Автономний освітлювальний світлодіодний ліхтар

Реферат: Автономний освітлювальний світлодіодний ліхтар, до складу якого входить вмонтований в його корпус акумулятор, перетворювач напруги з випрямлячем, на виході якого знаходиться конденсатор, до першого виводу конденсатора підключений перший вхід випромінюючого блока на основі світлодіодів, а до другого - силовий вхід регулятора струму, силовий вихід якого через установлювальний резистор підключений до другого входу випромінюючого блока, в який введений температурний датчик, вихід якого підключений до першого входу схеми І, до другого входу якої підключений установлювальний резистор, а вихід схеми І підключений до входу керування регулятора струму. Додатково введені блок контролю рівня заряду акумулятора, акустичний сигналізатор, гніздо для заряджання акумулятора та стандартне гніздо USB. UA 98790 U (12) UA 98790 U UA 98790 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Корисна модель належить до освітлювальної техніки, зокрема до переносних пристроїв з вбудованими джерелами струму, таких як акумуляторні ліхтарі індивідуального освітлення для шахт і рудників, для виконання аварійно-рятувальних робіт, а також для застосування у всіх випадках, де використання стаціонарних освітлювальних приладів неможливе. Розширення функціональних характеристик у поєднанні з надійністю, компактністю, зручністю у користуванні та підвищеним ресурсом роботи є важливим фактором при створенні нових універсальних модифікацій освітлювальної апаратури, яка може застосовуватися для задоволення різноманітних потреб у багатьох виробничих сферах та в побуті. На сьогоднішній день розроблена та впроваджена велика кількість різноманітних автономних освітлювальних засобів, кожен з яких має певні переваги, але в той же час жодна з конструкцій не спроможна одночасно поєднати перелічені вище експлуатаційні характеристики. Так, відомий світлодіодний ліхтар, що містить механічний вимикач, стабілізатор струму та джерело світла у вигляді світлодіода, які з'єднані послідовно. Для захисту джерела світла від перевантаження електрична схема ліхтаря доповнена двома електронними вимикачами, один з яких включений паралельно механічному вимикачу, а другий - паралельно стабілізатору струму 8 для його запуску в момент включення ліхтаря (патент на корисну модель RU № 59202, МПК : F21L 4/00, опубл. 10. 12. 2006 p.). Інший електричний освітлювальний пристрій містить автономне замінюване джерело постійного струму (хімічний акумулятор), інвертор, випрямляч, вихідна напруга якого згладжена конденсатором та живить випромінюючий блок на основі світлодіодів через регулятор струму з колом зворотного зв'язку та регулюючий резистор величини світлового потоку світлодіодів (патент на корисну 6 модель РФ № 59201, MПK : F21L 4/00, опубл. 10.12.2006 р.). Найближчим аналогом иоделі, що пропонується, є "Автономний освітлювальний світлодіодний ліхтар" (патент України UA № 62459, опубл. 25.08.2011, бюл. №16). До складу цього пристрою входить вмонтований в його корпус акумулятор, який живить інвертор з випрямлячем, на виході якого знаходиться конденсатор, до першого виводу якого підключений перший вхід випромінюючого блока на основі світлодіодів, а до другого - силовий вхід регулятора струму, силовий вихід якого через установлювальний резистор підключений до другого входу випромінюючого блока, а сигнал з виходу температурного датчика, розміщеного поряд із світлодіодами, приходить на один із входів схеми І, на інший вхід якої приходить сигнал з установлювального резистора; вихід схеми І підключений до входу керування регулятора струму. Таким чином, при збільшенні температури світлодіодів випромінюючого блока, сигнал з виходу датчика температури буде пропорційно зменшувати струм через світлодіоди, підтримуючи температуру останніх на заданому рівні. При цьому буде зменшуватись споживання струму від акумулятора і збільшуватись час автономної роботи ліхтаря. Але в схемі ліхтаря повністю відсутній моніторинг стану акумуляторної батареї і може статися так, що ліхтар несподівано перестане працювати із-за повного розряду акумулятора. Це є суттєвим недоліком прототипу. Крім того, у прототипі не передбачено ніяких роз'ємних з'єднань для заряджання акумулятора не виймаючи його з корпусу. І, нарешті, функціональні можливості ліхтаря звужені до одного призначення - освітлення. У той же час, при використанні ліхтаря геологами, мисливцями, туристами і рятівниками дуже потрібною можливість підзарядки різних пристроїв (мобільних телефонів, планшетів та інших гаджетів) від акумулятора ліхтаря.В основу корисної моделі поставлена задача збільшення терміну автономної роботи, подовження строку служби акумулятора за рахунок належної його експлуатації та розширення функцій ліхтаря. Поставлена задача вирішується за рахунок того, що у автономному освітлювальному світлодіодному ліхтарі, до складу якого входить вмонтований в його корпус акумулятор, перетворювач напруги з випрямлячем, на виході якого знаходиться конденсатор, до першого виводу конденсатора підключений перший вхід випромінюючого блока на основі світлодіодів, а до другого - силовий вхід регулятора струму, силовий вихід якого через установлювальний резистор підключений до другого входу випромінюючого блока, в який введений температурний датчик, вихід якого підключений до першого входу схеми І, до другого входу якої підключений установлювальний резистор, а вихід схеми І підключений до входу керування регулятора струму, додатково введені блок контролю рівня заряду акумулятора, акустичний сигналізатор, гніздо для заряджання акумулятора та стандартне гніздо USB, а схема І має три входи, перетворювач напруги має додатковий вихід постійного струму. Суть моделі пояснює креслення, на якому зображені: 1) акумулятор; 1 UA 98790 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 2) перетворювач напруги; 3) випрямляч; 4) конденсатор; 5) джерело світла (світлодіоди); 6) регулятор струму; 7) установлювальний резистор; 8) датчик температури; 9) схема "І"; 10) блок контролю рівня заряду акумулятора; 11) акустичний сигналізатор - зумер; 12) кнопка - вимикач; 13) гніздо для зарядки акумулятора; 14) гніздо USB; 15)перший вхід блоку контролю рівня заряду акумулятора; 16) другі (плюсові) входи блоку контролю рівня заряду акумулятора та перетворювача напруги; 17) перший вихід блоку контролю рівня заряду акумулятора; 18) другий вихід блоку контролю рівня заряду акумулятора; 19) третій вихід блоку контролю рівня заряду акумулятора; 20) загальні (земляні) контакти блоків 2, 3, 4, 5 та 10; 21) перший вхід перетворювача напруги; 22) перший (плюсовий) вихід перетворювача напруги; 23) другий (додатковий) вихід перетворювача напруги; 24) вхід випрямляча; 25) вихід випрямляча - плюсова шина блоків 3, 4 та 6; 26) перший вхід схеми "І"; 27) другий вхід схеми "І"; 28) третій вхід схеми "І"; 29) вихід схеми "І"; 30) вхід керування регулятора струму; 31) силовий вихід регулятора струму; З2) силовий вхід установлювального резистора; 33) силовий вихід установлювального резистора; З4) контрольний вихід установлювального резистора; З5) контрольний вихід датчика температури; З6) силовий вхід джерела світла. Акумулятор 1 може бути будь-якого типу. Зараз існують багато типів акумуляторних батарей, які можуть забезпечити автономне живлення ліхтаря, у тому числі нікель-кадмієві, нікель метал гідридні, літієві і таке інше. Перші два типи батарей мають напругу 1,2 В на елемент, а літієві 3,6-3,7 В на один елемент. З урахуванням того, що пряма напруга на світлодіоді може бути від 2,5 до 3,5 В в залежності від його типу, потрібно не менше трьох батарей перших двох типів або одна літієва. Треба відмітити, що саморозряд нікелевих акумуляторів значно більший, ніж у літієвих, а кількість циклів заряд/розряд менша. При цьому ціна потрібної кількості нікелевих акумуляторів вища, а маса значно більша, ніж у літієвих батарей однакової з ними ємності. При живленні світлодіодів від акумуляторів будь-якого типу важливі дві проблеми забезпечення сталого струму і погашення надлишку напруги або її підвищення, в залежності від кількості світлодіодів в джерелі світла. Найкращим рішенням вказаних вище проблем буде використання знижуючого або підвищуючого перетворювача постійної напруги в сталий струм 2. Зараз існує багато компонентів, у тому числі спеціалізованих мікросхем, які дозволяють створювати перетворювачі напруги з ККД біля 92-95 %. Випрямляч 3 найкраще виконати на діодах Шоттки, які мають мале падіння прямої напруги при номінальному струмі. Конденсатор 4 треба вибирати достатньої ємності та з мінімальним струмом витоку. Кількість і потужність світлодіодів у джерелі світла 5 треба вибирати в залежності від вимог до автономного освітлювального приладу, головними з котрих є час безперервної роботи та необхідний світловий потік. Оскільки обидві вимоги взаємовиключні, у кожному випадку треба доходити розумного компромісу. Регулятором струму 6 може бути біполярний або польовий транзистор необхідної потужності та відповідного типу провідності з мінімальним падінням напруги емітерколектор (витік-стік) у відкритому стані. Найкраще цим вимогам відвідають MOSFETтранзистори логічного (TTL) рівня керування. Установлювальний резистор 7 є задатчиком 2 UA 98790 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 струму через джерело світла. Датчик температури 8, зазвичай термістор, приклеєний до друкованої плати, на якій встановлені світлодіоди, якнайближче до останніх. Схема "І" це суматор аналогових сигналів, який може бути виконаний по класичній схемі на операційному підсилювачі з низьким однополярним живленням. Блок контролю рівня заряду акумулятора 10 може бути виконаний на мікросхемах середнього рівня інтеграції, найкраще КМОП. Акустичний сигналізатор (зумер) 11 звичайний п'єзоелектричний випромінювач з вбудованим генератором. Кнопка 12 - звичайна механічна, що працює на замикання без фіксації. Гніздо для зарядки акумулятора 13 - стандартне триконтактне гніздо живлення, при наявності якого заряджати акумулятор можна не виймаючи його з корпусу ліхтаря, а 14 стандартне гніздо USB. У похідному стані акумулятор 1 підключений до схеми, кнопка 12 не натиснута, джерело світла не світиться. Якщо акумулятор 1 заряджений до певного рівня, який встановлюється при регулюванні пристрою різним для кожного типу акумуляторів, після короткочасного натискання на кнопку 12 на виході 15 блока контролю рівня заряду акумулятора 10 з'явиться сигнал, який надійде на вхід 19 перетворювача напруги 2, що дозволить роботу останнього. На конденсаторі 4 з'явиться напруга, яка пройшовши через регулятор струму 6 "засвітить" джерело світла 5 з інтенсивністю, що у даний момент відповідає встановленому резистором 7 струму, температурі світло діодів та рівню зарядженості акумулятора. Якщо акумулятор розряджений, то після натискання кнопки 12 перетворювач напруги не буде включений, а на виході 17 блока контролю рівня заряду акумулятора 10 з'явиться сигнал, який включить зумер 11. У штатному режимі роботи пристрою поступово підвищується температура світлодіодів та падає рівень зарядженості акумулятора. Перше викликає відповідну зміну сигналу на виході датчика температури 8, але до тих пір, поки температура світлодіодів не перетне межі раніше завданої, нічого не змінюється. Як тільки плинна температура світлодіодів стане вище безпечної робочої, зміниться рівень сигналу на виході 29 схеми "І" 9, що визве зниження струму через світлодіоди і, як наслідок, зменшення температури останніх. Аналогічно, блок 10 постійно контролює рівень зарядженості акумулятора. Коли рівень напруги на акумуляторі знизиться до наперед встановленого, наприклад до 50 % номінального, декілька разів прозвучить зумер, попереджаючи користувача про зниження заряду акумулятора і, одночасно, на виході 17 блока контролю рівня заряду акумулятора 10 з'явиться сигнал, який у сукупності сигналів з блоків 7 і 8 на входах аналогового суматора 9 зменшить струм, що протікає через світлодіоди. Чим менше буде становитися напруга акумулятора, тим менше буде струм, що протікає через світлодіоди. При якомусь, наперед заданому (наприклад 20 %), рівні заряду акумулятора зменшення струму через світлодіоди залишиться на досягнутому рівні і на якийсь час (наприклад 10 секунд) включиться зумер, що попередить користувача про критичний рівень заряду акумулятора. І, нарешті, коли напруга на акумуляторі досягне критичного рівня для типу акумулятора, який використовується у приладі (наприклад 1 В на банку для нікелевих акумуляторів), з виходу 17 блока 10 зніметься сигнал включення перетворювача напруги 2 і останній "засне". У "сплячому" режимі вся схема буде споживати від акумулятора не більше 1 мА. У схемі ліхтаря присутні елементи початкового регулювання параметрів, які цього потребують, наприклад максимальної температури світлодіодів, рівня заряду акумулятора, від якого починається зниження струму через світлодіоди, мінімальний рівень заряду, при якому прилад виключається і таке інше. У штатному режимі прилад виключається натисненням кнопки 12. Під час штатної роботи приладу на додатковому виході 23 перетворювача напруги 2 присутня постійна напруга + 5 В±5 %, яка подається на відповідні контакти стандартного гнізда USB. Ця опція дозволяє, при необхідності, у похідних умовах заряджати акумулятори мобільних телефонів, планшетів та інших гаджетів. Схемотехніка автономного світлодіодного ліхтаря та наведений вище алгоритм його роботи дозволяють значно підвищити час автономної роботи останнього за рахунок регулювання струму через світлодіоди в залежності від температури останніх та ступеня заряду акумулятора. Одночасно, автоматизація розряду акумулятора дозволяє повністю використовувати його ресурс. ФОРМУЛА КОРИСНОЇ МОДЕЛІ 60 Автономний освітлювальний світлодіодний ліхтар, до складу якого входить вмонтований в його корпус акумулятор, перетворювач напруги з випрямлячем, на виході якого знаходиться 3 UA 98790 U 5 10 15 конденсатор, до першого виводу конденсатора підключений перший вхід випромінюючого блока на основі світлодіодів, а до другого - силовий вхід регулятора струму, силовий вихід якого через установлювальний резистор підключений до другого входу випромінюючого блока, в який введений температурний датчик, вихід якого підключений до першого входу схеми І, до другого входу якої підключений установлювальний резистор, а вихід схеми "І" підключений до входу керування регулятора струму, який відрізняється тим, що додатково введені блок контролю рівня заряду акумулятора, акустичний сигналізатор, гніздо для заряджання акумулятора та стандартне гніздо USB, при цьому до першого входу блока контролю рівня заряду акумулятора підключена кнопка включення/виключення ліхтаря, другий вхід підключений до плюсової клеми, а третій вхід до мінусової клеми акумулятора, перший вихід блока контролю рівня заряду акумулятора підключений до входу керування перетворювача напруги, другий вихід підключений до входу акустичного сигналізатора, а третій вихід підключений до третього входу схеми І, перетворювач напруги має додатковий вихід постійного струму, до якого підключене у відповідній полярності стандартне гніздо USB, а плюсовий контакт акумулятора підключений до схеми ліхтаря через нормально замкнений контакт гнізда живлення, загальний контакт якого підключений до мінусового контакту акумулятора. Комп’ютерна верстка Л. Бурлак Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Василя Липківського, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут інтелектуальної власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 4