РЕЛЕЙНОЕ УСТРОЙСТВО ДЛЯ СЕНСОРНОГО ВЫКЛЮЧАТЕЛЯ

Область техники, к которой относится полезная модель
Полезная модель относится к области релейных устройств, в частности к области релейных устройств на основе триггерной схемы для детектирования нажатия на сенсорный выключатель пользователем и выдачей выходного сигнала путем замыкания коммутатора.
Описание уровня техники
В настоящее время в помещениях с повышенной влажностью рекомендовано использование выключателей, которые безопасны для пользователей. Например, в помещениях бассейна, душевых, водно-оздоровительных центрах могут применяться различные электрические устройства, которые представляют собой водные аттракционы, гидромассажные системы, насосы, системы освещения и т.п. Управление такими устройствами должно осуществляться непосредственно посетителями водно-оздоровительных помещений, в связи с чем необходимо обеспечить безопасность их использования.
Использование высокоточных электрических выключателей не является безопасным во влажных помещениях ввиду повышенного риска поражения электрическим током. Другим вариантом является использование кнопок пневматического управления. Несмотря на безопасность использования таких кнопок, на практике оказалось, что они не являются долговечными и надежными в использовании. Еще одним вариантом выключателя для влажных помещений является устройство емкостного управления. Один из вариантов таких устройств описан в патенте США US 7403135 B2 (дата публикации: 22.07.2008). С практической точки зрения, емкостные системы управления требуют использования пластин конденсатора большой площади, что существенно снижает не только удобство использования, но и долговечность работы.
Авторы полезной модели находят оптимальным использование пьезокоммутационных выключателей (т.н., «пьезокнопок») со светодиодной подсветкой во влажных помещениях, которые являются слаботочными, безопасными для использования, а также надежными и долговечными. Учитывая, что пьезокоммутационные выключатели слаботочные, необходимо использование релейного устройства управления для детектирования нажатия на выключатель, в ответ на которое релейное устройство замыкает или размыкает электрическую цепь управления электрическим оборудованием (например, водным насосом). Иными словами, необходимо, чтобы релейное устройство управления замыкало или размыкало цепь электропитания оборудования при детектировании нажатия на сенсорный выключатель, находящийся в слаботочной цепи.
В качестве единственного ближайшего аналога настоящей полезной модели и прототипа была выбрана схема реле включения задних противотуманных фонарей, описанная в 6 номере журнала «Радио» за 2003 год (автор - Д. Матвеев). Прототип представляет собой релейное устройство для использования с кнопкой включения-выключения. В состав прототипа входит триггерная микросхема (например, К561ТМ2 и К561ТЛ1), которые обладают высокой температурной стабильностью и исключают возникновение сквозного тока. Прототип также содержит узел питания, выполненный в виде параллельно соединенных между собой диода, стабилитрона, резисторов и конденсаторов. Узел питания позволяет стабилизировать входящее напряжение. Прототип также содержит разъемы для подключения кнопки включения-выключения. Прототип также содержит формирователь сигнала управления, выполненный в виде каскада элементов 2И-НЕ с триггерами Шмитта на их входах и подключенный к триггерной микросхеме и к разъемам для подключения кнопки включения-выключения. В прототипе также использован узел начальной установки триггерной микросхемы, подключенный к триггерной микросхеме и содержащий элемент 2И-НЕ с триггером Шмитта на входе. Кроме того, в прототипе имеется коммутатор, содержащий электромагнитное реле и полевой транзистор, причем коммутатор подключен к выходу триггерной микросхемы. При нажатии на кнопку включения-выключения, триггерная микросхема изменяет свое состояние, что вызывает срабатывание электромагнитного реле коммутатора, которое приводит замыканию или размыканию цепи противотуманных фонарей.
Прототип имеет ряд недостатков. В частности, прототип не позволяет его использование с пьезокоммутационными выключателями, имеющими светодиодную подсветку, поскольку не может обеспечить функциональность схемы подсветки. Кроме того, прототип не предназначен для использования вне автомобиля и поэтому не может быть использован в цепи с источником сетевого напряжения и переменного тока, например, в условиях, когда необходимо управление оборудования для бассейнов, гидромассажных систем и пр.
Сущность полезной модели
Настоящая полезная модель направлена на решение задачи по устранению недостатков прототипа и обеспечению релейного устройства, которое может быть использовано в любых условиях с доступом к источнику переменного тока стандартной электрической сети напряжением 220-240 вольт, а также которое полностью совместимо с пьезокоммутационными выключателями, в том числе имеющими светодиодную подсветку.
Задача полезной модели решается путем создания релейного устройства для сенсорного выключателя. В состав релейного устройства входит триггерная микросхема, разъемы для подключения сенсорного выключателя, и формирователь сигнала управления, выполненный в виде каскада элементов 2И-НЕ с триггерами Шмитта на их входах и подключенный к триггерной микросхеме и к разъемам для подключения сенсорного выключателя. В состав устройства также входит узел начальной установки триггерной микросхемы, подключенный к триггерной микросхеме, а также коммутатор, содержащий электромагнитное реле и полевой транзистор, причем коммутатор подключен к выходу триггерной микросхемы. Полезная модель отличается от прототипа тем, что релейное устройство дополнительно содержит блок электропитания, содержащий понижающий трансформатор, выпрямитель тока и стабилизатор фиксированного напряжения, причем блок электропитания обеспечивает подачу электропитания на триггерную микросхему и коммутатор.
В соответствии с некоторыми вариантами осуществления полезной модели, релейное устройство содержит дополнительные разъемы для подключения схемы светодиодной подсветки сенсорного выключателя, причем блок электропитания выполнен с обеспечением возможности обеспечения подачи электропитания на дополнительные разъемы для подключения схемы светодиодной подсветки сенсорного выключателя.
Триггерная микросхема может представлять собой микросхему К561ТМ2 (или CD4013A), которая содержит два двухступенчатых D-триггера со входами асинхронной установки и сброса и противофазными выходами. Каскад элементов 2И-НЕ может быть выполнен на основе микросхемы К561ТЛ1 (или CD4093A), которая содержит четыре элемента 2И-НЕ с триггерами Шмитта на их входах.
В некоторых вариантах осуществления, устройство может дополнительно содержать сенсорный выключатель, выполненный с возможностью электрического подключения к разъемам для подключения сенсорного выключателя. Сенсорный выключатель может представлять собой пьезокоммутационное устройство или пьезовыключатель. Устройство может также содержать защитный корпус, в котором размещены все элементы релейного устройства.
Технический результат
Совокупность перечисленных существенных признаков настоящей полезной модели обеспечивает достижение технического результата, который заключается в обеспечении автономности, универсальности и повышении надежности работы релейного устройства, в частности при его использовании с пьезокоммутационными выключателями, имеющими в том числе светодиодную подсветку. Технический результат, обеспечиваемый существенными признаками полезной модели, также заключается в расширении функциональных возможностей и расширении ассортимента технических средств того же назначения.
Краткое описание чертежей
Сущность полезной модели далее поясняется фигурами, на которых представлено:
Фиг. 1 - блок-схема релейного устройства; и
Фиг. 2 - принципиальная схема релейного устройства по одному варианту осуществления.
Описание вариантов осуществления полезной модели
На Фиг. 1 проиллюстрировано релейное устройство согласно настоящей полезной модели. Релейное устройство может использоваться для обеспечения работоспособности сенсорного выключателя, например, пьезокоммутационного выключателя или кнопки. В данном документе, термины «кнопка» и «выключатель» означают электрическое устройство включения или выключения, предназначенное для замыкания и размыкания электрической цепи. Настоящая полезная модель может использоваться с целым рядом различных выключателей, включая сенсорные кнопки различного типа (например, емкостные, индукционные, механические), тумблеры, переключатели и т.п. Предпочтительным вариантом сенсорных выключателей является пьезокоммутационные устройства, так называемые пьезокоммутационные выключатели, пьезовыключатели или «пьезокнопки». Настоящая полезная модель также позволяет обеспечить работу сенсорных выключателей со светодиодной подсветкой, в частности пьезокоммутационных устройств со светодиодной подсветкой.
В целом, релейное устройство настоящей полезной модели выполнено с возможностью детектирования замыкания и размыкания пьезокоммутационного выключателя и формирования управляющего сигнала соответствующего результату детектирования, причем управляющий сигнал замыкает или размыкает электромагнитное реле, встроенное в релейное устройство для управления (например, включения или выключения) электрическим оборудованием.
На Фиг. 1 показано релейное устройство (1), которое может быть подключено к сенсорному выключателю (2). Сенсорный выключатель (2) может быть размещен в помещении повышенной влажности, например, в бассейне, душевой, водно-оздоровительном центре и т.п. Сенсорный выключатель (2) может быть любого приемлемого типа, однако, как указано выше, предпочтительным является выполнение в виде пьезокоммутационного выключателя (2) со светодиодной подсветкой. Сенсорный выключатель (2) может быть выполнен в корпусе из нержавеющей стали и размещен в том числе под водой. Сенсорный выключатель (2) может быть выполнен герметичным, а светодиодная подсветка может быть любого приемлемого цвета (красный, зеленый, синий и т.д.). Схема светодиодной подсветки может представлять собой один или более светодиодов, включая любые приемлемые дополнительные элементы (диоды, резисторы, конденсаторы и пр.).
Релейное устройство (1) также подключено к внешнему источнику (3) переменного тока, например, источнику сетевого напряжения стандартной электрической сети (220-240 вольт, частотой 50-60 герц). Релейное устройство (1) также подключено к электрическому оборудованию (4), которое может представлять собой любое приемлемое оборудование, которое управляется электрическим током. Например, электрическое оборудование (4) может представлять собой контакторы (насосов аттракционов для водно-оздоровительных центров, контакторы водяных насосов, контакторы светового оборудования, контакторы нагревательного оборудования и т.п.). Релейное устройство (1) позволяет осуществить гальваническую развязку цепи сенсорного выключателя (2) от цепи электрического оборудования (4). Например, цепь сенсорного выключателя (2) представляет собой слаботочную цепь, в которой используется напряжение 12 вольт постоянного тока в пределах до 50 миллиампер. Цепь электрического оборудования (4) может представлять собой цепь, в которое используется напряжение 220-240 вольт переменного тока в пределах до 1 ампера с частотой 50-60 герц. При нажатии пользователем на сенсорный выключатель (2), релейное устройство (1) детектирует нажатие и замыкает или размыкает цепь электрического оборудования (4), обеспечивая тем самым управление его включением или выключением.
В состав релейного устройства (1) входит формирователь (7) сигнала и узел (8) начальной установки, которая может представлять собой микросхему К561ТЛ1 или ее зарубежный аналог CD4093A, которая представляет собой микросхему с четырьмя элементами 2И-НЕ с триггерами Шмитта на их входах.
В состав релейного устройства (1) также входит ряд разъемов. В частности, используются: разъемы (6а) для подключения релейного устройства (1) к сенсорному выключателю (2); разъемы (6б) для подключения релейного устройства (1) к схеме светодиодной подсветки сенсорного выключателя (2); разъемы (6в) для подключения релейного устройства (1) к источнику (3) переменного тока; разъемы (6г) для подключения релейного устройства (1) к цепи электрического оборудования (4). В данном документе, термин «разъемы» означает любое приемлемое устройство для электрического соединения, например, соединения проводов с помощью зажима, скручивания, свинчивания, спайкой и т.п. В частности, «разъем» может представлять собой клеммную колодку, клеммный блок, пружинную клемму, ответвительный сжим, розетку, штекер, порт, колпачок для скрутки и т.п. В некоторых вариантах осуществления, разъемы (6а)-(6г) могут быть объединены в одном устройстве, например, на одной клеммной колодке. Использование разъемов позволяет повысить универсальность устройства, поскольку позволяет применять релейное устройство (1) в различных местах и условиях, с возможностью присоединения проводов различного типа и сечения.
В состав релейного устройства (1) также входит формирователь (7) сигнала управления, подключенный между триггерной микросхемой (5) и разъемами (6а) для подключения сенсорного выключателя (2). Формирователь (7) сигнала управления выполнен в виде элементов 2И-НЕ с триггерами Шмитта на их входах. Например, могут использоваться два, три, четыре или более элементов 2И-НЕ с триггерами Шмитта подключенных последовательно в каскад. Элемент 2И-НЕ с триггером Шмитта на входе представляет собой электронный двухпозиционный переключающий элемент, статическая характеристика которого имеет зону неоднозначности (петлю гистерезиса). Формирователь (7) сигнала управления выполняет функции защиты от неустойчивого срабатывания триггерной микросхемы (5), например, вследствие «дребезга» контактов выключателя (2), иных помех или электромагнитных наводок. Кроме того, формирователь (7) сигнала управления позволяет защитить от самопроизвольного срабатывания триггерной микросхемы (5) из-за помех в электрической цепи. Таким образом, формирователь (7) сигнала управления позволяет повысить надежность работы релейного устройства (1).
Триггерная микросхема (5) может представлять собой микросхему K561TM2 или ее зарубежный аналог CD4013A, которая содержит два двухступенчатых D-триггера со входами асинхронной установки и сброса и противофазными выходами. Микросхемы К561ТЛ1 (CD4093A) и K561TM2 (CD4013A) могут стабильно работать в широком диапазоне частот и различных внешних условиях (например, при повышенных температурах), что позволяет в целом повысить надежность работы релейного устройства (1).
В состав релейного устройства (1) также входит узел (8) начальной установки триггерной микросхемы (5), подключенный к триггерной микросхеме (5) и к блоку (10) электропитания. Узел (8) начальной установки обеспечивает выключенное состояние триггерной микросхемы (5) при подаче напряжения с блока электропитания. В состав узла (8) начальной установки может входить один, два, три или более 2И-НЕ элементов с триггерами Шмитта на их входах (например, на основе микросхемы К561ТЛ1 или CD4093A).
В состав релейного устройства (1) также входит коммутатор (9), содержащий электромагнитное реле и полевой транзистор. Коммутатор (9) подключен к выходу триггерной микросхемы (5), блоку (10) электропитания, а также соединен с разъемами (6г) для подключения релейного устройства (1) к цепи электрического оборудования (4). При нажатии на сенсорный выключатель (2) пользователем, срабатывает триггерная микросхема (5), меняя свое состояние на выходе с низкого на высокое (или наоборот). Выходной сигнал с триггерной микросхемы (5) подается на затвор полевого транзистора коммутатора (9), обеспечивая тем самым подачу электропитания (или отключение питания) на управляющие контакты электромагнитного реле, что приводит к замыканию или размыканию рабочих контактов электромагнитного реле, которые подключены к разъемам (6г). Это приводит к изменению уровня напряжения в цепи электрического оборудования (4) и, соответственно, включению или выключению электрического оборудования (4).
Как упомянуто выше, в состав релейного устройства (1) также входит блок (10) электропитания, выполненный с возможностью формирования напряжения постоянного тока и подачи этого напряжения на различные элементы релейного устройства (1), включая триггерную микросхему (5), формирователь (7) сигнала управления и коммутатор (9). В частности, блок (10) электропитания содержит понижающий трансформатор, выпрямитель тока и стабилизаторы фиксированного напряжения, которые позволяют преобразовать входное напряжение 220-240 вольт переменного тока, принимаемое на разъемы (6в) от источника (3) переменного тока, в напряжение 12 и 5,6 вольт постоянного тока. Блок (10) электропитания может быть также настроен так, чтобы обеспечить выходное напряжение в любом приемлемом диапазоне от 1 вольта до 30 вольт, например, 3 вольт, 5 вольт, 12 вольт, 24 вольт и т.п. Блок (10) электропитания может быть выполнен с возможностью формирования двух выходных напряжений (например, 12 вольт используется для схемы светодиодной подсветки сенсорного выключателя и для питания электромагнитного реле коммутатора, а 5,6 вольт используется для питания триггерной микросхемы и формирователя сигнала управления). Как показано на чертеже, блок (10) электропитания может быть также соединен с разъемами (6б) для подачи выходного напряжения на схему светодиодной подсветки сенсорного выключателя (2) и обеспечения его работы. Блок (10) электропитания позволяет обеспечить или повысить автономность работы релейного устройства (1) за счет обеспечения мобильности релейного устройства (1) и за счет обеспечения возможности использования релейного устройства (1) в любом месте, где имеется доступ к стандартному сетевому электропитанию. По сравнению с прототипом, нет необходимости встраивать релейное устройство (1) в какие-либо электрические схемы, например, электрические схемы автомобиля. Таким образом, релейное устройство (1) по настоящей полезной модели представляет собой самостоятельное, автономное устройство, которое может быть установлено в необходимых местах (например, бассейнах), и подключить сенсорный выключатель (2) любого приемлемого типа (например, пьезокоммутационные, индукционные, емкостные и т.п.) для управления электрическим оборудованием (4) широкого спектра, что обеспечивает универсальность релейного устройства (1). Использование блока (10) электропитания также позволяет повысить надежность работы релейного устройства (1), поскольку релейному устройству (1) нет необходимости опираться на внешние источники питания малого напряжения, которые могут работать нестабильно.
В некоторых вариантах осуществления, релейное устройство (1) может быть снабжено корпусом или кожухом (на фигурах не показано). Корпус или кожух может быть выполнен, например, из полимерных материалов или металла для защиты релейного устройства (1) от внешних воздействий, например, негативного атмосферного влияния или защиты от случайного прикосновения человеком. Кроме того, использование корпуса или кожуха может повысить надежность работы за счет экранирования триггерной микросхемы (5) от негативного влияния внешнего электромагнитного излучения. Это обстоятельство также позволяет повысить универсальность применения релейного устройства (1), поскольку оно может быть размещено в различных «агрессивных» средах.
Фиг. 2 иллюстрирует принципиальную схему релейного устройства (1) согласно одному варианту осуществления полезной модели. На данном чертеже, узел Х2 представляет собой разъемы (6а) для подключения релейного устройства (1) к сенсорному выключателю (2), узел X1 представляет собой разъемы (6б) для подключения релейного устройства (1) к схеме светодиодной подсветки сенсорного выключателя (2), узел Х4 представляет собой разъемы (6в) для подключения релейного устройства (1) к источнику (3) переменного тока, а узел Х3 представляет собой разъемы (6г) для подключения релейного устройства (1) к цепи электрического оборудования (4).
Трансформатор TR1 (например, понижающий трансформатор), предохранитель PR1, выпрямитель (диодный мост VD5-VD8), конденсаторы СЗ, С4, С5, С6, С7, стабилитрон VD1, сопротивление R5, а также микросхема КР1157ЕН12В (стабилизатор с фиксированным выходным напряжением 12 вольт) формируют блок (10) электропитания. Трансформатор TR1 подключен к узлу Х4 для соединения с внешним источником (3) переменного тока.
Указанные элементы блока (10) электропитания подобраны таким образом, что входящий переменный ток с сетевым напряжением 220-240 вольт частоты 50-60 герц преобразуется в напряжение 12 вольт постоянного тока, которое подается на остальные узлы релейного устройства (1) как показано на чертеже.
Формирователь (7) сигнала управления выполнен в виде трех каскадно соединенных триггеров Шмитта DD1.1-DD1.3, резисторов R1, R2, R3, и конденсатора С1. Формирователь (7) сигнала управления выполняет функции защиты от неустойчивого включения или отключения триггерной микросхемы (5) вследствие «дребезга» контактов выключателя (2) и от самопроизвольного включения или отключения триггерной микросхемы (5) из-за электромагнитных помех.
Узел (8) начальной установки состоит из триггера Шмитта DD1.4, резистора R4 и конденсатора С2. Узел (8) начальной установки обеспечивает выключенное состояние триггерной микросхемы (5) при подаче напряжения от блока (10)электропитания.
В качестве триггерной микросхемы (5) была выбрана микросхема K561TM2 (элемент DD2.1), которая реализует требуемый алгоритм работы устройства (1).
Коммутатор (9) состоит из полевого транзистора VT1 (КП501В), диодов VD3, VD4 (КД243В), стабилитрона VD2, электромагнитного реле К1, и резистора R7. Полевой транзистор VT1 защищен от напряжения самоиндукции при коммутации обмотки реле К1 посредством высоковольтного диода VD4. Стабилитрон VD1 защищает прямой выход триггерной микросхемы (5) от бросков напряжения, проникающих через емкость сток-затвор транзистора VT1. Коммутатор (9), выполненный на электромагнитном реле К1, которым управляет транзистор VT1. При подаче напряжения питания 12 вольт при срабатывании транзистора VT1, электромагнитное реле К1 замыкает или размыкает цепь К1.1 подключенную к контактам разъема Х3. Замыкание или размыкание реле К1 зависит от выбранного реле (т.е., нормально-замкнутого реле или нормально-разомкнутого реле).
Релейное устройство (1) по Фиг. 2 работает следующим образом. Когда сетевое напряжение поступает на контакты разъема Х4, узлы устройства (1) получают электропитание, однако коммутатор (9) выключен, контакты К1.1 реле К1 разомкнуты. При нажатии на выключатель (2), подключенный к контактам разъема Х2, триггер триггерной микросхемы (5) изменяет свое состояние, коммутатор (9) срабатывает и замыкает реле К1, что приводит к включению электрического оборудования (4), подключенного к контактам разъема Х3. Если повторно нажать на выключатель (2), то коммутатор (9) и, соответственно, электрическое оборудование (4) выключатся.
Таким образом, настоящая полезная модель обеспечивает релейное устройство для обеспечения работы выключателя (например, пьезокоммутационного выключателя) для управления включением и выключением электрического оборудования. Полезная модель позволяет релейному устройству работать автономно без необходимости подключения к слаботочному источнику напряжения. Кроме того, полезная модель обеспечивает универсальность релейного устройства, поскольку оно может использоваться с широким рядом различных сенсорных выключателей, включая пьезокоммутационные устройства со светодиодной подсветкой. Полезная модель также повышает надежность и долгосрочность работы релейного устройства.