БЛОК УПРАВЛЕНИЯ ОСВЕЩЕНИЕМ Российский патент 2003 года по МПК H01H47/24 

Изобретение относится к оборудованию коммунальной техники жилых домов и производственных помещений, а именно к системам автоматического регулирования электрических величин, в частности к устройствам автоматического управления осветительными приборами различного назначения.

Известно устройство управления освещением, содержащее фотоэлемент, включенный в мост постоянного тока, содержащий компаратор с характеристикой типа "гистерезис", второй компаратор и усилитель (ключевое устройство) [1].

Недостатками указанного устройства являются: питание фотоэлемента постоянным током; отсутствие температурной коррекции показаний фотоэлемента; объединение в одном узле функций фотодатчика и исполнительного элемента, что ведет за собой усложнение монтажа и обслуживания устройства и необходимость проводки силовой сети с высоким напряжением (сеть 220 В, 50 Гц) в место установки устройства; при кратковременном освещении устройства, например, фарами проезжающего автомобиля произойдет кратковременное отключение освещения, что снижает ресурс ламп освещения и снижает комфортность использования устройства.

Известно также фотореле, содержащее фотоэлемент, включенный в мост постоянного тока, компаратор, интегрирующую RC цепь, исключающую возможность переключения коммутационного реле при кратковременном освещении или затемнении фотоэлемента, логическую схему и ключевой каскад, управляющий обмоткой коммутационного реле [2].

Данному устройству присущи все недостатки предыдущего прибора и, кроме этого, имеется дополнительный недостаток, заключающийся в том, что отсутствует элемент с характеристикой типа "гистерезис", предотвращающий "дребезг" контактов исполнительного устройства при медленном изменении освещенности в точке установки порога переключения коммутирующего реле.

Наиболее близким техническим решением к предлагаемому устройству является устройство управления освещением [3] (прототип), содержащее блок питания, фотоэлемент, компаратор, ключевое устройство и коммутационное реле с защитным диодом, включенным параллельно обмотке реле.

Недостатками указанного устройства являются: питание фотоэлемента постоянным током; отсутствие температурной коррекции показаний фотоэлемента; объединение в одном узле функций фотодатчика и исполнительного элемента, что ведет за собой усложнение монтажа и обслуживания устройства и необходимость проводки силовой сети с высоким напряжением (сеть 220 В, 50 Гц) в место установки устройства; при кратковременном освещении или затемнении устройства, например, фарами проезжающего автомобиля произойдет кратковременное переключение коммутационного реле, что снижает ресурс ламп освещения и снижает комфортность использования устройства, применение электромеханического реле снижает эффективность от применения схемы разрешения включения ключевого устройства в момент прохождения сетевого напряжения через ноль за счет большой инерционности последнего.

Технический результат, на достижение которого направлено изобретение, заключается в увеличении срока службы, надежности и электробезопасности устройства, исключении ложных срабатываний при кратковременном освещении или затемнении фотодатчика, упрощении монтажа устройства, повышении точности срабатывания в диапазоне рабочих температур, в увеличении срока службы ламп освещения, исключении возможности подключения жильцов к освещению нежилых помещений, экономии электроэнергии.

Особенностью предлагаемого блока управления освещением является разделение измерительной и исполнительной частей устройства соответственно на первичный и вторичный преобразователи с низковольтной фантомной схемой питания первичного преобразователя. По двухпроводной линии, соединяющей первичный и вторичный преобразователи, поступает низковольтное питание на первичный преобразователь и происходит передача информационного широтно-импульсного сигнала, в отрицательном импульсе содержащего информацию об освещенности, а в положительном - о температуре в месте установки первичного преобразователя. Питание фотодатчика осуществляется импульсным током с большой скважностью, что увеличивает его срок службы.

Указанный технический результат достигается тем, что в блок управления освещением, содержащий блок питания, фотоэлемент, компаратор с характеристикой типа "гистерезис" и ключевое устройство, дополнительно введены мультивибратор (мост переменного тока) с одним времязадающим конденсатором и буферный усилитель, выполненные на основе микросхемы, состоящей из шести инверторов, резистор, терморезистор, первый и второй диоды, стабилитрон, конденсатор, индуктивный элемент и разделительный конденсатор, объединенные конструктивно в первичный преобразователь, и вторичный преобразователь, в состав которого дополнительно введены модуль контроля линии, микроконтроллер, выполняющий в том числе и функцию компаратора, переключатель, модуль индикации, разделительный конденсатор, триггер Шмитта, инвертор, индуктивный элемент, причем в первичном преобразователе выход первого инвертора соединен с параллельно включенными входами буферного усилителя и второго инвертора, анодом первого и катодом второго диодов, вход первого инвертора соединен со вторыми выводами фотоэлемента, терморезистора и вторым выводом времязадающего конденсатора, первый вывод времязадающего конденсатора соединен с выходом второго инвертора, первый вывод фотоэлемента соединен со вторым выводом резистора, первый вывод которого соединен с катодом первого диода, первый вывод терморезистора соединен с анодом второго диода, первый вход питания микросхемы инверторов соединен с катодом стабилитрона, плюсовым выводом конденсатора и первым выводом индуктивного элемента, второй вход питания микросхемы инверторов соединен с анодом стабилитрона, минусовым выводом конденсатора и вторым проводником линии, а посредством линии и с общим проводом блока питания вторичного преобразователя, выход буферного усилителя соединен со вторым выводом разделительного конденсатора, первый вывод которого соединен с параллельно включенным вторым выводом индуктивного элемента и первым проводником линии, а посредством линии и с первым входом модуля контроля линии, во вторичном преобразователе выход модуля контроля линии соединен с первым входом микроконтроллера, второй вход которого соединен с выходом переключателя, первый выход блока питания соединен со вторым выводом индуктивного элемента, первый вывод которого соединен со вторым выходом модуля контроля линии и первым выводом разделительного конденсатора, второй вывод разделительного конденсатора соединен с входом триггера Шмитта, выход которого соединен с параллельно включенными входом инвертора и третьим входом микроконтроллера, с четвертым входом которого соединен выход инвертора, вход модуля индикации соединен с первым выходом микроконтроллера, второй выход которого соединен с входом ключевого устройства, второй выход блока питания соединен с входом питания микроконтроллера.

Блок управления освещением может дополнительно содержать этажные коммутаторы освещения, включающие датчик движения, таймер и схему плавного включения и выключения напряжения, при этом вторичный преобразователь дополнительно содержит второе ключевое устройство со схемой разрешения включения в момент прохождения сетевого напряжения через ноль, причем выход датчика движения соединен с входом таймера, выход которого соединен с входом схемы плавного включения и выключения напряжения, выход второго ключевого устройства вторичного преобразователя соединен с входами питания схем плавного включения и выключения напряжения, параллельно включенных этажных коммутаторов освещения, а выход первого ключевого устройства подключен к лампам освещения первого этажа и тамбура, выполняющим функцию дежурного освещения.

Такое выполнение блока управления освещением позволит решить поставленную задачу создания устройства повышенной надежности и электробезопасности с увеличенным сроком службы за счет применения импульсного питания фотодатчика, при повышении точности срабатывания в диапазоне температур, исключит ложные срабатывания при кратковременном освещении или затемнении фотодатчика, исключит возможность несанкционированного подключения жильцов к освещению нежилых помещений, позволит экономить электроэнергию за счет отключения освещения в темное время суток, режим увеличения ресурса ламп освещения достигается: во-первых, сокращенным временем работы (ночной режим - освещение выключено); во-вторых, применением бесконтактных, выполненных на основе симистора, ключевых устройств и этажных коммутаторов освещения с режимом плавного включения и выключения напряжения и ограничения по амплитуде подаваемого на лампы освещения напряжения минимально допустимым по ГОСТ 13109-97 значением, что исключит выход из строя ламп в момент включения, увеличит их ресурс и обеспечит более комфортное привыкание глаз жильцов к медленно меняющейся световой обстановке при включении и выключении освещения.

Структурная блок-схема блока управления освещением представлена на чертеже.

Блок управления освещением содержит первичный 1 и вторичный 2 преобразователи, соединенные двухпроводной линией. Первичный преобразователь 1 содержит мультивибратор с одним времязадающим конденсатором С, выполненный на основе двух последовательно соединенных инверторов 3.1 и 3.2, и буферный усилитель 3.3, собранный на основе четырех параллельно включенных инверторов микросхемы 3, стабилитрон 4, диод 5, резистор R1, фотодатчик R2, конденсатор 6, диод 7, терморезистор R3, индуктивный элемент 8 и разделительный конденсатор 9. Вторичный преобразователь содержит модуль контроля линии 10, микроконтроллер 11, переключатель 12 (DIP-переключатель, содержит восемь переключателей, подключенных к второму порту микроконтроллера 11, обеспечивает набор двоичного кода в диапазоне от 1 до 255), разделительный конденсатор 13, модуль индикации 14 (содержит восемь светодиодных индикаторов с токоограничивающими резисторами, подключенных к первому порту микроконтроллера 11), триггер Шмитта 15, ключевое устройство 16, инвертор 17, индуктивный элемент 18, блок питания 19. В первичном преобразователе выход первого инвертора 3.1 соединен с параллельно включенными входами буферного усилителя 3.3 и инвертора 3.2, анодом диода 5 и катодом диода 7. Вход первого инвертора 3.1 соединен со вторыми выводами фотоэлемента R2, терморезистора R3 и вторым выводом времязадающего конденсатора С. Первый вывод времязадающего конденсатора соединен с выходом второго инвертора 3.2. Первый вывод фотоэлемента R2 соединен со вторым выводом резистора R1, первый вывод которого соединен с катодом диода 5. Первый вывод терморезистора R3 соединен с анодом диода 7. Первый вход питания микросхемы инверторов 3 соединен с катодом стабилитрона 4, плюсовым выводом конденсатора 6 и первым выводом индуктивного элемента 8, а второй - с анодом стабилитрона 4, минусовым выводом конденсатора 6 и вторым проводником линии, и, посредством линии, с общим проводом блока питания 19 вторичного преобразователя 2. Выход буферного усилителя 3.3 соединен со вторым выводом разделительного конденсатора 9. Первый вывод разделительного конденсатора 9 соединен с параллельно включенным вторым выводом индуктивного элемента 8 и первым проводником линии, а посредством линии и с первым входом модуля контроля линии 10. Во вторичном преобразователе 2 выход модуля контроля линии 10 соединен с первым входом микроконтроллера 11, второй вход которого соединен с выходом переключателя 12. Первый выход блока питания 19 соединен со вторым выводом индуктивного элемента 18, первый вывод которого соединен с входом фантомного питания модуля контроля линии 10 и первым выводом второго разделительного конденсатора 13. Второй выход блока питания 19 соединен с входом питания микроконтроллера 11. Второй вывод разделительного конденсатора 13 соединен с входом триггера Шмитта 15, выход которого соединен с параллельно включенным входом инвертора 17 и третьим входом микроконтроллера 11. Четвертый вход микроконтроллера 11 соединен с выходом инвертора 17. Вход модуля индикации 14 соединен с первым выходом микроконтроллера 11, второй выход которого соединен с входом ключевого устройства 16. Ключевое устройство 16 содержит схему плавного включения и выключения напряжения. К выходу ключевого устройства 16 подключают N параллельно включенных ламп освещения.

Блок управления освещением дополнительно содержит во вторичном преобразователе второе ключевое устройство 20 со схемой разрешения включения в момент прохождения сетевого напряжения через ноль, этажные коммутаторы освещения 21, включающие датчик движения 22, таймер 23 и схему плавного включения и выключения напряжения 24. Выход датчика движения 22 соединен с входом таймера 23, выход которого соединен с входом схемы плавного включения и выключения напряжения 24. Выход второго ключевого устройства 20 вторичного преобразователя 2 соединен с входом питания параллельно включенных схем плавного включения и выключения напряжения 24 этажных коммутаторов освещения 21. К выходу схемы плавного включения напряжения 24 подключают лампу освещения. При наличии больших помещений или холлов на этаже устанавливают несколько этажных коммутаторов освещения. К выходу первого ключевого устройства 16 подключают лампы освещения первого этажа и тамбура, выполняющие функцию дежурного освещения.

Микроконтроллер 11, входящий в состав вторичного преобразователя 2, выполнен на базе микроконтроллера АТ89С2051 фирмы ATMEL Inc. Программирование микроконтроллера осуществляется при сборке блока управления освещением. Первичный преобразователь 1 выполнен на базе КМОП микросхемы серии К564ЛН2. Схема плавного включения и выключения напряжения с ограниченным по амплитуде значением выходного напряжения выполнена на основе микросхемы КР1118ПМ1.

Работает блок управления освещением следующим образом.

Мультивибратор первичного преобразователя вырабатывает напряжение прямоугольной формы, причем длительность положительного импульса, определяемая сопротивлением терморезистора R3 и емкостью конденсатора С, пропорциональна температуре окружающей среды, а длительность отрицательного импульса, определяемая суммой сопротивлений резистора R1 и фотоэлемента R2 и емкостью конденсатора С, пропорциональна освещенности. В светлое время суток сопротивление фотоэлемента мало и скважность сигнала (отношение периода к длительности отрицательного импульса) на выходе мультивибратора устанавливается более 70. Резистор R1 служит для обеспечения стабильной работы мультивибратора в светлое время суток, когда из-за малого сопротивления фотодатчика R2 может происходить срыв генерации сигнала. С выхода буферного усилителя информационный сигнал поступает на вход модуля контроля линии, который контролирует рабочий ток и отсутствие короткого замыкания проводников линии. В случае превышения среднего тока потребления первичным преобразователем или наличии короткого замыкания проводников линии, модуль контроля линии 10 вырабатывает сигнал ошибки, поступающий на первый вход микроконтроллера 11. Информационный сигнал от первичного преобразователя 1 через токоизмерительную цепь модуля контроля линии 10 поступает посредством конденсатора 13 на вход триггера Шмитта 15, нормируется, и с его выхода сигнал, преобразованный в меандр, поступает на третий вход микроконтроллера 11 и через инвертор 16 на четвертый вход микроконтроллера 11. Третий и четвертый входы микроконтроллера 11 являются соответственно входами первого и второго встроенных таймеров. На четвертый вход микроконтроллера 11 поступает положительный сигнал, пропорциональный освещенности, а на третий - положительный сигнал, пропорциональный температуре окружающей среды. Микроконтроллер 11 с циклом в одну минуту производит измерение длительности сигналов, поступающих на его третий и четвертый входы. В постоянном запоминающем устройстве микроконтроллера 11 хранится таблица соответствия длительности импульса сигнала первичного преобразователя 1, содержащего информацию о температуру, температуре окружающей среды. Далее микроконтроллер 11 вычисляет истинное значение освещенности, вводит температурную коррекцию показаний в соответствии с температурой в месте установки первичного преобразователя, переписывает значение предыдущего цикла измерения во второй регистр временного хранения данных, а в первый регистр записывает преобразованные данные текущего измерения. В третий регистр заносится вычисленная разница между текущим и предыдущим значениями освещенности. Полученное разностное значение сравнивается со средним интервалом изменения освещенности, хранящимся в памяти микроконтроллера 11, и, если значение выходит за допустимый предел, данные текущего измерения игнорируются, а микроконтроллер 11 проводит повторный цикл измерений. Микроконтроллер 11 при превышении разностного значения освещения проводит до десяти повторных циклов измерений, после чего значение считается истинным. Код текущего измерения освещения выводится для визуального контроля на модуль индикации 14. Микроконтроллер 11 считывает двоичный код порога включения освещения с выхода переключателя 12, сравнивает код с вычисленным значением и, при превышении порога, выдает разрешающий сигнал включения освещения со своего второго выхода, поступающий на вход ключевого устройства 16, которое плавно включает напряжение на N параллельно включенных ламп освещения. Порог выключения освещения вычисляется микроконтроллером 11 путем вычитания из полученного от переключателя 12 кода постоянной величины, составляющего около десяти процентов от порогового значения. При уменьшении освещенности ниже вычисленного порога, командой со второго выхода микроконтроллера 11, освещение плавно выключается. Реализована функция цифрового компаратора с характеристикой типа "гистерезис", с температурной коррекцией показаний фотоэлемента, с защитой от кратковременного, в течение до десяти минут, освещения, например, фарами проезжающего автомобиля или затемнения фотоэлемента R2, первичного преобразователя 1.

При установке этажных коммутаторов освещения вторичный преобразователь 2 содержит дополнительное ключевое устройство 20 со схемой разрешения включения в момент прохождения сетевого напряжения через ноль, причем к выходу первого ключевого устройства подключается освещение тамбура и первого этажа. Работа происходит в соответствии с вышеприведенным алгоритмом, но после включения освещения первого этажа и тамбура, командой со второго выхода микроконтроллера 11, в темное время суток, одновременно выдается команда на разрешение включения этажных коммутаторов освещения с третьего выхода микроконтроллера 11. Второе ключевое устройство 20 подает на второй вход питания параллельно включенных этажных коммутаторов освещения напряжение сети, разрешая работу этажных коммутаторов освещения. При выходе жильца из квартиры, выходе из лифта или подходе к активной зоне датчика движения (активная зона датчика движения составляет 1,5-5 м и регулируется в момент проведения пусконаладочных работ в зависимости от местных условий) сигналом с выхода датчика движения 21 запускается таймер 22 и включает посредством схемы плавного включения и выключения напряжения освещение на этаже на время, определяемое установкой таймера 22. Напряжение на выходе этажного коммутатора освещения ограничено по амплитуде минимально допустимым по ГОСТ 13109-97 значением. Время включения освещения на этаже (регулируется от 1 до 15 минут) устанавливается в период проведения пусконаладочных работ. В светлое время суток сигнал с выхода ключевого устройства отсутствует, этажные коммутаторы освещения выключены.

Источники информации, использованные в описании изобретения
1. Патент ФРГ 3031000, кл. Н 05 В 37/02, 1980 г.

2. Патент ФРГ 3443406, кл. H 01 Н 47/24, 1984 г.

3. Патент ФРГ 3307720, кл. H 01 H 47/24, 1983 г.

Блок управления освещением относится к оборудованию коммунальной техники жилых домов и производственных помещений, а именно к системам автоматического регулирования электрических величин, в частности к устройствам автоматического управления осветительными приборами различного назначения. Техническим результатом является создание устройства повышенной надежности и электробезопасности с увеличенным сроком службы за счет применения импульсного питания фотодатчика, при повышении точности срабатывания в диапазоне температур, исключение ложных срабатываний при кратковременном освещении или затемнении фотодатчика, исключение возможности несанкционированного подключения жильцов к освещению нежилых помещений, экономия электроэнергии. В блоке управления освещением применены бесконтактные, выполненные на основе симистора, ключевые устройства и этажные коммутаторы освещения с режимом плавного включения и выключения напряжения с ограничением по амплитуде подаваемого на лампы освещения минимально допустимым значением. 1 з.п.ф-лы, 1 ил.

1. Блок управления освещением, содержащий блок питания, фотоэлемент, компаратор и ключевое устройство, отличающийся тем, что в него дополнительно введены мультивибратор с одним времязадающим конденсатором, буферный усилитель, резистор, терморезистор, первый и второй диоды, стабилитрон, конденсатор, индуктивный элемент и разделительный конденсатор, объединенные конструктивно в первичный преобразователь, и вторичный преобразователь, в состав которого дополнительно введены модуль контроля линии, микроконтроллер, выполняющий в том числе и функцию компаратора, переключатель, модуль индикации, разделительный конденсатор, триггер Шмитта, инвертор, индуктивный элемент, причем в первичном преобразователе выход первого инвертора соединен с параллельно включенными входами буферного усилителя и второго инвертора, анодом первого и катодом второго диодов, вход первого инвертора соединен со вторыми выводами фотоэлемента, терморезистора и вторым выводом времязадающего конденсатора, первый вывод времязадающего конденсатора соединен с выходом второго инвертора, первый вывод фотоэлемента соединен со вторым выводом резистора, первый вывод которого соединен с катодом первого диода, первый вывод терморезистора соединен с анодом второго диода, первый вход питания микросхемы инверторов соединен с катодом стабилитрона, плюсовым выводом конденсатора и первым выводом индуктивного элемента, второй вход питания микросхемы инверторов соединен с анодом стабилитрона, минусовым выводом конденсатора и вторым проводником линии, а посредством линии и с общим проводом блока питания вторичного преобразователя, выход буферного усилителя соединен со вторым выводом разделительного конденсатора, первый вывод которого соединен с параллельно включенным вторым выводом индуктивного элемента и первым проводником линии, а посредством линии и с первым входом модуля контроля линии, во вторичном преобразователе выход модуля контроля линии соединен с первым входом микроконтроллера, второй вход которого соединен с выходом переключателя, первый выход блока питания соединен со вторым выводом индуктивного элемента, первый вывод которого соединен со вторым выходом модуля контроля линии и первым выводом разделительного конденсатора, второй вывод разделительного конденсатора соединен с входом триггера Шмитта, выход которого соединен с параллельно включенными входом инвертора и третьим входом микроконтроллера, с четвертым входом которого соединен выход инвертора, вход модуля индикации соединен с первым выходом микроконтроллера, второй выход которого соединен с входом ключевого устройства, второй выход блока питания соединен с входом питания микроконтроллера. 2. Блок управления освещением по п.1, отличающийся тем, что в него дополнительно введены этажные коммутаторы освещения, включающие датчик движения, таймер и схему плавного включения и выключения напряжения, при этом во вторичный преобразователь дополнительно введено второе ключевое устройство со схемой разрешения включения в момент прохождения сетевого напряжения через ноль, причем выход датчика движения соединен с входом таймера, выход которого соединен с входом схемы плавного включения и выключения напряжения, выход второго ключевого устройства вторичного преобразователя соединен с входами питания схем плавного включения и выключения напряжения, параллельно включенных этажных коммутаторов освещения, а выход первого ключевого устройства подключен к лампам освещения первого этажа и тамбура.