Энергосберегающее устройство электроснабжения (квартиры, дома, поместья) с дистанционным управлением

Изобретение относится к разводке электрической сети, беспроводному дистанционному управлению энергоснабжением. Технический результат - энергосбережение, которое достигается за счет автоматического отключения нагрузки по истечении заданного промежутка времени с возможностью последующего дистанционного включения. В схемном решении применены осциллятор, счетчик импульсов, узел управления с функцией логистора, нелинейный двухполюсник, биполярный усилитель мощности, симисторный выключатель, миниатюрный пульт дистанционного управления. 3 з.п. ф-лы, 7 ил.

 

Изобретение относится к разводке электрической сети, беспроводному дистанционному управлению электроснабжением (в части прежде всего освещения, кондиционирования) квартиры, дома, поместья, другого жилого и нежилого помещения, содержащего светильники различного типа и другие нагрузки.

Технический результат - энергосбережение, которое достигается за счет автоматического отключения той или иной нагрузки в сети по истечении заранее заданного промежутка времени с возможностью последующего ее дистанционного включения или отключения.

Техническими результатами изобретения являются также удобство пользования системой управления и спрямление (укорочение) проводки от ввода (или от разветвления) до источника освещения за счет исключения участков проводки, служащих для установки традиционных выключателей в удобном пользователю месте (обычно на уровне среднего роста человека). И, как результат, достигается экономия меди (алюминия) и изоляционных материалов.

Известны [1], [2] выключатели в сети переменного тока (в том числе с дистанционным управлением), основным силовым элементом которых служат симисторы (триаки) [В.Я.Замятин и др. Мощные полупроводниковые приборы. Тиристоры (справочник) М.: Радио и связь, 1987, стр.297-325, 527-546].

На фиг.1 изображен прототип разводки сети освещения с традиционными выключателями В. На фиг.2 - «спрямленная» проводка с использованием симисторных выключателей Bс, управляемых дистанционно с помощью миниатюрного пульта управления.

На фиг.3 изображен симисторный выключатель, состоящий из симистора (возможно с радиатором при большой нагрузке) 1 и слаботочной части симисторного выключателя Bс*, которая управляет симистором.

На фиг.4-а и 5 изображена принципиальная схема симисторного выключателя с дистанционным управлением (на фиг.4-а - схемы каскада коммутации полезной нагрузки и выпрямителя, на фиг.5 - схема узла управления). На фиг.4-б и 4-в приведены пояснения.

Обозначение существенных элементов устройства: 1 - упомянутый выше симистор, 2 - синхронный одноступенчатый RS-триггер [3], 3 - выпрямитель, 4 - формирователь «узловых» импульсов, 5 - биполярный усилитель мощности; с0, с1 - шины (вводы) переменного напряжения Vc, 6(а+) и 7(а--) - шины положительного и отрицательного потенциалов относительно одной из шин (с0) переменного напряжения, 8 - RC-шунт, сглаживающий переходные процессы в симисторе; 9, 10, 11, 12, 13, 14, 20 - формирователь «узловых» импульсов 4 (резисторы: входной, коллекторный, корректирующий, входной транзистор, емкость и резистор дифференцирующей цепочки, нелинейный двухполюсник соответственно; 15 - возможный разрыв в цепи для включения усилителя по напряжению; 16, 17, 18, 19 - резисторы входной, эмиттерный и транзисторы биполярного усилителя с различным типом проводимости n-p-n и p-n-p; 20 - упомянутый выше нелинейный двухполюсник, выполненный в виде цепочки встречно-включенных кремниевых стабилитронов (как вариант, он может быть выполнен также в виде одного или цепочки согласно-включенных стабилитронов [1] [2]); 21 - токоограничительный конденсатор выпрямителя 3; 22 и 23 - выпрямительные диоды; 24 и 25 - накопительные конденсаторы выпрямителя; 26 и 27 - кремниевые стабилитроны выпрямителя; 28 - осциллятор (источник счетных импульсов); 29 - счетчик импульсов; 30 - логический элемент ИЛИ в цепи выключения; 31, 32, 33 - логические элементы: И в цепи включения, ИЛИ в цепи синхронизации триггера 2, И в цепи выключения; 34 - дешифратор сигнала, приходящего от 35; 35 - приемник электромагнитных (в том числе ультрафиолет, инфракрасных или иного диапазона) волн: детектор с видеоусилителем сигнала; 36 - «светлячок» для визуального обозначения места расположения приемника относительно пользователя с пультом 37; 37 - пульт дистанционного управления (ПДУ), находящийся у пользователя (мобильный вариант; возможен также вариант стационарного расположения нескольких излучателей волн, несущих информацию о командах, посылаемых с общего щитка управления на «рецепторы», сосредоточенных, например, в гостиной комнате, объектов разноцветного светоизлучения с помощью направленных командных излучателей: каждый - на свой приемник, обслуживающий тот или иной объект, при общем управлении со стационарного щитка дистанционного управления; при этом управление может осуществляться программируемым контроллером автоматически); 38, 39, 40, 41 - фильтры постоянного тока в цепях питания; 42 - выключатель поступления счетных импульсов на вход счетчика, выполненный в виде логического элемента И (питание его подключено к выходу одного из двух фильтров); 43 - связь: подача Q-сигнала на один из входов выключателя 42; 44 - связь: импульсный сигнал «сброса» счетчика (обнуление всех разрядов счетчика); 45 - связь: импульсный сигнал на выходе дешифратора по каналу «Включить» (Вкл); 46 - связь: импульсный сигнал на выходе 34 по каналу «Выключить» (Выкл); 47 - связь между одним из выходов счетчика импульсов и входом 30: на выходе счетчика появляется импульсный сигнал, фронт которого определяется моментом завершения в счетчике 29 отсчета заданной длительности времени, а тыл - моментом прихода сигнала «сброса» с выхода элемента 33 по связи 44.

Фиг.4-б поясняет работу устройства, изображенного на фиг.4-а. При нахождении триггера 2 в состоянии 1 (Q=1, : транзистор 12 заперт и не шунтирует стабилитрон 20). Пунктирной кривой на нижней осциллограмме показана кривая переменного напряжения на коллекторном резисторе 10 при замкнутом накоротко стабилитроне 20. Сплошной ломаной линией изображена реальная (то есть соответствующая приведенной схеме) осциллограмма на входе дифференцирующей цепочки 13-14. Верхняя осциллограмма - напряжение на резисторе 17. Она отображает «узловые» импульсы, следующие с удвоенной частотой сети и меняющие полярность от импульса к очередному импульсу.

Вблизи нулевых напряжений (узлов) происходит включение симистора при одинаковой полярности потенциала (относительно катода) на аноде и управляющем электроде симистора.

При включении симистора его электрическое сопротивление лавинно уменьшается и практически все напряжение сети падает на полезной нагрузке R_H. Открытый симистор продолжает быть в открытом состоянии до тех пор, пока не завершится полуволна положительного или отрицательного напряжения на его электродах А-К. Изменение напряжения на его управляющем электроде при открытом симисторе не влияет на его состояние. В запертое состояние симистор возвращается при падении модуля (+ или --) напряжения практически до нуля. В проводящее (открытое) состояние симистор переходит при подаче на его управляющий электрод импульса той же полярности, что и полярность напряжения на аноде.

Ток через симистор и полезную нагрузку течет при плюсовой полуволне на аноде симистора: от фазной шины с1 через нагрузку, А-К симистора на шину с0 U~, при отрицательной полуволне на аноде - в обратном направлении: от шины с0 через А-К симистора и полезную нагрузку на шину с1 источника переменного напряжения, т.е. А и К за полупериод поменялись местами.

При нахождении триггера 2 в состоянии 0 (Q=0, Q=1: транзистор 12 открыт и шунтирует вход последующей схемы) импульсы на выходе формирователя «узловых» импульсов и, следовательно, на управляющем электроде симистора отсутствуют, симистор заперт, нагрузка обесточена.

Состояние 1 триггера 2 определяет рабочее состояние силовой части устройства: нагрузка - под током; состояние 0 триггера 2 определяет нерабочее состояние силовой части: нагрузка обесточена.

Когда нагрузка устройства находится под током (на верхнем по схеме выходе триггера 2 потенциал соответствует «единичному» напряжению), т.е. с момента включения счетные импульсы осциллятора 28 уже поступают на С-вход счетчика импульсов, поскольку на верхнем по схеме входе логического элемента И 42 включена 1. Через заданное время на одном из выходов 29, который подключен проводником 47 к входу 30, появляется импульс, поступающий через логические элементы 32 и 33 одновременно на два входа (С и R) триггера 2, и он переходит в состояние 0: нагрузка обесточивается автоматически. При желании пользователя нагрузка может быть выключена раньше, чем выключит ее автомат при предварительно установленной (заданной пользователем) выдержке времени.

Как видно из фиг.5, логистор включает в свой состав: RS-триггер синхронный (2), три логических элемента И (31, 33, 42), два логических элемента ИЛИ (30, 32), осциллятор 28, счетчик импульсов (29), информационные взаимные связи между устройствами логистора (43, 44, 45, 46, 47), короткие (необозначенные номерами) связи (31-S, 32-С, 33-R, 28-И-29), а также вспомогательные элементы фильтров (39-41, 38-40) и проводники, обеспечивающие питание микросхем логистора.

ПДУ (37), детектор с видеоусилителем сигнала (35), дешифратор команд (34) и «светлячок» (36) не входят в состав логистора.

Усилитель напряжения, включаемый в разрыв информационной цепи 15, представляет собой трехполюсник, третий полюс которого соединен с общей шиной с0. Слева на фиг.4-в дано его условное изображение. В частном случае он может быть выполнен в виде последовательного соединения операционного усилителя и инвертора (пункт 2 формулы). Справа приведена функциональная схема операционного усилителя: 48 - резистор обратной отрицательной связи операционного усилителя, 49 - входной резистор, 50 - резистор на выходе операционного усилителя, 51 - усилитель сигнала с большим коэффициентом усиления. Отношение номиналов сопротивлений резисторов 48 и 49 определяет коэффициент усиления операционного усилителя. Для инвертора этот коэффициент равен 1 при точно такой же схеме, изображенной на фиг.4-в.

Устройство дистанционного управления (с передачей информации от пульта к приемнику с использованием инфракрасного излучения: ИКИ) известно, хорошо зарекомендовало себя в телевизионной технике и описано в литературе: например [4] стр.76-82. Задача может состоять лишь в миниатюризации пульта управления. Миниатюрный пульт управления 37 выполнен в виде авторучки, помещаемой в нагрудный кармашек. Он содержит ИК-излучатель, микросхему, задающую дистанцию между изучаемыми импульсами для формирования кода, электрохимический источник тока и всего две кнопки управления. Одна из них служит для включения и выключения объекта управления, на приемник которого направлена ось ПДУ, вторая - для установки выдержек времени включения. Та или иная выдержка времени задается числом нажатий второй кнопки: первое нажатие осуществляет команду «сброс» (при этом устанавливается минимальная выдержка времени), для чего в схему 37 введен счетчик числа нажатий, данные которого вносятся в код установки выдержки времени, серия излучаемых ИК-импульсов формируется известным путем.

Целесообразно, например, установить следующие выдержки времени в 29:

1 - 7,5 минут код 000 3 - 1 час код 010 5 - 4 часа код 100.

2 - 15 минут код 001 4 - 2 часа код 011

Кодирование сигнала командой «Выключить» происходит в пульте управления 37 путем нажатия на его первую кнопку. При этом осуществляется излучение коротких (10 мксек) импульсов, взаимное расположение которых (код) образует командное слово, при котором после прохождения сигнала через указанную цепь (37 - электромагнитные волны - 35-34) на определенном выходе (проводник 46) дешифратора кодов 34 возникает по меньшей мере один импульс, переключающий триггер 2 в состояние 0 - нагрузка обесточивается.

Приход импульса «Включить» на вход 31 и 32 переключает триггер 2 в состояние 1, то есть в рабочий режим.

Дистанционное переключение выдержек времени реализовано в том же устройстве с дополнением его управляемым переключателем (выходов счетчика 29 на вход 47 элемента 30), выполненным на 5-ти оптронах, из которых лишь один задействован, обеспечивая поступление сигнала на 30.

Дистанционное переключение выдержек времени реализовано в том же устройстве с дополнением его управляемым переключателем (выходов счетчика 29 на вход 47 элемента 30), выполненным на 5-ти оптронах, из которых одновременно задействован лишь один, обеспечивая требуемое поступление сигнала на один из входов логического элемента ИЛИ 30.

РЕЗУЛЬТАТЫ ИСПЫТАНИЙ

Импульсы на управляющем электроде симистора в режиме «Выключено» остаются в устройстве с использованием встречно-включенных стабилитронов (или цепочки встречно-включенных стабилитронов), но они настолько малы, что не способны привести к включению симистора. В режиме «Включено» импульсы становятся более интенсивными за счет использования более длительного участка нарастающего (спадающего) напряжения вблизи нулевых значений сетевого напряжения.

Источники информации

1. Описание изобретения к патенту РФ №2130213.

2. Описание изобретения к патенту РФ №2036553.

3. Батушев В.А., Вениаминов В.Н. Микросхемы и их применение. Радио и связь. Изд. 2-е, М., 1984, стр.120, рис.4.13.

4. Войцеховский Д.В., Пескин А.Е. Любительские устройства для цветных ТВ. "Символ-Р", 2-е изд., М., 1994, стр.76-81.

1. Энергосберегающее устройство электроснабжения (квартиры, дома, поместья) с дистанционным управлением, содержащее однофазную сеть источника переменного напряжения, полезную нагрузку, миниатюрный пульт дистанционного управления и дистанционно управляемый симисторный выключатель, содержащий узел управления, выпрямитель с выходами положительного и отрицательного напряжений, общая точка которых соединена с одной из шин сети переменного напряжения (называемой далее общей шиной), и каскад коммутации нагрузки, состоящий из формирователя «узловых» импульсов (каскад входного транзистора, нелинейный двухполюсник, дифференцирующая цепь), биполярного усилителя мощности «узловых» импульсов и симистора, символический анод симистора через полезную нагрузку подключен к фазной шине сети, катод - к общей шине, усилитель мощности имеет два транзистора с n-p-n и p-n-p проводимостями и соединяющий эмиттеры обоих транзисторов с общей шиной резистор, управляющий электрод симистора подключен к выходу биполярного усилителя, а именно - к соединенным вместе эмиттерам двух транзисторов, коллекторы транзисторов усилителя мощности соединены с шинами выпрямителя, соответственно: коллектор первого транзистора - с положительной шиной выпрямителя, второго - с его отрицательной шиной, базы транзисторов усилителя мощности соединены вместе и через соответствующий резистор подсоединены к выходу дифференцирующей цепи, а именно к общей точке соединения второй обкладки конденсатора цепи с ее резистором, подсоединенным вторым концом к обшей шине, первая обкладка конденсатора через коллекторный резистор входного транзистора соединена с фазной шиной сети, а через параллельное соединение «промежуток коллектор-эмиттер входного транзистора - нелинейный двухполюсник» - с общей шиной, отличающееся тем, что узел управления выполнен в виде логистора, оконечным устройством которого служит синхронный RS-триггер, инверсный выход его через резистор соединен с базой входного транзистора, логистор содержит также три логических элемента И, два логических элемента ИЛИ, генератор импульсов (осциллятор), счетчик импульсов, дешифратор командных сигналов, приходящих от детектора инфракрасного излучения (ИК) через усилитель видеосигнала, при этом S-вход RS-триггера соединен с выходом первого элемента И, С-вход RS-триггера соединен с выходом первого элемента ИЛИ, R-вход RS-триггера соединен с выходом второго элемента И, Q-выход RS-триггера соединен с одним из входов третьего элемента И, второй вход которого соединен с выходом осциллятора, а выход - с С-входом счетчика импульсов, один из выходов которого соединен с первым входом второго элемента ИЛИ, выход которого соединен со вторым входом первого элемента ИЛИ и входами второго элемента И, второй вход второго элемента ИЛИ соединен с выходом дешифратора «Выключить», выход дешифратора «Включить» соединен с первым входом первого элемента ИЛИ и входами элемента И, выход второго элемента И соединен также с инверсным входом счетчика импульсов, газосветный «светлячок» для визуального обозначения места расположения приемника инфракрасного излучения подключен через резистор к электродам анод - катод симистора, в качестве нелинейного двухполюсника использованы два встречно-включенных кремниевых стабилитрона, база входного транзистора подключена через корректирующий резистор к шине выпрямителя, имеющей отрицательный потенциал, величина корректирующего резистора должна быть выбрана из условий:
, ,
где U_x - напряжение на базе входного транзистора в рабочем режиме относительно общей шины;
- модуль напряжения на инверсном выходе триггера при Q=1;
R₉, R₁₁ - величины сопротивлений, индекс которых обозначает номер резистора по схеме,
α - обозначено отношение величин сопротивлений R₁₁ к R₉;
- абсолютная величина напряжения на выходе выпрямителя,
при необходимости в разрыв цепи между выходом дифферецирующей цепи и резистором на входе усилителя мощности включен усилитель напряжения.

2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что усилитель напряжения выполнен в виде последовательного соединения операционного усилителя и инвертора.

3. Устройство по п.1, отличающееся тем, что биполярный усилитель мощности выполнен в виде последовательной цепочки одинаковых по схеме, но различных по своим параметрам каскадов усилителей.

4. Устройство по п.2, отличающееся тем, что биполярный усилитель мощности выполнен в виде последовательной цепочки одинаковых по схеме, но различных по своим параметрам каскадов усилителей.