АВАРИЙНЫЙ СВЕТИЛЬНИК С ЛЮМИНЕСЦЕНТНОЙ ЛАМПОЙ

Предлагаемая полезная модель относится к схемам управления люминесцентными лампами, а более конкретно к схемам светильников аварийного освещения на люминесцентных лампах.
Известен аварийный светильник (патент РФ №64005 «Аварийный светильник с люминесцентной лампой» кл. Н01В, 41/26, опубл. 10.06.2007 г), который является наиболее близким к предлагаемому по устройству и назначению, и содержит: люминесцентную лампу с первым и вторым подогревными катодами, аккумуляторную батарею, низкочастотный выпрямитель, высокочастотный понижающий трансформаторный преобразователь, (с ферритовым трансформатором, схемой управления DC/DC), первый, второй высокочастотные выпрямители, стабилизатор тока, транзисторный инвертор DC/AC (со схемой управления, выходными транзисторами и трансформатором, входом питания, выходом переменного напряжения), резонансный LC-контур, (состоящий из индуктора, и резонансного конденсатора), блокировочный конденсатор, схему подогрева катодов люминесцентной лампы, схему защиты транзисторного инвертора от отсутствия лампы, схему защиты транзисторного инвертора при неудаче включения люминесцентной лампы, схему защиты аккумуляторной батареи от глубокого разряда с деятелем напряжения, схему «управление частотой инвертора», схему «управление частотой инвертора при зажигании люминесцентной лампы», первый, второй и третий транзисторные инвертирующие каскады (схемы «НЕ»), первый и второй согласующие резисторы, токоограничивающий резистор; схема управления транзисторным инвертором имеет входы: «установка частоты», «выключение», «блокировка», «сброс выключателя», «питание» и выходы «управление выходными транзисторами»; вход стабилизатора тока подключен к выходу первого высокочастотного выпрямителя, а выход - к аккумуляторной батарее; вход «питание» схемы управления транзисторным инвертором подключен к аккумуляторной батарее; выходы «управление выходными транзисторами» подключены к затворам или базам выходных транзисторов; вход выпрямителя низкочастотного напряжения подключен к сети переменного тока; вход высокочастотного понижающего трансформаторного преобразователя подключен к
выходу выпрямителя низкочастотного напряжения; первый и второй выпрямители высокочастотного напряжения подключены к выходу (выходам) высокочастотного понижающего трансформаторного преобразователя; люминесцентная лампа подключена к выходу транзисторного инвертора через индуктивный элемент L резонансного LC контура и блокировочный конденсатор; схема подогрева катодов подключена к катодам люминесцентной лампы; вход схемы защиты инвертора от отсутствии лампы подключен к одному из катодов люминесцентной лампы; вход схемы защиты инвертора от неудачи включения люминесцентной лампы подключен к другому катоду люминесцентной лампы; вход схемы защиты аккумуляторной батареи от глубокого разряда подключен через делитель напряжения к аккумуляторной батарее, а выход - к входу «выключатель» схемы управления транзисторным инвертором; выход схемы защиты инвертора от неудачи включения люминесцентной лампы подключен к входу схемы защиты аккумуляторной батареи от глубокого разряда; схема «управление частотой транзисторного инвертора» содержит последовательно соединенные схему «токовое зеркало» и первый времязадающий конденсатор, общая точка которых подключена к входу «установка частоты» схемы управления транзисторным инвертором; схема «управление частотой транзисторного инвертора при зажигании люминесцентной лампы» содержит второй времязадающий конденсатор (или транзисторную схему, имитирующую действие времязадающего конденсатора), подключенный через токоограничивающий резистор к входу схемы «токовое зеркало»; выход первого транзисторного инвертирующего каскада подключен к входу «сброс выключателя» схемы управления транзисторным инвертором; вход второго транзисторного инвертирующего каскада через первый согласующий резистор подключен к выходу первого транзисторного инвертирующего каскада, а выход - к входу «блокировка» схемы управления транзисторным инвертором; вход третьего транзисторного инвертирующего каскада подключен через второй согласующий резистор выходу второго транзисторного инвертирующего каскада, а выход - ко второму времязадающему конденсатору.
В известном устройстве люминесцентная лампа питается только от аккумуляторной батареи, световой поток снижается по мере истощения аккумуляторной батареи.
Предлагаемая полезная модель может обеспечить горение люминесцентной лампы при наличии напряжения в сети и при временном его отсутствии, т.е. выполнять функцию аварийного светильника с постоянным режимом работы, благодаря тому, что содержит третий высокочастотный выпрямитель, диод Шоттки, балластный
резистор и инвертирующий пороговый каскад: схема управления высокочастотного понижающего трансформаторного преобразователя снабжена входом управления; вход третьего высокочастотного выпрямителя подключен к выходу понижающего трансформаторного преобразователя, а выход - к входу питания инвертора; между аккумуляторной батареей и выходом третьего высокочастотного выпрямителя подключен диод Шоттки; вход инвертирующего порогового каскада через балластный резистор подключен к выходу низкочастотного выпрямителя, а выход - к входу схемы управления высокочастотного понижающего трансформаторного преобразователя; выход схемы защиты инвертора от отсутствия лампы подключен к входу первого инвертирующего транзисторного каскада.
Это позволяет при падении напряжения в сети, благодаря пороговому инвертирующему каскаду выключить преобразователь при точно заданном уровне напряжения в сети, а питание инвертора обеспечить от аккумуляторной батареи через диод Шоттки. При этом одна люминесцентная лампа может работать в автоматически переключаемых рабочем и аварийном режимах, обеспечивается гальваническая развязка сети переменного тока и цепей аккумуляторной батареи. Благодаря подключению схемы защиты инвертора от отсутствия люминесцентной лампы к входу первого транзисторного инвертирующего каскада, устройство будет автоматически останавливать транзисторный инвертор при отсоединении люминесцентной лампы, и перезапускать прогрев катодов и зажигание при ее замене.
Предлагаемое устройство отличается и тем, что содержит дополнительно: клемму сигнальной линии переменного тока Lком, второй низкочастотный выпрямитель с конденсатором фильтра, транзисторный оптрон, дополнительный балластный резистор, дополнительные первый и второй резисторы, третий согласующий резистор; вход второго низкочастотного выпрямителя соединен с клеммой линии Lком через дополнительный балластный резистор и образует с конденсатором фильтра второго низкочастотного выпрямителя цепь задержки сигнала включения сети Lком; вход транзисторного оптрона подключен к выходу второго низкочастотного выпрямителя напряжения через первый дополнительный резистор; выход транзисторного оптрона подключен к выходу второго высокочастотного выпрямителя через второй дополнительный резистор и через третий согласующий резистор к входу первого транзисторного инвертирующего каскада.
Это позволяет управлять включением и выключением рабочего режима светильника или группы светильников по сигнальной линии Lком. При подключении напряжения к клемме Lком выполняется подогрев катодов и зажигание
люминесцентной лампы. При этом заряд аккумуляторной батареи продолжается не зависимо от напряжения на клемме Lком. При пропадании напряжения на клемме L включается аварийный режим независимо от напряжения на клемме Lком.
Предлагаемое устройство отличается также тем, что содержит: вторую схему «токовое зеркало» с резистором задания выходной мощности люминесцентной лампы в аварийном режиме, третью схему «токовое зеркало» с резистором задания выходной мощности люминесцентной лампы в рабочем режиме, транзисторный ключ для переключения второй схемы «токовое зеркало», пороговую цепь (последовательно соединенные резистор и стабилитрон); входы второй и третьей схем «токовое зеркало» через соответствующие резисторы установки мощности аварийного и рабочего режимов подключены к аккумуляторной батарее, выходы второй и третьей схем «токовое зеркало» подключены к входу управления первой схемы «токовое зеркало»; к входу второй схемы «токовое зеркало» подключен транзисторный ключ; между входом транзисторного ключа и выходом одного из высокочастотных выпрямителей подключена пороговая цепь.
Это позволяет при постепенном падении напряжения аккумуляторной батареи в аварийном режиме снижать рабочую частоту светильника и повышать ток потребления, т.е. стабилизировать потребляемую от аккумулятора мощность, благодаря тому, что импеданс индуктивности резонансного LC-контура при снижении частоты уменьшается, в результате чего предотвращается падение светового потока. Светильник в этом случае имеет стабильный световой поток и повышенную длительность работы в аварийном режиме. Кроме того, можно установить мощность, потребляемую люминесцентной лампой в рабочем и аварийном режиме независимо одну от другой. Это позволяет использовать люминесцентные лампы различной номинальной мощности и задавать различную длительность работы в аварийном режиме.
Полезная модель поясняется схемами фиг.1-7. На фиг.1:
1 - люминесцентная лампа с подогревными катодами 2 и 3; 4 - аккумуляторная батарея; 5 - клемма, соответствующая «линии» основной сети переменного тока (L); 6 - клемма, соответствующая «линии» сигнальной сети переменного тока (Lком); 7 - клемма, соответствующая линии «нейтраль» сети переменного тока (N); 8 - первый низкочастотный выпрямитель с конденсатором фильтра 9; 10 - высокочастотный понижающий трансформаторный преобразователь; 11 - ферритовый трансформатор с первичной обмоткой 12, вторичными обмотками 13 и 14; 15 - схема управления высокочастотного понижающего трансформаторного
преобразователя (например, микросхема TNY278) с выходом 16, отрицательной шиной 17, входом регулирования 18; 19, 20, 21 - высокочастотные выпрямители; 22 - стабилизатор тока, выполненный, например, на микросхеме 23 типа LM317 с шунтом 24; 25 - транзисторный инвертор (DC/AC); 26 - схема управления преобразователем DC/AC (например, микросхема КР1211ЕУ1) с входом 27 «установка частоты», 28 - входом «выключатель» (с защелкой), 29 - входом «блокировка» (без защелки), 30 - входом «сброс выключателя», 31 - входом «питание», выходами 32, 33 управления; 34, 35 - первый и второй выходные транзисторы (например, полевые N-канальные транзисторы); 36 - второй ферритовый трансформатор; 37, 38 - первичные обмотки трансформатора 36 (общая точка обмоток 37. 38 является входом питания транзисторного инвертора 25); 39 - вторичная обмотка трансформатора 36; 40 - индуктор и 41 - конденсатор, которые образуют резонансный LC контур; конденсатор 41 одновременно обеспечивает прогрев катодов 2 и 3 люминесцентной лампы 1 (частный случай схемы нагрева катодов* (*Примечание. Могут быть применены другие схемы для подогрева катодов люминесцентной лампы, например через дополнительные обмотки трансформатора транзисторного инвертора, или индуктора LC-резонансного контура, или дополнительного трансформатора, подключенного между катодами люминесцентной лампы.); 42 - блокировочный конденсатор, препятствующий подмагничиванию сердечника трансформатора 36 возможной постоянной составляющей тока транзисторного инвертора; 43, 44, 45 - первый, второй и третий транзисторные инвертирующие каскады (схемы «НЕ»); 46 - резистор (нагрузка третьего транзисторного инвертирующего каскада); 47 - схема управления частотой инвертора при зажигании люминесцентной лампы (транзисторная схема, имитирующая действие конденсатора большой емкости, или конденсатор); 48 - схема защиты аккумуляторной батареи от глубокого разряда, выполненная, например, на микросхеме TL431; 49 - вход и 50 - выход схемы защиты аккумуляторной батареи от глубокого разряда; 51 - выходная схема управления частотой инвертора, состоящий из схемы «токовое зеркало» 52 на р-п-р транзисторах, соединенной последовательно с первым времязадающим конденсатором 53; 54 - схема защиты транзисторного инвертора при неудаче включения люминесцентной лампы; 55 - схема защиты транзисторного инвертора от отсутствия лампы; 56 - второй низкочастотный выпрямитель с
конденсатором фильтра 57; 58 - транзисторный оптрон, например, РС817; 59 - инвертирующий пороговый каскад (с нормально открытым выходным транзистором, запирающимся при превышении заданного уровня напряжения на входе), 60 - вторая схема «токовое зеркало» на п-р-п - транзисторах, 61 - третья схема «токовое зеркало» на п-р-п - транзисторах; 62 - транзисторный ключ, предназначенный для переключения второй схемы «токовое зеркало»; 63 - диод Шоттки с пониженным падением напряжения в проводящем состоянии; 64 - стабилитрон; 65, 66, 67 - первый, второй и третий согласующие резисторы; 68, 69 - балластные резисторы (в высоковольтных цепях); 70, 71 - резисторы, 72 - резистор задания выходной мощности люминесцентной лампы в аварийном режиме; 73 - резистор задания выходной мощности люминесцентной лампы в рабочем режиме; 74, 75 - резисторы.
На фиг.2 подробнее показан инвертирующий пороговый каскад 59, в котором 76, 77 - п-р-п - транзисторы, 78 - стабилитрон, 79 - конденсатор, 80 - резистор, 81 - вход, 82 - выход. Его пороговое напряжение определяется балластным резистором 80, и резистором 68 (фиг.1). Когда напряжение на резисторе 80 больше напряжения пробоя стабилитрона 78, транзистор 76 открывается, а транзистор 75 закрывается.
На фиг.3 показана схема 47, имитирующая действие конденсатора большой емкости, в которой 83 - транзистор, 84 - диод, 85 - конденсатор, 86 - резистор, 87 - вход. В этой схеме заряд конденсатора осуществляется малым током, меньшим тока коллектора транзистора 83 в число раз, соответствующему коэффициенту усиления транзистора 83; диод 84 - служит для ускорения разряда конденсатора 85.
На фиг.4 подробно показана схема защиты аккумуляторной батареи 48 на микросхеме 88 (TL431), 89-91 - резисторы, 92 - вход питания, 93 - вход для контроля напряжения аккумуляторной батареи.
На фиг.5 подробно показана схема 54 защиты транзисторного инвертора при неудаче включения люминесцентной лампы 1, где 94-96 - резисторы, 97 - диод, 98 - конденсатор, 99 - стабилитрон, 100 - транзистор, 101 - вход схемы, 102 - выход схемы.
На фиг.6 показана схема защиты транзисторного инвертора от отсутствия лампы 55, где 103-105 - резисторы, 106 - диод, 107 - конденсатор, 108 - стабилитрон, 109 - вход схемы, 110 - выход схемы.
Рекомендуется выбрать следующие основные характеристики уровней напряжений в устройстве:
- номинальное напряжение аккумуляторной батареи 7, 2В,
- номинальное напряжение сети 50 Гц между клеммами 5-7 (L, N) - 220 В,
- выходное напряжение выпрямителя 19 - 12В,
- выходное напряжение выпрямителя 20 - 8В,
- уровни переключения (открывания и закрывания) порогового инвертирующего каскада 59 рекомендуется установить в пределах ~135- 175В сети переменного тока,
- напряжение пробоя стабилитрона 64-10B, а в качестве съемы управления 26 в транзисторном инверторе 25 использовать микросхему КР1211 или аналогичную.
Функционирование полезной модели, выполненной по схеме фиг.1, осуществляется следующим образом.
В рабочем режиме аварийного светильника при наличии напряжения в сети переменного тока аккумуляторная батарея 4 заряжается через стабилизатор тока 22, выпрямитель 19.
При напряжении между клеммами 5, 7 более 175В пороговый инвертирующий каскад 59 выключен и не препятствует работе высокочастотного понижающего трансформаторного преобразователя 10.
При подключении питающего напряжения к клеммам 5, 6, 7 транзисторный инвертор 25 и его схема управления питаются выпрямителями 19, 20. Выпрямитель 21 через резистор 75 кратковременно включает транзисторный инвертирующий каскад 43. выключает каскад 44, включает каскад 45. В результате каскад 45 сбрасывает напряжение на схеме 47, имитирующей действие конденсатора большой емкости, каскад 45 повышает напряжение на входе «блокировка» схемы управления 26. каскад 43 снижает напряжение входа «сброс выключателя» схемы управления 26. Выпрямитель 56 с задержкой, определяемой величиной балластного резистора 69 и емкостью конденсатора 57, через оптрон 58 снижает напряжение на резисторе 67. Это приводит к выключению транзисторных инвертирующих каскадов 43, 45 и включению каскада 44. В результате: включение каскада 44 снимает блокирующий сигнал с входа «блокировка» 29 схемы управления 26, выключение каскада 45 возобновляет процесс заряда в схеме 47, имитирующей действие конденсатора большой емкости, выключение каскада 43 подготавливает вход «сброс выключателя» 30 схемы управления 26 для возможного срабатывания в случае необходимости
(например, при срабатывании защиты аккумуляторной батареи от глубокого разряда). При этом дальнейший заряд схемы 47, имитирующей действие конденсатора большой емкости, запускает процесс изменения тока в цепи резистора 46, в схеме «токовое зеркалом 51 и, соответственно, процесс уменьшения частоты транзисторного инвертора 25, вызывая подогрев катодов 2, 3 люминесцентной лампы 1, ее зажигание и выход в заданный рабочий режим. Люминесцентная лампа 1 загорается и работает в рабочем режиме.
В рабочем режиме при отключении клеммы 6 (Lком) от сети переменного напряжения каскад 43 включается, каскад 44 выключается, каскад 45 включается. В результате на вход «блокировка» 29 схемы управления 26 поступает запирающее напряжение, схема 47, имитирующая действие конденсатора большой емкости, разряжается, приготавливаясь к повторному включению, на вход 30 «сброс выключателя» схемы управления 26 поступает сигнал, подготавливающий схему управления 26 к очередному запуску. Люминесцентная лампа 1 в результате отключения клеммы 6 от сети переменного напряжения выключается.
В рабочем режиме при снижении напряжения между клеммами 5, 7 ниже ~135В (аварийная ситуация) напряжение на выходах высокочастотных выпрямителей 19, 20, 21 падает, диод Шоттки 63 отпирается, обеспечивая питание всех вторичных цепей аварийного светильника, транзисторный ключ 62 закрывается, схема «токовое зеркало» 60 включается, подключая резистор задания выходной мощности 72 аварийного режима в цепь схемы «токовое зеркало» 51, каскад 43 выключается. каскад 44 включается, каскад 45 выключается, возникает, описанный выше, процесс подогрева катодов 2, 3 люминесцентной лампы 1, зажигания и выхода в аварийный режим, мощность в люминесцентной лампе 1, устанавливаемая резистором 72, может быть выбрана равной или меньшей номинальной мощности лампы.
В аварийном режиме при снижении напряжения на аккумуляторной батарее 4 до нежелательного уровня (для Ni-Cd аккумулятора это значение 0,8 В на элемент батареи) напряжение на средней точке резистивного делителя 88, 89 (фиг.4) уменьшается. При снижении этого напряжения ниже значения 2.4В (для микросхемы TL431) напряжение на выходе 94 повышается и поступает на вход «выключатель» 28 (фиг.1) схемы управления 25. Это вызывает выключение транзисторного инвертора 25 и прекращение потребления энергии от аккумуляторной батареи 4. защищая батарею от глубокого разряда. Отношение сопротивлений резисторов 88, 89 (фиг.4) выбираю таким образом, чтобы напряжение на аккумуляторной батарее при срабатывании защиты от глубокого разряда составляло бы величину порядка 0,8В×п,
где п - число последовательно соединенных элементов аккумуляторной батареи 4 (фиг.1). Для батареи из 6 элементов это напряжение составляет 4.8В.
Если транзисторный Инвертор 25 и схема его управления 26 были остановлены из-за срабатывания схемы защиты аккумуляторной батареи 48 через вход «выключатель» 28 (с защелкой) схемы управления 26, то после восстановления напряжения питающей сети на клеммах 5, 7 (независимо от напряжения на клемме 6) напряжение или импульс напряжения от высокочастотного выпрямителя 21 через резистор 75 и транзисторный инвертирующий каскад 43 воздействует на вход «сброс выключателя» 30 схемы управления 26 и переключает вход «выключатель» 28 в состояние разрешающее работу схемы управления 26. Если при этом напряжение сети на клемме 6 отсутствует, то люминесцентная лампа 1 не включится. Если напряжение сети на клемме 5 присутствует, то люминесцентная лампа 1 будет гореть в рабочем режиме. Заряд аккумуляторной батареи возобновляется сразу же после подачи на клеммы 5, 7 напряжения сети.
Если в аварийном режиме (до срабатывания защиты аккумуляторной батареи от глубокого разряда) происходит возобновление подачи напряжения только на клеммы 5. 7 (клемма 6 отключена от питающей сети), то люминесцентная лампа 1 погасает, заряд аккумуляторной батареи 4 возобновляется.
Если в аварийном режиме подача напряжения происходит на клеммы 5, 6, 7, то аварийный светильник переключатся в рабочий режим. Однако в этом случае люминесцентная лампа 1 включается после автоматического процесса перезапуска, т.к. в этом случае сигнал на клемме 6 (Lком) появляется с задержкой относительно напряжения на выходе выпрямителя 21, которое и вызывает выключение лампы 1 и, далее, ее последующее включение при снижении напряжения на выходе оптрона 58.
Если в аварийном режиме после падения напряжения на клемме 5 напряжение на клемме 6 оставалось достаточным для насыщения транзистора в оптроне 58, то после восстановления напряжения на клемме 5 переход из аварийного режима в рабочий произойдет без перезапуска люминесцентной лампы.
При механическом изъятии из светильника работающей люминесцентной лампы 1 напряжение на входе 109 (фиг.1 и фиг.6) и выходе 110 схемы защиты 56 инвертора от отсутствия лампы повышается, т.к. катод 2 лампы 1 не шунтирует напряжение, развиваемое постоянным током резистора 74. После задержки роста напряжения на конденсаторе 107 (фиг.6) и достижения этим напряжением порога пробоя стабилитрона 108 происходит переключение транзисторных инвертирующих каскадов 43, 44, 45 (фиг.1), как было описано выше. Транзисторный инвертор 25
отключается через вход «блокировка» 29 схемы управления 26, разряжает схему 47, имитирующую действие конденсатора, подготавливает ее к очередному запуску. Выключение транзисторного инвертора 25 защищает транзисторы 34, 35 от перегрева. При установке люминесцентной лампы 1 в светильник происходит ее перезапуск, благодаря тому, что напряжение на входе 109 (фиг.6), выходе 110 схемы защиты 56 (фиг.1) инвертора от отсутствия лампы уменьшается и транзисторные инвертирующие каскады переключаются в альтернативные состояния.
Если в процессе запуска люминесцентной лампы 1 происходит неудача ее зажигания, то напряжение на выводе конденсатора 42 и входе 101 (фиг.1 и фиг.5) схемы защиты 54 инвертора 25 (фиг.1) от неудачи зажигания некоторое время находится на высоком уровне; оно детектируется диодом 97 (фиг.5) и задерживается конденсатором 98, сравнивается с напряжением стабилитрона 99 и через вход 49 (фиг.1) схемы защиты аккумуляторной батареи от глубокого разряда 54 и вход 28 «выключателя» схемы управления 26 отключает инвертор 25.
Для восстановления работы аварийного светильника в этом случае необходима замена люминесцентной лампы 1, если она являлась причиной неудачи зажигания, или перезапуск аварийного светильника при помощи коммутации в цепях питания (L, Lком). Перезапуску может способствовать аварийное отключение сети переменного тока.
В аварийном режиме происходит постепенное падение напряжения на аккумуляторной батарее 4. Это приводит к тому, что ток через резисторы 72 и 73 уменьшается. Одновременно уменьшается выходной ток схем «токовое зеркало» 60 и 61, поступающий на вход схемы «токовое зеркало» 51 и ток выхода схемы «токовое зеркало» 51. Это приводит к уменьшению тока в цепи входа «установка частоты» 27 схемы управления 26 и уменьшению частоты импульсов на выходах 34, 35 схемы управления 26 и на выходной обмотке 39 трансформатора 36 инвертора 25. Импеданс индуктора 40 при уменьшении частоты уменьшается. При этом, несмотря на уменьшение напряжения аккумуляторной батареи, уменьшение мощности в нагрузке, которое обычно вызывается разрядом аккумуляторной батареи 3, компенсируется повышением потребляемого тока. Световой поток в светильнике в аварийном режиме практически не изменяется, несмотря на разряд аккумуляторной батареи.
Полезная модель может быть использована для конструирования аварийных светильников постоянного действия.