УСТРОЙСТВО ДЛЯ РЕГУЛИРОВАНИЯ ЯРКОСТИ ГАЛОГЕННЫХ ЛАМП НАКАЛИВАНИЯ Российский патент 2001 года по МПК H05B39/04 G05F1/66 

Предлагаемое изобретение относится к области светотехнических устройств с использованием галогенных ламп накаливания, питаемых от источника переменного тока, и может быть использовано в осветительных установках с регулируемой яркостью ламп.

Известно устройство [1], содержащее сетевой трансформатор с двумя вторичными обмотками, в котором одна обмотка используется для питания лампы, а вторая - для питания регулирующих устройств, которые в момент включения лампы сначала подогревают нить лампы на пониженном напряжении, а потом во время работы поддерживают постоянную мощность на ней независимо от колебаний напряжения в питающей сети.

Недостатком этого устройства является его чрезмерная сложность, а также однополупериодное питание лампы, которое приводит к увеличению амплитуды тока питания лампы, уменьшая срок ее службы.

Известны схемы [2], [3] плавного включения нагрузки, состоящие из RC-цепей, в которых плавное нарастание напряжения на конденсаторе управляет углом "отпирания" тиристора, что обеспечивает плавное включение нагрузки.

Недостатком указанных схем плавного включения нагрузки, препятствующим их использованию для питания галогенных ламп, является медленный разряд конденсатора RC-цепи после выключения питания устройства, что делает невозможным быстрое повторное включение питания устройства и может привести к перегоранию галогенной лампы. В указанных схемах плавного включения нагрузки постоянная времени разряда конденсатора RC-цепи много больше времени гашения лампы. Это приводит к тому, что при быстром повторном включении питания устройства галогенная лампа уже погасла, а напряжение на конденсаторе RC-цепи еще соответствует большому току, проходящему через лампу, что может привести к пережиганию лампы.

Наиболее близким к предлагаемому техническому решению является устройство фазового управления [4] с компенсацией изменений питающего напряжения, которое может быть использовано для управления симистором, включенным последовательно с лампой накаливания в сеть переменного тока. В этом устройстве для изменения угла "отпирания" симистора используется RC-фазосдвигающая цепь, образующая вместе со стабилизированным выпрямителем и однопереходным транзистором генератор управляющих импульсов.

Недостатком устройства [4], не позволяющим использовать его для питания галогенных ламп, является отсутствие в устройстве схемы плавного включения нагрузки. Схема плавного включения нагрузки необходима для устройства питания галогенных ламп. Это обусловлено тем, что галогенная лампа при холодном состоянии нити накаливания имеет почти нулевое сопротивление. При подаче на галогенную лампу с источника напряжения сразу номинального напряжения питания лампы возникает большой пусковой ток, превышающий номинальный ток в 4-5 раз, что приводит к перегоранию либо самой лампы, либо предохранителей устройства питания, либо тиристоров.

Задачей предлагаемого изобретения является создание устройства для регулирования яркости галогенных ламп накаливания с повышенной защитой их от перегорания в момент включения.

Для достижения этого технического результата предлагается устройство для регулирования яркости галогенных ламп накаливания, которое как и наиболее близкое к нему, выбранное в качестве прототипа, содержит симисторный прерыватель переменного тока, катод которого соединен с первым выводом для подключения сети, а анод соединен с первым выводом лампы, второй вывод соединен со вторым выводом для подключения сети. Устройство содержит также выпрямительный мостик из четырех диодов, диагональ переменного тока которого соединена с выводами для подключения сети, а положительный вывод выпрямительного мостика соединен с первыми выводами первого и второго резисторов. Второй вывод первого резистора соединен с первым и средним выводами первого переменного резистора, первым выводом первого конденсатора и первым выводом третьего резистора, второй вывод которого соединен со второй базой однопереходного транзистора, первая база которого соединена с первым выводом первичной обмотки импульсного трансформатора, второй вывод первичной обмотки которого соединен с отрицательным выводом выпрямительного диодного мостика, первым и средним выводами второго переменного резистора, анодом стабилитрона и первым выводом второго конденсатора. Второй вывод второго конденсатора соединен с катодом пятого диода, вторым выводом второго резистора и эмиттером однопереходного транзистора. Анод пятого диода соединен с вторым выводом второго переменного резистора и первым выводом четвертого резистора. Катод стабилитрона соединен с вторым выводом первого переменного резистора и вторым выводом первого конденсатора. Первый вывод вторичной обмотки импульсного трансформатора соединен с управляющим электродом симистора, а второй вывод вторичной обмотки импульсного трансформатора соединен с катодом симистора.

Особенностью предлагаемого устройства для регулирования яркости галогенных ламп накаливания, отличающей его от известного устройства [4], является то, что в него дополнительно введены пятый, шестой, седьмой резисторы, первый и второй биполярные транзисторы, третий и четвертый конденсаторы и шестой диод, причем первый вывод пятого резистора, эмиттер первого биполярного транзистора, база второго биполярного транзистора, первый вывод третьего конденсатора и анод шестого диода соединены с вторым выводом первого конденсатора. Коллектор первого биполярного транзистора соединен с вторым выводом четвертого резистора, первый вывод шестого резистора соединен с отрицательным выводом выпрямительного диодного мостика, второй вывод шестого резистора соединен с первым выводом седьмого резистора, первым выводом четвертого конденсатора и коллектором второго биполярного транзистора. Второй вывод седьмого резистора соединен с базой первого биполярного транзистора, второй вывод четвертого конденсатора соединен с вторым выводом пятого резистора, вторым выводом третьего конденсатора, катодом шестого диода и эмиттером второго биполярного транзистора.

Признаки, отличающие предлагаемое устройство для регулирования яркости галогенных ламп накаливания, а именно дополнительно введенные в устройство резисторы, конденсаторы, биполярные транзисторы и диод, соединенные в схему плавного включения нагрузки, обеспечивают быстрый разряд конденсатора RC-цепи при отключении сетевого напряжения, что позволяет осуществлять быстрое повторное включение в сеть без риска вывести галогенную лампу, предохранители (на схеме не показаны) или симистор.

Предлагаемое устройство иллюстрируется чертежом, на котором представлена принципиальная схема устройства регулирования яркости галогенных ламп накаливания.

Устройство содержит симисторный прерыватель 1 переменного тока, анод которого соединен с первым выводом галогенной лампы 3, второй вывод которой соединен с вторым выводом 4 для подключения сети. Устройство содержит также выпрямительный мостик 5 из четырех диодов, диагональ переменного тока которого соединена с выводами для подключения сети 2 и 4, причем положительный вывод выпрямительного мостика 5 соединен с первыми выводами первого 6 и второго 7 резисторов. Второй вывод первого резистора 6 соединен с первым и средним выводами первого переменного резистора 8, первым выводом конденсатора 9 и первым выводом третьего резистора 10, второй вывод которого соединен с второй базой однопереходного транзистора 11, первая база которого соединена с первым выводом первичной обмотки импульсного трансформатора 12, второй вывод первичной обмотки которого соединен с отрицательным выводом выпрямительного диодного мостика 5, первым и средним выводами второго переменного резистора 13, анодом стабилитрона 14, первым выводом второго конденсатора 15, второй вывод которого соединен с катодом пятого диода 16, вторым выводом второго резистора 7 и эмиттером однопереходного транзистора 11. Анод пятого диода 16 соединен с вторым выводом второго переменного резистора 13 и первым выводом четвертого резистора 17, катод стабилитрона 14 соединен с вторым выводом первого переменного резистора 8 и вторым выводом первого конденсатора 9. Первый вывод вторичной обмотки импульсного трансформатора 12 соединен с управляющим электродом симистора 1, а второй вывод вторичной обмотки импульсного трансформатора 12 соединен с катодом симистора 1. Кроме того, устройство содержит пятый 18, шестой 19, седьмой 20 резисторы, первый 21 и второй 22 биполярные транзисторы, третий 23 и четвертый 24 конденсаторы, и шестой диод 25. Первый вывод пятого резистора 18, эмиттер первого биполярного транзистора 21, база второго биполярного транзистора 22, первый вывод третьего конденсатора 23 и анод шестого диода 25 соединены с вторым выводом первого конденсатора 9. Коллектор первого биполярного транзистора 21 соединен с вторым выводом четвертого резистора 17, первый вывод шестого резистора 19 соединен с отрицательным выводом выпрямительного диодного мостика 5, второй вывод шестого резистора 19 соединен с первым выводом седьмого резистора 20, первым выводом четвертого конденсатора 24 и коллектором второго биполярного транзистора 22. Второй вывод седьмого резистора 20 соединен с базой первого биполярного транзистора 21, второй вывод четвертого конденсатора 24 соединен с вторым выводом пятого резистора 18, вторым выводом третьего конденсатора 23, катодом шестого диода 15 и эмиттером второго биполярного транзистора 22.

Устройство работает следующим образом.

При поданном сетевом напряжении на входные выводы 2 и 4 и соответственно на диагональ переменного тока диодного мостика 5 на его положительном выводе относительно отрицательного вывода появляется двухполупериодное выпрямленное напряжение. Это напряжение ограничивается на стабилитроне, который совместно с первым резистором 6 и первым переменным резистором 8 образуют параметрический ограничитель напряжения. Суммарное напряжение на стабилитроне 14 и на первом переменном резисторе 8 является напряжением питания однопереходного транзистора 1 и определяет величину напряжения его переключения. Трапецеидальное напряжение со стабилитрона 14 образует ток заряда второго конденсатора 15 по цепи: открытый первый биполярный транзистор 21, четвертый резистор 17, пятый диод 16. Одновременно работает и вторая цепь зарядного тока конденсатора 15 - от выпрямленного сетевого напряжения через второй резистор 7. Составляющая этого тока значительно меньше, чем предыдущая. В каждом полупериоде суммарный ток заряда конденсатора 15 образует на нем пилообразное напряжение, которое достигает напряжения переключения однопереходного транзистора 11, при котором он открывается и электрический заряд с конденсатора 15 разряжается через первичную обмотку импульсного трансформатора 12, наводя во вторичной обмотке этого трансформатора импульс напряжения, который открывает симистор 1, и на галогенную лампу 3 поступает определенная часть сетевого напряжения. Отрезок времени, на который в конце каждого полупериода открывается симистор 1 и соответственно поступает сетевое напряжение на галогенную лампу 3, определяет ее яркость и зависит от установленного положения среднего вывода второго переменного резистора 13. Резистором 13 можно устанавливать напряжение на выходе устройства от нулевого до максимального значения.

Предлагаемая дополнительная часть устройства влияет на работу всего устройства следующим образом. В момент включения сетевого напряжения четвертый конденсатор 24 разряжен и появившееся на стабилитроне 14 трапецеидальное напряжение начинает заряжать его по цепи: шестой резистор 19, шестой диод 25. С нарастанием напряжения на четвертом конденсаторе 24 увеличивается ток по цепи: седьмой резистор 20, переход база - эмиттер первого биполярного транзистора 21, который постепенно вводит этот транзистор в насыщение, что эквивалентно уменьшению его сопротивления до нуля. Основной ток заряда третьего конденсатора 15 идет по цепи: первый биполярный транзистор 21, четвертый резистор 17, пятый диод 16. Плавное открытие первого биполярного транзистора 21 ведет к плавному нарастанию тока заряда третьего конденсатора 15, увеличению крутизны пилообразного напряжения в каждом полупериоде питающего напряжения и движению точки срабатывания однопереходного транзистора 11 и соответственно симистора 1 в сторону начала полупериода питающего напряжения. При насыщенном первом биполярном транзисторе 21 точку срабатывания симистора 1 и, следовательно, яркость галогенной лампы 3 определяет положение средней точки второго переменного резистора 13.

В момент выключения сетевого напряжения пропадает напряжение на стабилитроне 14 и начинается разряд четвертого конденсатора 24 по цепи: седьмой резистор 20, переход база - эмиттер первого биполярного транзистора 21, переход база - эмиттер второго биполярного транзистора 22. При этом по коллекторной цепи второго биполярного транзистора 22 пойдет ток разряда четвертого конденсатора 24, который больше базового тока на величину, равную коэффициенту усиления тока транзистором при включении его с общим эмиттером, т.е. в 50-200 раз. Этот ток быстро разряжает четвертый конденсатор 24 и соответственно позволяет быстрое повторное включение устройства без опасения пережечь лампу.

При работе устройства питающее трапецеидальное напряжение со стабилитрона 14 в момент его уменьшения эквивалентно кратковременному выключению сетевого напряжения сетевого напряжения, что вызывает кратковременный незначительный разряд четвертого конденсатора 24 и заряд третьего конденсатора 23. Величина емкости третьего конденсатора 23 должна быть такой, чтобы за время его заряда в моменты повторяющегося пропадания напряжения на стабилитроне 14 из-за трапецеидальной формы выдаваемого им питающего напряжения, величина напряжения на третьем конденсаторе 23 не превышала 0,3-0,4 В. Такое напряжение обеспечивает закрытое состояние второго биполярного транзистора 22, предназначенного для быстрого разряда четвертого конденсатора 24 только в момент выключения сетевого напряжения. Пятый резистор 18 предназначен для разряда третьего конденсатора 23.

Таким образом, предлагаемое устройство со схемой плавного включения нагрузки содержит элементы, обеспечивающие быстрый разряд конденсатора RC-цепи при выключении сетевого напряжения, и поэтому при быстром повторном включении сетевого напряжение на галогенной лампе и, следовательно, ток, проходящий через лампу, плавно нарастает от нуля до значения, установленного потенциометром регулировки яркости при предыдущем включении.

Использованные источники
1. Авторское свидетельство 788453, кл. H 05 B 39/00, опубл. 15.12.80.

2. Тиристоры. Справочник под редакцией В.А. Лабунцова. М.:, Энергия. 1971, с. 237, рис. 9-29.

3. Патент РФ 2016416, кл. G 05 F 1/66, H 05 B 39/04, опубл. 15.07.94.

4. Тиристоры. Справочник под редакцией В.А. Лабунцова. М.: Энергия. 1971, с. 237, рис. 9-30 (прототип).

Использование: в осветительных установках с регулируемой яркостью галогенных ламп накаливания, питаемых от источника переменного тока. Техническим результатом, обеспечиваемым изобретением, является повышение защиты галогенных ламп от перегорания в момент включения. Устройство со схемой плавного включения нагрузки содержит элементы, обеспечивающие быстрый разряд конденсатора RC-цепи при включении сетевого напряжения. При быстром повторном включении сетевого напряжения напряжение на галогенной лампе и, следовательно, ток, проходящий через лампу, плавно нарастает от нуля до значения, установленного потенциометром регулировки яркости при предыдущем включении. 1 ил.

Устройство для регулирования яркости галогенных ламп накаливания, содержащее симисторный прерыватель переменного тока, катод которого соединен с первым выводом для подключения сети, а анод соединен с первым выводом лампы, второй вывод которой соединен с вторым выводом для подключения сети, выпрямительный мостик из четырех диодов, диагональ переменного тока которого соединена с выводами для подключения сети, положительный вывод выпрямительного мостика соединен с первыми выводами первого и второго резисторов, второй вывод первого резистора соединен с первым и средним выводами первого переменного резистора, первым выводом первого конденсатора и первым выводом третьего резистора, второй вывод которого соединен с второй базой однопереходного транзистора, первая база которого соединена с первым выводом первичной обмотки импульсного трансформатора, второй вывод первичной обмотки которого соединен с отрицательным выводом выпрямительного диодного мостика, первым и средним выводами второго переменного резистора, анодом стабилитрона, первым выводом второго конденсатора, второй вывод которого соединен с катодом пятого диода, вторым выводом второго резистора и эмиттером однопереходного транзистора, анод пятого диода соединен с вторым выводом второго переменного резистора и первым выводом четвертого резистора, катод стабилитрона соединен с вторым выводом первого переменного резистора и вторым выводом первого конденсатора, первый вывод вторичной обмотки импульсного трансформатора соединен с управляющим электродом симистора, а второй вывод вторичной обмотки импульсного трансформатора соединен с катодом симистора, отличающееся тем, что в него дополнительно введены пятый, шестой, седьмой резисторы, первый и второй биполярные транзисторы, третий и четвертый конденсаторы и шестой диод, причем первый вывод пятого резистора, эмиттер первого биполярного транзистора, база второго биполярного транзистора, первый вывод третьего конденсатора и анод шестого диода соединены с вторым выводом первого конденсатора, коллектор первого биполярного транзистора соединен с вторым выводом четвертого резистора, первый вывод шестого резистора соединен с отрицательным выводом выпрямительного диодного мостика, второй вывод шестого резистора соединен с первым выводом седьмого резистора, первым выводом четвертого конденсатора и коллектором второго биполярного транзистора, второй вывод седьмого резистора соединен с базой первого биполярного транзистора, второй вывод четвертого конденсатора соединен с вторым выводом пятого резистора, вторым выводом третьего конденсатора, катодом шестого диода и эмиттером второго биполярного транзистора, при этом величина емкости третьего конденсатора выбирается такой, чтобы за время его заряда в моменты повторяющегося пропадания напряжения на стабилитроне, величина напряжения на третьем конденсаторе не превышала напряжения, обеспечивающего закрытое состояние второго биполярного транзистора.