когда напряжение на 47 достигнет напряжения переключения элемента 49, он включается и подает импульс на управляющий электрод элемента 2.

При положении элемента 43 в "b" и "c" дополнительно параллельно элементу 47 подключается фоторезистор 50. В этом случае в зависимости от освещенности плавно регулируется угол α - т.е. угол задержки управляющего импульса, и осуществляется автоматическое регулирование напряжения на нагрузке, например, осуществляется различная освещенность ламп накаливания в зависимости от освещенности окружающей среды.

Таким образом, предложенное устройство обеспечивает переключение активной нагрузки переменного тока в зависимости от заданного угла отсечки и условий окружающей среды. Приведенные сведения подтверждают возможность осуществления предлагаемого изобретения.

Источники информации
1. Зельдин Е.А. Импульсные устройства на микросхемах. М., Радио и связь, 1991, с.143, рис.7.9.

2. Зельдин Е.А. Импульсные устройства на микросхемах. М., Радио и связь, 1991, с.144, рис. 7.13.

3. Патент РФ по заявке N 93039670/09 от 02.08.1993.

Сенсорный переключатель переменного тока, содержащий сенсорный формирователь формирователь тактовой частоты, формирователь сигнала коммутатора и исполнительное устройство, узел временной задержки и вспомогательный источник питания с цепью начальной установки, а исполнительное устройство выполнено в виде ключа управления, двунаправленного ключа, последовательно с которым включена активная нагрузка, дополнительно введен переключатель и фазосдвигающий узел. При наличии нескольких сенсорных площадок включение и отключение, например, ламп накаливания возможно с регулированной фиксированной задержкой, а также в зависимости от условий эксплуатации. В результате эксплуатации повышается надежность активной нагрузки и увеличивается КПД. 2 з.п.ф-лы, 2 ил.

1. Сенсорный переключатель переменного тока для активной нагрузки, содержащий сенсорный формирователь, формирователь тактовой частоты, формирователь сигналов коммутатора, исполнительное устройство, узел временной задержки и вспомогательный источник питания с цепью начальной установки, причем исполнительное устройство выполнено в виде ключа управления, двунаправленного ключа, последовательно с которым включена активная нагрузка, подключенная к сети переменного тока, вход формирователя тактовой частоты подключен к фазному проводу, выход формирователя тактовой частоты подключен к второму входу формирователя сигналов коммутатора и первому входу узла временной задержки, выход формирователя сигналов коммутатора подключен к входу ключа управления, а выход сенсорного формирователя подключен к первому входу формирователя сигналов коммутатора, третий вход которого подключен к средней точке делителя цепи начальной установки, четвертый - к выходу узла временной задержки, пятый - к второму входу упомянутого узла, отличающийся тем, что в него введены переключающий узел и формирователь угла отсечки, причем указанный формирователь угла отсечки подключен к одной из фаз сети переменного тока и заземленного нулевого провода, выходы формирователя угла отсечки подключены к входам переключающего узла, выход которого соединен исполнительным элементом ключа управления, управляющего двунаправленным ключом. 2. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что формирователь угла отсечки выполнен в виде двузвенной регулируемой RC-цепи, ограничительный резистор второго звена которой подключен к одному выводу двунаправленного динистора, другой вывод которого является одним из входов переключающего узла. 3. Устройство по п. 2, отличающееся тем, что между одной из силовых шин переменного тока и точкой соединения двунаправленного динистора и ограничительного резистора второго звена RC-цепи установлен фоторезистор.