RU32627U1 - Светодиодное устройство индикации - Google Patents

Description

СВЕТОДИОДНОЕ УСТРОЙСТВО ИНДИ1САЦИИ

Полезная модель относится к области электронной техники и преимущественно может быть использована для отображения сигнальной, цифровой буквенной или мнемознаковой информации, прежде всего, операторам автоматизированных систем контроля и управления различными технологическими процессами.

В автоматизированных системах контроля и управления технологическими процессами для отображения оператору информации длительное время достаточно широко применяются электролюминесцентные устройства индикации, которые благодаря высокой яркости свечения элементов индикации обеспечивают высокое качество отображения информации даже в условиях высокого уровня внешнего освещения, но обладают невысоким ресурсом работы и требуют для питания имеющего высокое значение переменного напряжения, например, с действующим значением 220 В и частотой 1000 Гц, при сравнительно невысоком токе потребления. В результате освоения отечественной и зарубежной промьппленностью вьшуска мощных светодиодных элементов индикации, обладаюпщх высокой яркостью свечения и поэтому обеспечивающих высокое качество отображения информации в условиях высокого уровня внешнего

МПК С09ОЗ/14

освещения, данные элементы нндикацин находят все более широкое применение в современных автоматизированных системах контроля и управления технологическими процессами. Это обусловлено тем, что по сравнению с электролюминесцентными элементами индикации светодиодные элементы индикации обладают существенно большим ресурсом работы и требуют для своего функционирования низковольтных источников питания постоянного тока, хотя и имеют большее значение тока потребления.

Однако, переоборудование уже существуюпщх автоматизированных систем контроля и унравления технологическими процессами, в которых ранее использовались электро.1поминесцентные устройства индикации, светодиодными устройствами индикации связано с рядом трудностей. Во-первых, кабельные .линии, как правило, достаточио протяженные, которые использовались в качестве цепей как питания, так и управления электролюминесцентных устройств индикации, предусмотрены для протекания значительно меньшего тока, чем требуется для питания светоднодиых устройств индикации. Во-вторых, питание светодиодных устройств индикации должно осушествляться от вторичного источника питания постоянного тока. Замена указанных кабельных линий и вторичных источников питания при переходе на использование светодиодных устройств индикации связана со значите.11ьными материальными и временными затратами. Использование же для управления светодиодным устройством ршдикации источника питания переменного тока, например, с действующим значением напряжения 220 В и частотой 1000 Гц, который ранее использовался в цепи питания и управления электролюминесцентного устройства индикации, требует применения согласуюцщх узлов, вьшолняющих преобразование переменного тока в постоянный и понижение напряжения до уровня, необходимого для питания и управления светодиодным устройством индикации.

Известны светодиодные устройства индикации по авторским свидетельствам СССР № 1591069, 1990, № 1689984, 1991, № 1702418, 1991 и JNfo 1709386, 1992, а также из .литературы (Микросхемы и их применение: Справочное пособие. - М.: Радио и связь, 1983, с. 210, рис. 7.4. Титце У., Шенк К. Полупроводниковая схемотехника. - М.: Мир, 1982, с. 438, рис. 23.10, с. 441,

рис. 23.15, с. 443, рис. 23.18), которые в общей для них части содержат подключеиные к вторичному источнику питания постоянного тока последовательно соединенные светодиод, ограничивающий ве;п1чину тока резистор и коммутируюпщй элемент, в качестве которого использован транзисторный ключ, логический элемент или более сложный цифровой электронный узел, например, триггер или дешифратор.

Однако, управление данными известными светодиодными устройствами индикации может осуществляться то. постоянньми напряжениями, имеющими значение, как правило, 2-5 В, что не позволяет использовать их при переоборудовании вместо электролюминесцентных устройств индикации.

Известно устройство для отображения информации по патенту Российской Федерации № 2182731, 2002, которое содержит источник переменного напряжения промьшшенной частоты, реактивный делитель напряжения, электронный ключ, управляющий выключатель, матрицу светодиодов, мостовой вьшрямитель, диодноемкостной фильтр с уравниваюпцш резистором, управляемые по времени стабилизаторы тока с корректирующими цепями, узел формирования управляющей последовательности импульсов и узел формирования питающего напряжения для узла формирования управляющей последовате.1П)Ности импу:п сов и напряжения установки величины тока стабилизации.

В данном известном устройстве питание осуществляющей индикацию матрицы светодиодов обеспечивается от источника переменного напряжения промьшшенной частоты. Однако оно обладает достаточно сложной конструкцией и потреб.11яет от источника переменного напряжения промьппленной частоты в свою цепь, предназначенную как для питания, так и для управления, достаточно большой ток. Последнее обстоятельство не позволяет использовать данное устройство в случае переоборудования уже существующих автоматизированных систем контро.11я и управления технологическими процессами, в которых ранее использовались электро.11юминесцентные устройства индикации, светодиодными устройствами индикации, так как кабельные .шгаии, которые использовались в качестве цепей как питания, так и управления электро.шюминесцентных устройств индикации, предусмотрены для протекания значительно меньшего тока, чем требуется для питания данного устройства для отображения информации.

Известно устройство включения светового прибора со светодиодами в сеть переменного тока по патенту Российской Федерации № 2151473, 2000, которое содержит подключенные в сеть перемеиного тока и последовательно соедииенные электрическую лампу накаливания, электронный преобразователь на базе вьпфямителя, емкостного фильтра и параметрического стабилизатора напряжения и параллельно-последовательные цепочки светодиодов.

Поскольку в даниом известном устройстве цепи питания и управления элементами индикации также совмещены, оно потребляет значительный по величине ток от сети переменного тока. Это также не позволяет использовать данное устройство в случае переоборудования уже существуюпщх автоматизированных систем контроля и управления технологическими процессами, в которых ранее использовались электролюминесцентные устройства индикации, светодиодными устройствами индикации, так как кабельные линии, которые использовались в качестве цепей как питания, так и управления электролюминесцентных устройств индикации, предусмотрены для протекания значительно меньшего тока, чем требуется для питания данного устройства со светодиодами в качестве элементов индикации.

Наиболее близким по конструкции к предлагаемой полезной модели следует считать светодиодное устройство индикации (Титце У., Шенк К. Полупроводниковая схемотехника. - М.: Мир, 1982, с. 439, рис. 23.12), которое содержит подключенные к вторичному источнику электропитания постоянного тока последовательно соединенные светодиод, ограничивающий величину тока резистор и входящий в состав дешифратора транзисторный ключ.

Управление данным известным светодиодным устройством индикации может осуществляться только постоянным напряжением, имеющим значение для транзисторно-транзисторной логики в пределах 2,4-5,0 В. Данное обстоятельство не позволяет применять для управления им переменного напряжения, например, с действующим значением 220 В и частотой 1000 Гц и поэтому использовать данное светодиодное устройство индикации, выбранное за прототип, вместо использованных ранее электролюмииесцентных устройств индикации в случае переоборудования автоматизированных систем котроля и управления

технологическими процессами и оснащения их светодиодными устройствами индикации, что сужает его фуикциоиальиые возможности.

Поэтому недостатком светодиодного устройства индикации, выбранного за прототип, является ограниченность его функциональных возможностей.

Задачей предлагаемой полезной модели является расширение функциональных возможностей предлагаемого светодиодного устройства индикации за счет обеспечения возможиости управления им переменным напряжением, имеющим достаточно высокое действующее значение, например, 220В.

Поставлениая задача рещается, согласно полезной модели, тем, что предлагаемое светодиодное устройство индикации, содержащее, в соответствии с прототипом, вторичный источник электропитания, транзисториый ключ и последовательно соеднненные светодиод и ограничительный резистор, подключенные к вторичному источнику электропитания через коммутируемую цепь транзисториого ключа, отличается от прототипа тем, что оио снабжено элементом гальванической развязки, включенным в цепь управления транзисторного ключа. При этом в качестве элемента гальваннческой развязки использован оптрон с включенньЕм с ним последовательно гасящим резистором или понижающий трансформатор.

Снабжение предлагаемого светодиодного устройства индикации элементом гальванической развязки, включенньш в цепь управления транзисторного ключа, например, оптроном с включеиньш с ним последовате.11ьно гасящим резистором или понижаюпщм трансформатором обеспечивает преобразование и понижение переменного напряжения управления до значения, требуемого для транзисторного ключа, в первом случае за счет падения напряжения на гасящем резисторе, а во втором случае вследствие преобразования напряжения управления понижающим трансформатором. При этом в первом случае как при положительиом, так и при отрицательиом полупериодах напряжения управлеиия траизисторный ключ оказьшается в открыгом состоянии, чем обеспечивается протекание тока от вторичного источника электропитаиия через светодиод, ограничительный резистор и коммутируемую цепь транзисториого ключа, вызывающего свечение светодиода

в течение времени действия обоих полупериодов переменного напряжегам управления.

Данное обстоятельство дает возможность управлять предлагаемым светодиодным устройством индикации переменным напряжением, в том числе, с частотой 1000 Гц, имеющим достаточно высокое действующее значение, например, 220 В, что существенно расширяет: его функциональные возможности.

Кроме того, использование в цепи управления транзисторного ключа элемента гальванической развязки, например, оптрона с включенным с ним последоватёльио гасящим резистором или понижающего трансформатора, обеспечивает потребление цепью управления незначительного по величине тока от источника переменного напряжения управления благодаря соответственно достаточно больщому сопротивлению гасящего резистора и значительному индуктивному сопротивлению первичной обмотки понижающего трансформатора. Это дает возможность использовать кабельные линии, которые использовались в уже существующих автоматизированных системах контроля и управления технологическими процессами в качестве цепей питания и управления электролюминесцентных устройств индикацни, для управления данным светодиодным устройством индикации в случае переоборудования автоматизированных систем контроля и управления технологическими процессами и осиащения их светодиодными устройствами индикации.

Отмеченное Свидетельствует о рёщёшш декларироваяной задачи предлагаемой полезной модели благодаря наличию у нее перечисленных от:шчительных признаков.

На фиг. 1 показана принципиальная электрическая схема предлагаемого светодиодного устройства индикации в использования в нем в качестве элемента гальванической развязки оптрона с включенным с ним последовательно гасящим резистором, где 1 - вторичный источник электропитания, 2 - источник переменного напряжения управления, 3 - светодиод, 4 - ограьшчительный резистор, 5 - транзистор, 6 - резистор задания смещения транзистора, 7 - оптрон, 8 - гасящий резистор и 9 - коммутирующий элемент.

элемента гальванической развязки нонижающего трансформатора, где 10 понижающий трансформатор.

Предлагаемое светодиодное устройство индикации в случае использования в нем в качестве элемента гальванической развязки оптрона с включенным с ним последовательно гасящим резистором содержит ( см. фиг. 1 ) вторичный источник 1 электропитания постоянного тока, транзисторный ключ на основе транзистора 5, например, МДП-1ранзистора с индуцированным каналом п-типа, и последовательно соединенные светодиод 3 и ограничительный резистор 4, подключенные к вторичному источнику 1 электропитания через коммутируемую цепь траизисторного ключа, то есть цепь между истоком и стоком транзистора 5. Предлагаемое светодиодное устройство шздикации также содержит источник 2 переменного напряжения управления, например, синусоидального, резистор 6 задания смещения транзистора, оптрон 7, например транзисторный, гасящий резистор 8 и комм)пгируюпщй элемент 9, натфимер, сигнатоный датчик, контакты электромагнитного реле, магнитоуправляемые контакты, переключатель и т. п., предназначенный для подключения источника 2 переменного напряжения управления к светодиодному устройству индикации. При этом входная цепь оптрона 7 с гасящим резистором 8 включены последовательно и подключены к источнику 2 переменного напряжения управления через коммутируюпщй элемент 9, а вькодная цепь оптрона 7 с резистором 6 задания смещения транзистора включены последовате.11ьно, образуют делитель напряжения и подключены к вторичному источнику 1 электропитания, причем цепь управлеиия транзисторного ключа, то есть затвор транзистора 5 подключен к средней точке де.1штеля напряжения, образованного выходной цепью оптрона 7 и резистором 6 задания смещения транзистора.

Предлагаемое светодиодное устройство индикации в случае указанной технической реализации работает следующим образом.

При разомкнутом состоянии коммутирующего элемента 9 переменное напряжение управления от источника 2 переменного напряжения управления на оптрон 7 не подается, светодиоды оптрона 7 оптического излучения не излучают, фототранзистор оптрона 7 имеет очень больщое сопротивление, через делитель напряжения, образованный выходной цепью (фототранзистором) оптрона 7 и

резистором 6 задания смещения транзистора, ток практически ие протекает и поэтому напряжение на затворе транзистора 5 почти такое же, как и на его истоке. Вследствие этого канал между истоком и стоком у транзистора 5 отсутствует, ток через него и следовательно через ограничительный резистор 4 и светодиод 3 от вторичного источника 1 электропитания не протекает и поэтому светодиод 3 оптического излучения не излучает. Информация не отображается.

При замкнутом состоянии коммутирующего элемента 9 переменное напряжение управления, иапример, с действующим значением 220 В и частотой 1000 Гп, от источника 2 переменного напряжения управления подается на последовательно соединенные гасящий резистор 8 и светодиоды оптрона 7. Поскольку светодиоды оптрона 7 включены параллельно и противоположно, то при любой полярности приложенного к ним переменного напряжения управления один из светодиодов будет открыт, а другой за1фьгг. Через открьггый светодиод оптрона 7 и гасящий резистор 8 от источника 2 переменного напряжения управления будет протекать ток. Вследствие того, что открытый светодиод оптрона 7 обладает очень малым сопротивлением, на практике в 300-400 раз меньпшм, чем согфотивление гасящего резистора 8, почти все переменное напряжение управления будет падать на гасящем резисторе 8, а на открьггом светодиоде оптрона 7 будет падать малое напряжение, необходимое для его работы, составляющее около 1,5 В. Поэтому в течение одного полупериода переменного напряжения управления оптическое излучение излучает один светодиод оптрона 7, а в течение второго полупериода - другой. Под действием падающего оптического излучения открытого светодиода оптрона 7 на фототранзистор оптрона 7 его сопротивление уменьшается и поэтому через де.1ште.1п напряжения, образованный выходной цепью (фототранзистором) оптрона 7 и резистором 6 задания смещения транзистора потечет ток от вторичного источника 1 электропитания. Протекающий через указанный делите.шь напряжения ток создаст на резисторе 6 задания смещения транзистора падение напряжения, которое превьппает пороговое напряжение испо.пьзуемого МДП-транзистора и поэтому будет индуцировать в цепи между истоком и стоком транзистора 5 канал. Через образовавшуюся цепь от вторичного источника 1 электропитания через светодиод 3, ограничительный резистор 4 и цепь между стоком и истоком

Транзистора 5 потечет ток, вызываюпщй свечение светодиода 3 и индикацию необходимой информации. При этом ограничительный резистор 4, имеющий сопротивление, существенно превьппающее сопротивление цепи между стоком и истоком транзистора 5 и сопротивление открытого светодиода 3, задает необходимую для излучения светодиода 3 величину тока.

Заявителем был изготовлен макет данного светодиодного устройства индикации, в котором были использованы в качестве светодиода 3 светодиод L304GD производства фирмы Paralight, Тайвань, обеспечивающий индикацию зеленым светом, в качестве транзистора 5 МДП-транзистор IRF 7503 производства фирмы International Rectifier, США и в качестве оптрона 7 транзисторный оптрон КР3020 производства фирмы Cosmo, Тайвань. Испытания макета данного светодиодного устройства индикации показали его работоспособность при использовании переменного напряжения управления с действующим значением 220 В и частотой 1000 Гц.

Предлагаемое светодиодное устройство индикации в случае использования в нем в качестве элемента гальванической развязки понижающего трансформатора содержит ( см. фиг. 2 ) вторичный источник 1 электропитания постоянного тока, транзисторный ключ на основе транзистора 5, например, МДП-транзистора с индуцированным каналом п-типа, и последовательно соединенные светодиод 3 и ограничительный резистор 4, подключенные к вторичному источнику 1 электропитания через коммутируемую цепь транзисторного ключа, то есть цепь между истоком и стоком транзистора 5. Предлагаемое светодиодное устройство индикации также содержит источник 2 переменного напряжения управления, например, синусоидального, понижающий трансформатор 10 и коммутирующий элемент 9, например, сигнальный датчик, контакты электромагнитного реле, магнитоуправляемые контакты, переключатель и т. п., предназначенный для подключения источника 2 переменного напряжения управления к светодиодному устройству индикации. При этом первичная обмотка понижающего трансформатора 10 подключена к источнику 2 переменного напряжения управления через коммутирующий элемент 9, а вторичная обмотка понижающего трансформатора 10 подключена своими вьшодами в цепь управления транзисторного ключа, то есть к затвору и истоку транзистора 5.

Предлагаемое светодиодное устройство индикации в случае данного вида технической реализашш работает следующим образом.

При разомкнутом состоянии коммутирующего элемента 9 переменное напряжение управления от источника 2 переменного напряжения управления на первичную обмотку понижающего трансформатора 10 не подается, ток в ней не протекает, э.д.с, индукции во вторичной обмотке понижающего трансформатора 10 не наводится и поэтому напряжение между затвором и истоком транзистора 5 равно нулю. Вследствие этого канал между истоком и стоком у транзистора 5 отсутствует, ток через него и следовательно через ограничительный резистор 4 и светодиод 3 от вторичного источника 1 электропитания не протекает и поэтому светодиод 3 оптического излучения не излучает. Информация не отображается.

При замкнутом состоянии коммутирующего элемента 9 переменное напряжение управления, например, с действующим значением 220 В и частотой 1000 Гц, от источника 2 переменного напряжения управления подается на первичную обмотку понижающего трансформатора 10 и вызьтает в ней ток, наводящий во вторичной обмотке понижающего трансформатора 10 э.д.с. индукции. При полупериоде переменного напряжения управления, когда э.д.с. индукции во вторичной обмотке понижающего трансформатора 10 приложена минусом к затвору, а плюсом к истоку транзистора 5, канал в его цепи между истоком и стоком не индуцируется и поэтому ток через светодиод 3 не протекает. Но при полупериоде переменного напряжения управления, когда э.д.с. индукции во вторичной обмотке понижающего трансформатора 10, превышающая пороговое напряжение используемого МДП-транзистора, приложена плюсом к затвору, а минусом к истоку транзистора 5, в его цепи между истоком и стоком индуцируется канал и поэтому через светодиод 3, ограничительный резистор 4 и цепь между стоком и истоком транзистора 5 от вторичного источника 1 электропитания протекает ток, вызьшающий свечение светодиода 3 и индикацию необходимой информации. При этом ограничительный резистор 4, имеющий сопротивление, существенно превьппающее сопротивление цепи между стоком и истоком транзистора 5 и сопротивление открытого светодиода 3, задает необходимую для излучения светодиода 3 величину тока.

Особенностью светодиодного устройства индикации, приведенного на фиг. 2, является то, что ток через светодиод 3 протекает только в течение времени действия только одного из каждых двух полупериодов переменного напряжения управления, подаваемого от источника 2 переменного напряжения управления. Однако, из-за высокой частоты переменного напряжения управления, равной, например, 1000 Гц, это обстоятельство не приводит к снижению качества отображения информации оператору.

Таким образом, предлагаемое светодиодное устройство индикации обеспечивает расширение функциональных возможностей предлагаемого светодиодного устройства индикации за счет обеспечения возможности управления им переменным напряжением, имеюпщм достаточно высокое действующее значение, например, 220 В и поэтому позволяет использовать его в уже существуюпщх автоматизированных системах контроля и управления технологическими процессами в случае переоборудования данных систем путем оснащения их светодиодными устройствами ршдикации вместо электролюминесцентных устройств индикации.

m/ss.2f

Claims (3)

1. Светодиодное устройство индикации, содержащее вторичный источник электропитания, транзисторный ключ и последовательно соединенные светодиод и ограничительный резистор, подключенные к вторичному источнику электропитания через коммутируемую цепь транзисторного ключа, отличающееся тем, что оно снабжено элементом гальванической развязки, включенным в цепь управления транзисторного ключа.

2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что в качестве элемента гальванической развязки использован оптрон с включенным с ним последовательно гасящим резистором.

3. Устройство по п.1, отличающееся тем, что в качестве элемента гальванической развязки использован понижающий трансформатор.