FI94204B

FI94204B - Sähkötehoa kuluttavan laitteen ohjauslaite

Info

Publication number: FI94204B
Application number: FI934775A
Authority: FI
Inventors: Teijo Viljanen
Original assignee: Helvar Oy
Priority date: 1993-10-28
Filing date: 1993-10-28
Publication date: 1995-04-13
Also published as: DE69422588T2; EP0651593A2; FI934775A0; AU682399B2; US5552676A; AU7746394A; EP0651593A3; EP0651593B1; DE69422588D1; FI94204C

Description

94204 Sähkötehoa kuluttavan laitteen ohjauslaite. - Regleranordning för en elektrisk effekt förbrukande anordning.

Keksinnön kohteena on sähkötehoa kuluttavan laitteen ohjauslaite, erityisesti valaistuksen tai lämmityksen ohjaukseen, ohjauslaitteeseen kuuluessa anturielementti, joka synnyttää ohjausvirran tai -jännitteen siihen osuneen ulkoisen vaikutuksen kuten valo- tai lämpövirran seurauksena, sekä vahvistinosa, joka vahvistaa anturielementin ohjausvirran riittäväksi ohjaamaan yhtä tai useampaa elektronista liitäntälaitetta, joka on kytketty teholähteen ja ohjattavan laitteen väliin.

Mainittu 1iitäntälaite voi olla esim. purkauslampun virran rajoitin, hehkulampun säädin, halogeeni lampun säädin tai jän-nitteenmuuttaja tai lämmitystehon säädin. Keksinnön mukaista ohjauslaitetta voidaan kuitenkin soveltaa kaikenlaisten sähkölaitteiden ohjaukseen, joka reagoi johonkin ulkoiseen vaikutukseen kuten valoon, lämpöön, ääneen, paineeseen, kiihtyvyyteen tms., joka kykenee synnyttämään anturiin pienen ohjausvirran, joka on riippuvainen mainitun ulkoisen vaikutuksen suuruudesta.

Keksinnön ensisijainen soveltamiskohde on kuitekin valaistuksen ohjaus, joten seuraavassa keksintöä selostetaan valaistuksen ohjaus!aitteenä.

Säädettävissä elektronisissa liitäntälaitteissa on nopeasti yleistynyt 1-10 V:n· analogiasignaaliohjaus.

Kun liitäntälaitteiden suora säätö on mahdollistunut, ovat yleistyneet myös vaionsäätöjärjestelmät, joissa pyritään vakioimaan sisätilan valotaso erilaisilla valoanturi-vahvis-tinjärjestelynilä.

Normaalisti tällainen järjestelmä toimii siten, että valoanturi mittaa kohteen valotasoa muuttaen sen jännitetasoksi, joka 94204 2 vahvistinyksiköl1ä muutetaan 1iitäntälaitteiden ohjausstandar-din (1-10 V) mukaiseksi. Osa ohjatun valaisimen valosta virtaa takaisin valoanturiin synnyttäen takaisinkytkennän. Valoantu-reihin liittyy säätö, jolla asetetaan haluttu valotaso. Anturi lisää tai vähentää ohjausta niin kauan, että valaisimesta ja ulkoa tulevasta valovirrasta yhteensä tulee haluttu määrä valoa anturiin. Näin saadaan huoneen valotaso vakioitua halutulle tasolle. Vahvistimet ovat aktiivisia elementtejä ja tarvitsevat siten virtalähteen. Tunnetuissa ohjauslaitteissa vahvistimet ovat erillisiä elementtejä, joiden virtalähde saa energiansa normaalisti sähköverkosta.

Keksinnön tarkoituksena on saada aikaan parannettu ohjauslaite, jossa anturin vahvistimen tarvitsema kaikki energia otetaan poikkeuksellisesti liitäntälaitteen ohjauslinjoista. Keksintöä koskeva määrittely on esitetty oheisessa patenttivaatimuksessa 1.

Tämän keksinnön toteuttamista varten on kehitetty myös uudentyyppinen ratkaisu anturivahvistimeksi, joka (1) toimii alle 1,0 V:n jännitteellä (2) tarvitsee toimiakseen hyvin pienen energian ja (3) on kuitenkin kykeneväinen imemään suuriakin virtoja, jotta useiden liitäntälaitteiden rinnakkainen ohjaus .. olisi mahdollista.

Anturivahvistimeen ja sen ohjaukseen liittyvät tunnusmerkit on esitetty epäitsenäisissä patenttivaatimuksissa 4-10.

Seuraavassa keksinnön yhtä suoritusesimerkkiä ja sen erilaisia . kytkentäsovellutuksia havainnollistetaan viittaamalla oheisiin • ·« piirustuksiin, joissa kuvio 1 esittää piirikaaviota keksinnön yhden toteutustavan mukaisesta ohjauslaitteesta;

Il IB I »·!!· M i Rl I

3 94204 kuvio 2 esittää ohjauslaitteen ja 1iitäntälaitteen välistä ' peruskytkentää; kuvio 3 esittää muuten samaa kuin kuvio 2, mutta kytkentään on lisätty käsisäädin, jolloin ohjaus voidaan suorittaa valinnaisesti käsin tai keksinnön mukaisella ohjauslaitteella tai niiden yhdistelmänä siten, että käsi-säätö määrää vaiaistustason ylärajan ja toimii pääkyt-kimenä; ja kuvio 4 esittää keksinnön mukaisten ohjauslaitteiden käyttöä rinnankytkettynä, jolloin ohjaus tapahtuu vähiten valoa saavan anturin mukaan.

Aluksi selostetaan kuvion 1 mukaista piirikaaviota. Ohjauslaite muodostuu toiminnallisesti neljästä eri osasta: 1) Vahvistin/integraattoriosa V1-V4, joka vahvistaa anturin V8 mikroampeeritason virran riittäväksi ohjaamaan haluttua määrää 1iitäntälaitteita 7 (kuvioissa 2-4). Vahvistinosaan liittyy myös virranrajoituskytkentä V7, R8, R7 suojaamaan vahvistinta ylikuormittumiselta.

2) Anturielementti V8 ja siihen välittömästi liittyvät biasoin-ti- ja kompensointiosat V5, R3. Aktiivisen anturielementin asemesta voidaan ohjausvirta antaa myös passiivisella säätö-elementi1lä.

3) Transistorien V6, Vll, V12, V13 ja vastusten Rll, R12, R5, R6, R9 muodostama kytkentä, joka mahdollistaa mm. sen, että ulkoisella linjalla (napa 3) voidaan pakottaa vahvistin suuri-impedanssiseen tilaan eli estotilaan. Tällä mahdollistetaan usean ohjauslaitteen rinnankytkentä (vrt. kuvio 4) siten, että vähiten valoa saava valosensori V8 on säätöjärjestelmässä määräävänä.

94204 4 4) Herkkyydensäätöosa R5, R15, R14, jolla ohjauslaitteen herk-kyystaso säädetään, joko laitteen sisäisellä säätövastuksella R5 tai ulkoisella jännitteel lä/virral ia·, joka tuodaan liitosnapaan 1.

Vahvistimen toiminta

Vahvistimen toiminta perustuu piipohjäisten bipolaaritransis-torien ominaisuuksiin. Näiden kyllästysjännite Uce on vielä kohtuullisillakin virroilla alle 0,25 V ja kannan ohjausjännite Ube on välillä 0,6 - 0,7 V. Kytkemällä pnp- ja npn-tyyppisiä transistoreja V4-V1 vuorotellen ketjuun saadaan aikaan kytkentä, jonka edellisen transistorin koilektorivirta on seuraavan transistorin kantavirta eli kunkin transistorin virtavahvis-tuskertoimen HFE:n verran suurempi. Näin toteutetulla rakenteella hyvin pienellä ohjausvirral1 a vahvistin pystyy imemään kohtuullisen suuria virtoja vielä alle voltin ylimenojännitteellä. Vahvistimessa on lisäksi tehosuojaus V7, R8, R7, eli jos vahvistimen läpi menevä virta ja yli oleva jännite ovat liian suuria, kytkee transistori V7 vahvistimen suurohmiseen tilaan.

Anturielementti ia biasointi

Ohjauslaitteessa käytetty valoanturi synnyttää napojensa välille virran tai jännitteen, joka on verrannollinen anturiin osuneeseen valovirtaan. Anturi toimii lineaarisesti, mikäli sen yli oleva jännite pidetään hyvin pienenä ja mitataan sen antamaa virtaa. Tämä on tehty biasoimalla vahvistimen sisäänmeno . seuraavasti: Ottaakseen ohjausvirtaa, vahvistimen transistorin « V4 kantajännitteen täytyy olla vähintään kontaktipotentiaalin suuruinen eli 0,6 - 0,7 V (riippuen lämpötilasta, virran suuruudesta ja transistorityypistä). Synnyttämällä vastaavansuuruinen jännite toisella samanlaisella transistorilla (V5), kytkemällä sen kanta ja kollektori yhteen ja nämä isolla vas- 5 94204 tuksella (R3, R18) vahvistimen ensimmäisen transistorin (V4) kollektorille, voidaan anturielementti (V8) kytkeä näiden kahden transistori V4, V5 kantojen väliin ilman ylimenojännitettä.

Ohjauslaitteen estokytkentä

Ohjauslaite voidaan saattaa suurohmiseen tilaan ulkoisella ohjauksella. Tämä on toteutettu siten, että vahvistimen ensimmäisen transistorin V4 kantajännite vedetään alas lisätransis-torilla V7 , joka saa ohjauksensa ulkoisesta linjasta (napa 1), tai sisäiseltä "ylösvetotransistori1 ta" V6, joka on aina johtavassa tilassa, mikäli ohjauslaitteeseen tulee asetusarvoa enemmän valoa. Tämä todetaan transistoreilla Vll ja V13. Transistoria V6 ohjaava ulkoinen linja (napa 3) on siis loogisesti jaa-tyyppiä, eli ohjauslaitteiden ollessa rinnankytkettyjä, voivat ohjauslaitteet olla aktiivissa tilassa vain, mikäli kaikki ohjauslaitteet saavat riittävästi valoa.

Ohjauslaitteen herkkyyden säätö

Koska anturielementti V8 on biasoitu noin 0,65 V tasolle, on herkkyyssäätö voitu toteuttaa hyvin yksinkertaisesti pelkällä trimmerivastuksella R5. Anturista V8 virtaa vahvistimeen ohjausvirtaa vain siinä tapauksessa, että se ylittää virran, jonka säätötrimmeri R5 ottaa, eli virran, joka on biasointi-jännite jaettuna trimmerin senhetkisellä vastuksella. Kun vahvistin saa virtaa, alkaa se johtaa ja ajaa ohjausjännitteen sille rajatasolle, että anturi V8 ei enää pysty syöttämään vahvistinta. Vahvistin on tehty hyvin hitaaksi aikavakiokon-densaattorei11 a C1-C3, jotta säätösilmukka ei värähtelisi.

f

Ulkoinen herkkyyssäätö tehdään muuttamalla trimmerin R5 alapään jännitettä ulkoisella jännitteellä vastusten R14, R15 avulla. Samalla muuttuu trimmerin R5 ylimenojännite ja sen ottama virta.

94204 6

Kuvion 2 mukaisessa peruskytkennässä on edellä selostettu ohjauslaite 5 liitetty ohjauslinjan muodostavilla johtimilla 6 liitäntälaitteeseen 7, joka on kytketty esim., purkauslamppujen ja verkkosähkön väliin. Ohjauslaite 5 saa sähkötehoa liitäntä-1aitteelta 7 ohjauslinjan johtimien 6 kautta.

Kuvion 3 tapauksessa ohjauslaitteen 5 napaan 3 on liitetty käsisäätimeltä 8 tuleva ohjausjohto. Aktivoimalla käsisäädin 8 1iitäntälaite 7 seuraa sen ohjausta. Kytkemällä käsisäädin 8 pois, ohjauslaite 5 ohjaa liitäntälaitetta 7. Jos ohjauslinjaa ei liitetä napaan 3, käsisäädin 8 rajoittaa valaisimen maksi-mivalotason. Samalla käsisäädintä 8 voidaan käyttää ON/OFF-kytkimenä.

Kuvion 4 mukaisen rinnankytkennän toimintaan on viitattu jo edellä. Rinnankytkettyjen ohjauslaitteiden 5 "disable"-navat 3 on yhdistetty johdolla, jolloin vähiten valoa saava ohjauslaite 5 on säätöjärjestelmässä määräävänä.

• · « »

Claims

1. Sähkötehoa kuluttavan laitteen ohjauslaite, erityisesti valaistuksen tai lämmityksen ohjaukseen, ohjauslaitteeseen kuuluessa anturielementti (V8), joka synnyttää ohjausvirran tai -jännitteen siihen osuneen ulkoisen vaikutuksen kuten valo- tai lämpövirran seurauksena, tai passiivinen säätöelementti, sekä vahvistinosa (V4-V1), joka vahvistaa anturielementin (V8) tai säätöelementin ohjausvirran riittäväksi ohjaamaan yhtä tai useampaa elektronista liitäntälaitetta (7), joka on kytketty teholähteen ja ohjattavan laitteen väliin, tunnettu siitä, että mainitun ohjauslaitteen (5) vahvistinosan (V4-V1) tarvitsema sähköteho on järjestetty syötettäväksi mainitulta 1iitäntälaitteelta (7) sen ja ohjauslaitteen (5) väliin kytketyillä johtimilla (6).

2. Patenttivaatimuksen 1 mukainen ohjauslaite, tunnettu siitä, että mainitut johtimet (6) toimivat myös ohjauslaitteen (5) ja liitäntälaitteen (7) välisenä ohjauslinjana.

3. Patenttivaatimuksen 1 tai 2 mukainen ohjauslaite, tunnettu siitä, että mainittu liitäntälaite (7) on purkaus-lampun virran rajoitin, hehkulampun säädin, haiogeeni1ampun säädin tai jännitteenmuuttaja tai lämmitystehon säädin.

4. Jonkin patenttivaatimuksen 1-3 mukainen ohjauslaite, tunnettu siitä, että ohjauslaitteessa (5) on ulkoinen ohjauslinja (3), joka liittyy vahvistimen (V4-V1) ohjaukseen siten, että rinnankytkettyjen ohjauslaitteiden (5) ohjauslin-jojen (3) ollessa yhdistettynä, ainoastaan vähiten valoa tai lämpöä saava ohjauslaite (5) on aktiivinen.

5. Jonkin patenttivaatimuksen 1-4 mukainen ohjauslaite, tunnettu siitä, että anturivirran vahvistimeen kuuluu pnp- ja npn-transistoreita (V4-V1), jotka on kytketty vuorotel- 8 94204 Ien ketjuun siten, että edellisen transistorin koi 1ektorivirta on seuraavan transistorin kantavirta.

6. Jonkin patenttivaatimuksen 1-5 mukainen ohjauslaite, tunnettu siitä, että anturielementti (V8) on biasoitu (V5, R3) alle 1,0 V:n tasolle ja ohjauslaitteen herkkyyssäätö on toteutettu trimmerivastuksel1 a (R5).

7. Jonkin patenttivaatimuksen 1-6 mukainen ohjauslaite, tunnettu siitä, että vahvistinosaan (V4-V1) liittyy tehonrajoituskytkentä (V7, R8, R7), joka ohjaa vahvistimen suurohmiseen tilaan, jos vahvistimen lähtöteho kasvaa liian suureksi.

7 94204

8. Jonkin patenttivaatimuksen 1-7 mukainen ohjauslaite, tunnettu siitä, että vahvistimen (V4-V1) ohjauslähtö (2), jonka kautta vahvistin saa käyttötehonsa, on kytketty anturin (V8) biasointielimeen (V5), joka estää ohjausvirran syötön anturilta vahvistimelle kun vahvistimen lähtötaso saavuttaa tietyn tason.

9. Jonkin patenttivaatimuksen 1-8 mukainen ohjauslaite, tunnettu siitä, että vahvistimen (V4-V1) eteen on kytketty transistori (V6), joka on aina johtavassa tilassa kun •I anturiin tulee asetusarvoa enemmän valoa, minkä toteamista varten anturin (V8) ja vahvistinosan (V4-V1) välille on kytketty toinen vahvistin (V11-V13), joka ohjaa mainittua transistoria (V6) .

10. Jonkin patenttivaatimuksen 1-9 mukainen ohjauslaite, tunnettu siitä, että anturi (V8) on kytketty biasointi-transistorin (V5) ja vahvistinosan ensimmäisen transistorin (V4) kantojen väliin. 9 94204