дистанционный переключатель

Формула изобретения

Дистанционный переключатель, содержащий излучающий элемент с подключенным к нему генератором накачки, а также фотоприемник, состоящий из последовательно соединенных фотоэлемента и усилителя, отличающийся тем, что в него введены два оптических фильтра и последовательно соединенные блок сравнения, ждущий генератор и логический блок с n информационными выходами, где n 1, имеющими два логических уровня: 0 и 1, к дополнительному входу начальной установки которого через дифференцирующий каскад подсоединен источник постоянного питания, а также исполнительный элемент, выполненный в виде коммутатора, имеющего n направлений с двумя положениями, каждое из которых связано с одним из информационных выходов логического блока, и блок регулирования порога, выход которого подключен к первому входу блока сравнения, второй вход которого соединен с выходом усилителя, причем фотоприемник и излучатель размещены в одной плоскости и оптический фильтр установлен перед каждым из них.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области сигнализации и может быть использовано в качестве дистанционного переключателя, например, осветительных приборов.

Известны переключатели осветительных приборов [1] которые в большинстве схем требуют механического воздействия на исполнительный элемент. Их недостатком является необходимость прямого механического контакта с таким устройством, низкая надежность из-за наличия механических деталей с трением.

Наиболее близким к предлагаемому является активное устройство [2] которое может быть использовано в качестве дистанционного переключателя, содержащее излучающий элемент с подключенным к нему генератором накачки, а также фотоприемник, состоящий из последовательно соединенных фотоэлемента и усилителя. Это устройство принято за прототип. Данное устройство срабатывает и включает внешнее устройство, например, осветительные приборы, только на то время, пока перед ним находится объект (человек). Как только человек выходит из поля зрения устройства, осветительные приборы отключаются, что является недостатком. Кроме того, в данном устройстве излучатель и фотоприемник размещены в разных плоскостях напротив друг друга и устройство реагирует на объект, появляющийся между ними, что исключает возможность портативного исполнения прибора в едином корпусе, что делает данную схему неподходящей для построения дистанционного переключателя.

Целью изобретения является обеспечение возможности сохранения состояния переключателя "включено" или "выключено" до поступления следующей команды.

Указанная цель достигается тем, что в дистанционный переключатель, содержащий излучающий элемент с подключенным к нему генератором накачки, а также фотоприемник, состоящий из последовательно соединенных фотоэлемента и усилителя, введены два оптических фильтра и последовательно соединенные блок сравнения, ждущий генератор и логический блок с "n"-информационными выходами, где n1, имеющими два логических уровня "ноль" и "единица", к дополнительному входу начальной установки которого через дифференцирующий каскад подсоединен источник постоянного питания, а также исполнительный элемент, выполненный в виде коммутатора, имеющего "n" направлений с двумя положениями, каждое из которых связано с одним из информационных выходов логического блока, и блок регулировки порога, фотоэлемент и излучающий элемент размещены в одной плоскости и оптический фильтр установлен перед каждым из них.

Введение в состав устройства логического блока позволяет дистанционно включать осветительные приборы включать n-групп приборов независимо друг от друга, либо одновременно (например, группы из двух или трех ламп в люстре). Благодаря дифференцирующему каскаду устройство при кратковременном отключении питания возвращается в начальное состояние "выключено".

На фиг. 1 изображена блок-схема предлагаемого устройства; на фиг. 2,а - эпюра сигнала V3 на выходе генератора накачки; на фиг. 2,б фотосигнал V5 фотоэлемента (фотодиода); на фиг. 2,в эпюра сигнала V7 на выходе блока сравнения сигналов; на фиг. 2,г эпюра сигнала V9 на выходе ждущего генератора; на фиг. 2,д и е эпюры сигналов V15(Q), V15 соответственно на неинвертирующем и инвертирующем выходах D-триггера; на фиг.2,ж эпюра сигнала V16(Q) на неинвертирующем выходе D-триггера; на фиг.2,з указаны состояния "включено" либо "выключено для исполнительного элемента (коммутатора) для каждого из его двух положений; на фиг. 3 и 4 приведены примеры исполнения логического блока на D-триггерах и всего устройства соответственно.

Дистанционный переключатель содержит излучатель 1, состоящий из излучающего элемента 2 (например, светодиода), подключенного к нему генератора накачки 3, фотоприемника 4, состоящего из последовательно соединенных фотоэлемента 5 и полосового усилителя 6. Выход усилителя 6 (являющегося одновременно и выходом фотоприемника 4) подключен к информационному входу блока сравнения 7, управляющий вход которого соединен с выходом блока регулятора порога 8. Выход блока сравнения 7 подключен ко входу ждущего генератора 9, выход последнего соединен с основным входом логического блока 10. Логический блок 10 имеет n-информационных выходов, где n1, каждый из этих выходов имеет два логических уровня "ноль" либо "единица". На выходе логического блока 10 включен коммутатор 11 с n-направлениями и двумя положениями: каждый из n-выходов логического блока 10 соединен с одним из направлений коммутатора 11. Кроме указанного основного входа (а), логический блок 10 имеет дополнительный вход начальной установки (б). К нему через дифференциальный каскад 12 подключен источник постоянного питания 13. Излучающий элемент 2 и фотоэлемент 5 снабжены светофильтрами 14" и 14". В качестве фотоэлемента можно использовать любой фотоприемный элемент, например, фотодиод. Полосовой усилитель 6 может содержать первый предварительный каскад, согласованный по шумам и импедансу с фотоэлементом 5. Блоки 3-13 можно выполнять на различных радиоэлектронных компонентах и по различным электрическим схемам, сохраняя функциональные преобразования каждого блока. Блок питания может собираться по стандартным схемам и подключаться к сети 220 В. Когда устройство используется во внутренней электропроводке жилых помещений, целесообразно собирать источник питания 13 по схеме, допускающей подключение в разрыв одной фазы.

Устройство работает следующим образом. Генератор импульсной накачки 3 генерирует короткие импульсы тока длительности Т_с, существенно короче периода следования Т_п (Т_с<Т), фиг.2,а. Этими импульсами запитывается излучательный элемент 2 (светодиод), так что он начинает получать оптические импульсы, через светофильтр 14", если перед устройством взмахнуть рукой, то оптические импульсы отразятся от руки и через светофильтр 14" попадут на фотоэлемент 5. В фотоэлементе 5 возникнут пачки импульсов тока, фиг.2,б. Их амплитуда определяется расстоянием руки от устройства, коэффициентом отражения излучения от руки. Положение пачек на оси времени синхронизировано с моментом взмаха руки t₁, t₂, t₃, t₄, а количество импульсов в пачке зависит от скорости взмаха (на фиг. 2,б условно изображены пачки с числом импульсов 1-3). Полосовой усилитель 6 воспроизводит эти импульсы. Если амплитуда указанных импульсов (в смеси с шумом) превышает уровень порога (а этот уровень регулируется блоком регулятора порога 8), то на выходе блока сравнения сигналов 7 появляется прямоугольный импульс, той же длительности Т_с, но постоянной амплитуды, фиг.2,в. Следующий блок ждущий генератор 9 формирует уже не амплитуду, а длительность выходного импульса: она равна длительности всей пачки импульсов, которая поступила на вход блока 7 (фиг.2,г). Таким образом, на входе логического блока 10 формируется последовательность прямоугольных импульсов, каждый такой импульс соответствует взмаху руки. Эти импульсы переключают логические уровни выходов логического блока 10 из состояния "0" в состояние "1" и наоборот. Закон переключения зависит от номера выхода: каждое переключение n-выхода происходит после того, как на вход блока 10 поступило следующее число импульсов:

n-1

N 2 (1)

Здесь n номер выхода;

N число прямоугольных импульсов в пачке, необходимое для переключения n-выхода на другой логический уровень. Для первого выхода

n-1 1-1

N 221, (2)

то есть каждый импульс (пачка из одного импульса) переводит этот выход в новое состояние. Второй выход

2-1

N 22, (3)

реагирует только на второй импульс (так как N 2). Третий выход реагирует лишь на четвертый входной импульс:

3-1

N 22 4, (4)

четвертый только на восьмой и так далее. Сказанное можно также отобразить следующими диаграммами состояний логических уровней n-выходов (см. таблицу).

Из таблицы следует: логический блок имеет m различных состояний, отличающихся по логическому уровню хотя бы одного выхода, (сравните все столбцы друг с другом для разных значений n). При этом

n

m 2 (5)

Изменение логического уровня с "нуля" на "единицу" приводит к включению коммутатора 11, а с "единицы" на "ноль" к его выключению.

При внезапном неконтролируемом отключении и включении сетевого питания от источника постоянного питания 13 через дифференцирующий каскад 12 на дополнительный вход начальной установки логического блока 10 проходит импульс, который возвращает логический блок 10 в начальное состояние: на всех его n-информационных выходах формируются логические состояния "ноль", так что направляющие коммутатора переводятся в положение "выключено". Это устраняет самопроизвольное включение дистанционного переключателя при "прыжках" сетевого питания.

Пример исполнения логического блока 10 приведен на фиг.3. Закон переключения (1) обусловил построение логического блока 10 на D-триггерах по схеме "деление на двое". Число D-триггеров определяется соответственно числом направлений n. На фиг. 3 приведена схема на двух D-триггерах 15 и 16 и n-2. В каждом триггере соединены D-вход и инвертирующий выход. Кроме того, инвертирующий выход первого триггера 15 соединен с C-входом второго триггера 16. К неинвертирующим выходам этих триггеров подключены выходные согласующие каскады 17" и 17"". Выходы этих выходных каскадов являются одновременно выходами логического блока 10.

D-триггеры, используемые в приведенном примере решения логического блока 10, переключаются от переднего фронта импульса, пришедшего на его C-вход. При этом на Q, выходах формируются логические состояния "ноль" и "единица", а состояния на Q-выходе противоположны состояниям на выходе, сравните фиг. 2,д и е. Входной сигнал V9 изображен на фиг.2,г. Переключение только по одному, переднему фронту обеспечивает выполнение принципа "деления на двое": на выходах первого триггера частота импульсов уменьшается вдвое (сравните фиг.2,г и 2,д и е); на выходах второго триггера еще вдвое, фиг 2, ж. Естественно, при включении по аналогичной схеме n-триггеров на выходе n-триггера обеспечится деление 2, т.е. выполнится указанный выше алгоритм (1). Выход каждого n-триггера через выходной каскад 17 управляет n-направлением коммутатора 11. Для приведенного примера n=2 положения коммутатора 11 указаны на фиг. 2, з. В соответствии с изложенным выше, состоянию "ноль" триггера соответствует положение коммутатора 11 "выключено", а состоянию "единица" "включено". Так что каждый взмах руки производит переключение устройства в новое положение. Число таких неповторяющихся положений равно 2 (фиг.2,з, а также таблица).

Пример исполнения устройства в целом приведен на фиг.4. Генератор накачки 3, собранный на микросхеме КР1006ВИ1, генерирует импульсы тока длительностью Т_с= 20 мкс, периодом Т_п=20 mc и амплитуды 0,3А. При таком токе мощность оптического излучения излучающего элемента 2 порядка 15-30 мВт в максимуме данной волны излучения 0,9 мкм (применен светодиод АЛ156А). При такой мощности обеспечивается дальность действия 10-30 см. В качестве фотоэлемента 5 использован кремниевый фотодиод, площадка которого имеет диаметр 2 мм. В рассматриваемом примере светофильтры излучателя 14" и приемника 14"" выполнены из одного оптического стекла ИКС-1 (как общий светофильтр). Такое стекло прозрачно для излучения светодиода 0,9 мкм и почти непрозрачно для видимого диапазона. Дополнительная фильтрация от постоянной и низкочастотной помеховой засветки осуществляется в полосовом усилителе 6, его полоса пропускания выбрана равной 1,0-40 кГц. Верхняя граница этой полосы (40 кГц) согласована с полосой сигнала, которая равна

-5

f 1/2T 1/2210 25 кГц (6)

Блок сравнения сигналов 7 собран на микросхеме 521СА3, ждущий генератор 9 на микросхеме К1561АГ1. В дифференцирующем каскаде 12 конденсатор 10,0 мкф и сопротивление 100 кОм обеспечивает постоянную времени 1 с. Логический блок 10 собран по описанной выше схеме с двумя D-триггерами (микросхема К561ТМ2). Согласующие каскады 17 собраны на микросхемах КР1006ВИ1. В коммутаторе 11 использовались семисторы КУ208Г. Блок регулятора порога 8 может быть выполнен, например на потенциометре.

Возможны различные варианты исполнения предлагаемого устройства. Например, логический блок 10 может быть выполнен на основе счетчиков; блок питания 13 может обеспечивать питание от одной фазы. Тогда он включается в разрыв этой фазы (как стандартный выключатель). В этом случае конструктивно устройство целесообразно выполнять в габаритах выключателя для внутренней электропроводки.

Благодаря обеспечению возможности сохранения состояния переключателя "включено" и "выключено" до поступления последующей команды, наряду с применением предлагаемого устройства в качестве переключателя осветительных приборов (люстр, настольных ламп, торшеров), его можно использовать также для дистанционного включения и выключения других объектов: систем автоматического управления дверями, бытовых приборов, промышленного оборудования. При n 1 он может использоваться как автоматический выключатель в помещениях для одного человека (ванных, туалетов, телефонных будок): при входе человека в помещение освещение автоматически включится а при выходе выключится.

Литература:

1. Общая электротехника. /Под редакцией А.Т.Блажкина. Л. Энергоатомиздат, 1986, с. 472.

2. Авторское свидетельство СССР N 525984, кл. G 01 В 13/18, 1976.