ИЗЛУЧАЮЩЕЕ УСТРОЙСТВО Российский патент 2005 года по МПК H05B37/00 

Изобретение относится к излучательной технике и может быть использовано в сигнальных, светотехнических и других устройствах, основанных на применении излучающих элементов (инфракрасного излучения, видимого света, ультрафиолетового излучения и др.).

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому техническому результату является излучающее устройство, приведенное в описании к патенту Российской Федерации на изобретение №2151473 от 25.06.1998 г., опубл. 20.06.2000 г., М. кл.⁷ Н 05 В 37/00, F 21 S 4/00.

Известное излучающее устройство, подключаемое к источнику электрической энергии, содержит преобразователь электрической энергии, включающий выпрямитель с емкостным фильтром на выходе и стабилизатор напряжения питания, соединенные последовательно, и параллельно-последовательные цепочки излучающих элементов с ограничителями тока, подключенные параллельно выходам преобразователя электрической энергии.

Преобразователь электрической энергии в известном устройстве выполнен на базе выпрямителя (мостовой диодной схемы) и параметрического стабилизатора напряжения, содержащего последовательно включенные электрическую лампу накаливания, добавочный балластный терморезистор и мощный, установленный на теплоотводе, стабилитрон, ограничивающий и стабилизирующий напряжение на параллельно-последовательных цепочках излучающих элементов с ограничителями тока. В качестве излучающих элементов использованы светодиоды, а в качестве ограничителей тока - балластные резисторы.

Известное устройство является недостаточно надежным в работе, так как в нем не устраняется влияние внешних воздействий (индустриальных помех) и перепада температур, а также внутренних перенапряжений, возникающих при выходе из строя какого-либо элемента схемы.

Стабилитрон, используемый в качестве стабилизирующего элемента, имеет ограничение по максимальному току и напряжению стабилизации, а так как на входе устройства возможны всплески напряжения, превышающие номинальное напряжение питающей сети, то это может привести к соответствующему изменению тока стабилитрона, что в свою очередь приведет к выходу его из строя и, соответственно, к выходу из строя всего устройства.

То, что напряжение, подаваемое на вход параллельно-последовательных цепочек излучающих элементов, подается непосредственно с выходов преобразователя электрической энергии, при резком увеличении выходного напряжения преобразователя, например, при выходе из строя одного из его элементов, приводит к подаче на вход параллельно-последовательных цепочек излучающих элементов напряжения, превышающего допустимое. Это приводит к выходу из строя излучающих элементов.

В известном устройстве излучающие элементы соединены в последовательные цепочки, которые снабжены ограничительными элементами на входе, и соединены между собой параллельно. При этом при выходе из строя одного излучающего элемента выходит из строя вся цепочка последовательно соединенных излучающих элементов, что отрицательно влияет на целостность излучаемого потока.

В качестве ограничителей тока в параллельно-последовательных цепочках излучающих элементов использованы резисторы. Резистор задает ток цепи, который определяется отношением разности напряжения питания и суммарной величины пороговых напряжений излучающих элементов, включенных последовательно, к величине его сопротивления. Однако при колебаниях внешних температурных воздействий резистор не препятствует изменению тока в последовательной цепи излучающих элементов. При этом при колебаниях температуры внешней среды происходит изменение падения напряжения на излучающих элементах, что ведет к изменению мощности (интенсивности) излучаемого потока.

Таким образом, известное излучающее устройство является недостаточно надежным.

В основу изобретения поставлена задача усовершенствования излучающего устройства, в котором путем введения новых элементов, новых связей между элементами и нового выполнения элементов устройства обеспечивается повышение степени защиты от внешних и внутренних перенапряжений и сохранение целостности электрических цепей устройства путем изменения контуров протекания тока по ним, за счет чего повышается надежность работы устройства.

Поставленная задача решается тем, что в излучающем устройстве, подключаемом к источнику электрической энергии, содержащем преобразователь электрической энергии, включающий выпрямитель с емкостным фильтром и стабилизатор напряжения питания, соединенные последовательно, и параллельно-последовательные цепочки излучающих элементов с ограничителями тока, подключенные параллельно выходам преобразователя электрической энергии, согласно изобретению новым является то, что устройство дополнительно содержит узел защиты, установленный между преобразователем электрической энергии и параллельно-последовательными цепочками излучающих элементов с ограничителями тока, выполненный в виде соединенных последовательно предохранителя, катушки индуктивности, силового ключа, управляющий вход которого через резистор соединен с выходом детектора напряжения, входы которого и выход силового ключа соединены с выходами преобразователя электрической энергии, который дополнительно содержит варистор, установленный параллельно между выпрямителем и стабилизатором напряжения питания, а излучающие элементы параллельно-последовательных цепочек объединены в группы, каждая из которых дополнительно снабжена шунтирующим электронным элементом.

Новым является также то, что каждый из ограничителей тока выполнен в виде стабилизатора тока.

Новым является также то, что количество излучающих элементов, объединенных в группы, составляет от 1,2,3...N, где N - натуральное число.

Между совокупностью существенных признаков заявляемого изобретения и достигаемым техническим результатом существует следующая причинно-следственная связь.

Одновременное введение в излучающее устройство узла защиты, установленного между преобразователем электрической энергии и параллельно-последовательными цепочками излучающих элементов с ограничителями тока, выполненного в виде соединенных последовательно предохранителя, катушки индуктивности, силового ключа, управляющий вход которого через резистор соединен с выходом детектора напряжения, входы которого и выход силового ключа соединены с выходами преобразователя электрической энергии, введение в преобразователь электрической энергии варистора, установленного параллельно между выпрямителем и стабилизатором напряжения питания, а также то, что излучающие элементы параллельно-последовательных цепочек объединены в группы, каждая из которых дополнительно снабжена шунтирующим электронным элементом, а также выполнение каждого из ограничителей тока в виде стабилизатора тока и определение количества излучающих элементов, объединенных в группы от 1 до N, где N - натуральное число, обеспечивает высокую надежность работы излучающего устройства.

Введение в устройство узла защиты, выполненного и подключенного заявляемым образом, позволяет обеспечить надежную работу устройства за счет осуществления защиты излучающих элементов от превышения напряжения питания, приводящего к выходу из строя устройства.

Это поясняется следующим.

При резком увеличении напряжения в схеме преобразователя напряжения, что может произойти при выходе из строя любого из элементов схемы, резкое увеличение напряжения на входах параллельно-последовательных цепочек излучающих элементов может привести к их выходу из строя. Узел защиты, выполненный и подключенный заявляемым образом, обеспечивает защиту излучающих элементов от возможных всплесков напряжения путем замыкания входных контактов параллельно-последовательных цепочек излучающих элементов силовым ключом. При этом весь ток нагрузки замыкается через силовой ключ. Большое напряжение на входе узла защиты вызывает формирование сигнала управления силовым ключом. Ключ открывается и закорачивает параллельно-последовательные цепочки излучающих элементов. Контур тока замыкается через предохранитель, катушку индуктивности и силовой ключ. Ток, вызванный резким всплеском напряжения на выходах преобразователя напряжения, протекает по контуру, минуя цепи с излучающими элементами. При этом катушка индуктивности осуществляет ограничение величины ударного тока при включении силового ключа. При достижении величины тока срабатывания предохранителя последний размыкает цепь питания параллельно-последовательных цепочек, отключая их от преобразователя электрической энергии.

Большое напряжение на входе узла защиты, которое, в частности, может быть спровоцированно выходом из строя стабилизатора напряжения и которое формирует сигнал управления ключом, может вызвать паразитные колебания в контуре катушки индуктивности узла защиты и емкостного фильтра стабилизатора напряжения при срабатывании ключа. Для демпфирования этих колебаний дополнительно может быть введен резистор, ограничивающий ударный ток, соединенный последовательно между катушкой индуктивности и силовым ключом узла защиты.

Таким образом, введение в схему устройства узла защиты, выполненного и подключенного заявляемым образом, позволяет повысить надежность работы устройства.

Введение в преобразователь электрической энергии варистора, подключенного заявляемым способом, позволяет не допустить отрицательного влияния бросков напряжения, которые возникают во время коммутации посторонних потребителей тока (при внешних помехах) на выходе выпрямителя, что повышает надежность работы устройства.

Это поясняется следующим.

Внутреннее сопротивление варистора при увеличении прикладываемого к нему напряжения резко уменьшается. При обычном (безаварийном) режиме варистор не задействован как элемент схемы (ток по нему не проходит, так как его сопротивление очень большое - свыше 1 МОм), а при достижении напряжения срабатывания его сопротивление резко уменьшается (до единиц Ом) и ток протекает через него, тем самым обеспечивая демпфирование перенапряжения питающей сети.

Таким образом, за счет введения варистора в состав преобразователя электрической энергии, который входит в излучающее устройство, обеспечивается устранение отрицательного влияния внешних электрических помех на работу излучающего устройства, приводящих к выходу из строя его элементов, что повышает надежность устройства.

Объединение излучающих элементов параллельно-последовательных цепочек в группы и снабжение каждой группы шунтирующим элементом в совокупности с другими признаками устройства позволяет повысить надежность работы устройства при выходе из строя отдельных излучающих элементов. При выходе из строя отдельных излучающих элементов осуществляется изменение контура протекания тока в цепочках в обход нерабочей цепи через шунтирующий элемент, ограничивая выход из строя излучающих элементов только одной группой. Количество излучающих элементов в группе, которое может составлять 1,2,3...N, где N - натуральное число, определяет количество излучающих элементов, выпадающих из общего излучающего потока при выходе из строя одного из излучающих элементов в группе. При этом целостность излучаемого потока параллельно-последовательных цепочек излучающих элементов относительно сохраняется.

Таким образом, объединение излучающих элементов параллельно-последовательных цепочек в группы излучающих элементов, снабжение каждой группы шунтирующим элементом обеспечивает повышение надежности работы устройства при сохранении целостности излучаемого потока.

Выполнение ограничителей, предназначенных для задания величины тока излучающих элементов в виде стабилизаторов тока, подключенных заявляемым образом, позволяет при любых изменениях прямых падений напряжений на излучающих элементах или нестабильном напряжении питания, прикладываемом к параллельно-последовательным цепочкам излучающих элементов, сохранять величину тока в цепи неизменной. Это повышает стабильность работы излучающих элементов и обеспечивает надежную работу устройства при стабильном и равномерном излучающем потоке.

Это поясняется следующим.

При номинальном (расчетном) режиме работы устройства падение напряжения на стабилизаторе тока и его ток соответствуют падению напряжения на балластном резисторе и его току. При температурных колебаниях или нестабильном напряжении питания стабилизатор тока изменяет свое внутреннее сопротивление. При этом ток в цепочках последовательно соединенных излучающих элементов остается неизменным. Стабилизатор тока компенсирует изменения падения напряжения на излучающих элементах и колебания напряжения питания.

Таким образом, выполнение ограничителей тока в виде стабилизаторов тока в совокупности с другими заявляемыми признаками повышает надежность работы устройства при стабильном излучающем потоке.

Излучающее устройство представлено чертежами, где:

на фиг.1 приведен пример выполнения схемы электрической принципиальной заявляемого излучающего устройства;

на фиг.2 представлена функциональная схема излучающего устройства.

на фиг.3 представлен пример выполнения узла защиты с дополнительным резистором.

Излучающее устройство (см. фиг.1 - 3), подключаемое к источнику электрической энергии, содержит преобразователь 1 электрической энергии, который включает в себя выпрямитель 2 с емкостным фильтром 3, варистор 4 и стабилизатор 5 напряжения питания. Варистор 4 установлен параллельно между выпрямителем 2 и стабилизатором 5 напряжения. Параллельно выходам преобразователя 1 электрической энергии подключены параллельно-последовательные цепочки 6 излучающих элементов 7 с ограничителями 8 тока. Между преобразователем 1 электрической энергии и параллельно-последовательными цепочками 6 излучающих элементов 7 установлен узел 9 защиты. Узел 9 защиты выполнен в виде соединенных последовательно предохранителя 10, катушки 11 индуктивности, силового ключа 12, управляющий вход которого через резистор 13 соединен с выходом детектора 14 напряжения, входы которого и выход силового ключа 12 соединены с выходами преобразователя 1 электрической энергии. Для повышения надежности узла 9 защиты возможно введение в схему узла защиты дополнительного резистора 25 между последовательно соединенными катушкой 11 индуктивности и силовым ключом 12 (см. фиг.3). Излучающие элементы 7 объединены в группы, каждая из которых дополнительно снабжена шунтирующим электронным элементом 15. При этом количество излучающих элементов 7, объединенных в группы, составляет от 1,2,3...N, где N - натуральное число, а каждый из ограничителей 8 тока выполнен в виде стабилизатора тока.

Излучающее устройство, схема электрическая принципиальная которого приведена на фиг.1, содержит выпрямитель 2, выполненный по однофазной схеме выпрямления, которая содержит четыре выпрямительных диода 16 и ограничивающий резистор 17. Стабилизатор 5 напряжения питания, приведенный на фиг.1, содержит резистор 18, транзистор 19, узел 20 управления, обратный диод 21, дроссель 22, делитель 23 напряжения и емкостный фильтр 24, которые соединены по схеме понижающего импульсного преобразователя постоянного напряжения.

Эти и другие возможные схемы выполнения выпрямителя 2 и стабилизатора 5 напряжения питания, которые могут быть использованы в заявляемом устройстве, приведены в научно-технической литературе, например: Интегральные микросхемы. Микросхемы для импульсных источников питания и их применение. М.: Издательский дом "Додека-XXI", 2001, стр. 14-22, 66, 70-71; Интегральные микросхемы для линейных источников питания и их применение. М.: "Додека", 1998, стр.17-19, 132, 133; Ю.С.Забродин Промышленная электроника. - М.: "Высшая школа", 1982, стр.293-303, 332-335.

Устройство работает следующим образом.

Устройство подключают к источнику электрической энергии. На вход преобразователя 1 электрической энергии с емкостным фильтром 3 непосредственно либо через понижающий трансформатор (на фиг.1 не показан) подается напряжение (переменное или постоянное в независимости от полярности). Выпрямитель 2 преобразовывает его в постоянное напряжение требуемой полярности. При этом емкостный фильтр 3 осуществляет сглаживание пульсаций напряжения. Выходное напряжение выпрямителя 2 через варистор 4 подается на стабилизатор 5 напряжения питания, в котором осуществляется стабилизация напряжения на уровне необходимых расчетных величин, определяющих работу излучающих элементов 7.

При обычном (безаварийном) режиме варистор 4 не задействован как элемент схемы, так как его сопротивление очень большое, а при резких бросках напряжения он срабатывает, и ток протекает через него, обеспечивая демпфирование перенапряжения.

При обычном (безаварийном) режиме выходное напряжение преобразователя 1 электрической энергии подается через узел 9 защиты на входы параллельно-последовательных цепочек 6 излучающих элементов 7 с ограничителями 8 тока. При повышенном (свыше номинального) выходном напряжении стабилизации детектор 14 напряжения формирует сигнал управления силовым ключом 12. Силовой ключ 12 открывается и замыкает выходной ток стабилизатора 5 напряжения по контуру: предохранитель 10, катушка 11 индуктивности, резистор 25, силовой ключ 12, шунтируя тем самым входы излучающих элементов 7. Резистор 13 задает величину тока управления силовым ключом 12. После срабатывания предохранителя 10 контур тока обрывается, отключая параллельно-последовательные цепочки 6 излучающих элементов 7 от преобразователя 1 электрической энергии. Ограничителями 8 тока осуществляется задание тока, пропорционального разности напряжения питания и суммы падения напряжения на излучающих элементах 7. При этом при использовании в качестве ограничителя 8 тока стабилизатора тока дополнительно устраняются изменения тока в последовательной цепи излучающих элементов 7 при перепадах температур и изменениях напряжения питания. Электрический ток, протекая по последовательно соединенным излучающим элементам 7, приводит их в рабочее состояние, то есть осуществляется излучение. В зависимости от того, какие виды излучающих элементов 7 используются и в каком количестве, определяются расчетные величины входного напряжения питания параллельно-последовательных цепочек 6 излучающих элементов 7. При этом излучающие элементы 7 в цепочках не прекращают свою работу при выходе из строя одного из излучающих элементов 7 в последовательном соединении за счет того, что выходит из строя только одна группа излучающих элементов 7, снабженная шунтирующим элементом 15, в которую он входит. Количество излучающих элементов 7, которое может изменяться от 1 до N, влияет на целостность излучающего потока. Чем больше N, тем большее количество излучающих элементов 7 не функционирует при нарушении целостности последовательной цепи группы излучающих элементов 7. При этом ток проходит через шунтирующий элемент 15, обеспечивая непрерывность протекания тока.

В качестве излучающих элементов 7 могут использоваться, например, светодиоды инфракрасного диапазона излучения: L-315 Е1К, L 514 CIR (фирма "ParaLight"), АЛ 107, АЛ 161, АЛ 164, АЛ 173 (фирма "Протон"), L-34, L-53, КА-3528, KPL-3015 (фирма "Kingbright"); светодиоды видимого диапазона излучения: L-513, L-314, L-593 (фирма "ParaLight"), КИПД 40, КИПМ 20 (фирма "Протон"), L-1503, L-1513, L-1543 (фирма "Kingbright"); светодиоды ультрафиолетового диапазона излучения: ETG-5UV395-30 (фирма "ETG"), WUV503-С395-С (фирма "Wilycon Corp."), L2000СUV395-12D (фирма "LEDTronics").

Варисторы 4 могут быть выбраны типов CN, SIOV-S, VCR, Q14, Q20 (импортного производства), СН1-1, СН2-1 (отечественного производства).

Стабилизаторы 5 напряжения питания выбраны из ряда: МС3063А/34063А, μА78540, LАS6380, LАS6381 L200, LT1083, LT1084, LT1085 (импортного производства), 1156ЕУ1, 1156ЕУ5, 1184ПН1, 1426Н22 (отечественного производства).

Детектор напряжения 14 узла 9 защиты может быть выбран из ряда: UС3543/44, UС3908 (импортного производства), 1185СП, 1114СП1 (отечественного производства).

Стабилизатор 8 тока может быть выбран из ряда: LM137, μА7905, LМ317L (импортного производства), КР1157ЕН1, 142ЕН19 (отечественного производства).

Изобретение может быть осуществлено в условиях производства на стандартном оборудовании с использованием известных комплектующих элементов и материалов. В настоящее время четыре образца излучающих устройств различных типов исполнения проходят исследовательско-промышленные испытания, которые показывают их высокую надежность.

Изобретение относится к области приборостроения, в частности к светотехническим приборам. Технический результат - повышение надежности. Для достижения данного результата введен узел защиты, установленный между преобразователем электрической энергии и параллельно-последовательными цепочками излучающих элементов с ограничителями тока. При этом ограничитель тока выполнен в виде соединенных последовательно предохранителя, катушки индуктивности, силового ключа, управляющий вход которого через резистор соединен с выходом детектора напряжения. Входы детектора напряжения и выход силового ключа соединены с выходами преобразователя электрической энергии, который дополнительно содержит варистор, установленный параллельно между выпрямителем и стабилизатором напряжения питания. 2 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Излучающее устройство, подключаемое к источнику электрической энергии, содержащее преобразователь электрической энергии, включающий выпрямитель с емкостным фильтром и стабилизатор напряжения питания, соединенные последовательно, и параллельно-последовательные цепочки излучающих элементов с ограничителями тока, подключенные параллельно выходам преобразователя электрической энергии, отличающееся тем, что устройство дополнительно содержит узел защиты, установленный между преобразователем электрической энергии и параллельно-последовательными цепочками излучающих элементов с ограничителями тока, выполненный в виде соединенных последовательно предохранителя, катушки индуктивности, силового ключа, управляющий вход которого через резистор соединен с выходом детектора напряжения, входы которого и выход силового ключа соединены с выходами преобразователя электрической энергии, который дополнительно содержит варистор, установленный параллельно между выпрямителем и стабилизатором напряжения питания, а излучающие элементы параллельно-последовательных цепочек объединены в группы, каждая из которых дополнительно снабжена шунтирующим электронным элементом.2. Излучающее устройство по п.1, отличающееся тем, что каждый из ограничителей тока выполнен в виде стабилизатора тока.3. Излучающее устройство по п.1, отличающееся тем, что количество излучающих элементов, объединенных в группы, составляет 1,2,3,..., N, где N - натуральное число.