ЭЛЕКТРОННЫЙ ВЫКЛЮЧАТЕЛЬ Российский патент 2005 года по МПК H03K17/00 

Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано для дистанционной коммутации нагрузки в сетях переменного или постоянного тока с помощью пульта дистанционного управления (ПДУ), например, на инфракрасных (ИК) лучах. Представляется возможным использование ПДУ серийно выпускаемой бытовой аппаратуры.

Известны электронные выключатели [1]-[3], содержащие источник питания, ИК приемник, логические элементы и силовой блок. Общий недостаток известных устройств - низкая надежность, причиной которой в той или иной степени являются: сложность, отсутствие соответствующей начальной установки при включении, низкая помехоустойчивость, высокий уровень создаваемых помех, высокие тепловыделения.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому является выбранный в качестве прототипа электронный выключатель [4], содержащий приемное устройство, способное дистанционно принимать от внешнего пульта управления кодированный сигнал и преобразовывать его в импульсную последовательность, устройство задержки, вход которого связан с выходом приемного устройства, счетчик импульсов, силовой блок в виде одного или более силовых ключей для коммутации, соответственно, одной или более нагрузок, источник питания и формирователь сигнала начальной установки.

Недостатки известного электронного выключателя следующие.

Счетчик импульсов фактически считает пачки импульсов, при этом не берется во внимание импульсный характер принимаемой команды и не учитывается то, что, во-первых, команда, посылаемая с пульта реальной бытовой аппаратуры, может содержать не одну пачку импульсов, а, например, две, и, во-вторых, относительно кратковременное нажатие кнопки на пульте управления практически генерирует несколько пачек импульсов. Эти два обстоятельства создают весьма неопределенные условия для перевода счетчика импульсов в требуемое состояние, что заставляет пользователя, подавая одну команду за другой, внимательно следить за включаемой нагрузкой, с целью не перескочить необходимый момент. Поэтому перед приемом очередной команды счетчик импульсов может иметь несколько возможных состояний, а переход в требуемое состояние не определен однозначно и сильно зависит от используемого пульта управления, что снижает надежность выполнения известным электронным выключателем своих функций и сужает область его применения. Силовой блок имеет общий выпрямительный диодный мост и один или несколько полевых транзисторов для коммутации соответствующего числа нагрузок, что, применительно к сети переменного тока, создает избыточное тепловыделение на диодном мосту и, кроме этого, не позволяет использовать данный электронный выключатель для нагрузки, требующей для питания переменный ток, что также сужает область его применения. В известном электронном выключателе не предусмотрено специальных мер по снижению электромагнитных помех.

Целью изобретения является повышение надежности и расширение области применения.

Указанная цель достигается тем, что в электронный выключатель, содержащий приемное устройство, способное дистанционно принимать от внешнего пульта управления кодированный сигнал и преобразовывать его в импульсную последовательность, устройство задержки, вход которого связан с выходом приемного устройства, первый счетчик импульсов, силовой блок в виде одного или более силовых ключей для коммутации, соответственно, одной или более нагрузок, источник питания и формирователь сигнала начальной установки, введен второй счетчик импульсов, связанный счетным входом с выходом первого счетчика импульсов, а выходами со входами соответствующих силовых ключей, причем первый счетчик импульсов своим счетным входом связан с выходом приемного устройства, входом обнуления - с выходом устройства задержки, входом запрета счета - с собственным выходом, а вход обнуления второго счетчика импульсов подключен к выходу формирователя сигнала начальной установки.

Приемное устройство может быть выполнено в виде ИК приемника.

С целью повышения помехоустойчивости и снижения чувствительности к отраженному от окружающих предметов сигналу, приемное устройство может быть снабжено защитной маской, имеющей отверстие для направленного приема ИК лучей.

Силовые ключи могут быть выполнены в виде ключей переменного тока, например, на симисторах.

С целью повышения надежности и снижения излучаемых помех, силовой блок может быть снабжен схемой, обеспечивающей коммутацию силовых ключей в моменты прохождения коммутируемого напряжения через нуль.

С целью повышения надежности и снижения излучаемых помех, каждый силовой ключ может быть снабжен схемой, обеспечивающей коммутацию в моменты прохождения коммутируемого напряжения через нуль.

С целью упрощения, силовые ключи могут быть выполнены в виде ключей с оптической развязкой между входами и выходами, например, на оптосимисторах.

С целью снижения требуемой мощности источника питания, входы силовых ключей могут быть соединены последовательно друг с другом и через общий токозадающий резистор подключены к источнику питания, а выходы второго счетчика импульсов связаны со входами силовых ключей через буферные ключи, например, транзисторы, подключенные параллельно упомянутым входам силовых ключей.

С целью обеспечения начального включения только части силовых ключей при подаче питания, соответствующие буферные транзисторы могут иметь противоположную проводимость по отношению к другим буферным транзисторам.

С целью снижения тепловыделений, источник питания может быть выполнен бестрансформаторным с гасящим конденсатом.

С целью снижения пульсаций выходного напряжения источника питания и габаритов, выходной фильтр источника питания может быть выполнен в виде П-образного CRC фильтра.

На чертеже представлена схема электронного выключателя.

Электронный выключатель содержит приемное устройство в виде ИК приемника 1, способное дистанционно принимать от внешнего пульта управления кодированный сигнал и преобразовывать его в импульсную последовательность, устройство задержки 2, вход которого связан с выходом ИК приемника 1, первый счетчик импульсов 3, силовой блок 4 в виде двух силовых ключей 5 и 6 для коммутации нагрузок 7 и 8, источник питания 9, формирователь сигнала начальной установки 10, второй счетчик импульсов 11, связанный счетным входом с выходом первого счетчика импульсов 3, а выходами со входами соответствующих силовых ключей 5 и 6, через транзисторы 12 и 13, подключенные параллельно упомянутым входам силовых ключей 5 и 6. Первый счетчик импульсов 3 своим счетным входом связан с выходом ИК приемника 1, входом обнуления - с выходом устройства задержки 2, входом запрета счета - с собственным выходом, а вход обнуления второго счетчика импульсов 11 подключен к выходу формирователя сигнала начальной установки 10. Силовые ключи 5 и 6 выполнены на оптосимисторах, причем каждый из них снабжен схемой 14 и 15, обеспечивающей коммутацию в моменты прохождения коммутируемого напряжения через нуль. Входы силовых ключей 5 и 6 соединены последовательно друг с другом и через общий токозадающий резистор 16 подключены к источнику питания 9. Источник питания 9 выполнен бестрансформаторным с гасящим конденсатом 17. Выходной фильтр 18 источника питания 9 выполнен в виде П-образного CRC фильтра.

Электронный выключатель работает следующим образом.

При отсутствии сигналов извне на выходе ИК приемника 1 присутствует единица (положительное напряжение, близкое к напряжению питания), которая через устройство задержки 2 воздействует на вход обнуления первого счетчика импульсов 3 (конденсатор устройства задержки при этом заряжен), что обнуляет первый счетчик импульсов 3. Таким образом в исходном состоянии перед поступлением очередной команды первый счетчик импульсов 3 всегда обнулен. При этом второй счетчик импульсов 11 может находиться в любом состоянии, но информация снимается только с двух младших разрядов, состояние которых определяет в конечном итоге состояние силовых ключей 5 и 6.

В таблице показаны возможные состояния электронного выключателя в зависимости от состояний второго счетчика импульсов 11, буферных транзисторов 12, 13 и силовых ключей 5, 6.

ТаблицаСостояние электронного выключателяВторой счетчик импульсов 11Буферный транзистор 12Буферный транзистор 13Силовой ключ 5Силовой ключ 6верхний выходнижний выход100ЗакрытОткрытВключенВыключен210ОткрытОткрытВыключенВыключен301ЗакрытЗакрытВключенВключен411ОткрытЗакрытВыключенВключен

В результате поступления команды с ПДУ какой-либо бытовой аппаратуры, например, телевизора (при нажатии любой из кнопок ПДУ), на выходе ИК приемника 1 формируется пачка из 10 и более импульсов с частотой порядка 500-1000 Гц, причем длительности положительной и нулевой фаз не отличаются друг от друга более чем в 3-4 раза.

Несколько импульсов требуется для того, чтобы конденсатор устройства задержки 2 разрядился, обеспечив снятие сигнала со входа обнуления первого счетчика импульсов 3, и только после этого первый счетчик импульсов 3 начинает считать импульсы, поступающие с ИК приемника 1. Еще несколько импульсов командной пачки требуется для перевода выхода первого счетчика импульсов 3 (это может быть выход, например, третьего разряда двоичного числа) в состояние единицы, которая, поступив на вход запрета счета этого же счетчика импульсов, запретит дальнейшее изменение его состояния. Одновременно с этим второй счетчик импульсов 11 перейдет в очередное состояние, что, в конечном итоге, изменит состояние силовых ключей 5 и 6 в соответствии с вышеприведенной таблицей.

По окончании командной пачки импульсов выход ИК приемника 1 перейдет в единицу, которая зарядит конденсатор устройства задержки 2 и тем самым обнулит первый счетчик импульсов 3, что подготовит схему к приему очередной команды.

Введение второго счетчика импульсов 11 позволило отделить функцию исполнения команды от функции выявления командной пачки импульсов среди поступающих на вход ИК приемника 1 сигналов. При этом первый счетчик импульсов 3 выявляет командную пачку импульсов, а второй счетчик импульсов 11 дает сигнал на коммутацию нагрузок 5 и 6 в соответствии с вышеприведенной таблицей только после появления единицы на выходе первого счетчика импульсов 3. Это существенно повысило надежность работы электронного выключателя.

Поступление извне помех, вызывающих на выходе ИК приемника 1 появление одиночных импульсов или серий импульсов, не связанных в единую пачку определенными соотношениями (число импульсов более 10, частота 500-1000 Гц, длительности положительной и нулевой фаз не отличаются друг от друга более чем в 3-4 раза), не приведет к прохождению команды, поскольку, во-первых, слишком малое число импульсов не сможет разрядить конденсатор устройства задержки 2 с последующим переводом выхода первого счетчика импульсов 3 в состояние единицы, во-вторых, слишком короткая нулевая фаза (по сравнению с положительной фазой) в импульсной последовательности не обеспечит разряд конденсатора устройства задержки 2 для вывода первого счетчика импульсов 3 из состояния обнуления, и, в-третьих, слишком низкая частота импульсов в пачке не сможет поддерживать разряженное состояние конденсатора устройства задержки 2 без обнуления первого счетчика импульсов 3 практически при каждой положительной фазе импульсной последовательности.

Команды отдельных ПДУ могут содержать не одну, а несколько пачек импульсов, отделенных друг относительно друга паузой. Данное обстоятельство требует, чтобы разрядная ветвь конденсатора устройства задержки 2 имела сопротивление как минимум на порядок ниже сопротивления зарядной ветви. Это не позволит во время паузы зарядиться конденсатору устройства задержки 2 и, обнулив первый счетчик импульсов 3, принять вторую пачку импульсов в качестве очередной команды.

При длительном удерживании командной кнопки ПДУ командные пачки импульсов генерируются непрерывно через паузу, но более длительную, чем упомянутая выше.

Чтобы схема при этом реагировала только на первую пачку импульсов, соотношение сопротивлений зарядной и разрядной ветвей конденсатора устройства задержки 2 должны отличаться друг от друга еще более существенно, например, на два порядка.

Начальная установка схемы при подаче питания обеспечивается формирователем сигнала начальной установки 10, при этом на входе обнуления второго счетчика импульсов 11 поддерживается единица в течение всего периода нарастания напряжения питания. Таким образом начальное состояние электронного выключателя при подаче питания всегда характеризуется включенным состоянием силового ключа 5 и выключенным состоянием силового ключа 6 (см. вышеприведенную таблицу), так как при нулевом сигнале на выходах обнуленного второго счетчика импульсов 11 буферный транзистор 12 закрыт, а буферный транзистор 13, имея другую проводимость, открыт и поэтому закорачивает вход силового ключа 6.

Данная мера, а именно обеспечение начального включения одного из силовых ключей 5 и 6, оправдана тем обстоятельством, что включение, например, люстры, в которую встроен заявляемый электронный выключатель, обычным настенным выключателем, не должно вносить неудобства, заключающиеся в поиске ПДУ в темноте. Поэтому после замыкания настенного выключателя, электронный выключатель, встроенный в люстру, должен включить люстру или отдельные ее лампы, тем самым не обнаруживая себя и не нарушая наших привычек. А дальнейшее управление люстрой можно осуществлять с помощью ПДУ.

Силовые ключи 5 и 6 коммутируют непосредственно нагрузки переменного тока 7 и 8, в качестве которых могут быть не только лампы люстры или бра, а какие-либо другие бытовые приборы, требующие для питания только переменный ток, например, вентилятор или кондиционер, что существенно расширило область применения заявляемого электронного выключателя, а так как при этом не требуются дополнительные диоды и диодные мосты, тепловые потери минимальны.

Поскольку силовые ключи 5 и 6 снабжены схемами 14 и 15, обеспечивающими коммутацию в моменты прохождения коммутируемого напряжения через нуль, то заявляемый электронный выключатель практически не излучает помех, а из-за отсутствия экстра токов через силовые элементы повышается надежность устройства в целом. Кроме того, отсутствие экстра токов благоприятно влияет и на нагрузки 7 и 8 (повышает срок их службы).

Применение в качестве силовых ключей 5 и 6 оптосимисторов упростило построение схемы управления силовыми элементами, а за счет последовательного соединения управляющих входов силовых ключей 5 и 6 через общий токозадающий резистор 16 и введения буферных транзисторов 12 и 13 снизило требуемую мощность источника питания 9.

Источник питания 9 выполнен бестрансформаторным с гасящим конденсатором 17, что снизило тепловыделения.

И, наконец, выполнение выходного фильтра 18 источника питания 9 в виде П-образного CRC фильтра снизило пульсации выходного напряжения источника питания 9 и габариты устройства.

Испытания макетного образца заявляемого электронного выключателя проводились применительно к сети переменного тока с использованием ПДУ от разных бытовых приборов разных фирм и при подаче разных команд. При соответствующем разнесении в пространстве объектов управления электронный выключатель надежно срабатывал только при направленном воздействии с помощью ПДУ. Причем помехи от включения и выключения бытовых приборов, а также засветка ярким дневным и искусственным светом срабатывания заявляемого электронного выключателя не вызывала. Для повышения помехоустойчивости и снижения чувствительности к отраженному от окружающих предметов сигналу, ИК приемник 1 может быть снабжен защитной маской, имеющей отверстие для направленного приема ИК лучей.

Испытания заявляемого электронного выключателя показали его высокие эксплуатационные показатели, а именно, высокую помехоустойчивость, низкий уровень тепловыделений, отсутствие создаваемых помех, способность коммутировать не только лампочки, как в известном устройстве, но и любые нагрузки, требующие для питания переменный ток.

Таким образом, совокупность отличительных признаков заявляемого электронного выключателя делает его законченным, высоконадежным и весьма компактным устройством с высокими эксплуатационными показателями, тем более при реализации на бескорпусных и SMD компонентах.

Источники информации:

1. Бирюков С. ПДУ телевизора управляет люстрой. // Радио, 1999, №12. - С.32-33.

2. Русин А. Выключатель освещения на ИК лучах. // Радио, 2004, №2. - С.47-48.

3. Банников В. Пульт ДУ управляет лампой. // Радиолюбитель, 1998, №12. - С.30-31.

4. Филипович А. Электронный выключатель освещения. // Радиолюбитель, 2003, №5. - С.12-13.

Использование: для дистанционной коммутации нагрузки в сетях переменного или постоянного тока. Технический результат заключается в повышении надежности и расширении области применения. Электронный выключатель содержит приемное устройство для дистанционного приема от внешнего пульта управления кодированного сигнала и преобразования его в импульсную последовательность, устройство задержки, вход которого связан с выходом приемного устройства, первый счетчик импульсов, силовой блок в виде одного или более силовых ключей для коммутации, соответственно, одной или более нагрузок, источник питания и формирователь сигнала начальной установки. Введен второй счетчик импульсов, связанный счетным входом с выходом первого счетчика импульсов, а выходами с входами соответствующих силовых ключей, причем первый счетчик импульсов своим счетным входом связан с выходом приемного устройства, входом обнуления - с выходом устройства задержки, входом запрета счета - с собственным выходом, а вход обнуления второго счетчика подключен к выходу формирователя сигнала начальной установки. 10 з.п. ф-лы, 1 ил., 1 табл.

1. Электронный выключатель, содержащий приемное устройство, способное дистанционно принимать от внешнего пульта управления кодированный сигнал и преобразовывать его в импульсную последовательность, устройство задержки, вход которого связан с выходом приемного устройства, первый счетчик импульсов, силовой блок в виде одного или более силовых ключей для коммутации, соответственно, одной или более нагрузок, источник питания и формирователь сигнала начальной установки, отличающийся тем, что в электронный выключатель введен второй счетчик импульсов, связанный счетным входом с выходом первого счетчика импульсов, а выходами со входами соответствующих силовых ключей, причем первый счетчик импульсов своим счетным входом связан с выходом приемного устройства, входом обнуления - с выходом устройства задержки, входом запрета счета - с собственным выходом, а вход обнуления второго счетчика импульсов подключен к выходу формирователя сигнала начальной установки.2. Электронный выключатель по п.1, отличающийся тем, что приемное устройство выполнено в виде ИК-приемника.3. Электронный выключатель по п.2, отличающийся тем, что приемное устройство снабжено защитной маской, имеющей отверстие для направленного приема ИК-лучей.4. Электронный выключатель по п.1, отличающийся тем, что силовые ключи выполнены в виде ключей переменного тока, например, на симисторах.5. Электронный выключатель по п.4, отличающийся тем, что силовой блок снабжен схемой, обеспечивающей коммутацию силовых ключей в моменты прохождения коммутируемого напряжения через нуль.6. Электронный выключатель по п.4, отличающийся тем, что каждый силовой ключ снабжен схемой, обеспечивающей коммутацию в моменты прохождения коммутируемого напряжения через нуль.7. Электронный выключатель по п.1, отличающийся тем, что силовые ключи выполнены в виде ключей с оптической развязкой между входами и выходами, например, на оптосимисторах.8. Электронный выключатель по п.7, отличающийся тем, что входы силовых ключей соединены последовательно друг с другом и через общий токозадающий резистор подключены к источнику питания, а выходы второго счетчика импульсов связаны со входами силовых ключей через буферные ключи, например транзисторы, подключенные параллельно упомянутым входам силовых ключей.9. Электронный выключатель по п.8, отличающийся тем, что соответствующие буферные транзисторы имеют противоположную проводимость по отношению к другим буферным транзисторам.10. Электронный выключатель по п.1, отличающийся тем, что источник питания выполнен бестрансформаторным с гасящим конденсатором.11. Электронный выключатель по п.1, отличающийся тем, что выходной фильтр источника питания выполнен в виде П-образного CRC-фильтра.