источник питания для электролюминесцентной панели

Формула изобретения

1. Источник питания для электролюминесцентной панели, содержащий сетевой выпрямитель, токоограничивающий резистор, сглаживающий фильтр, вывод положительного напряжения которого подключен к входу преобразуемого напряжения двухтактного силового преобразователя постоянного напряжения в переменное, выполненного на включенных последовательно полевых МОП-транзисторах, к выходу которого подсоединена индуктивность, а также широтно-импульсный модулятор, к выходу которого подключен формирователь-мультиплексор импульсов, отличающийся тем, что в него введены узел вспомогательного питания, выполненный в виде преобразователя постоянного напряжения в постоянные, узел защиты от перегрузки, драйвер управления указанным силовым преобразователем, сетевой фильтр, узел управления режимом работы сглаживающего фильтра, узел ввода сигнала регулирования интенсивности сведения и RC-цепь, состоящая из соединенных первыми выводами разделительного конденсатора и выходного резистора, широтно-импульсный модулятор выполнен в виде программируемого микроконтроллера, а формирователь - мультиплексор импульсов выполнен управляемым с возможностью запрета формирования выходных сигналов, сетевой фильтр, входы которого являются входами переменного напряжения промышленной частоты источника питания для электролюминесцентной панели, подключен своими выходами к входам сетевого выпрямителя, выходы которого, один через токоограничивающий резистор, а другой - непосредственно, связаны с входами сглаживающего фильтра, подключенного выводом отрицательного напряжения к первому входу узла защиты от перегрузки, а выводом положительного напряжения - также к входу преобразуемого напряжения узла вспомогательного питания, выход первого преобразованного напряжения которого связан с входами питания драйвера управления указанным силовым преобразователем, узла управления режимом работы сглаживающего фильтра и первым входом питания узла защиты от перегрузки, а выход второго преобразованного напряжения - с входами питания программируемого микроконтроллера, формирователя - мультиплексора импульсов, узла ввода сигнала регулирования интенсивности свечения и вторым входом питания узла защиты от перегрузки, первый выход которого подсоединен к управляющему входу формирователя - мультиплексора импульсов, второй выход - к общей шине, а третий - к второму выводу выходного резистора, выходы формирователя-мультиплексора импульсов соединены с входами драйвера управления указанным силовым преобразователем, выходы которого подключены к входам указанного двухтактного силового преобразователя, первый и второй входы управления программируемого микроконтроллера связаны с выходами узла ввода сигнала регулирования интенсивности свечения, входы которого подсоединены к клеммам для подключения внешнего элемента регулирования интенсивности свечения электролюминесцентной панели, управляющий выход программируемого микроконтроллера соединен с входом узла управления режимом работы сглаживающего фильтра, выходы узла управления режимом работы сглаживающего фильтра подключены к выводам токоограничивающего резистора, при этом второй вывод индуктивности связан со вторым выводом разделительного конденсатора, а к выводам выходного резистора подсоединены выходные клеммы источника питания для электролюминесцентной панели.

2. Источник питания по п.1, отличающийся тем, что формирователь - мультиплексор импульсов содержит два D-триггера, два резистора, два конденсатора и четыре диода, D-входы триггеров соединены между собой и подключены к общей шине, С-вход первого D-триггера, являющийся информационным входом формирователя - мультиплексора импульсов, связан с катодом первого диода, анод которого подсоединен к S-входу первого D-триггера, аноду третьего диода и через первый резистор - к входу питающего напряжения, прямой выход первого D-триггера соединен с С-входом второго D-триггера и катодом второго диода, анод которого связан с S-входом второго D-триггера, анодом четвертого диода и через второй резистор - с входом питающего напряжения, первый конденсатор подключен параллельно первому диоду, а второй конденсатор - параллельно второму диоду, катоды третьего и четвертого диодов соединены между собой и являются управляющим входом формирователя - мультиплексора, первым и вторым выходами которого являются прямые выходы соответственного первого и второго D-триггеров.

3. Источник питания по п.1 или 2, отличающийся тем, что узел защиты от перегрузки содержит измерительный преобразователь и компаратор, выход которого является первым выходом узла защиты от перегрузки, вход контролируемого напряжения компаратора связан с первым потенциальным выводом измерительного преобразователя, второй потенциальный вывод которого является вторым выходом узла защиты от перегрузки, первый и второй таковые выводы измерительного преобразователя являются соответственно первым входом и третьим выходом узла защиты от перегрузки, входы эталонного и питающего напряжений компаратора являются соответственно первым и вторым входами питания узла защиты от перегрузки.

4. Источник питания по п.3, отличающийся тем, что измерительный преобразователь содержит последовательно соединенные первый и второй резисторы, общая точка которых является вторым потенциальным выводом измерительного преобразователя, к другим выводам резисторов, являющихся соответственно первым и вторым токовыми выводами измерительного преобразователя, подключены катоды первого и соответственно второго диодов, аноды которых соединены между собой и являются первым потенциальным выводом измерительного преобразователя.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области свето-электротехники и может быть использовано в качестве источника питания для электролюминесцентных световых панелей.

Световые панели представляют собой систему изолированных друг от друга электродов, между которыми размещен слой электролюминофора, излучающего в видимом диапазоне длин волн. В качестве электролюминофоров могут быть использованы полимеры с различным наполнением (см., например, RU 2050041 С1, Полян и др., Н 05 В 33/10, 10.12.1995), в том числе сложного химического состава (см. , например, RU 2131411 С1, ИПХФ РАН и др., С 07 С 211/54, 10.06.1999). Для технологических и рекламных целей на поверхность панелей могут быть нанесены различные элементы, в частности, в виде красочных покрытий на прозрачной и непрозрачной основах, а сами панели выполнены гибкими.

Для питания электролюминесцентных панелей используют вторичные источники переменного тока, которые подключают к контактным дорожкам электродов. Основное требование к источникам состоит в обеспечении стабильности светотехнических параметров панелей, что является важным для их использования в качестве источников подсветки для различных технических, промышленных устройств отображения информации и в рекламных целях.

Так, известен источник питания для электролюминесцентных панелей, описанный в патенте US 5717317 Pleso, 323/222, G 09 G 3/10, 10.02.1998. Источник представляет собой преобразователь постоянного напряжения в переменное, выполненный по мостовой схеме, управление которым осуществляется схемой на основе таймера. Таймер формирует сигнал в виде меандра с частотой 500 Гц, который управляет элементами мостовой схемы. Благодаря этому на выходе источника питания формируется знакопеременное напряжение, форма которого определяется параметрами сигналов управления и емкостными характеристиками самой электролюминесцентной панели.

Однако в выходном напряжении таких блоков велика доля высших гармоник, что приводит к излишним затратам мощности. К тому же этот источник питания может быть использован с электролюминесцентными панелями только небольших размеров, например в портативных устройствах отображения данных.

Наиболее близким к данному изобретению по технической сущности и достигаемому результату является источник питания для электролюминесцентных панелей больших площадей (до 1,5 кв. м). Он содержит сетевой выпрямитель, токоограничивающий резистор, последовательно соединенные сглаживающий фильтр, двухтактный силовой преобразователь постоянного напряжения в переменное, выполненный на включенных последовательно полевых МОП-транзисторах, и индуктивность, а также широтно-импульсный модулятор, к выходу которого подключен формирователь-мультиплексор импульсов. Формирователь обеспечивает преобразование выходного сигнала широтно-импульсного модулятора в прямую и инвертированную последовательности импульсов управления силовым преобразователем, выход которого через индуктивность связан с одним из выходов источника питания (см. заявку WO 99/57618 A1, GEORGE at al, G 05 F 1/00, 11.11.1999) - ближайший аналог.

Недостатками этого источника питания для электролюминесцентных панелей также являются его недостаточные эксплуатационные характеристики, аналогичные описанным выше. Источник питания неизбежно создает высокочастотные помехи, поступающие от него в сеть переменного тока. К тому же известный источник питания имеет недостаточную надежность из-за отсутствия защиты от чрезмерного увеличения выходного тока или короткого замыкания на выходе, а также ограниченные функциональные возможности из-за отсутствия самовосстановления источника питания после перегрузок или короткого замыкания.

Задачей изобретения является создание источника питания для световых панелей на основе электролюминесценции, свободного от указанных выше недостатков.

Технический результат изобретения состоит в повышении надежности, снижении энергопотребления и обеспечении стабильности выходных характеристик при использовании различных типов световых панелей. Дополнительный технический результат состоит в том, что конструкция источника питания позволяет программным путем изменять форму выходного напряжения.

Технический результат обеспечивается тем, что источник питания для электролюминесцентной панели содержит сетевой выпрямитель, токоограничивающий резистор, сглаживающий фильтр, вывод положительного напряжения которого подключен к входу преобразуемого напряжения двухтактного силового преобразователя постоянного напряжения в переменное, выполненного на включенных последовательно полевых МОП-транзисторах, к выходу которого подсоединена индуктивность, а также широтно-импульсный модулятор, к выходу которого подключен формирователь-мультиплексор импульсов. В устройство введены узел вспомогательного питания, выполненный в виде преобразователя постоянного напряжения в постоянные, узел защиты от перегрузки, драйвер управления силовым преобразователем, сетевой фильтр, узел управления режимом работы сглаживающего фильтра, узел ввода сигнала регулирования интенсивности свечения и RC-цепь, состоящая из соединенных первыми выводами разделительного конденсатора и выходного резистора, широтно-импульсный модулятор выполнен в виде программируемого микроконтроллера, а формирователь-мультиплексор импульсов выполнен управляемым с возможностью запрета формирования выходных сигналов.

Сетевой фильтр, входы которого являются входами переменного напряжения промышленной частоты источника питания для электролюминесцентной панели, подключен своими выходами к входам сетевого выпрямителя, выходы которого, один - через токоограничивающий резистор, а другой - непосредственно, связаны с входами сглаживающего фильтра, подключенного выводом отрицательного напряжения к первому входу узла защиты от перегрузки, а выводом положительного напряжения - также к входу преобразуемого напряжения узла вспомогательного питания. Выход первого преобразованного напряжения узла вспомогательного питания связан с входами питания драйвера управления силовым преобразователем, узла управления режимом работы сглаживающего фильтра и первым входом питания узла защиты от перегрузки, а выход второго преобразованного напряжения - с входами питания микроконтроллера, формирователя-мультиплексора импульсов, узла ввода сигнала регулирования интенсивности свечения и вторым входом питания узла защиты от перегрузки. Первый выход узла защиты от перегрузки подсоединен к управляющему входу формирователя-мультиплексора импульсов, второй выход - к общей шине источника питания для электролюминесцентной панели, а третий - к второму выводу выходного резистора. Выходы формирователя-мультиплексора импульсов соединены с входами драйвера управления силовым преобразователем, выходы которого подключены к входам двухтактного силового преобразователя.

Первый и второй входы управления микроконтроллера связаны с выходами узла ввода сигнала регулирования интенсивности свечения, входы которого подсоединены к клеммам для подключения внешнего элемента регулирования интенсивности свечения электролюминесцентной панели. Управляющий выход микроконтроллера соединен с входом узла управления режимом работы сглаживающего фильтра. Выходы узла управления режимом работы сглаживающего фильтра подключены к выводам токоограничивающего резистора. При этом второй вывод индуктивности связан с вторым выводом разделительного конденсатора, а к выводам выходного резистора подсоединены выходные клеммы источника питания для электролюминесцентной панели.

Устройство может характеризоваться тем, что формирователь-мультиплексор импульсов содержит два D-триггера, два резистора, два конденсатора и четыре диода, D-входы триггеров соединены между собой и подключены к общей шине устройства, С-вход первого D-триггера, являющийся информационным входом формирователя-мультиплексора, связан с катодом первого диода, анод которого подсоединен к S-входу первого D-триггера, аноду третьего диода и через первый резистор - к входу питающего напряжения, прямой выход первого D-триггера соединен с С-входом второго D-триггера и катодом второго диода, анод которого связан с S-входом второго D-триггера, анодом четвертого диода и через второй резистор - с входом питающего напряжения, первый конденсатор подключен параллельно первому диоду, а второй конденсатор - параллельно второму диоду, катоды третьего и четвертого диодов соединены между собой и являются управляющим входом формирователя-мультиплексора, первым и вторым выходами которого являются прямые выходы соответственно первого и второго D-триггеров.

Устройство может характеризоваться также тем, что узел защиты от перегрузки содержит измерительный преобразователь и компаратор, выход которого является первым выходом узла защиты от перегрузки, вход контролируемого напряжения компаратора связан с первым потенциальным выводом измерительного преобразователя, второй потенциальный вывод которого является вторым выходом узла защиты от перегрузки, первый и второй токовые выводы измерительного преобразователя являются, соответственно, первым входом и третьим выходом узла защиты от перегрузки, входы эталонного и питающего напряжений компаратора являются, соответственно, первым и вторым входами питания узла защиты от перегрузки.

Устройство может характеризоваться, кроме того, тем, что измерительный преобразователь содержит последовательно соединенные первый и второй резисторы, общая точка которых является вторым потенциальным выводом измерительного преобразователя, к другим выводам резисторов, являющихся, соответственно, первым и вторым токовыми выводами измерительного преобразователя, подключены катоды первого и, соответственно, второго диодов, аноды которых соединены между собой и являются первым потенциальным выводом измерительного преобразователя.

Сущность изобретения поясняется на чертежах, где:

На фиг.1 представлена функциональная схема источника питания; на фиг.2 - принципиальная схема.

Источник содержит (см. фиг. 1) сетевой выпрямитель 10, сглаживающий фильтр 12, двухтактный силовой преобразователь 14 постоянного напряжения в переменное, выполненный на включенных последовательно полевых МОП-транзисторах. Схема включает также широтно-импульсный модулятор, реализованный на программируемом микроконтроллере 16, формирователь-мультиплексор 18 импульсов, драйвер 20 управления силовым преобразователем, узел 22 вспомогательного питания, сетевой фильтр 24, узел 26 управления режимом работы сглаживающего фильтра 12. Имеются узел 28 защиты от перегрузки, узел 30 ввода сигнала регулирования интенсивности свечения, индуктивность 32, RC-цепь, состоящая из последовательно соединенных разделительного конденсатора 34 и выходного резистора 36, и токоограничивающий резистор 38.

Узел 28 защиты от перегрузки состоит из измерительного преобразователя 40 и компаратора 42.

На фиг.1 также показаны клеммы 44 и 46 для подключения к сети переменного тока промышленной частоты, выходные клеммы 48 и 50 источника питания, а также клеммы 52 и 54 для подключения внешнего элемента, посредством которого осуществляется регулирование интенсивности свечения световой панели.

На фиг.2 показана принципиальная схема устройства. Штрихпунктирными линиями выделены функциональные блоки, поименованные выше и представленные на фиг. 1. Сетевой выпрямитель 10 построен по мостовой схеме на микросхеме UZ300. Сглаживающий фильтр 12 состоит из конденсаторов С306, С307 и подключен к плюсовой клемме мостовой схемы через токоограничивающий резистор R302, а к минусовой - непосредственно.

Преобразователь 14 постоянного напряжения в переменное выполнен на включенных последовательно полевых МОП-транзисторах типа IRF450, к затворам которых подключены эмиттерные повторители на транзисторах КТ3107. Входы эмиттерных повторителей являются входами преобразователя 14. Широтно-импульсный модулятор реализован на программируемом однокристальном микроконтроллере 16 RISC-архитектуры типа AT90S2313-10PI. Микроконтроллер 16 имеет встроенный генератор тактовых импульсов, частота которых определяется кварцевым элементом BQ200. В реализованном устройстве использовалась тактовая частота, достаточная для формирования выходного широтно-импульсного сигнала с частотой 20 кГц. Для установки микроконтроллера в исходное состояние используется RC-цепь, подключенная к входу RESET и формирующая одиночный импульс при подаче напряжения питания.

Формирователь-мультиплексор 18 импульсов реализован на двух D-триггерах (микросхема КР1533ТМ2). Его функция состоит в формировании на каждом из двух своих выходов последовательности прямоугольных импульсов, первая из которых повторяет выходной широтно-импульсный сигнал микроконтроллера 16, то есть передние фронты и спады каждого из импульсов последовательности совпадают. Вторая последовательность является инверсией первой. S-входы D-триггеров взаимосвязаны через встречно включенные диоды VD203 и VD204, общая точка которых является управляющим входом формирователя-мультиплексора 18, служащим для запрета или разрешения формирования выходных последовательностей импульсов.

Драйвер 20 управления силовым преобразователем является двухканальным усилителем мощности и реализован на микросхеме IR2102.

Узел 22 вспомогательного питания предназначен для питания активных элементов источника питания электролюминесцентной панели. Он построен по обратно-ходовой схеме и представляет собой преобразователь постоянного напряжения в постоянные и состоит из трансформатора Т1, ТОП переключателя DA 100 типа TOP210PFI, выпрямителя VD100 типа 30BQ100 и параметрического стабилизатора DA101. Выходные напряжения вспомогательного источника питания +12 и +5 В.

Установленный на входе сетевого выпрямителя 10 сетевой фильтр 24 представляет собой пассивный четырехполюсник, выполненный на конденсаторах С300-С305, резисторах R300 и R301 и дросселях L300 и L301. Назначение этого фильтра 24 состоит как в защите источника питания от кратковременных скачков напряжения в сети переменного тока, так и в исключении высокочастотных помех, поступающих в сеть в результате работы преобразователя 14.

Узел 26 управления режимом работы сглаживающего фильтра 12 представляет собой электромеханическое реле К100, обмотка которого подключена к усилителю на транзисторе VT100 (типа КТ3102). Замыкающие контакты реле подключены к выводам токоограничивающего резистора 38.

Узел 28 защиты от перегрузки состоит из измерительного преобразователя 40, выполненного на диодах VD300 и VD301, резисторах R219-R223 и R303-R307, и компаратора 42, реализованного на дифференциальном операционном усилителе, выход которого является выходом узла 28.

Узел 30 ввода сигнала регулирования интенсивности свечения люминесцентной панели представляет собой управляемый резисторный делитель напряжения с конденсаторами развязки, выполненный на резисторах R206, R208, R209 и R211, переменном резисторе R207 и конденсаторах С201, С203.

Выходная цепь источника питания включает в себя индуктивность L201, RC цепь из параллельно включенных конденсаторов С209, С210 общей емкостью 200 мкФ и резистора R224, представляющего собой выходное сопротивление, выводы которого являются выходами источника питания.

Устройство работает следующим образом.

Напряжение питания промышленной сети 220 В 50 Гц с клемм 44 и 46 подается через сетевой фильтр 24, состоящий из С300, L300, С301, С302, С303, L301, С304 и C305, на сетевой выпрямитель 10 (UZ300). Далее выпрямленное напряжение (310 В) через токоограничивающий резистор 38 (R302) и сглаживающий фильтр 12 (С306, С307) поступает на узел 22 вспомогательного питания и двухтактный силовой преобразователь 14. Узел 22 вспомогательного питания имеет выходные напряжения +12 и +5 В.

После прихода напряжения питания +5 В микроконтроллер 16 сначала устанавливается в исходное состояние по входу RESET, а затем отсчитывает заранее заданный интервал времени (например, 1,5 с). По истечении этого интервала времени на управляющем выходе микроконтроллера 16 (вывод 3 DD204 на фиг.2) появляется напряжение логической единицы. Этот сигнал поступает на вход узла 26 управления режимом работы сглаживающего фильтра 12, который закорачивает токоограничивающий резистор 38, предназначенный для ограничения пускового зарядного тока конденсаторов сглаживающего фильтра (С306 и С307 на фиг.2).

Далее происходит инициализация программно заданного режима широтно-импульсной модуляции выходного импульсного сигнала микроконтроллера 16. На выходе микроконтроллера 16 (вывод 15 DD204 на фиг.2) формируется широтно-импульсный сигнал заданной частоты (например, 20 кГц). При этом длительности импульсов изменяются по гармоническому закону в интервале, например, от 0,15Т до 0,85Т, где Т - период следования импульсов. Таким образом, на выходе микроконтроллера 16 формируется импульсная последовательность, модулированная по ширине импульсов по синусоидальному закону с частотой, оптимальной для питания выбранного типа электролюминесцентной панели, например 450 Гц.

Эта последовательность поступает на вход формирователя-мультиплексора 18 импульсов (триггеры микросхемы DD205 на фиг.2).

С выходов формирователя-мультиплексора 18 противофазные сигналы (прямые выходы триггеров DD205 на фиг.2) поступают на входы драйвера 20 управления (DD206 на фиг. 2), который непосредственно управляет двухтактным силовым преобразователем 14 постоянного напряжения в переменное.

Двухтактный силовой преобразователь 14 постоянного напряжения в переменное построен по классической схеме и состоит (см. фиг.2) из ключей VT202 и VT203, которые поочередно передают на выход преобразователя либо нулевое напряжение (потенциал общей шины), либо максимальное (потенциал на выводе положительного напряжения сглаживающего фильтра 12).

Сформированная на выходе силового преобразователя 14 широтно-модулированная по синусоидальному закону последовательность импульсов максимальной амплитуды поступает через индуктивность 32 и разделительный конденсатор 34, сглаживающие как передние фронты, так и спады импульсов, на выходной резистор 36.

Таким образом, на выходном резисторе 36 формируется выходное напряжение источника питания, которое представляет собой синусоидальное напряжение с частотой, равной частоте модуляции широтно-импульсной последовательности на выходе микроконтроллера 16, и с амплитудой, не превышающей половину амплитуды выходного напряжения сетевого выпрямителя 10, сглаженного фильтром 12.

Защита источника питания от перегрузки производится узлом 28, в состав которого входят измерительный преобразователь 40 и компаратор 42.

Выходной ток источника питания для электролюминесцентной панели протекает через измерительный преобразователь 40, собранный по мостовой схеме (см. фиг. 2) из резисторов R219-R223 и R303-R307 и диодов VD300 и VD301.

Падение напряжения на этих резисторах с общей точки диодов VD300 и VD301 поступает на вход контролируемого напряжения компаратора 42, выполненного (см. фиг.2) на дифференциальном операционном усилителе DA102, т.е. на вычитающий вход усилителя DA102, через резистор R106. На суммирующий вход усилителя DA102 через делитель напряжения на резисторах R103 и R104 поступает эталонное напряжение. При превышении контролируемым напряжением эталонного значения компаратор вырабатывает на своем выходе сигнал, поступающий на управляющий вход формирователя-мультиплексора 18 и запрещающий формирование сигналов на его выходах. В результате этого ключи двухтактного силового преобразователя 14 остаются в запертом состоянии, вследствие чего выходное напряжение источника питания становится равным нулю.

Изменение интенсивности свечения электролюминесцентной панели можно осуществлять изменением амплитуды формируемого на выходе источника питания напряжения путем изменения коэффициента заполнения широтно-модулированного импульсного сигнала на выходе микроконтроллера 16. Эта функция реализуется с помощью подключенного к входам управления микроконтроллера 16 узла 30 ввода сигнала регулирования интенсивности свечения.

Посредством изменения величины электрического сопротивления резистора R207 (см. фиг. 2) можно осуществлять ручное регулирование интенсивности свечения электролюминесцентной панели.

Клеммы 52 и 54 позволяют подключить к источнику питания фоточувствительный элемент, например фоторезистор, с помощью которого осуществляется автоматическое регулирование интенсивности свечения электролюминесцентной панели.

Источник питания для электролюминесцентной панели, выполненный согласно патентуемому изобретению и реализованный в соответствии с представленной на фиг. 2 принципиальной схемой, прошел испытания со световой электролюминесцентной панелью площадью 2,16 кв.м. и показал хорошие результаты. При использовании фоточувствительного элемента, подключенного к клеммам 52, 54, в темное время суток наблюдалось снижение энергопотребления более чем на 20% за счет уменьшения интенсивности свечения панели, не оказывающего, однако, влияния на ее потребительские свойства и качества.