ОСВЕТИТЕЛЬНОЕ УСТРОЙСТВО (ВАРИАНТЫ) Российский патент 2005 года по МПК F21S19/00 

Предложение относится к автономным источникам света типа электрического фонаря и может найти применение в качестве автономного источника светового излучения безтранформаторного типа, т.е. универсального средства освещения, работающего как от источников питания обычной сети переменного напряжения, так и от источника постоянного напряжения (бортовой сети автомобиля), а также от солнечных батарей с небольшими поверхностями освещения.

Предшествующий уровень техники

Известны автономные источники света типа электрического фонаря: фара ручная “Экотон-2”, фара ручная ФР-12, прожектор ручной ПР-12, работающие от батареек, т.е. имеющие ограниченное время работы до смены батареек. Известны также различные зарядные устройства, используемые для зарядки батарей http://www. ecoton.ru/rus/store.htm от 20.03.2001. Использование зарядных устройств усложняет процесс освещения, т.к. требует частой подзарядки. Кроме того, при подзарядке батарей важным является исключение перезаряда аккумуляторных батарей, что требует внимания в процессе подзарядки.

Известны также электрические фонари, работающие на солнечных батареях. Например, электрический фонарь SM 703 на солнечных батареях, обеспечивающий три режима освещения: постоянный свет, режим лампы дневного света и мигающий свет, фонарь может питаться также от трех источников энергии: внутренняя солнечная батарея, от нормальных батарей и с использованием преобразователя переменного тока в постоянный (выпрямителя). Электрический фонарь SM 703 включает фотоэлектрический преобразователь с солнечными батареями, связанный через переключатель с лампами для освещения. Лампы могут быть подключены к батареи или к указанному выпрямителю http://www.baproducts.com/sm 703.htm. 28.06.2001).

Известные электрические фонари, использующие для питания сухозаряженные разовые батареи, недолговечны из-за ограниченного времени гарантийной эксплуатации последних. Электрические фонари, в которых для питания ламп используются аккумуляторы, также зависимы от постоянной подзарядки. Электрические фонари, работающие на солнечных батареях, требуют значительных поверхностей освещения для накапливания электрической энергии, достаточной для работы ламп, формирующих световое излучение.

Техническим результатом заявленного предложения является создание осветительного устройства без трансформатора, имеющего три варианта подзарядки аккумуляторной батареи, зарядки от сети 220 В или зарядки от бортовой сети автомобиля 12 В или зарядки от солнечной батареи. Техническим результатом является также обеспечение использования в качестве питающих аккумуляторных батарей стандартных и недорогих батарей типа никель-металлгидридных, что снижает стоимость электрического фонаря и делает его доступным и простым в эксплуатации. При этом увеличивается время непрерывного свечения электрического фонаря от полностью заряженных аккумуляторов около 24 часов (см. журнал “Радио”, № 7, 2001, с.44. Литий-ионные аккумуляторы). Использование в качестве источников питания сети переменного тока или бортовой сети автомобиля, или солнечных батарей делает предложенный электрический фонарь универсальным источником освещения. Предложенное устройство электрического фонаря за счет регулирования напряжения подзарядки обеспечивает использование в нем солнечных батарей с малой поверхностью освещения, что значительно снижает стоимость устройства и повышает потребительские качества, т.к. в нем используются стандартные серийно выпускаемые солнечные батареи, например СБ Батарея солнечная (ИЮГД. 564 113.004 ТУ, Паспорт ИЮГД. 564113.004 ПС, НПО машиностроения). Габаритные размеры такой солнечной батареи не более 130×63×3 мм. Солнечные батареи обеспечивают постоянное рабочее состояние устройства, поэтому аккумуляторы достаточно зарядить только один раз - при приобретении в пользование электрического фонаря.

Техническим результатом также является долговечность используемого в электрическом фонаре излучателя света - полупроводникового излучателя - светодиодной лампы, что также повышает долговечность электрического фонаря. Кроме того, использование светодиодов в качестве излучателей обеспечивает невозможность полного разряда аккумуляторной батареи, связанного с излучателем (светодиодной лампы, поскольку светодиоды характеризуются моментом выключения (запирания) выше напряжения полного разряда аккумуляторной батареи. В качестве светодиодов в заявленном электрическом фонаре можно использовать, например, светодиодные лампы типа У-332 БФ, У-332 Д, У-332 ДФ, У-334 ДФ, У-164 БЛ, параметры которых описаны в журнале Электронные компоненты, №3, 2001, Лев Коган, Светодиодные лампы для локального освещения, с.2).

Техническим результатом изобретения является также обеспечение регулирования напряжения заряда аккумуляторных батарей за счет использования импульсного повышающего регулятора напряжения, что оптимизирует соотношение циклов заряда и разряда аккумуляторных батарей и повышает их работоспособность. Режимы регулирования напряжения заряда аккумуляторных батарей, обеспечиваемые заявленным устройством, повышающие работоспособность указанных батарей, увеличивают срок службы самого электрического фонаря, соответствующий сроку службы самих аккумуляторных батарей, т.е. от 7 до 9 лет.

Кроме того, использование указанных светодиодов - твердотелых и ударопрочных - позволяет увеличивать срок службы устройства в целом, т.к. время работы (свечения) светодиодов составляет около 100000 часов.

Технический результат достигается тем, что в осветительное устройство, содержащее фотоэлектрический преобразователь и связанные друг с другом через соответствующие контакты переключателя аккумуляторную батарею и источник света, введен импульсный повышающий регулятор напряжения, вход которого связан с фотоэлектрическим преобразователем, а выход подключен к формирователю импульсов зарядного тока, выход которого связан с соответствующим контактом указанного переключателя, предназначенного для обеспечения подачи зарядного тока на аккумуляторную батарею. При этом связь между выходом формирователя импульсов зарядного тока и указанным контактом переключателя выполнена через сумматор тока, один вход которого предназначен для подачи импульсов зарядного тока от указанного формирователя, другой выход предназначен для подачи выпрямленного тока от электросети переменного напряжения 220 В 50 Гц и/или тока от бортовой сети электропитания автомобиля +12 В.

Источником света может являться светодиодная лампа. Кроме того, технический результат достигается тем, что в осветительное устройство, содержащее фотоэлектрический преобразователь и связанные друг с другом через переключатель аккумуляторную батарею и источник света, введен импульсный повышающий регулятор напряжения, вход которого соединен с фотоэлектрическим преобразователем, а выход через формирователь импульсов зарядного тока соединен с сумматором тока для подключения указанного формирователя через указанный переключатель к аккумуляторной батарее, соответствующий выход сумматора тока предназначен для подачи выпрямленного тока от сети переменного напряжения или от бортовой сети электропитания автомобиля.

Кроме того, источником света может являться светодиодная лампа.

В осветительное устройство введен первый согласующий элемент, первый и второй выводы которого предназначены для подключения к сети переменного напряжения, выходной вывод подключен через выпрямитель к соответствующему входу указанного сумматора тока. В осветительное устройство введен второй согласующий элемент, первый и второй выводы которого предназначены для подключения электрического фонаря к бортовой сети электропитания автомобиля, выходной вывод подключен через выпрямитель к соответствующему входу указанного сумматора тока.

На фиг.1 представлена функциональная схема заявленного осветительного устройства; на фиг.2 представлен возможный пример конструктивного выполнения импульсного повышающего регулятора напряжения; на фиг.3 представлен возможный вариант технической реализации формирователя импульсов зарядного тока.

Устройство (фиг.1) содержит фотоэлектрический преобразователь 1 (батарею солнечных элементов), импульсный повышающий регулятор напряжения 2, формирователь импульсов зарядного тока 3, согласующий элемент 4 в виде ограничительного резистора (не показан), включенного между одним из выводов для подключения бортовой сети автомобиля и одним из выводов выпрямителя, второй вывод согласующего элемента непосредственно предназначен для подключения к другому выводу бортовой сети автомобиля и другому выводу выпрямителя. Согласующий элемент 4 предназначен для согласования зарядной цепи устройства с бортовой сетью автомобиля +12 В. Второй согласующий элемент 5, например, в виде емкостного сопротивления, зашунтированного резистором (не показан), включенных между одним из выводов сети переменного напряжения 220 В 50 Гц и указанного вывода выпрямителя и ограничительного резистора (не показан), включенного между другим выводом сети переменного напряжения 220 В 50 Гц и другим выводом выпрямителя. Согласующий элемент 5 предназначен для согласования зарядной цепи устройства с сетью переменного напряжения 220 В 50 Гц. Устройство содержит также выпрямитель 6, обеспечивающий преобразование переменного напряжения сети в однополярное напряжение и обеспечивающий защиту зарядной цепи устройства и аккумуляторной батареи от ошибочной полярности при подключении к бортовой сети автомобиля. Выходы выпрямителя 6 и указанного формирователя импульсов 3 через диодный сумматор тока 7 подключены к одному из контактов 8₁ переключателя 8, переключающий контакт которого соединен с положительным полюсом аккумуляторной батареи 10, а другой контакт 8₂ переключателя 8 обеспечивает подачу напряжения на источник света 9, конструктивно представляющий собой полупроводниковый излучатель оптического диапазона - светодиодную лампу.

При этом импульсный повышающий регулятор 2 напряжения включает число-импульсный модулятор 17, имеющий два входа управления, соответственно связанных с выходом первого и второго усилителей 18 и 19 обратной связи.

Выход число-импульсного модулятора связан с затворами первого 11 и второго 12 полевых транзисторов, инвертирующий вход первого и неинвертирующий вход второго указанных усилителей 18 и 19 связаны с первым источником 20 опорного напряжения. Регулятор 2 включает конденсатор С1, подключенный параллельно к его входу, один входной вывод указанного регулятора связан с общим проводом устройства, одна обкладка указанного конденсатора соединена с другим из входных выводов регулятора и с первым выводом катушки индуктивности, второй вывод которого связан с объединенными истоками указанных полевых транзисторов 11 и 12 и через прямовключенный первый диод D₁ соединен с одними обкладками второго и третьего конденсаторов С₂ и С₃ (вторые обкладки которых соединены с общим проводом устройства) и является соответствующим выходным выводом регулятора и через прямовключенный второй диод D₂ связан с инвертирующим входом второго указанного усилителя 19, другой выходной вывод регулятора соединен с общим проводом устройства.

В заявке приведен один из возможных примеров повышающего импульсного регулятора 2 напряжения, однако, известно множество регуляторов, обеспечивающих формирование повышающего импульсного напряжения, например в качестве регулятора может быть использована микросхема КР 1446 ПН1Е.

Импульсный повышающий регулятор (преобразователь) напряжения (фиг.2), как было указано выше, имеет в своем составе управляемый генератор импульсов - число-импульсный модулятор (ЧИМ) 17, который управляет открытием и закрытием двух n-канальных полевых транзисторов с изолированным затвором (11 и 12). В открытом состоянии через эти транзисторы течет ток от фотоэлектрического преобразователя 1 (фиг.1) и конденсатора С1, защищающего фотоэлектрический преобразователь 1 от превышения максимально допустимого тока нагрузки. При этом протекает ток с положительно полюса преобразователя 1 и конденсатора С1 через катушку индуктивности L1 на общий провод устройства, с которым соединены стоки обоих транзисторов 11 и 12. При этом происходит накопление электромагнитного поля в сердечнике катушки L1. Сток транзистора 12 соединен с общим проводом через резистор R₀, который выполняет функцию измерительного сопротивления в цепи управления длительностью импульса ЧИМ 17. При этом управляющее воздействие поступает в ЧИМ 17 через усилитель обратной связи 18. Когда состояние выхода ЧИМ 17 меняется (отсутствие импульса) и транзисторы 11 и 12 закрываются, на втором выводе катушки L1 индуцируется импульс напряжения, значительно превышающий напряжение Uвх на входе в регулятор, поступающее из фотоэлектрического преобразователя 1. Через быстродействующий диод D1 напряжение катушки L1 заряжает соединенные с катодом диода D1 конденсаторы С2 и С3 (для максимального подавления высокочастотных помех берут два конденсатора различного конструктивного исполнения). Напряжение на положительных обкладках конденсаторов С2 и С3 может значительно превышать напряжение на входе в регулятор 2 Uвx. Через диод D2, анод которого соединен с соответствующими обкладками конденсаторов С2 и С3, а катод - с инвертирующим входом усилителя обратной связи 19, в ЧИМ 17 поступает управляющее воздействие, обеспечивающее заданный уровень выходного напряжения Uвых регулятора 2 при значительных колебаниях тока нагрузки. Использование в цепи обратной связи источника опорного напряжения 20 обеспечивает стабильность выходного напряжения регулятора 2.

Возможный вариант выполнения формирователя 3 импульсов зарядного тока представлен на фиг.3. Формирователь 3 содержит источник 21 опорного напряжения, выход которого подключен к неинвертирующему входу компаратора 22 напряжения, выполненного в виде операционного усилителя, инвертирующий вход которого связан со средней точкой делителя напряжения, объединяющей одни выводы резисторов R₁ и R₂, другой вывод резистора R₁, первые выводы резисторов R₃ и R₄ и эмиттер второго транзистора 25 подключены к первому входному выводу формирователя 3, другой входной вывод которого соединен с общим проводом устройства, выход компаратора 22 соединен с затвором полевого транзистора 23, сток которого и эмиттер первого транзистора 24 подключены к общему проводу устройства, исток полевого транзистора 23, другой вывод резистора R3 и база первого транзистора 24 объединены, коллектор первого транзистора 24 соединен с другим выводом резистора R4 и через резистор R5 соединен с базой второго транзистора 25, коллектор которого является выходом формирователя 3 и соединен с анодом одного диода D3 сумматора тока 7, катод которого и катод другого диода D4 связаны с одним из контактов 8₁ переключателя 8, анод диода D4 соединен с выходом (выходной вывод) выпрямителем 6, к которому подключены соответствующие выводы первого и второго согласующих элементов 4 и 5.

В формирователе импульсов зарядного тока (фиг.3) через делитель напряжения на резисторах R1 и R2 на вход компаратора напряжения 22 поступает такая часть величины входного напряжения (равного выходному напряжению Uвых импульсного регулятора 2 напряжения (фиг.1), которая равна напряжению источника опорного напряжения 21 при величине напряжения Uвых, достаточного для обеспечения заряда аккумуляторной батареи 10 (фиг.1).

При достижении выходного напряжения с регулятора 2 этой величины выход компаратора 22 переводится в активное состояние и закрывается соединенный с ним выводом затвора n-канальный полевой транзистор 23 с изолированным затвором. При этом отсоединяется от общего провода устройства соединенная с истоком полевого транзистора 23 база транзистора 24, и через резистор R3 начинает протекать базовый ток транзистора Т2. При этом транзистор Т₂ открывается и через резисторы R4 и R5 начинает течь его коллекторный ток. Номиналы резисторов R4 и R5 выбираются такими, чтобы ток через резистор R5 и соединенный с ним вывод базы транзистора 24 открывал транзистор 25 достаточно для того, чтобы его коллекторный ток был не менее тока заряда аккумуляторной батареи 10, а падение напряжения на его переходе “эмиттер - коллектор” было минимальным.

При этом через сумматор 7 тока, выполненный на диодах D3 и D4 и переключающий контакт переключателя 8, начинает проходить импульс тока заряда аккумуляторной батареи 10.

Протекание тока через цепь 25, D3, 8, 10 приводит к уменьшению напряжения на входе в формирователь 3 импульсов зарядного тока (разряд конденсаторов С2, С3 на фиг.2). При этом стабилизированное напряжение источника опорного напряжения 21 становится больше напряжения в средней точке делителя напряжения R1, R2 и выход компаратора 22 переводится в пассивное состояние. При этом полевой транзистор 23 открывается и соединяет с общим проводом устройства соединенный с его выводом истока вывод базы транзистора 24. Транзистор 24 и 25 одновременно закрывается, что приводит к минимальным потерям электрической мощности в интервалах между импульсами тока заряда аккумуляторной батареи 10. Кроме того, переключатель 8 может быть снабжен дополнительными контактами подключения для подзарядки мобильного телефона или другой радиоэлектронной аппаратуры, которая требует подзарядки питания для работы.

Устройство электрического фонаря работает следующим образом.

При наличии солнечной радиации оптического диапазона на поверхности фотоэлектрического преобразователя (ФЭП) 1 на выходе последнего появляется постоянное напряжение, поступающее на вход импульсного повышающего регулятора напряжения 2. Если напряжение на выходе регулятора 2 не достаточно для прохождения тока заряда аккумуляторной батареи 10, формирователь 3 импульсов зарядного тока не генерирует электрические импульсы. Если напряжение на выходе регулятора 2 более или равно заданному, формирователь 3 импульсов зарядного тока начинает подавать ток на аккумуляторную батарею 10 до тех пор, пока напряжение на выходе регулятора 2 не станет менее заданного (как было указано выше). Причем если величина напряжения примерно равна заданной, формирователь 3 импульсов зарядного тока подает ток заряда на аккумуляторную батарею 10 импульсами, частота которых совпадает с рабочей частотой ЧИМ 17, а длительность которых примерно равна длительности напряжения на втором выводе катушки индуктивности L1 (фиг.2). Причина этого в том, что напряжение на выходе регулятора 2 имеет высокочастотную составляющую около 0,1% из-за неполного подавления импульсных помех.

Такая схема работы импульсного повышающего регулятора 2 напряжения и формирователя 3 импульсов зарядного тока обеспечивает подзаряд аккумуляторных батарей даже при средней освещенности устройства фонаря, что невозможно как при прямых схемах подключения ФЭП 1, так и при использовании повышающих регуляторов напряжения.

С помощью сумматора 7 тока импульсы зарядного тока подаются от формирователя 3 к аккумуляторной батарее 10.

При таком же положении переключающего контакта переключателя 8 возможен заряд аккумуляторной батареи 10 от сети переменного напряжения 220 В 50 Гц и бортовой сети автомобиля +12 В, для чего используются соответственно входные выводы согласующего элемента 5, предназначенные для подключения к сети 220 В, согласующего элемента 4 для подключения к бортовой сети автомобиля 12 В и связанный с ними соответственно выпрямитель 6, обеспечивающий преобразование переменного напряжения сети в однополярное и защиту от ошибочной полярности при подключении к бортовой сети а/м.

В другом положении переключающего контакта переключателя 8 положительный полюс аккумуляторной батареи 10 становится соединенным с анодом полупроводникового излучателя оптического диапазона - светодиодной лампы 10, и фонарь производит освещение согласно целевому назначению.

Предложенное осветительное устройство безтрансформаторного типа долговечно, удобно в использовании и является универсальным средством освещения при различных эксплуатационных условиях.

Предложение относится к автономным источникам света типа электрического фонаря и может найти применение в качестве автономного источника светового излучения безтрансформаторного типа, т.е. универсального средства освещения, работающего как от источников питания обычной сети переменного напряжения, так и от источника постоянного напряжения (бортовой сети автомобиля), а также от солнечных батарей с небольшими поверхностями освещения. Техническим результатом является снижение стоимости электрического фонаря и обеспечение доступности и простоты в эксплуатации. Устройство содержит фотоэлектрический преобразователь и связанные друг с другом через соответствующие контакты переключателя аккумуляторную батарею и источник света, импульсный повышающий регулятор напряжения, вход которого связан с фотоэлектрическим преобразователем, а выход подключен к формирователю импульсов зарядного тока, выход которого связан с соответствующим контактом указанного переключателя, предназначенным для обеспечения подачи зарядного тока на аккумуляторную батарею. Во втором варианте осветительного устройства выход регулятора напряжения через формирователь импульсов зарядного тока соединен с сумматором тока для его подключения через указанный переключатель к аккумуляторной батарее. 2 н. и 5 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Осветительное устройство, содержащее фотоэлектрический преобразователь и связанные друг с другом через соответствующие контакты переключателя аккумуляторную батарею и источник света, отличающийся тем, что в него введен импульсный повышающий регулятор напряжения, вход которого связан с фотоэлектрическим преобразователем, а выход подключен к формирователю импульсов зарядного тока, выход которого связан с соответствующим контактом указанного переключателя, предназначенного для обеспечения подачи зарядного тока на аккумуляторную батарею.2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что связь между выходом формирователя импульсов зарядного тока и указанным контактом переключателя выполнена через сумматор тока, один вход которого предназначен для подачи импульсов зарядного тока от указанного формирователя, другой вход предназначен для подачи выпрямленного тока от электросети переменного напряжения и/или тока от бортовой сети электропитания автомобиля.3. Устройство по любому из пп.1 и 2, отличающееся тем, что источником света является светодиодная лампа.4. Осветительное устройство, содержащее фотоэлектрический преобразователь и связанные друг с другом через переключатель аккумуляторную батарею и источник света, отличающееся тем, что в него введен импульсный повышающий регулятор напряжения, вход которого соединен с фотоэлектрическим преобразователем, а выход через формирователь импульсов зарядного тока соединен с сумматором тока для его подключения через указанный переключатель к аккумуляторной батарее, соответствующий выход сумматора тока предназначен для подачи выпрямленного тока от сети переменного напряжения или от бортовой сети электропитания автомобиля.5. Устройство по п.4, отличающееся тем, что источником света является светодиодная лампа.6. Устройство по п.4 или 5, отличающееся тем, что в него введен первый согласующий элемент, первый и второй выводы которого предназначены для подключения устройства к сети переменного напряжения, выходной вывод подключен через выпрямитель к указанному сумматору тока.7. Устройство по п.4 или 5, отличающееся тем, что в него введен второй согласующий элемент, первый и второй выводы которого предназначены для подключения устройства к бортовой сети электропитания автомобиля, выходной вывод подключен через выпрямитель к указанному сумматору тока.