УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЗАЩИТЫ ГЛАЗ С АВТОМАТИЧЕСКИМ ЗАТЕМНЯЮЩИМ ФИЛЬТРОМ, С УЛУЧШЕННОЙ СХЕМОТЕХНИКОЙ
AUTOMATIC DARKENING FILTER EYE PROTECTION DEVICE WITH IMPROVED DRIVE CIRCUITRY

Область техники
Изобретение относится к автоматическому затемняющему фильтру (АЗФ) в устройствах для защиты глаз и, более конкретно, к устройству на основе АЗФ (далее - АЗФ-устройству), имеющему улучшенную драйверную схему.
Уровень техники
АЗФ-устройства для защиты глаз используются во многих областях. Одной такой областью является сварка, где АЗФ-технология обеспечивает защиту глаз сварщиков от интенсивного света, генерируемого в процессе сварки. Устройства для защиты глаз могут использоваться также в других областях, в которых может возникать яркий свет, например генерируемый лазерами, взрывами и т.д.
АЗФ-системы часто содержат жидкокристаллические (ЖК) устройства, свойства которых обычно задаются управляющими напряжениями, прикладываемыми к фильтру в виде соответствующей прямоугольной волны переменного тока. Чтобы сформировать прямоугольную волну, полярность напряжения, прикладываемого к фильтру, периодически реверсируется (изменяется на обратную). Согласно известной технологии переключение полярности напряжения на фильтре с положительной на отрицательную или с отрицательной на положительную происходит почти мгновенно. Такое почти мгновенное переключение приводит к высоким пиковым токам, создающим значительную нагрузку на электронные компоненты и приводящим к быстрому расходованию заряда батареей.
Раскрытие изобретения
С учетом данных недостатков представляется желательным создать такую схему для АЗФ-устройства, которая устраняет или по меньшей мере существенно снижает имеющие место случаи быстрого расходования заряда батареей и значительные нагрузки на компоненты.
Особенности и преимущества изобретения будут пояснены далее или станут понятны из нижеследующего описания или в процессе использования изобретения.
С учетом отмеченных недостатков, которые присущи уровню техники и на преодоление которых направлено изобретение, создана усовершенствованная схема для использования в автоматическом затемняющем фильтре (АЗФ), содержащем жидкокристаллический (ЖК) фильтр, имеющий первый и второй управляющие терминалы, к которым подключены четыре драйверные схемы. С каждой из этих драйверных схем ассоциировано по одной цепи временной задержки. Эти цепи, управляемые контуром управления переключениями, обеспечивают временную задержку подачи управляющих напряжений на управляющие терминалы ЖК-фильтра. В результате полярность приложенного управляющего напряжения будет периодически реверсироваться в соответствии с временной задержкой, создаваемой цепями временной задержки, и с частотой сигнала, подаваемого в контур управления переключениями.
В некоторых вариантах оба управляющих терминала ЖК-фильтра заземляются в течение периодических интервалов, соответствующих задержке, создаваемой цепями временной задержки.
В соответствии с другими аспектами изобретения разработан способ обеспечения функционирования схемы в составе автоматического затемняющего фильтра (АЗФ), включающий периодическое изменение полярности напряжения, подаваемого на пару управляющих терминалов в составе АЗФ-схемы. В некоторых своих вариантах способ обеспечивает временную задержку подачи напряжения первой полярности в течение заданного временного интервала, следующего за снятием напряжения второй полярности.
В некоторых вариантах способ обеспечивает также создание временной задержки подачи напряжения второй полярности в течение заданного временного интервала, следующего за снятием напряжения первой полярности. В некоторых других вариантах заданный временной интервал задают на основе времени, требующегося для зарядки конденсатора, через резистор, до заданного уровня напряжения. В некоторых вариантах предусматривается подача опорного потенциала к обоим управляющим терминалам в течение заданного времени.
Дополнительные задачи, решаемые изобретением, а также его преимущества станут ясны специалистам из нижеследующего подробного описания и прилагаемой формулы.
Краткое описание чертежей
Описание должно рассматриваться в неразрывной связи с прилагаемыми чертежами, которые иллюстрируют вариант осуществления изобретения и совместно с описанием служат для пояснения принципов изобретения.
Нижеследующее описание изобретения, которое адресовано специалистам в соответствующей области, включает рассмотрение его оптимального варианта и содержит необходимые ссылки на прилагаемые чертежи.
На фиг.1 показан в перспективном изображении сварочный шлем с АЗФ, в котором может использоваться усовершенствованная драйверная схема согласно некоторым аспектам изобретения.
На фиг.2 представлена упрощенная блок-схема контура для использования в качестве драйверной схемы автоматического затемняющего фильтра в соответствии с предлагаемым способом.
На фиг.3 показаны различные волны, которые иллюстрируют уровни напряжений в различных точках схемы по фиг.2 и облегчают понимание функционирования данного контура.
Одинаковые цифровые обозначения, многократно используемые в описании и на прилагаемых чертежах, служат для обозначения одних и тех же элементов в составе устройства по изобретению изобретения.
Осуществление изобретения
Далее будут подробно рассмотрены варианты изобретения, примеры которых проиллюстрированы на чертежах. Эти примеры приводятся, чтобы пояснить изобретение, не ограничивая его объем. Специалистам будет понятно, что, не выходя за пределы изобретения, в него можно вносить различные модификации и усовершенствования. Например, признаки, проиллюстрированные или описанные как соответствующие одному варианту, могут быть использованы в других вариантах с получением новых вариантов. Поэтому подразумевается, что изобретение охватывает все модификации и усовершенствования, не выходящие за пределы прилагаемой формулы изобретения.
Как было отмечено в разделе "Раскрытие изобретения", изобретение относится преимущественно к устройствам и системам на базе автоматического затемняющего фильтра (АЗФ) с усовершенствованными драйверными схемами. При этом изобретение не ограничивается каким-то конкретным типом АЗФ-систем или АЗФ-устройств. Как было упомянуто, важной областью для АЗФ-систем является их применение в сварочных шлемах (сварочных масках). Поэтому, только в иллюстративных целях, на фиг.1 показан сварочный шлем 100 с АЗФ. Сварочный шлем 100 содержит, в частности, на своей передней стороне ЖК-линзу 102. ЖК-линза 102 расположена непосредственно перед глазами пользователя шлемом, т.е. функционирует как смотровое стекло.
На фиг.2 проиллюстрирована блок-схема контура 200 для использования в качестве драйверной схемы АЗФ, применимой, в соответствии с одним аспектом изобретения, в сварочном шлеме 100. Как будет понятно специалистам в данной области, АЗФ-устройства обычно содержат жидкокристаллический (ЖК) фильтр 202, сконфигурированный для размещения между глазами пользователя и интенсивным источником света, чтобы защитить глаза пользователя. ЖК-фильтр 202 сконфигурирован с возможностью управления посредством четырех драйверных блоков: левого верхнего драйверного блока 204, левого нижнего драйверного блока 206, правого верхнего драйверного блока 214 и правого нижнего драйверного блока 216, которые подают импульсы переменной полярности на управляющие терминалы 222, 242 ЖК-фильтра 202. Драйверные блоки 204, 206, 214, 216 включаются и отключаются попарно, с формированием Н-моста. В такой конфигурации левый верхний драйверный блок 204 и правый нижний драйверный блок 216 одновременно включаются, в то время как левый нижний драйверный блок 206 и правый верхний драйверный блок 214 выключены. Затем, в чередующемся порядке, будут одновременно включены правый верхний и левый нижний драйверные блоки 214, 206 и выключены правый нижний и левый верхний драйверные блоки 216, 204.
Каждый драйверный блок содержит управляющий вход 224, 226, 234, 236, сконфигурированный для приема управляющего напряжения. Если это напряжение является достаточно высоким, т.е. превосходящим заданный пороговый уровень напряжения, оно включит драйверный блок; в противном случае драйверный блок будет выключен. Пороговый уровень может задаваться компаратором или пороговым контуром в составе драйверной схемы.
Четыре драйверных блока 204, 206, 214, 216 управляются посредством двух контуров S1 и S2 управления переключениями. Контур S1 сконфигурирован для управления левым верхним драйверным блоком 204 и правым нижним драйверным блоком 216, т.е. эквивалентен двум переключателям S1a и S1b, как это условно проиллюстрировано соответствующими штриховыми линиями. Контур S2 сконфигурирован для управления нижним левым драйверным блоком 206 и верхним правым драйверным блоком 214, т.е. эквивалентен двум переключателям S2a и S2b, как это условно проиллюстрировано соответствующими штриховыми линиями.
В процессе функционирования в линию 240 поступает входной электрический сигнал, соответствующий сигналам управления для обоих контуров S1 и S2. Сигнал, подаваемый в линию 240, может соответствовать прямоугольной волне с амплитудными значениями, соответствующими высокому логическому и низкому логическому уровням напряжения. Контуры S1 и S2 управления переключениями сконфигурированы таким образом, что при наличии высокого логического напряжения контур S1 включен, а контур S2 выключен, а при наличии низкого логического напряжения контур S1 выключен, а контур S2 включен.
В соответствии с предлагаемой технологией введен также компонент задержки, чтобы обеспечить временную задержку управляющих воздействий посредством переключателей S1a, S1b, S2a и S2b. Наличие задержки гарантирует отсутствие наложений между состояниями проводимости для драйверных блоков левой и правой сторон. Эти наложения приводили бы к мгновенным шунтированиям напряжения, регулирующего прозрачность ЖК-фильтра (далее регулирующее напряжение) до нижнего значения драйверного напряжения, которое может соответствовать потенциалу земли или другому подходящему уровню напряжения. В результате имел бы место всплеск тока, отбираемого от источника регулирующего напряжения. Источником данного напряжения, как и других используемых напряжений, включая напряжение, подаваемое при включении (далее - напряжение при включении), и напряжение, подаваемое при отключении (далее - напряжение при отключении), может являться источник относительно низкого напряжения (не изображен), использующий батарейки.
n
n
1
1
1
1
Как можно видеть из фиг.2, каждая драйверная схема содержит последовательно включенные резистор и конденсатор (обозначенные, как R и C, где n находится в интервале от 1 до 4), в точке соединения которых будет иметься пилообразное напряжение с амплитудой, зависящей от значений сопротивления и емкости, а также от приложенных напряжений. Например, во входную цепь для левого верхнего драйверного блока 204 включены резистор R и конденсатор C. Резистор R подключен одним своим концом к управляющему входу 224 левого верхнего драйверного блока 204, а другим своим концом - к источнику напряжения при включении. Конденсатор C с одной стороны подключен к управляющему входу 224, а другой - к точке, имеющей потенциал земли (нулевой потенциал).
2
2
3
3
4
4
Аналогичным образом соединенные последовательно компоненты пары резистор-конденсатор R, C включены между источником напряжения при включении и землей, а точка их соединения связана с управляющим входом 226. Аналогично компоненты пары R, С включены между источником напряжения при включении и землей, а точка их соединения связана с управляющим входом 234; компоненты пары R, C включены между источником напряжения при включении и землей, а точка их соединения связана с управляющим входом 236.
Каждый из переключателей S1a, S1b, S2a и S2b имеет вход, связанный с источником напряжения при отключении. В представленной конфигурации источник напряжения при отключении может соответствовать потенциалу земли, хотя может использоваться и любой другой уровень напряжения ниже пороговых уровней 306, 316 (см. фиг.3). Одна из функций напряжения при отключении состоит в переводе в начальное состояние функции задержки, реализуемой последовательной цепью резистор-конденсатор. Поэтому выбор нулевого напряжения, т.е. потенциала земли, является удобным, но не строго обязательным.
1
4
1
4
1
4
Как показано на фиг.2 и на графике 300 по фиг.3, когда посредством входного сигнала по линии 240 в контур S1 управления переключениями поступает высокое логическое напряжение (соответствующее волне 302), переключатели S1a и S1b соединяют одну сторону конденсаторов C и С через резисторы R и R соответственно с источником напряжения при включении. Это напряжение обеспечивает зарядку конденсаторов C и C, так что к левому верхнему драйверному блоку 204 и к нижнему правому драйверному блоку 216 будет приложено возрастающее напряжение 304. Когда напряжение 304 достигнет уровня порогового напряжения 306 для драйверных блоков, эти блоки включатся (активируются).
1
1
4
4
3
3
2
2
Одновременно, когда указанное высокое логическое напряжение поступит в контур S2 управления переключениями, переключатели S2a и S2b отключат источник напряжения при включении. Это вызовет по существу мгновенное падение напряжения на управляющих входах 226 и 234 для левого нижнего драйверного блока 206 и правого верхнего драйверного блока 214 до напряжения при отключении, что приведет к немедленному выключению левого нижнего и правого верхнего драйверных блоков. Уровень напряжения при отключении обозначен на фиг.3 как 308. Левый верхний драйверный блок 204 и правый нижний драйверный блок 216 включатся по истечении времени задержки, обеспеченной соответствующей функцией последовательных цепей резистор-конденсатор RC и RC. Аналогичная последовательность шагов выключение-задержка-включение реализуется, когда левый верхний драйверный блок 204 и правый нижний драйверный блок 216 отключатся, а правый верхний драйверный блок 214 и левый нижний драйверный блок 206 включатся после реализации функции временной задержки последовательными цепями резистор-конденсатор RC и RC.
1
1
4
4
2
2
3
3
В результате описанной последовательности шагов напряжение, прикладываемое к ЖК-фильтру 202, будет иметь форму волны 310. Рассматривая совокупность 300 волн напряжения, можно видеть, что в случае подачи в линию 240 входного сигнала (соответствующего волне 302) при достижении этим сигналом уровня высокого логического напряжения начинается плавный рост напряжения 304, определяемый постоянной времени RC-цепи хронирующих контуров RC и RC. Когда это напряжение достигает порогового уровня 306, включаются драйверные блоки 204 и 216. Когда же напряжение входного сигнала в линии 240 падает до уровня низкого логического напряжения, драйверные блоки 204 и 216 отключаются практически мгновенно, и начинается другая операция задержки, определяемая постоянными времени хронирующих контуров RC и RC. Временной интервал задержки представлен заштрихованной областью 312. После того как возрастающее напряжение 314 для этих хронирующих контуров достигнет порогового уровня 316, драйверные блоки 206 и 214 будут включены до тех пор, пока входной сигнал в линии 240 снова не достигнет уровня высокого логического напряжения. Тогда драйверные блоки 206 и 214 отключатся по существу мгновенно, и описанный цикл будет повторяться до тех пор, пока в линию 240 подается периодический входной сигнал.
Специалистам будет понятно, что, хотя выше было проиллюстрировано создание задержки для срабатывания драйверной схемы с помощью хронирующих RC-цепей, задерживающих моменты переключения, могут применяться и другие варианты создания временной задержки, включая (не ограничиваясь ими) цифровые схемы.
В результате волна напряжения, подаваемая на ЖК-фильтр 202, имеет чередующуюся полярность, причем не существует периода, в течение которого будут одновременно включены левые драйверные блоки 204, 206 или правые драйверные блоки 214, 216. Это позволит избежать шунтирования источника управляющего напряжения с падением его напряжения до потенциала земли. Тем самым будут предотвращены имевшие ранее место значительные механические напряжения в электрических компонентах и быстрое расходование заряда батарей.
Хотя изобретение было описано применительно к конкретным вариантам его осуществления, должно быть понятно, что специалисты, ознакомившись с данным описанием, смогут легко внести в него различные модификации, в том числе с использованием эквивалентных вариантов. Поэтому данное описание не должно восприниматься как вносящее какие-либо ограничения, а изобретение охватывает все упомянутые модификации, вариации и/или дополнения, очевидные для специалистов в соответствующей отрасли.