сенсорный переключатель переменного тока для активной нагрузки

Формула изобретения

1. Сенсорный переключатель переменного тока для активной нагрузки, содержащий сенсорный формирователь, формирователь тактовой частоты, формирователь сигналов коммутатора, исполнительное устройство, узел временной задержки и вспомогательный источник питания с цепью начальной установки, причем исполнительное устройство выполнено в виде ключа управления, двунаправленного ключа, последовательно с которым включена активная нагрузка, подключенная к сети переменного тока, вход формирователя тактовой частоты подключен к фазному проводу, выход формирователя тактовой частоты подключен к второму входу формирователя сигналов коммутатора и первому входу узла временной задержки, выход формирователя сигналов коммутатора подключен к входу ключа управления, а выход сенсорного формирователя подключен к первому входу формирователя сигналов коммутатора, третий вход которого подключен к средней точке делителя цепи начальной установки, четвертый - к выходу узла временной задержки, пятый - к второму входу упомянутого узла, отличающийся тем, что в него введены переключающий узел и формирователь угла отсечки, причем указанный формирователь угла отсечки подключен к одной из фаз сети переменного тока и заземленного нулевого провода, выходы формирователя угла отсечки подключены к входам переключающего узла, выход которого соединен исполнительным элементом ключа управления, управляющего двунаправленным ключом.

2. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что формирователь угла отсечки выполнен в виде двузвенной регулируемой RC-цепи, ограничительный резистор второго звена которой подключен к одному выводу двунаправленного динистора, другой вывод которого является одним из входов переключающего узла.

3. Устройство по п. 2, отличающееся тем, что между одной из силовых шин переменного тока и точкой соединения двунаправленного динистора и ограничительного резистора второго звена RC-цепи установлен фоторезистор.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано для коммутации осветительных сетей.

Известны сенсорные переключатели активной нагрузки. В переключателе [1], содержащем контактную площадку, источник электропитания, формирователь перепада напряжения на основе логического элемента 2И-НЕ, выходной сигнал которого является сигналом управления коммутирующим устройством. В нем при касании входных зажимов входная цепь, содержащая высокоомный делитель, создает уровень низкого напряжения на входе логического элемента и высокого на выходе. Это состояние сохраняется до тех пор, пока палец прижат к сенсору.

Недостатком известного устройства является зависимость времени включения от длительности нажатия и критичность к величине параметров входного сигнала, т.е. емкости и проводимости тела человека.

Известно также устройство [2], содержащее сенсор, резистивный делитель, генератор тактовых импульсов, триггер, выход которого является выходным сигналом управления, в качестве селектора в нем применен мультивибратор. С прикосновением пальца к сенсорной площадке емкость тела и резистор резистивного делителя образуют интегрирующую цепь, триггер переключается в состояние, соответствующее высокому уровню, включающему исполнительное устройство. После опускания пальца очередной тактовый импульс возвратит триггер в исходное состояние, т.е. отключит исполнительное устройство.

Недостатком [2] является незащищенность интегральных микросхем от статического электричества, критичность к величине емкости человека и длительности входного сигнала, а также возможность включения и отключения нагрузки только от одного сенсора.

Наиболее близким по технической сущности является устройство [3], взятое в качестве прототипа. Оно содержит сенсорный формирователь, формирователь тактовой частоты, формирователь сигнала коммутатора, исполнительное устройство, узел временной задержки и вспомогательный источник питания с цепью начальной установки, причем исполнительное устройство выполнено в виде ключа управления, двунаправленного ключа, последовательно с которым включена активная нагрузка, подключенная к сети переменного тока, вход формирователя тактовой частоты подключен к другому проводу, выход формирователя тактовой частоты подключен ко второму входу формирователя сигналов коммутатора и первому входу узла временной задержки, выход формирователя сигналов коммутатора подключен ко входу ключа управления, выход которого подключен к управляющему входу двунаправленного ключа, а выход сенсорного формирователя - к первому входу формирователя сигналов коммутатора, третий вход которого подключен к средней точке делителя цепи начальной установки, четвертый - к выходу узла временной задержки, пятый - ко второму входу узла временной задержки.

Недостатком этого устройства является отсутствие регулирования величины напряжения на нагрузке как по заданной величине угла управления, так и в зависимости от других факторов, например, освещенности для ламп накаливания.

Целью настоящего изобретения является повышение надежности активной нагрузки и увеличение к.п.д. устройства путем регулирования напряжения на ней в зависимости от заданных и внешних факторов.

Поставленная цель достигается тем, что в сенсорный переключатель переменного тока для активной нагрузки, содержащий сенсорный формирователь, формирователь тактовой частоты, формирователь сигналов коммутатора, исполнительное устройство, узел временной задержки и вспомогательный источник питания с цепью начальной установки, причем исполнительное устройство выполнено в виде ключа управления, двунаправленного ключа, последовательно с которым включена активная нагрузка, подключенная к сети переменного тока, вход формирователя тактовой частоты подключен ко второму входу формирователя сигналов коммутатора и первому входу узла временной задержки, выход формирователя сигналов коммутатора подключен ко входу ключа управления, а выход сенсорного формирователя подключен к первому входу формирователя сигналов коммутатора, третий вход которого подключен к средней точке делителя цепи начальной установки, четвертый - к выходу узла временной задержки, пятый - ко второму входу упомянутого узла, отличающийся тем, что в него введены переключающий узел и формирователь угла отсечки, причем указанный формирователь угла отсечки подключен к одной из фаз сети переменного тока и заземленного нулевого провода, выходы формирователя угла отсечки подключены ко входам переключающего узла, выход которого соединен с исполнительным элементов ключа управления, управляющего двунаправленным ключом.

Кроме того, устройство отличается тем, что формирователь угла отсечки выполнен в виде двузвенной регулируемой RC-цепи, ограничительный резистор второго звена которой подключен к одному выводу двунаправленного динистора, другой вывод которого является вторым входом переключающего узла.

А также устройство отличается тем, что между одной из силовых шин переменного тока и точкой соединения двунаправленного динистора и ограничительного резистора второго звена RC-цепи установлен фоторезистор.

На чертеже фиг. 1 приведена структурная схема устройства; на фиг.2 - принципиальная. Устройство содержит активную нагрузку 1, включенную последовательно в цепь двунаправленного ключа 2, управляемого ключом 3, который, в свою очередь, управляется формирователем сигналов коммутатора 4. Формирователь 4 управляется сенсорным формирователем 5, формирователем тактовой частоты 6, связан с узлом временной задержки 7. Узлы 4, 5, 6, 7 питаются от вспомогательного источника питания 8 с цепью начальной установки. Активная нагрузка 1 (фиг.1) может быть выполнена, например, в виде ламп накаливания, двунаправленный ключ 2 - в виде симистора (например, 2У208Г), ключ управления 3 может быть выполнен в виде транзистора 9, подключенного к дополнительному источнику 8 коллектором, в цепи которого установлено реле 10 (например, реле с магнитоуправляемым контактом РЭС-64) с контактом 11 в цепи управления элементов 2, встречным диодом 12, подключенным к обмотке элемента 10 и ограничительным резистором в цепи базы 13, узел 4 - формирователь сигналов коммутатора - выполнен на двух D-триггерах 14 и 15, схеме ИЛИ 16 и схеме НЕ 17, инверсный выход триггера 15 соединен с его D-входом, S-входы элементов 14 и 15 соединены с R-входом первого D-триггера 14 и нулевым проводом сетевого напряжения, прямой выход D-триггера 14 соединен с C-входом второго D-триггера 15, прямой выход которого подключен к резистору 13, выход элемента 16 соединен со входом элемента 17, выход которого подключен к R-входу второго D-триггера 15, сенсорные площадки 18"...18^п соединены параллельно между собой и подключены к резистору 19 резистивного делителя 19, 20, элементы 20, 21, соединены параллельно между собой и параллельно цепи 22, 23, причем элемент 19, один вывод конденсатора 21 и катод диода 22 подключен ко входу первого триггера Шмидта 24, выход которого подключен ко входу первого элемента НЕ 25, выход которого подключен к D-входу первого D-триггера 14 (первый вход элемента 4); формирователь тактовой частоты 6 содержит на выходе CR-делитель из элемента 26 и 27, средняя точка которых подключена ко входу второго триггера Шмидта 28, выход которого подключен ко входу третьего НЕ 29, выход которого подключен ко второму входу элемента 4, два входа элемента 2И-НЕ 30 узла временной задержки подключены к узлам 4 и 6, выход элемента 30 подключен к счетчику 31, его C-входу, R-входы счетчиков 31, 32, 33 и второму входу элемента 30, выход последнего разряда счетчика 31 подключен к C-входу счетчика 32, выход последнего разряда счетчика 32 подключен к C-входу счетчика 33, любая из выходов (A, B, C, D) счетчика 33 подключен к первому входу элемента 16 (4-й вход элемента 4); вспомогательный источник 8 содержит стабилитрон 34, последовательно включенные в нулевой провод конденсатор 35 и резистор 36, диод 37, включенный катодом к аноду стабилитрона 34, конденсатор 38, включенный на выходе вспомогательного источника является сглаживающим емкостным фильтром 38, а элементы 39, 40 - цепью начальной установки, средняя точка которых подключена к 3-му входу элемента 4. Резистор 41 - ограничитель тока в цепи управления.

В качестве триггеров Шмидта, например, могут быть использованы ИМС 561ТЛ1, D-триггеров - 561ТМ2, счетчиков - 561ИЕ10 и др. элементы КМОП 561, 564 серий. Разряды A, B, C, D третьего счетчика 33, например, дают возможность образовать время работы устройства 81 с, 162 с, 324 с, 548 с, т.е. 1,5; 3; 6 и 12 мин при использовании исходной тактовой частоты промышленной сети 50 Гц. Устройство работает следующим образом. В нормальном режиме эксплуатации двунаправленный ключ 2 закрыт и нагрузка 1 отключена от источника сети U, вспомогательный источник питания 8 является параметрическим стабилизатором и вырабатывает сигнал начальной установки, который обеспечивает начальное отключенное состояние переключателя. Наличие переменного напряжения позволяет формирователю тактовой частоты 6 вырабатывать исходные для работы формирователя сигналов коммутатора 4 и узла временной задержки 7 импульсы первичной частоты (например, 50 Гц). Такое состояние переключателя может быть изменено только сенсорным формирователем 5. Принцип работы сенсорного формирователя 5 заключается в использовании электрофизических свойств тела человека и способа подведения промышленной сети переменного тока к потребителя. Используя одну из фаз трехфазного генератора первичной сети и нулевой провод и учитывая, что в системах с глухозаземленной нейтралью "Нуль" заземлен, как и во многих промышленных установках и установках бытового назначения, человек своими ногами через переходное сопротивление одежды, обуви, покрытия пола и т.п. всегда соединен с "нулем", при этом руки являются окончанием этого составного сложного сопротивления. При касании человека оголенной рукой одной из сенсорных пластин 18"...18^п и используя в схеме сенсорного переключателя потенциал фазы появляется возможность протекания тока. Если в качестве исходной тактовой частоты использовать промышленную частоту 50 Гц; то время "дребезга" контакта рука-пластина значительно меньше 20 мс (период промышленной частоты), поэтому специальных мер для защиты от "дребезга" не требуется. При кратковременном касании рукой сенсорной пластины сенсорный формирователь 5 вырабатывает импульс запуска, который включает узел 4 - формирователь сигналов коммутаторов, последний включает ключ управления 3 и двунаправленный ключ 2, запуская при этом узел временной задержки 7. Узел 7 позволяет состояние включения узла 2 и нагрузки 1 фиксировать в течение определенных промежутков времени, по истечении которых вырабатывается сигнал сброса сенсорного переключателя в исходное состояние. В исходное состояние схема будет возвращена и "досрочно" при повторном кратковременном касании сенсорной пластины. При этом узел временной задержки 7 также будет возвращен в исходное состояние. Использование элементов КМОП для построения узлов не потребует стабилизированного вспомогательного источника питания.

Сенсорный формирователь (фиг.2) обеспечивает резкий перепад напряжения при включении с помощью делителя из элементов 19, 20, 21, 22, 23, сигнал, подаваемый на вход триггера Шмидта 24, формирует на его выходе прямоугольный импульс напряжения, подаваемый через инвертор 25 на D-вход триггера 14 формирователя сигналов коммутатора 4, сигнал с прямого выхода триггера 15 открывает через ограничительный резистор 13 транзистор 9 ключа 3, срабатывает реле 10 и контактом 11 включает симистор 2 и нагрузку 1. Формирователь тактовый частоты 6 преобразует с помощью элементов 26 и 27 выходной сигнал промышленной частоты триггера Шмидта 28 в последовательность прямоугольных импульсов, которые через инвертор 29 поступают на вход синхронизации триггера 14 и один из входов узла временной задержки 7, содержащего схему 2И-НЕ 30, выход которой подается на C-вход счетчика 31. Выходы счетчика 33 в зависимости от разряда A, B, C, D обеспечивают различное время (например, соотношение 1:2:4:8) нахождения нагрузки 1 во включенном состоянии.

Вспомогательный источник 8 представляет собой параметрический стабилизатор напряжения на стабилитроне 34, питание которого осуществляется от сети переменного тока U через делитель из элементов 35 и 36 и развязывающий диод 37. Емкостным сглаживающим фильтром является элемент 38, а делитель из элементов 39 и 40 представляет собой цепь начальной установки, сигнал со средней точки которого подается на 3-й вход формирователя сигналов коммутатора.

В структурную схему фиг.1 дополнительно введен формирователь угла отсечки 42 и переключающий узел 43 причем формирователь подключен к сети переменного тока, выходы формирователя подключены ко входам переключающего узла, а выходы 43 - к использованному элементу ключа управления 3.

Формирователь угла отсечки 42 содержит двухзвенную RC-цепь на элементах 44, 45 и 46, 47, причем первое звено является регулируемым за счет резистора 45, выход двухзвенной RC-цепи, т.е. точка соединения элементов 46, 47 через ограничительный резистор 48 подключена к одному выводу двунаправленного динистора 49, другой вывод которого - ко второму входу переключающего узла 43, третий вход переключающего узла подключен к одному из выводов фоторезистора 50, соединенного с ограничительным резистором 48, другой вывод фоторезистора 50 подключен к силовой шине. Конденсаторы 44 и 47 первого и второго звеньев подключены, соответственно, одними выводами к фазному проводу /силовой шине/, другими - к точкам соединения резисторов 45 и 46 и 46, 48,другой вывод резистора 45 подключен к нулевому проводу. Точки "a", "b" и "c" на фиг. 2 является, соответственно, первым, вторым и третьим входами переключающего узла 43. При положении переключателя в позиции первого входа "a" к 8 управляющему электроду элемента 2 через вспомогательный элемент узла 3 осуществляется управление без регулирования по фазе, т.е. как в основном устройстве. В положении переключателя "b" управление I-осуществляется с помощью фазосдвигающей цепи (первого звена PC) 44, 45. Напряжение на конденсаторе 44 через резисторы 46, 48 и динистор 49 и исполнительный элемент узла 3 подается на управляющий электрод двунаправленного ключа 2, время заряда конденсаторов 44, 47 зависит от величины резистора 45. Когда напряжение на 47 достигнет напряжения переключения элемента 49, он включается и подает импульс на управляющий электрод элемента 2.

При положении элемента 43 в "b" и "c" дополнительно параллельно элементу 47 подключается фоторезистор 50. В этом случае в зависимости от освещенности плавно регулируется угол - т.е. угол задержки управляющего импульса, и осуществляется автоматическое регулирование напряжения на нагрузке, например, осуществляется различная освещенность ламп накаливания в зависимости от освещенности окружающей среды.

Таким образом, предложенное устройство обеспечивает переключение активной нагрузки переменного тока в зависимости от заданного угла отсечки и условий окружающей среды. Приведенные сведения подтверждают возможность осуществления предлагаемого изобретения.

Источники информации

1. Зельдин Е.А. Импульсные устройства на микросхемах. М., Радио и связь, 1991, с.143, рис.7.9.

2. Зельдин Е.А. Импульсные устройства на микросхемах. М., Радио и связь, 1991, с.144, рис. 7.13.

3. Патент РФ по заявке N 93039670/09 от 02.08.1993.