Осветительное устройство

 

Использование: в качестве квартирных выключателей и одновременно регуляторов яркости включаемых ламп накаливания. Сущность изобретения: выполнение управляемого ключа, включенного параллельно основному интегрирующему конденсатору, обеспечивающему плавность включения лампы накаливания, в виде однопереходного транзистора с интегратором в цепи управления позволяет быстро восстановить работоспособность устройства после его выключения. После выключения устройства повторное его включение через десятые доли секунды обеспечивает плавное включение лампы накаливания, что позволяет полностью тем самым увеличить ресурс ее работы. 1 ил.

Изобретение относится к электротехнике, а именно к устройствам для включения и управления яркостью ламп накаливания, и может быть использовано в качестве квартирных выключателей и одновременно регуляторов яркости включаемых ламп.

Известно устройство, которое содержит полупроводниковый ключ переменного тока (симистор), подключенный через последовательно соединенные осветительную нагрузку и выключатель к сети переменного тока [1]. В цепь управления симистора включен фоторезистор, образующий оптопару с дополнительной лампой накаливания. Лампа накаливания этой оптопары подключена к дополнительному источнику питания через контакты реле времени. В процессе пускового периода под воздействием лампы оптопары изменяется омическое сопротивление фоторезистора, что обеспечивает плавное изменение угла включения симисторного ключа. По истечении выдержки времени фоторезистор шунтируется контактами реле времени, а лампа оптопары отключается, при этом включаемая осветительная лампа накаливания выходит на рабочий режим.

Данное устройство из-за наличия электромеханического реле, дополнительной лампы накаливания и дополнительного источника питания довольно громоздко и ненадежно, что ограничивает его применение, и в частности его нельзя использовать в качестве квартирных выключателей к быту. Кроме того, данное устройство не обеспечивает изменения яркости осветительной нагрузки по желанию потребителя.

Наиболее близким по технической сущности является осветительное устройство, которое содержит тиристорный ключ переменного тока, выход которого подключен через последовательно соединенные лампу накаливания и выключатель к выводам для подключения сети переменного тока, пороговый элемент, реализованный на однопереходном транзисторе, выход которого соединен с управляющим электродом тиристорного ключа, фазосдвигающую цепь, состоящую из последовательно соединенных фазосдвигающего конденсатора и резистора [2]. Выход фазосдвигающей цепи подключен к управляющему входу порогового элемента (эмиттеру однопереходного транзистора). Параллельно выходу тиристорного ключа подключены последовательно соединенные токоограничивающий резистор и стабилитрон, параллельно которому подключены фазосдвигающая цепь, цепь задержки и регулируемый делитель напряжения. Регулируемый делитель напряжения и цепь задержки содержат биполярный n-p-n-транзистор и последовательно соединенные зарядный резистор, выпрямительный диод и интегрирующий конденсатор, параллельно которому подключен переменный резистор. Эмиттер биполярного транзистора подключен к аноду разделительного диода, катод которого соединен с эмиттером однопереходного транзистора. Коллектор n-p-n-транзистора через первый резистор соединен с катодом стабилитрона, а база - с анодом выпрямительного диода и с одним из выводов зарядного резистора, другой вывод которого соединен с катодом стабилитрона.

При замыкании контактов выключателя устройство подключается к сети переменного тока, при этом на выходе диодного моста появляются полусинусоидальные импульсы напряжения. С выхода диодного моста пульсирующее напряжение через токоограничивающий резистор поступает на стабилитрон, где ограничивается по амплитуде до напряжения стабилизации стабилитрона. Со стабилитрона импульсы напряжения поступают на фазосдвигающую цепь, однопереходный транзистор, биполярный транзистор и интегрирующую цепь, состоящую из последовательно соединенных базового резистора, диода и интегрирующего конденсатора, шунтированного переменным резистором. В результате начинается заряд конденсатора фазосдвигающей цепи и интегрирующего конденсатора. Постоянная времени заряда конденсатора фазосдвигающей цепи установлена равной (8-9) мс и более чем на порядок меньше постоянной времени интегрирующего конденсатора, поэтому в схеме происходят следующие процессы.

Конденсатор фазосдвигающей цепи заряжается до напряжения открывания однопереходного транзистора, последний открывается и конденсатор быстро разряжается через переход эмиттер-база однопереходного транзистора и нагрузочный резистор. В результате в цепь управления тиристора поступает управляющий импульс напряжения, который открывает тиристор, благодаря чему выход диодного моста замыкается и через его диоды обеспечивается электропитание осветительной нагрузки. Одновременно происходит заряд интегрирующего конденсатора интегрирующей цепи, постоянная времени которой равна (0,5-10) с. При этом напряжение на интегрирующем конденсаторе постепенно увеличивается, потенциал базы биполярного транзистора увеличивается, а сопротивление его коллекторно-эмиттерного перехода плавно уменьшается, что приводит к постепенному уменьшению суммарной величины сопротивления фазосдвигающей цепи, а следовательно, и уменьшению постоянной времени фазосдвигающей цепи. Это приводит к плавному уменьшению угла открывания однопереходного транзистора и тиристора. В результате величина среднего тока, протекающего через осветительную нагрузку, также плавно возрастает до номинального значения. Изменение (уменьшение) величины сопротивления переменного резистора, подключенного параллельно интегрирующему конденсатору, приводит к изменению (увеличению) величины сопротивления коллекторно-эмиттерного перехода и изменению (увеличению) суммарного сопротивления фазосдвигающей цепи, что приводит к увеличению угла открывания однопереходного транзистора и тиристора и соответствующему уменьшению яркости осветительной нагрузки.

Однако в данном устройстве плавное включение ламп накаливания, обеспечивающее повышенный срок их службы, определяется постоянной времени цепи из зарядного резистора и интегрирующего конденсатора интегратора равной 2-10 с. После выключения устройства необходимо обеспечить разряд интегрирующего конденсатора. Если этого не сделать, то при последующем включении устройства еще заряженный конденсатор интегратора не допустит запирания регулирующего транзистора, обеспечив тем самым в момент пуска подключение через коллекторно-эмиттерный переход транзистора к фазосдвигающей цепи коллекторного резистора. Из-за этого осветительная лампа мгновенно включится на яркость, установленную потребителем с помощью переменного резистора, что существенно снижает срок службы ламп накаливания. Для устранения такого недостатка необходимо после включения устройства разряжать интегрирующий конденсатор. В данном устройстве для этого используется переменный резистор, подключенный параллельно интегрирующему конденсатору. Величина сопротивления этого резистора прямо пропорциональна времени разряда интегрирующего конденсатора и поэтому определяет время готовности устройства к последующему запуску после его выключения. Чем меньше величина сопротивления разрядного резистора, тем быстрее восстанавливается готовность устройства к последующему запуску и тем эффективнее его работа. Однако величина сопротивления переменного резистора (при максимальной яркости осветительной нагрузки) должна не менее чем в 10 раз превышать величину сопротивления базового резистора, чтобы обеспечить полное открывание биполярного транзистора после зарядки интегрирующего конденсатора. Это означает, что время разряда интегрирующего конденсатора превышает время плавного включения устройства не менее чем в 10 раз и составляет величину порядка одной минуты. Это довольно много и при эксплуатации устройства в быту, когда после выключения оно повторно будет включаться потребителем в течение одной минуты, лампа накаливания будет при этом включаться скачком, что снижает эффективность работы устройства, так как при этом сокращается срок службы лампы накаливания.

Цель изобретения заключается в увеличении срока службы включаемых ламп за счет уменьшения времени восстановления работоспособности устройства после его выключения.

Это достигается тем, что в осветительном устройстве, содержащем тиристорный ключ переменного тока, выход которого подключен через последовательно соединенные лампу накаливания и выключатель к выводам для подключения сети переменного тока, пороговый элемент, выход которого соединен с управляющим электродом тиристорного ключа, фазосдвигающую цепь, состоящую из последовательно соединенных фазосдвигающих конденсатора и резистора, выход которой подключен к управляющему входу порогового элемента, параллельно выходу тиристорного ключа подключены последовательно соединенные основной токоограничивающий резистор и стабилитрон, параллельно которому подключены фазосдвигающая цепь и основная цепь задержки, содержащая последовательно соединенные основной зарядный резистор, основной выпрямительный диод и основной интегрирующий конденсатор, параллельно которому подключены последовательно соединенные управляемый ключ и основной разрядный резистор, первый разделительный диод, катод которого подключен к управляющему входу порогового элемента, и первый резистор, один из выводов которого соединен с катодом стабилитрона, управляемый ключ выполнен в виде однопереходного транзистора и введены интегратор, дополнительный токоограничивающий резистор, включенный между основным токоограничивающим резистором и катодом стабилитрона, дополнительный выпрямительный диод, анод которого соединен с точкой соединения основного и дополнительного токоограничивающих резисторов, а катод - с интегратором, состоящим из последовательно соединенных дополнительных зарядного резистора и интегрирующего конденсатора, точка соединения дополнительных зарядного резистора и интегрирующего конденсатора соединена с второй базой однопереходного транзистора, первая база которого соединена с основным разрядным резистором, а эмиттер - с основным интегрирующим конденсатором, дополнительный разрядный резистор, подключенный параллельно дополнительному интегрирующему конденсатору, второй разделительный диод, анод которого соединен с анодом первого разделительного диода, а катод подключен к эмиттеру однопереходного транзистора, один вывод переменного резистора соединен с вторым выводом первого резистора, а другой его вывод подключен к анодам первого и второго разделительных диодов и к одному из выводов второго резистора, другой вывод которого подключен к аноду стабилитрона.

На чертеже приведена схема предложенного осветительного устройства.

Оно содержит полупроводниковый ключ переменного тока 1, состоящий из тиристора 2 и диодного моста 3. Выход тиристора 2 включен в диагональ моста 3, который подключен через осветительную нагрузку 4 и выключатель 5 к выводам для подключения к сети переменного тока. Параллельно выходу тиристора 2 подключен параметрический стабилизатор напряжения, состоящий из последовательно соединенных токоограничивающих резисторов 6, 7 и стабилитрона 8. Параллельно стабилитрону 8 подключены пороговый элемент 9, фазосдвигающая цепь 10, состоящая из последовательно соединенных фазосдвигающих резистора 11 и конденсатора 12, и цепь задержки 13. Пороговый элемент 9 выполнен на однопереходном транзисторе 14, первый управляющий вход (эмиттер) которого подключен к точке соединения фазосдвигающих резистора 11 и конденсатора 12, а другой управляющий вход (база 2) - к катоду стабилитрона 8. Выход транзистора 14 (база 1) подключен к управляющему электроду тиристора 2 и одному выводу нагрузочного резистора 16, другой вывод которого соединен с анодом стабилитрона 8.

Цепь задержки 13 состоит из последовательно соединенных основного зарядного резистора 17, основного выпрямителя 18 и основного интегрирующего конденсатора 19, параллельно которому подключены последовательно соединенные управляемый ключ 20, выполненный на однопереходном транзисторе 21, и основной разрядный резистор 22. Точка соединения основного 6 и дополнительного 7 токоограничивающих резисторов подключена к входу дополнительного выпрямителя 23, выполненном на диоде 24, выход которого подключен к входу интегратора 25, состоящего из последовательно соединенных дополнительного зарядного резистора 26 и дополнительного интегрирующего конденсатора 27. Точка соединения дополнительного зарядного резистора 26 и интегрирующего конденсатора 27 подключена к второй базе однопереходного транзистора 21, первая база которого соединена с основным разрядным резистором 22, а эмиттер с основным интегрирующим конденсатором 19. Дополнительный разрядный резистор 28 подключен параллельно дополнительному интегрирующему конденсатору 27.

Устройство содержит также цепочку из трех последовательно соединенных резисторов 29-31, подключенную параллельно стабилитрону 8, два разделительных диода 32 и 33. Резистор 30 выполнен переменным, причем точка соединения переменного и постоянного резисторов 30 и 31 подключена к анодам разделительных диодов 32 и 33. Катод разделительного диода 32 подключен к эмиттеру однопереходного транзистора 14, а катод разделительного диода 33 - к эмиттеру однопереходного транзистора 21. Постоянная времени задержки 13 установлена равной нескольким секундам (0,5-10 c) и определяет время, в течение которого лампа накаливания 4 выходит на режим номинальной мощности. Постоянная времени интегратора 25 установлена в пределах нескольких миллисекунд (1-100 мс).

Устройство работает следующим образом.

При замыкании контактов выключателя 5 напряжение сети переменного тока поступает через осветительную нагрузку 4 на выпрямительный мост 3. Положительные импульсы выпрямленного сетевого напряжения подаются на переход анод-катод тиристора 2 и чеpез токоограничивающие резисторы 6,7 - на стабилитрон 8, на котором ограничиваются по амплитуде до напряжения его стабилизации. Эти импульсы напряжения поступают на пороговый элемент 9, фазосдвигающую цепь 10, цепь задержки 13, цепочку из трех последовательно соединенных резисторов 29-31 и через дополнительный выпрямитель 23 - на дополнительный интегратор 25. Постоянная времени заряда конденсатора 12 установлена равной 8-9 мс и более чем на порядок меньше постоянной времени конденсатора 19, которая равна 0,5-10 с. Поэтому в схеме происходят следующие процессы.

Конденсатор 12 заряжается до напряжения открывания однопереходного транзистора 14, последний открывается и конденсатор 12 быстро заряжается через переход эмиттер-база 1 транзистора 14 и резистор 16. В результате в цепь управления тиристора 2 поступает управляющий импульс напряжения, который открывает тиристор 2, благодаря чему выход диодного моста 3 замыкается и через его диоды обеспечивается электропитание осветительной нагрузки 4. Одновременно происходит заряд конденсатора 19 цепи задержки 13, имеющей постоянную времени 0,5-10 с. Поэтому в начальный момент падение напряжения на заряжающемся конденсаторе 19 равно нулю, потенциал катода разделительного диода 33 также равен нулю, и он шунтирует резистор 31 и удерживает второй разделительный диод 32 в закрытом состоянии, благодаря чему фазосдвигающая цепь 10 отключена от цепочки резисторов 29-31. Так как постоянная времени фазосдвигающей цепи 10 установлена равной 8-9 мс, что соответствует углу открывания тиристора 2 равному 150-170^o, то величина среднего тока, протекающего через ламповую нагрузку 4 невелика и нить накаливания чуть светится, постепенно прогреваясь этим током.

По мере заряда конденсатора 19 падение напряжения на нем плавно увеличивается, в связи с этим происходит увеличение потенциала анодов разделительных диодов 32 и 33, что приводит к отпиранию разделительного диода 32 и постепенному запиранию диода 33. В результате через диод 32 к фазосдвигающей цепи 10 подключается делитель напряжения из резисторов 29-31, что приводит к изменению (уменьшению) эквивалентного сопротивления, через которое происходит заряд фазосдвигающего конденсатора 12. При этом постоянная времени заряда конденсатора 12 уменьшается, угол открывания однопереходного транзистора 14 и тиристора 2 плавно уменьшается, что приводит к постепенному увеличению среднего тока, протекающего через осветительную нагрузку 4, и увеличению ее яркости. Через промежуток времени, равный постоянной времени заряда интегрирующего конденсатора 19, т.е. 0,5-10 c, разделительный диод 33 полностью запирается и отключает цепь задержки 13 от фазосдвигающей цепи 10, и устройство выходит на стационарный режим работы. При этом угол открывания однопереходного транзистора 14 и тиристора 2, а следовательно, и яркость осветительной нагрузки 4 определяются величиной и соотношением резисторов 29-31 делителя напряжения и величиной резистора 11 и конденсатора 12 фазосдвигающей цепи 10. Чем больше величина переменного резистора 30, тем ниже потенциал выхода делителя напряжения 29-31 и тем ниже величина пилообразного напряжения на конденсаторе 12 фазосдвигающей цепи 10, при которой происходит запирание диода 32 и отключение резистивного делителя напряжения 29-31 от фазосдвигающей цепи 10, и тем меньше шунтирующее воздействие этого делителя на фазосдвигающую цепь 10, тем больше угол, при котором происходит открывание однопереходного транзистора 14 и тиристора 2, и тем меньше величина среднего тока, протекающего через лампу накаливания 4, и тем ниже ее яркость свечения.

При минимальном значении переменного резистора 30 потенциал выхода делителя напряжения на резисторах 29-31 максимален, значение пилообразного напряжения на конденсаторе 12, при котором происходит отпирание диода 32 и подключение делителя напряжения на резисторах 29, 30, 31 к фазосдвигающей цепи 10, минимально. Поэтому постоянная времени фазосдвигающей цепи 10 минимальна, угол открывания однопереходного транзистора 14 и тиристора 2 минимален, а величина среднего тока, протекающего через лампу 4, и ее яркость свечения максимальны. Резисторы 29, 31 ограничивают минимальный и максимальный углы открывания однопереходного транзистора 14 и тиристора 2 и тем самым определяют максимальную и минимальную яркость свечения ламповой нагрузки 4.

В период плавного запуска устройства потенциал второй базы однопереходного транзистора 21 управляемого ключа 20 превышает потенциал его эмиттера. Поэтому управляемый ключ 20 заперт и не влияет на запуск и работу устройства в установившемся режиме. Превышение потенциала второй базы транзистора 21 над его эмиттером в момент запуска устройства и в установившемся режиме достигается, во-первых, подключением входа дополнительного выпрямителя 23 (анода диода 24) к точке соединения основного 6 и дополнительного 7 токоограничивающих резисторов, во-вторых, за счет установления постоянной времени заряда интегратора 25 в пределах нескольких миллисекунд, что на три порядка меньше постоянной времени цепи задержки 13, равной нескольким секундам, и, в-третьих, за счет соответствующего установления величин сопротивления зарядного резистора 26 и дополнительного разрядного резистора 28. Величины сопротивлений резисторов 6, 7, 26 и 28 установлены соответственно равными 30 кОм, 510 Ом, 5,1 кОм и 1 МОм, а величина емкости конденсатора 27 - 0,05 мкФ.

После выключения осветительного устройства происходит разряд конденсатора 27 через разрядный резистор 28. Постоянная времени разряда конденсатора 27 через резистор 28 установлена равной 1-100 мс. Поэтому через 1-100 мс после выключения устройства потенциал второй базы однопереходного транзистора 21 становится меньше потенциала его эмиттера, транзистор 21 открывается и заряженный конденсатор 19 цепи задержки 13 разряжается через низкоомный переход эмиттер - база 1 транзистора 21 и основной разрядный резистор 22. Величина сопротивления этого резистора установлена равной 0,2-1 кОм, а величина емкости конденсатора 19 равна 200 мкФ. Поэтому постоянная времени разряда, равная произведению емкости конденсатора 19 на величину сопротивления резистора 22, имеет значение порядка десятых долей секунды (0,04-0,1 с). Именно это время и определяет время восстановления работоспособности устройства после его выключения.

Таким образом, после выключения устройства повторное его включение через десятые доли секунды обеспечивает плавное включение лампы накаливания (как и при первом включении), что позволяет полностью исключить скачкообразное включение осветительной лампы на номинальную яркость и тем самым увеличить ее ресурс работы.

Формула изобретения

ОСВЕТИТЕЛЬНОЕ УСТРОЙСТВО, содержащее тиристорный ключ переменного тока, выход которого подключен через последовательно соединенные лампу накаливания и выключатель к выводам для подключения сети переменного тока, пороговый элемент, выход которого соединен с управляющим электродом тиристорного ключа, фазосдвигающую цепь, состоящую из последовательно соединенных фазосдвигающих конденсатора и резистора, выход которой подключен к управляющему входу порогового элемента, параллельно выходу тиристорного ключа подключены последовательно соединенные основной токоограничивающий резистор и стабилитрон, параллельно которому подключены фазосдвигающая цепь и основная цепь задержки, содержащая последовательно соединенные основной зарядный резистор, основной выпрямительный диод и основной интегрирующий конденсатор, параллельно которому подключены последовательно соединенные управляемый ключ и основной разрядный резистор, первый разделительный диод, катод которого подключен к управляющему входу порогового элемента, и первый резистор, один из выводов которого соединен с катодом стабилитрона, отличающееся тем, что управляемый ключ выполнен в виде одно - переходного транзистора и введены интегратор, дополнительный токоограничивающий резистор, включенный между основным токоограничивающим резистором и катодом стабилитрона, дополнительный выпрямительный диод, анод которого соединен с точкой соединения основного и дополнительного токоограничивающих резисторов, а катод подключен к интегратору, состоящему из последовательно соединенных дополнительных зарядного резистора и интегрирующего конденсатора, точка соединения дополнительных зарядного резистора и интегрирующего конденсатора соединена с второй базой однопереходного транзистора, первая база которого соединена с основным разрядным резистором, а эмиттер - с основным интегрирующим конденсатором, дополнительный разрядный резистор, подключенный параллельно дополнительному интегрирующему конденсатору, второй разделительный диод, анод которого соединен с анодом первого разделительного диода, а катод подключен к эмиттеру однопереходного транзистора, один вывод переменного резистора соединен с вторым выводом первого резистора, а другой его вывод подключен к анодам первого и второго разделительных диодов и к одному из выводов второго резистора, другой вывод которого подключен к аноду стабилитрона.

РИСУНКИ

Рисунок 1