устройство автоматического управления освещением на транспорте

Формула изобретения

1. Устройство для автоматического управления освещением на транспорте, преимущественно габаритными огнями, содержащее блок коммутации освещения, входной и выходной усилительные каскады, фотоприемник, выполненный с последовательно включенными фотоэлементом и нагрузочным резистором и подключенный выходом ко входу входного усилительного каскада, отличающееся тем, что оно содержит логическую схему для синфазного включения освещения и его выключения с временной задержкой, а также стабилизатор напряжения, причем вход упомянутой логической схемы соединен с выходом входного усилительного каскада, первый вход выходного усилительного каскада соединен с выходом логической схемы, подключенным через резистор положительной обратной связи ко входу входного усилительного каскада, фотоэлемент фотоприемника связан с массой транспортного средства, а его нагрузочный резистор - с выходным выводом упомянутого стабилизатора напряжения, вход которого через цепь питания зажигания подключен к аккумуляторной батарее, связанной отрицательным полюсом с массой транспортного средства, выход выходного усилительного каскада соединен с входом блока коммутации освещения, а второй вход, являющийся блокирующим входом устройства, - с цепью питания стартера транспортного средства.

2. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что логическая схема для синфазного включения освещения и его выключения с временной задержкой включает в себя элементы И-НЕ и НЕ, при этом первый вход элемента И-НЕ соединен со входом элемента НЕ и выходом входного усилительного каскада, а второй вход - с общим выводом цепи из конденсатора и резистора, включенной между выходами элемента НЕ и стабилизатора напряжения, связанного со всеми питающими входами логической схемы.

3. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что выходной усилительный каскад, выполнен в виде элемента И-НЕ, прямой вход которого соединен с выходом логической схемы для синфазного включения освещения и его выключения с временной задержкой, а инверсный вход - с общим выводом трех резисторов, вторые выводы которых подключены соответственно к массе транспортного средства, к цепи питания его стартера транспортного средства и к выходу стабилизатора напряжения.

4. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что выходной коммутирующий элемент блока коммутации освещения соединен параллельно с контактом ручного включения габаритных огней транспортного средства, а питающий вход данного блока соединен с входом стабилизатора напряжения.

Описание изобретения к патенту

Использование: устройство для автоматического управления освещением в зависимости от освещенности окружающей среды, преимущественно габаритными огнями на транспорте. Сущность изобретения: получены стабильные и четкие характеристики устройства при эксплуатации на транспортных средствах в зависимости от уровня освещенности окружающей среды при наличии световых помех, связанных с мобильностью транспорта, и колебаниях питающего напряжения. Существенно снижена нагрузка на аккумуляторную батарею при запусках двигателя в условиях недостаточной видимости независимо от продолжительности и количества запусков. Это достигнуто введением: переменной уставки за счет резистора положительной обратной связи между выходом логической схемы и входом усилительного каскада, соединенного с выходом фотоприемника; параметрического стабилизатора питающего напряжения, выход которого соединен с питающими входами фотоприемника, входного и выходного усилительных каскадов, логической схемы; второго блокирующего входа с резисторным делителем напряжения в выходной усилительный каскад. Изобретение относится к устройствам для автоматического управления освещением в зависимости от освещенности окружающей среды, преимущественно габаритными огнями на транспорте. Известно электронное устройство для автоматического включения габаритных огней транспортного средства, содержащее входной и выходной усилительные каскады, питающие входы которых подключены к аккумуляторной батарее, связанной отрицательным полюсом с массой транспортного средства, фотоприемник, включенный в пусковую цепь входного усилительного каскада, блок коммутации [1]. Наиболее близким по совокупности существенных признаков - известным аналогом является сигнальное устройство транспортного средства, содержащее входной и выходной усилительные каскады, питающие входы которых подключены к аккумуляторной батарее, связанной отрицательным полюсом с массой транспортного средства, фотоприемник, включенный в пусковую цепь входного усилительного каскада, блок коммутации [2].

Отличительной особенностью управления электроосвещением на транспорте является большая динамика изменения внешней освещенности, обусловленная тем, что она является суммой двух составляющих. Первая составляющая связана с естественным изменением солнечного света /день-вечер, ночь-утро, погодные условия/. Она характеризуется детерминированным, относительно медленным и стабильным изменением освещенности /назовем ее статической составляющей/. Вторая составляющая обусловлена мобильностью транспорта и характеризуется стохастическим и быстрым изменением внешней освещенности, зависящей от маршрута и скорости его движения /проезд через тоннели, мимо больших высотных зданий и т.п./. Назовем ее динамической составляющей.

Введем обозначения и определения:

W - уставка, значение внешней освещенности, при превышении которой необходимо выключение освещения, а при снижении - включение.

+Wd, -Wd - соответственно положительный и отрицательный допуски на отклонение от уставки;

Zw - зона уставки освещенности, имеющая ширину 2Wd и среднее значение W;

Световой импульс, теневой импульс - динамическая составляющая, имеющая амплитуду свыше соответственно +Wd и -Wd, и длительность менее определенного значения Td, которая, как правило, равна нескольким секундам;

Световая помеха - динамическая составляющая внешней освещенности, имеющая амплитуду, не превышающую Wd.

Динамическая составляющая внешней освещенности определяет специфические требования к устройствам для автоматического управления освещением на транспорте. Первое из них связано с динамической составляющей типа светового импульса /например, вспышка молнии/ и теневого импульса /например, проезд днем через тоннель/. Теневой импульс внешней освещенности требует включения освещения, причем строго синфазно для исключения теневого импульса внутреннего освещения. Световой импульс должен быть заблокирован с целью исключения излишних включений освещения и защиты выходных цепей устройства от частых включений.

Второе из них связано с ситуацией, когда статическая составляющая находится вблизи или в зоне уставки /вечернее и утреннее время/. В этой ситуации динамическая составляющая типа световой помехи, накладываясь на статическую, как бы модулируя ее, будет вызывать частые и стохастичекие отклонения освещенности за пределы Zw. Это вызовет неустойчивую работу устройства в виде частых и стохастических включений, что явится причиной "моргания" внутреннего освещения /что особенно неприемлемо в случае управления габаритными огнями/ и отразится на надежности (в смысле ресурса) выходных элементов. Приведенная ситуация может продолжаться достаточно долго /порядка до часа/ в силу медленного изменения статической составляющей. С учетом того, что световая помеха имеет широкий спектр частот и практически присутствует всегда при движении транспорта, можно утверждать, что данный вопрос является актуальным.

Исходя из вышесказанного, недостатки известного устройства заключаются в следующем. Узел временной памяти в известном устройстве является по сути своей схемой задержки сигнала управления освещением. При этом задержка сигнала на включение за счет низкоомного зарядного резистора интегрирующей цепочки, хотя и мала, не обеспечивает строго синфазного включения освещения, особенно при теневом импульсе внешней освещенности. Задержка сигнала на выключение освещения, имея значение чуть больше времени Td, т.е. равное нескольким секундам, предназначена для блокировки световых импульсов. Узел временной памяти будет естественно блокировать в зоне уставки и положительные значения динамической составляющей с малой амплитудой и периодом, не превышающим Td. Однако динамическая составляющая с малой амплитудой отрицательного значения во всем спектре частот и положительного значения в низкочастотном спектре /с периодом, превышающим Td/ блокироваться не будет. Это приведет к нестабильной работе известного устройства в зоне уставки, которое отразится как стохастические включения-выключения освещения в такт световым помехам. К недостаткам известного устройства следует также отнести недостаточную защиту аккумуляторной батареи при запуске двигателя. Это объясняется тем, что снятие нагрузки /выключение освещения/ происходит только в момент подачи питания на устройство и только на определенное время. Если запуск двигателя производится с задержкой после включения питания или повторно, то уменьшение нагрузки с аккумуляторной батареи не происходит.

Цель изобретения - стабильная работа устройства в зоне уставки при наличии световых помех и колебаниях напряжения питания, а также уменьшение нагрузки на аккумуляторную батарею на время запуска двигателя независимо от времени и количества запусков.

Цель достигается введением переменной уставки за счет резистора положительной обратной связи между выходом логической схемы и входом входного усилительного каскада, соединенного с выходом фотоприемника, выполненного, в свою очередь, в виде активного фотоэлемента /фототранзистора или фотодиода/ и последовательно соединенного с ним нагрузочного резистора. Логическая схема состоит из элемента "И-НЕ", первый вход которого соединен с выходом входного усилительного каскада, а второй вход соединен с одной обкладкой конденсатора и одним выводом резистора интегрирующей времязадающей цепи. Вторая обкладка конденсатора соединена с выходом элемента "НЕ", вход которого соединен с выходом входного усилительного каскада, второй вывод резистора интегрирующей цепи соединен с выходом параметрического стабилизатора напряжения. Выход элемента "И-НЕ" является одновременно выходом логической схемы. Кроме того, для достижения цели питающие входы фотоприемника, входного и выходного усилительных каскадов, логической схемы соединены с выходом параметрического стабилизатора напряжения, питающие входы блока коммутации и параметрического стабилизатора соединены через цепь питания зажигания транспортного средства с аккумуляторной батареей. Выходной усилительный каскад выполнен в виде элемента "И-НЕ", первый прямой вход которого является входом выходного каскада, а второй инверсный вход, являющийся блокирующим, через резисторный делитель напряжения с переменным коэффициентом деления подключается к цепи питания стартера транспортного средства.

Выходной коммутирующий элемент блока коммутации, являющийся выходом устройства, соединен параллельно контакту ручного включения габаритных огней транспортного средства, а питающий вход блока коммутации соединен с входом стабилизатора напряжения.

На чертеже приведена схема устройства управления освещением на транспорте.

Устройство содержит фотоприемник 1, входной усилительный каскад 4, логическую схему 2, выходной усилительный каскад 3, блок коммутации 5, резистор положительной обратной связи 6, параметрический стабилизатор напряжения 7.

Устройство работает следующим образом.

Выходное напряжение фотоприемника 1, поступающее на вход входного усилительного каскада 4, зависит от уровня внешней освещенности и выходного напряжения логической схемы 2, поступающего через резистор положительной обратной связи 6. Фотоприемник представляет собой делитель напряжения из последовательно соединенных активного фотоэлемента и нагрузочного резистора, регулировкой сопротивления которого устанавливается необходимое значение уставки W. Входной усилительный каскад представляет из себя в данном случае цифровой элемент "НЕ", характеризуемый двумя нормируемыми пороговыми уровнями входных-выходных напряжений, соответствующих двум состояниям двоичной системы исчисления: низкий потенциал соответствует логическому нулю, а высокий потенциал соответствует логической единице. Значения слов "низкий" и "высокий" потенциал напряжения в дальнейшем следует понимать именно в этом смысле. Конкретные значения низкого и высокого потенциалов зависят от типа используемых микросхем.

Потенциалы напряжений на входе входного усилительного каскада и выходе логической схемы совпадают по фазе, в силу чего высокий потенциал на выходе логической схемы увеличивает высокий потенциал на входе входного усилительного каскада еще выше, а низкий потенциал уменьшает низкий потенциал еще ниже. В этом суть положительной обратной связи, глубина которой зависит от величины резистора 6. Введенная таким образом положительная обратная связь создает переменную уставку на включение и выключение освещения и формирует необходимые фронты нарастания и спада напряжения, нормируемые для цифровых элементов.

За исходное состояние примем дневное время, когда внешняя освещенность значительно выше зоны уставки. В этом состоянии фотоэлемент открыт и фотоприемник выдает на выходе низкий потенциал напряжения, который во входном усилительном каскаде преобразуется в высокий потенциал и поступает на вход логической схемы. Логическая схема обеспечивает идеально синфазное включение освещения и задержку выключения освещения на время Td, преобразовывая при этом высокий входной потенциал в низкий выходной и наоборот. Низкий потенциал с выхода логической схемы поступает на выходной усилительный каскад 3 и через резистор 6 - на вход входного усилительного блока. Резистор 6 при этом оказывается подключенным параллельно фотоэлементу, в силу чего коэффициент деления делителя увеличивается, а уставка W, соответственно, уменьшается до значения нижней границы зоны уставки Zw. Таким образом, в состоянии "выключено" реальной уставкой устройства будет уровень внешней освещенности W-Wd. Выходной усилительный каскад преобразовывает низкий входной потенциал в высокий выходной потенциал, который, поступая на блок коммутации, отключает нагрузку /освещение/. Нагрузка также будет отключена безусловно каждый раз и на время, когда на втором блокирующем входе выходного усилительного каскада будет присутствовать высокий потенциал напряжения от цепи питания стартера транспортного средства. Таким образом существенно уменьшается нагрузка на аккумуляторную батарею при каждом запуске двигателя транспортного средства при низкой внешней освещенности. Теневой импульс с амплитудой, достаточной для того, чтобы значение внешней освещенности достигло уровня W-Wd, может вывести устройство из исходного состояния. В этом случае на выходе фотоприемника устанавливается высокий потенциал, который преобразовывается во входном усилительном каскаде в низкий потенциал и поступает на логическую схему. В последнем низкий потенциал без задержки преобразовывается в высокий потенциал и поступает на выходной усилительный каскад, с выхода которого через блок коммутации включает нагрузку, причем включение освещения с момента достижения внешним освещением уровня W-Wd происходит без задержки во времени, т.е. строго синфазно с теневым импульсом. Здесь необходимо отметить следующее. Высокий потенциал на выходе логической схемы принципиально меняет схему формирования выходного напряжения фотоприемника. Если в исходном состоянии резистор 6 был подключен параллельно фотоэлементу, увеличивая коэффициент деления делителя, то теперь оказывается подключенным параллельно нагрузочному резистору фотоприемника, уменьшая коэффициент деления и, соответственно, увеличивая уставку W до верхней границы зоны уставки Zw. Таким образом, реальной уставкой устройства в состоянии "включено" будет уровень внешней освещенности W+Wd. В этом суть переменной уставки. С окончанием теневого импульса и возвращением внешней освещенности в исходное состояние устройство перейдет в исходное состояние "выключено" и на уставку W-Wd. Важным при этом является то, что переход устройства в состояние "выключено" начнется с момента превышения внешней освещенностью значения W+Wd, но реально переключится только по истечении времени Td. Если до истечения времени Td освещенность опять опустится ниже уровня W+Wd, то устройство классифицирует всплеск освещенности как световой импульс и останется в состоянии "включено". Такую блокировку светового импульса обеспечивает логическая схема, которая при поступлении команды на выключение освещения в виде высокого потенциала передает ее на выходной усилительный каскад в виде низкого потенциала с задержкой на время Td.

С наступлением вечернего времени статическая составляющая освещенности начинает уменьшаться и приближаться к зоне уставки. При этом до момента, когда статическая составляющая освещенности не достигнет верхней границы зоны уставки, световые помехи не будут влиять на состояние устройства и оно будет устойчиво находиться в выключенном состоянии. Переключения устройства, связанные со световыми помехами, возможны только в случае, когда статическая составляющая внешней освещенности будет находиться в пределах зоны уставки. В этой ситуации первая световая помеха с амплитудой, достигающей уровня W-Wd, вызовет переход устройства в состояние "включено" и соответственно изменение уровня уставки на W+Wd. С учетом падающей характеристики статической составляющей освещенности обратного перехода устройства в состояние "выключено" под воздействием световых помех, очевидно, не будет. Таким образом, в зоне уставки переход устройства из устойчивого состояния "выключено" в устойчивое состояние "включено" в условиях световых помех произойдет четко без стохастических включений-выключений. Блокировка возможных световых импульсов в этом состоянии производится также логической схемой за счет задержки прохождения сигнала на выключение нагрузки на время Td.

С наступлением утреннего времени статическая составляющая освещенности начнет увеличиваться и до момента достижения зоны уставки световые помехи не будут влиять на состояние устройства. С момента достижения зоны уставки первая же световая помеха с амплитудой, достигающей уровня W+Wd, вызовет появление низкого потенциала на входе входного усилительного каскада, который преобразуется в высокий потенциал на его выходе. Высокий потенциал на входе логической схемы преобразуется в низкий потенциал на его выходе с задержкой на время Td, который затем поступает на выходной усилительный каскад и через блок коммутации выключает нагрузку. При этом соответственно происходит смена уровня уставки со значения W+Wd на значение W-Wd. Учитывая нарастающий характер статической составляющей освещенности, обратного перехода устройства в состояние "включено" под воздействием световых помех, очевидно, не будет. Таким образом, в зоне уставки переход устройства из устойчивого состояния "включено" в устойчивое состояние "выключено" в условиях световых помех произойдет также четко без стохастических включений-выключений. Для повышения стабильности работы пороговых элементов и времязадающих цепей и, таким образом, устройства в целом питающие входы всех блоков устройства за исключением блока коммутации подключены к выходу параметрического стабилизатора напряжения. Блок коммутации, являющийся наиболее энергоемким, подключен к аккумуляторной батарее.

Рассмотрим более подробно работу отдельных блоков устройства, не описанных выше.

Входной усилительный каскад /ВУК/ представляет из себя, в данном случае, цифровой элемент "НЕ". Здесь важным является его работа по входу, которая стыкуется с фотоприемником, работающим в аналоговом режиме. Потенциал на входе ВУК состоит из двух совпадающих по фазе составляющих: первая составляющая поступает с выхода фотоприемника и зависит от внешней освещенности, вторая составляющая поступает и зависит от выходного напряжения логической схемы и резистора 6 положительной обратной связи. В случаях, когда потенциал на входе находится ниже нормируемого порогового уровня логического нуля или выше нормируемого порогового уровня логической единицы, ВУК не реагирует на его изменения. При высокой внешней освещенности на выходе фотоприемника устанавливается низкий потенциал, соответственно с выхода логической схемы через резистор обратной связи также поступает низкий потенциал, которым резистор 6 подключается параллельно фотоэлементу, обеспечивая реальный уровнь уставки W-Wd. С уменьшением внешней освещенности потенциал на выходе фотоприемника и, соответственно, на входе ВУК начинает возрастать. С момента превышения входным потенциалом уровня логического нуля потенциал на выходе ВУК начинает падать, а на выходе логической схемы соответственно возрастать, причем с коэффициентом усиления, равным коэффициенту усиления ВУК и логической схемы. Это приводит к тому, что вторая составляющая входного потенциала и, соответственно, весь входной потенциал ВУК начинают резко возрастать, что приводит к еще более резкому увеличению потенциала на выходе логической схемы и т.д. Такой лавинообразный процесс заканчивается насыщением усилительных каскадов цифровых элементов и установлением на входе ВУК и выходе логической схемы высокого потенциала, которым резистор 6 переподключается параллельно нагрузочному резистору, и происходит смена уровня уставки на W+Wd. При обратном увеличении внешней освещенности потенциал на выходе фотоприемника и, соответственно, на входе ВУК начинает падать и, когда он становится ниже уровня, соответствующего уровню логической единицы, потенциал на выходе ВУК начинает возрастать, а на выходе логической схемы соответственно уменьшаться. Этот процесс аналогичным образом происходит лавинообразно и завершается установлением низкого потенциала на входе ВУК и на выходе логической схемы. Таким образом решаются две задачи: во-первых, как было описано выше, происходит смена уровня уставки в зависимости от состояний устройства и, во-вторых, достигается необходимая для цифровых элементов скорость нарастания фронтов при изменении входного потенциала ВУК с низкого уровня на высокий и наоборот, независимо от скорости изменения входной освещенности. Стабильность зоны уставки достигнута за счет того, что все питающие входы фотоприемника и ВУК подключены к выходу стабилизатора напряжения. Изменением величины нагрузочного резистора фотоэлемента регулируется величина уставки, а изменением величины резистора обратной связи регулируется ширина зоны уставки.

Логическая схема. В исходном состоянии на входе элемента "НЕ" 2-3 и на первом входе элемента "И-НЕ" 2-2 присутствует высокий потенциал. Емкость 2-4 заряжена, т. к. на одной обкладке с выхода элемента "НЕ" 2-3 присутствует низкое напряжение, а на второй обкладке через резистор 2-1 поступает напряжение питания. Так как на обоих входах элемента "И-НЕ" 2-2 присутствует высокий потенциал, то на его выходе установится низкий потенциал, который поступает на выходной усилительный каскад как сигнал на выключение освещения. С наступлением темноты на входе элемента "НЕ"2-3 и на первом входе элемента "И-НЕ" 2-2 устанавливается низкий потенциал, в силу чего на выходе элемента "НЕ" 2-3 появится высокий потенциал и емкость 2-4 начнет разряжаться, а высокий потенциал с выхода элемента "И-НЕ" 2-2 поступит на выходной усилительный каскад как сигнал на включение освещения. Таким образом, сигнал на включение освещения проходит через логическую схему без задержки во времени. При обратном увеличении освещенности /например, при появлении светового импульса/ на входе элемента "НЕ" 3-2 и первом входе элемента "И-НЕ" 2-2 вновь появится высокий потенциал. Однако одновременно с ним низкий потенциал с выхода элемента "НЕ" 2-3 через разряженную емкость 2-4 поступит на второй вход элемента "И-НЕ" 2-2, в силу чего высокий потенциал на выходе элемента "И-НЕ" 2-2 не изменится и соответственно освещение не выключится. С этого момента времени емкость 2-4 начинает заряжаться по цепи: аккумуляторная батарея, стабилизатор напряжения 7, резистор 2-1, емкость 2-4, выход элемента "НЕ" 2-3. По мере заряда емкости 2-4 потенциал на втором входе элемента "И-НЕ" 2-2 начинает увеличиваться и по истечении времени Td достигает уровня логической единицы, что приводит к тому, что на обоих входах элемента "И-НЕ" 2-2 устанавливается высокий потенциал, а на его выходе соответственно низкий потенциал, по которому освещение выключается. Таким образом, сигнал на выключение освещения проходит через логическую схему с задержкой по времени, равной Td. При этом световые помехи, типа световых импульсов, имеющие длительность меньше Td, не будут вызывать выключение освещения, предотвращая тем самым моргание освещения и увеличивая ресурс выходных элементов устройства. Стабильность времени задержки Td обеспечивается тем, что все питающие входы логической схемы подключены к выходу стабилизатора напряжения.

Выходной усилительный каскад представляет из себя цифровой элемент "И-НЕ", первый вход которого является прямым и соединен с выходом логической схемы, а второй инверсный вход подключен к резисторному делителю с переменным коэффициентом деления, образованному резисторами 3-2, 3-3, 3-4. В исходном состоянии, когда двигатель еще не запущен или он уже работает, питание на стартере отсутствует и резистор 3-3 через низкоомную обмотку стартера оказывается подключенным параллельно резистору 3-4. При этом коэффициент деления делителя оказывается достаточно высоким и на инверсном входе элемента "И-НЕ" 3-1 установится низкий, разрешающий потенциал, при котором потенциал на его прямом входе противофазно определяет потенциал на выходе. В случае запуска двигателя на стартер будет подано питание аккумуляторной батареи, напряжение которой поступит на резистор 3-3, переподключая его параллельно резистору 3-2 и уменьшая за счет этого коэффициент деления делителя настолько, что на инверсном входе элемента 3-1 установится высокий запрещающий потенциал. Высокий потенциал на инверсном входе блокирует работу элемента 3-1 независимо от потенциала на прямом входе и фиксирует на выходе высокий потенциал, выключающий освещение. Таким образом, при каждом запуске двигателя независимо от их количества и длительности устройство будет выключать освещение для существенного уменьшения нагрузки на аккумуляторную батарею.

Разработанное устройство полностью соответствует по параметрам надежности устойчивости к изменениям климатических условий, характеру изменений внешней освещенности, для эксплуатации на транспортных средствах для автоматического управления освещением, преимущественно габаритными огнями. При этом устройство просто в изготовлении, не критично к разбросу параметров комплектующих изделий, не требует регулировки и настройки. Опытная партия устройства была изготовлена и прошла эксплуатационные испытания в течение года, где реально показала четкую работу, облегчение режима работы аккумулятора, особенно в зимних условиях.

Литература

1. Авторское свидетельство СССР 429985, кл. B 60 Q 1/26, 1974 г.

2. Описание изобретения к патенту Российской Федерации 2070114 С1, кл. B 60 Q 1/26, 1997 г.