Патент на изобретение №2161901

(54) ОСВЕТИТЕЛЬНОЕ УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЭНДОСКОПИЧЕСКОЙ ТЕХНИКИ

(57) Реферат:

Изобретение относится к медицинской технике, а именно к эндоскопической и офтальмологической технике, и может быть использовано в осветителях для аппаратуры с волоконными световодами. Осветительное устройство содержит силовой трансформатор, первичная обмотка которого соединена с выводами для подключения к сети переменного тока, начало первой вторичной обмотки соединено через управляемый ключ переменного тока с лампой накаливания, а конец – со свободным выводом лампы накаливания. Устройство содержит датчик напряжения, выпрямитель, ключ постоянного тока, усилитель, регулятор освещенности, блок сравнения, генератор пилообразного напряжения, регулировочный резистор, формирователь импульсов управления, реле времени, эмиттерный повторитель, RC-цепь, формирователь прямоугольных импульсов, дополнительную вторичную обмотку силового трансформатора и вторичную обмотку. Благодаря новому схемному решению датчика напряжения обеспечивается повышенное качество и стабильность изображения в эндоскопической технике. 6 ил.

Изобретение относится к медицинской технике, а именно к эндоскопической, офтальмологической технике, и может быть использовано в осветителях для аппаратуры с волоконными световодами, в проекционной аппаратуре, в частности в осветителях для эндоскопов, использующих в качестве источника света галогенные лампы накаливания с током потребления до 10 А и более.

Известно осветительное устройство для питания ламп накаливания (Авт. свид. N 1538288, H 05 B 39/00, 1987 г.). Устройство содержит силовой трансформатор с двумя вторичными обмотками, две лампы накаливания, два управляемых ключа переменного тока, три переключателя, два развязывающих диода, два элемента “В”, элемент “И-НЕ”, два управляемых ключа постоянного тока, RC-цепь, датчик действующего значения напряжения, усилитель постоянного тока, эмиттерный повторитель, блок сравнения, генератор пилообразного напряжения, формирователь импульсов управления, реле времени и выпрямитель. В устройстве обеспечивается плавное нарастание действующего значения напряжения (тока) на лампе накаливания от 0 до номинальной или заданной величины в течение 1-2 с (постоянная времени нагрева нити накала) путем постепенного увеличения угла регулирования ключа переменного тока от нуля до рабочего угла регулирования при подключении устройства к сети или при смене ламп, а также стабилизация действующего значения напряжения на лампе накаливания в рабочем режиме. Это позволяет увеличить срок службы ламп накаливания (особенно при токах потребления 10 А и выше).

Осветительное устройство по авт. свид. N 1538288 имеет существенные недостатки, которые не позволяют эффективно использовать его в медицинской практике, в частности в эндоскопических приборах с волоконными световодами. Так, наличие переключателей, развязывающих диодов, элементов “И” и “И-НЕ”, одного ключа переменного тока и одного ключа постоянного тока при работе с одним источником света (что требуется для осветительного устройства эндоскопического прибора) является ненужным и конструктивно избыточным, что обуславливает необходимость принципиальной переработки всей схемы известного осветительного устройства. Существенным недостатком является также и то, что запуск генератора пилообразного напряжения непосредственно от вторичной обмотки понижающего трансформатора при работе устройства в режиме стабилизации действующего значения напряжения на лампе накаливания не обеспечивает достаточно высокий коэффициент стабилизации напряжения на всем интервале допустимых колебаний сетевого напряжения ( 10% U_ном).

Известно осветительное устройство для эндоскопической техники (патент РФ N 2082309, A 61 B 1/06), содержащее силовой трансформатор, первичная обмотка которого соединена с выводами для подключения к сети переменного тока, начало первой вторичной обмотки соединено через управляемый ключ переменного тока с лампой накаливания, а конец – со свободным выводом лампы накаливания, датчик напряжения, один из входных выводов которого соединен с концом первой вторичной обмотки трансформатора, который подключен к положительному полюсу выпрямителя, к одному из управляющих входов ключа постоянного тока, а выход соединен с первым входом усилителя, второй вход которого через регулятор освещенности соединен с отрицательным полюсом выпрямителя, блок сравнения, первый входной вывод которого соединен с выходом генератора пилообразного напряжения, второй входной вывод через регулировочный резистор с отрицательным полюсом выпрямителя, а выход – с формирователем импульсов управления, реле времени, вход которого соединен с отрицательным полюсом выпрямителя, а выход с другим управляющим входом ключа постоянного тока, эмиттерный повторитель, выход которого подключен к третьему входному выводу блока сравнения, а вход соединен с выходом усилителя через RC-цепь, резистор которой шунтирован выходом управляющего ключа постоянного тока. Устройство содержит формирователь прямоугольных импульсов, силовой трансформатор снабжен дополнительной вторичной обмоткой, к которой подключены входы формирователя прямоугольных импульсов, выход которого подключен ко входу генератора пилообразного напряжения, вторая вторичная обмотка трансформатора подключена ко входам выпрямителя. Выход формирователя управляющих импульсов соединен с управляющим входом ключа переменного тока, а объединенный вывод ключа переменного тока и лампы накаливания соединен с другим входным выводом датчика напряжения.

Осветительное устройство по патенту РФ N 2082309 отличается портативностью, имеет высокий коэффициент стабилизации напряжения на лампе накаливания, что позволяет получать в эндоскопической технике изображения высокого качества в допустимом диапазоне изменения сетевого напряжения или источника питания.

Вместе с тем практика использования осветительного устройства по патенту РФ N 2082309 выявила определенные недостатки.

При больших значениях коэффициента усиления (передачи мощности) в датчике напряжения возникает явление самовозбуждения, что обусловлено несовершенством схемного решения датчика напряжения, в частности наличием в схеме датчика понижающего трансформатора развязки со стальным сердечником. В результате наблюдается мигание лампы накаливания, что снижает эффективность освещения и качество изображения в эндоскопической технике.

Настоящее изобретение решает задачу повышения эффективности и стабильности работы лампы накаливания, а следовательно, и обеспечение высокого качества изображения в эндоскопической технике.

Решение поставленной задачи осуществляется следующим образом. В осветительном устройстве для эндоскопической техники, содержащем силовой трансформатор с дополнительной вторичной обмоткой, первичная обмотка которого соединена с выводами для подключения к сети переменного тока, начало первой вторичной обмотки соединено через управляемый ключ переменного тока с лампой накаливания, а конец – со свободным выводом лампы накаливания, датчик напряжения, первый входной вывод которого соединен с лампой накаливания и катодом управляемого ключа переменного тока, конец первой вторичной обмотки трансформатора подключен к положительному полюсу выпрямителя и к одному из управляющих входов ключа постоянного тока, выход датчика напряжения соединен с первым входом усилителя, второй вход которого через регулятор освещенности соединен с отрицательным полюсом выпрямителя, блок сравнения, первый входной вывод которого соединен с выходом генератора пилообразного напряжения, второй входной вывод через регулировочный резистор – с отрицательными полюсом выпрямителя, а выход – с формирователем импульсов управления, реле времени, вход которого соединен с отрицательным полюсом выпрямителя, а выход – с другим управляющим входом ключа постоянного тока, эмиттерный повторитель, выход которого подключен к третьему входному выводу блока сравнения, а вход соединен с выходом усилителя через RC-цепь, резистор которой шунтирован выходом управляющего ключа постоянного тока, дополнительная вторичная обмотка силового трансформатора соединена со входами формирователя прямоугольных импульсов, выход которого подключен ко входу генератора пилообразного напряжения, вторая вторичная обмотка трансформатора подключена ко входам выпрямителя, выход формирователя управляющих импульсов соединен с управляющим входом ключа переменного тока, средняя точка второй вторичной обмотки силового трансформатора, один из выходов выпрямителя, свободный вывод регулятора освещенности, регулировочного резистора и положительный полюс конденсатора RC-цепи подключены к земляной шине.

Согласно настоящему изобретению датчик напряжения выполнен в виде конденсатора, один вывод которого является первым входом датчика, а другой через диод соединен с первым входом сглаживающего фильтра и выводом второго конденсатора, параллельно которому подключен резистор, второй вывод второго конденсатора является вторым входом датчика напряжения, который подключен к земляной шине и ко второму входу сглаживающего фильтра, первый и второй выходы которого соединены соответственно с первым и вторым входами эмиттерного повторителя, выход которого является выходом датчика напряжения.

Технический результат настоящего изобретения заключается в повышении световой отдачи и стабильности работы лампы накаливания при работе от сетевого источника питания, в обеспечении стабильного и качественного освещения исследуемого объекта наблюдения и получения устойчивого изображения объекта в объективе эндоскопа. Кроме того, новое схемное решение датчика напряжения позволяет снизить габариты осветительного устройства за счет интегрального выполнения схемы датчика.

Изложенная сущность изобретения поясняется примером выполнения осветительного устройства и чертежами, на которых представлены:
на фиг. 1 – блок-схема предлагаемого осветительного устройства;
на фиг. 2, 3, 4 – варианты реализации блоков 9, 18, 22;
на фиг. 5 – временная диаграмма работы устройства;
на фиг. 6 – временная диаграмма работы устройства в режиме стабилизации номинального напряжения (тока) на лампе накаливания.

Осветительное устройство для эндоскопической техники содержит силовой трансформатор 1, первичная обмотка 2 которого соединена с выводами 2¹-2¹ для подключения к сети переменного тока. Начало первой 3 вторичной обмотки 4 соединено через управляемый ключ 5 переменного тока с лампой накаливания 6, а конец 7 – со свободным выводом 8 лампы накаливания 6, датчик напряжения 9, первый входной вывод которого соединен с лампой накаливания 6 и катодом управляемого ключа 5, второй входной вывод датчика 9 подключен к земляной шине. Конец первой вторичной обмотки трансформатора 1 подключен к положительному полюсу выпрямителя 10 и к одному из управляющих входов ключа постоянного тока 11. Выход датчика напряжения 9 соединен с первым входом усилителя 12, второй вход которого через регулятор освещенности 13 соединен с отрицательным полюсом выпрямителя 10. Устройство содержит также блок сравнения 14, первый входной вывод которого соединен с выходом генератора пилообразного напряжения 15, второй входной вывод через регулировочный резистор 16 соединен с отрицательным полюсом выпрямителя 10, а выход – с формирователем импульсов управления 17, реле времени 18, вход которого соединен с отрицательным полюсом выпрямителя 10, а выход соединен с другим управляющим входом ключа постоянного тока 11, эмиттерный повторитель 19, выход которого подключен к третьему входному выводу блока сравнения 14, а вход соединен с выходом усилителя 12 через RC-цепь 20, 21, резистор 20 которой шунтирован выходом управляющего ключа 11 постоянного тока. Осветительное устройство содержит формирователь прямоугольных импульсов 22, силовой трансформатор 1 имеет дополнительную вторичную обмотку 23, к которой подключены входы формирователя 22 прямоугольных импульсов. Выход формирователя прямоугольных импульсов 22 подключен ко входу генератора пилообразного напряжения 15. Вторая вторичная обмотка 24 трансформатора 1 подключена ко входам выпрямителя 10. Выход формирователя управляющих импульсов 17 соединено управляющим входом 25 ключа переменного тока 5, а объединенный вывод 26 ключа 5 переменного тока и лампы 6 накаливания соединен с первым входным выводом датчика напряжения 9.

Средняя точка второй вторичной обмотки 24 силового трансформатора 1, один из выходов выпрямителя 10, свободный вывод регулятора освещенности 13, регулировочного резистора 16 и положительный полюс конденсатора 21 RC-цепи подключены к земляной шине.

Силовой трансформатор 1 является понижающим трансформатором от напряжения 220 В до напряжения несколько большего номинального напряжения низковольтной галогенной лампы накаливания 6. Трансформатор 1 выполнен на магнитопроводе броневого типа серии ШЛ или тороидального типа серии ОЛ.

Ключ переменного тока 5, например симистор (триак) типа ТС 122-25, является силовым ключом и регулирующим элементом в устройстве.

Датчик 9 действующего значения напряжения предназначен для снятия напряжения той же формы, что и на нагрузке (лампе накаливания), и преобразования его в постоянное напряжение, пропорциональное напряжению на лампе.

Датчик напряжения 9 содержит (фиг. 2) конденсатор, 27 один вывод которого является первым входом датчика напряжения 9, а другой вывод соединен с выводом конденсатора 28, параллельно которому подключен резистор 29. Этот же вывод конденсатора 27 через диод 30 соединен с первым входом сглаживающего фильтра 31. Второй вывод конденсатора 28 является вторым входом датчика напряжения, который подключен к земляной шине и ко второму входу сглаживающего фильтра 31. Фильтр 31 выполнен по известной схеме Г-образного RC-фильтра (см. Рогинский В.Ю. “Электропитание радиоустройств”, Л., “Энергия”, 1970 г. ). Первый и второй выходы сглаживающего фильтра 31 подключены соответственно к первому и второму входам эмиттерного повторителя 32, выход которого является выходом датчика напряжения. Эмиттерный повторитель 32 может быть выполнен по известной схеме на микросхеме операционного усилителя К553УД2.

Эмиттерный повторитель 32 предназначен для повышения входного сопротивления усилителя постоянного тока 12 и является согласующим звеном между входом усилителя постоянного тока 12 и выходом фильтра 31 датчика 9.

Выпрямитель 10 является источником постоянного напряжения и служит для питания схем усилителя 12, эмиттерного повторителя 19, реле 18 времени, формирователя прямоугольных импульсов 22, генератора пилообразного напряжения 15, блока сравнения 14, формирователя 17 импульсов управления и цепей управления. Выпрямитель 10 состоит из общего двухполупериодного выпрямителя, диоды которого включены по мостовой с фильтрующим конденсатором на выходе и двух компенсационных стабилизаторов отрицательного (-7,0 В) и положительного напряжения (+7,0 В), выполненных по известной схеме. В качестве регулирующего элемента в стабилизаторе используется транзистор, в качестве источника опорного напряжения – стабилитрон. На выходе каждого стабилизатора установлен фильтрующий конденсатор.

Ключ постоянного тока 11, например транзисторный оптрон, предназначен для шунтирования резистора 20, что необходимо после окончания процесса разогрева нити накала галогенной лампы при ее включении для обеспечения быстродействия схемы устройства при возможных изменениях сетевого напряжения.

Усилитель постоянного тока 12 с коэффициентом усиления, равным 50, выполнен по известной схеме дифференциального операционного усилителя на микросхеме К553УД2 (см. Ю.А. Браммер, И.Н. Пащук “Импульсная техника”, М., Высшая школа, 1985 г., стр. 100, рис. 39), у которой инвентирующий вход, являющийся первым входом усилителя 12, соединен с выходом эмиттерного повторителя 32 датчика 9 и через сопротивление типа С2-33Н-510 кОм обратной связи с выходом собственного усилителя 12, а неинвертирующий вход, являющийся вторым входом усилителя 12, через регулятор освещенности 13 (представляющий собой регулируемый резистивный делитель) и стабилитрон (на схеме не показан) с шиной питания выпрямителя 10.

Блок сравнения 14 предназначен для суммирования сигналов с эмиттерного повторителя 19 и генератора пилообразного напряжения 15 сравнения этого суммированного сигнала с опорным напряжением и формирования прямоугольных широтно-модулированных импульсов. Блок сравнения 14 выполнен по известной схеме компаратора сравнения однополярных сигналов на микросхеме К553УД2 (см. Ю. А. Браммер и др. “Импульсная техника”, М., Высшая школа, стр. 107), у которой инвертирующий вход соединен с анодом диода (на схеме не показан) и является первым входом блока сравнения 14, катод этого диода является третьим входом блока сравнения 14 и через резистор 150 кОм (на схеме не показан) соединен с общей шиной. Неинвертирующий вход компаратора является вторым входом блока сравнения 14 и через переменный резистивный делитель 16, выполненный на резисторе типа СПЗ-39А 10 кОм, соединен с шиной <<-<< блока 10 (выпрямителя).

Генератор пилообразного напряжения 15 предназначен для генерирования импульсов линейно-изменяющегося напряжения, синхронизированных с частотой сети. Он выполнен по известной схеме на базе транзистора КТ361Б (см. Ю.А. Браммер и др. “Импульсная техника”, стр. 223, рис. 6.3).

Формирователь 17 предназначен для формирования отрицательных относительно катода ключа 5 переменного тока импульсов управления этим ключом. Он выполнен по известной схеме дифференцирующей цепочки (см. Ю.А. Браммер и др. “Импульсная техника”, стр. 130, емкость конденсатора 0,1 мкФ, сопротивление резистора 2 кОм, выход которой подключен к катоду фильтрующего диода (на схеме не показан), пропускающего только положительные импульсы, и ко входу инвертирующего ключа, выполненного на транзисторе КТ817В (на схеме не показан), выход которого является выходом формирователя импульсов управления 17.

Реле времени 18 предназначено для включения и выключения ключа постоянного тока 11 (например, транзисторного оптрона АОТ110А). Реле времени содержит (см. фиг. 3) RC-цепь, резистор 33 которой соединен с конденсатором 34 и с первым входом компаратора 35, второй вход которого соединен с подвижным контактом переменного резистивного делителя напряжения 36 (10 кОм) и выход которого соединен с базой транзисторного ключа 37, коллектор которого является выходом реле времени 18. Другой вывод резистора 33 является входом реле времени. Времязадающая RC-цепь реле времени 18, состоящая из резистора 33 сопротивлением 2,4 МОм и полярного конденсатора 34 типа К50-35 емкостью 10 мкФ, предназначена для выдачи информации о времени задержки на вход компаратора 35. Компаратор 35 выполнен по известной схеме компаратора для сравнения однополярных сигналов на микросхеме К553УД2 (см. Ю.А. Браммер и др. “Импульсная техника”, стр. 107), у которой инвертирующий вход является первым входом компаратора 35, а неинвертирующий вход – вторым входом компаратора 35, который через переменный резистивный делитель 36 соединен с шиной <<-<< реле времени 18. Компаратор 35 предназначен для управления ключом 37, выполненным на транзисторе типа КТ315Б.

Эмиттерный повторитель 19 предназначен для усиления тока после RC-цепи 20, 21 и выполнен на двух транзисторах КТ361Б по составной схеме Дарлингтона (см. Дж. Ленк “Электронные схемы”, М., Мир, 1985 г., стр. 48,49, рис. 1,26).

Времязадающая RC-цепь, состоящая из резистора 20 типа С2-33Н (39 кОм) и полярного конденсатора 21 типа К50-35 (220 мкФ) предназначена для обеспечения плавного включения лампы 6. Кроме того, конденсатор 21 стабилизирует работу цепи обратной связи, препятствуя возникновению паразитных электрических колебаний.

Формирователь прямоугольных импульсов 22 предназначен для формирования прямоугольных импульсов, синхронных с моментом перехода синусоиды сетевого напряжения через “нуль” и практически имеющих постоянную амплитуду в диапазоне изменения величины сетевого напряжения, служащих для запуска генератора пилообразного напряжения 15. Он содержит (см. фиг. 4) мостовой выпрямитель 38, реализованный по известной схеме (см. Э.М. Ромаш “Источники вторичного электропитания радиоэлектронной аппаратуры”, М. , Радио и связь, 1981 г., стр. 60, рис. 4-1 в), на диодах типа КД522, входы для переменного тока которого являются входами формирователя прямоугольных импульсов 22, а выход подключен ко входу параллельного ограничителя 39 на стабисторах типа КС113А с ненулевым порогом ограничения, построенного по известной схеме (см. Ю.А. Брамер и др. “Импульсная техника”, стр. 153-154, рис. 4, 20 б), выход которого подключен ко входу транзисторного ключа 40, выполненного по известной схеме на транзисторе КТ361Б. Выход транзисторного ключа 40 является выходом формирователя прямоугольных импульсов 22 и соединен через два диода типа КД522 (на схеме не показаны) со входом генератора пилообразного напряжения 15, при этом катод первого диода соединен с выходом транзисторного ключа 40, а анод второго диода – со входом генератора пилообразного напряжения 15.

Осветительное устройство работает следующим образом.

После подключения напряжения питающей сети к обмотке 2 трансформатора 1 через вторую вторичную обмотку 24 и выпрямитель 10 подается напряжение питания на шины питания усилителя 12, эмиттерного повторителя 19, блока сравнения 14, генератора пилообразного напряжения 15, формирователя импульсов управления 17, формирователя прямоугольных импульсов 22, реле времени 18, а через третью вторичную обмотку 23 подается синхронизирующее напряжение на входы формирователя прямоугольных импульсов 22. Конденсатор 34 реле времени 18 начинает заряжаться через резистор 33 от выпрямителя 10. До тех пор, пока напряжение на конденсаторе 34 не достигло порога срабатывания компаратора 35, на выходе последнего присутствует отрицательный потенциал и ключ 37 закрыт. Ключ 11 (оптрон) отключен. Порог срабатывания компаратора 35 устанавливается из условия открывания ключа 37 с задержкой от момента включения устройства в сеть на время, необходимое для обеспечения режима плавного нарастания напряжения на лампе накаливания от нуля до номинального (заданного) значения, что обеспечивается подбором соответствующих постоянной времени RC-цепи 33, 34 и величин сопротивления на резисторе 36. Это время задержки должно составлять не менее 2 с. Поскольку первый вход датчика 9 подключен к катоду ключа 5, который в момент включения устройства закрыт, на выходе датчика 9 и соответственно на инвертирующем входе усилителя 12 присутствует сигнал “О”. При этом сигнал опорного напряжения, поступающий на неинвертирующий вход усилителя 12 через резистивный делитель 13 (регулятор освещенности) с выпрямителя 10, устанавливает на выходе усилителя 12 сигнал напряжения, величина которого близка к напряжению шины “-” выпрямителя 10 (около 6В). Это напряжение начинает заряжать конденсатор 21 через резистор 20. Сигнал возрастающего напряжения заряда конденсатора 21 U₅ (фиг. 5д) через резистор 20 поступает через эмиттерный повторитель 19, усиливающий его по току на вход 3 блока сравнения 14. Синусоидальное синхронизирующее напряжение, подаваемое на входы формирователя прямоугольных импульсов 22 с момента включения устройства в сеть, сигнал U₁ (фиг. 5а) с обмотки 23 трансформатора 1 преобразуется последовательно в блоке формирователя прямоугольных импульсов 22 с помощью выпрямительного моста сначала в выпрямленное пульсирующее напряжение отрицательной полярности с частотой 100 Гц – сигнал U₂ (фиг. 5б) и амплитудой около 30В, которое затем с помощью ограничителя на стабисторе и транзисторного ключа преобразуется в последовательность прямоугольных импульсов, синхронных с моментом перехода синусоиды сетевого напряжения через нуль амплитудой около 2-3 В – сигнал U₃ (фиг. 5в), постоянной на всем интервале изменения сетевого напряжения ( 10% U_ном). Прямоугольные импульсы регулярно обнуляют генератор 15 на транзисторе КТ361Б, в результате чего на его выходе формируется сигнал U₄ (фиг. 5г) пилообразного напряжения с частотой 100 Гц. Сигнал U₄ с выхода генератора пилообразного напряжения 15 поступает на первый вход блока сравнения 14, на третий вход которого по ступает сигнал U₅ (фиг. 5д) с эмиттерного повторителя 19. В блоке 14 сигнал U₄ и U₅ суммируется через диод. Суммированный сигнал U₇ (фиг. 5ж) поступает на инвертирующий вход компаратора блока сравнения 14, где сравнивается с сигналом U₆ (фиг. 5е) постоянного опорного напряжения, поступившим с выпрямителя 10 через регулируемый резистивный делитель 16 на неинвертирующий вход компаратора блока сравнения 14.

В результате на выходе компаратора блока 14 формируются прямоугольные импульсы (широтно-модулированные) U₈ (фиг. 5з), у которых положительный передний фронт смещен по времени относительно момента перехода амплитуды сигнала ₁ (фиг. 5а) через нуль. С выхода компаратора блока сравнения 14 прямоугольные импульсы U₈ поступают на вход формирователя управляющих импульсов 17. Продифференцированные в нем импульсы U₉ (фиг. 5и) инвертируются и в виде импульсов сигнала U₁₀ (фиг. 5к) поступают на управляющий электрод ключа переменного тока 5 и открывают его, т.к. используемые в схеме в качестве ключей переменного тока симисторы (триаки) серии ТС122-25 при обеих полярностях анодного напряжения открываются импульсами отрицательной полярности относительно катода симистора. При этом, лампа 6 подключается к питающему напряжению обмотки 4 трансформатора 1.

Из временной диаграммы фиг. 5 видно, что первый импульс управления сигнала U₁₀ поступает на ключ 5 переменного тока в момент времени t₁, определяемый углом управления или регулирования ключа 5₁. В результате этого ключ 5 открывается с некоторой задержкой, характеризуемой ₁ по отношению к началу отрицательной полуволны напряжения U_s – сигнал U₁₁ (фиг. 5л) с обмотки 4 трансформатора 1 и подключает лампу 6 на напряжение U. Через лампу 6 потечет ток.

Мгновенное значение U напряжения на лампе 6 изменяется по кривой напряжения U_s сигнала U₁₁ (фиг. 5л). В момент t₂ ключ 5 запирается, т.к. напряжение U_s меняет свою полярность и проходит через нуль. В интервале t₂ – t₃ ключ 5 будет закрыт и тока в лампе 6 не будет. В момент t₃, определяемый углом ₂, на ключ 5 подается второй отпирающий импульс, ключ 5 открывается и остается в таком состоянии до момента t₄. Далее через интервал, равный углу ₃, ключ 5 вновь открывается третьим импульсом и т.д. Заштрихованная площадь между кривой напряжения U и осью времени, характеризующая сигнал U₁₁, подводимый к лампе 6, прямо пропорциональна энергии, подводимой к лампе 6 на интервале t (t = t₂-t₁; t₄-t₃; t₆-t₅), когда ключ 5 открыт, и действующему значению напряжения U на лампе 6. Из временной диаграммы на фиг. 5 видно, что с течением времени по мере заряда конденсатора 21, растет величина сигнала U₅ – напряжения, поступающего на эмиттерный повторитель 19, соответственно растет абсолютная величина сигнала U₇, суммированного значения напряжении сигналов U₄ и U₅, уменьшается фазовое смешение передних фронтов прямоугольных импульсов сигнала U₈ (фиг. 5з) относительно начала полуволны сетевого напряжения. Это ведет к уменьшению фазового сдвига импульсов U₉ на выходе формирователя импульсов управления 17 и, в конечном итоге, к уменьшению угла правления ключом 5 и задержки на его включение по отношению к началу полуволны напряжения обмотки 4 трансформатора 1 и к увеличению интервала времени включения ключа 5, обеспечивающему плавное увеличение действующего значения напряжения U и, соответственно, величины энергии переменного тока, подводимых к лампе 6. Нить накала лампы 6 начинает постепенно разогреваться, появляется свечение, интенсивность которого плавно растет с течением времени.

Сигнал напряжения U₁₁ (фиг. 5л) кривой U_s, подводимый к лампе 6, одновременно подается на входы датчика 9. Второй вход датчика 9 через земляную шину и конденсатор выпрямителя 10 электрически связан с выводом 8 лампы накаливания 6. Конденсаторы 27, 28 датчика 9 и связанный с ними по переменному току конденсатор фильтра 10 образует емкостной делитель. Уменьшенный емкостным делителем по амплитуде сигнал с лампы U₁₁ выпрямляется диодом 30 датчика 9, сглаживается дополнительным фильтром 31 и в виде сигнала постоянного напряжения отрицательной полярности через эмиттерный повторитель 32, увеличивающий входное сопротивление усилителя постоянного тока 12, в качестве сигнала обратной связи поступает на инвертирующий вход усилителя 12, на неинвертирующем входе которого присутствует сигнал постоянного опорного напряжения отрицательной полярности с регулятора освещенности 13. Напряжение на выходе усилителя 12 станет равным алгебраической сумме напряжений, каждое из которых результат действия сигнала на соответствующем входе и будет описываться формулой:
U_вых= U⁽⁺⁾_вх2K_ни+U^(-)_вх1K_ин (3.6),
где U_Bx2⁽⁺⁾ и U_Bx1^(-) – напряжения на 1 и 2 входах усилителя 12 (фиг. 1);
K_ин – коэффициент усиления ОУ при инвертирующем включении (в схеме K_ин = 51; K_ни = 52);
K_ин – коэффициент усиления ОУ при неинвертирующем включении (Ю.А. Браммер и др. “Импульсная техника”, М., “Высшая школа”, 1985 г., стр. 100, рис. 3.9), поскольку в схеме устройства ₁ = R₂ = 10 кОм, R_о = R_з = 510 кОм (3.6) сведется к формуле:

Когда величина сигнала с датчика 9, соответствующая определенному уровню напряжения заряда конденсатора 21, станет практически равной опорному напряжению с регулятора освещенности 13, усилитель 12 из режима насыщения перейдет в линейный номинальный режим усиления и на его выходе установится сигнал постоянного напряжения U₁₂ (фиг. 6а) около 3-4 В, равный номинальному напряжению заряда конденсатора 21. В результате сравнения суммированного сигнала U₁₃ (фиг. 6б) в блоке сравнения 14 с сигналом U₆ (фиг. 5е) постоянного опорного напряжения на выходе блока 14 сформируются прямоугольные широтно-модулированные импульсы U₁₄ (фиг. 6в), у которых передний фронт будет смещен по времени относительно момента перехода амплитуды сигнала U₁ (фиг. 5а) через нуль на постоянный угол ₁. Соответственно на управляющий вход 25 ключа 5 будут поступать импульсы сигнала U₁₆ с фазой ₁ относительно начала напряжения И_s на ключе 5 переменного тока. В результате этого ключ 5 будет открываться в интервалах t_10n – t_11n и t_12n – t_13n первого периода сигнала U₁₇ (фиг. 6е) и далее в каждый период этого сигнала в интервалах той же длительности с углом регулирования _n. При этом к лампе 6 в каждый период сигнала U₁₇ подводится действующее значение напряжения U_n, равное номинальному значению напряжения лампы 6.

Время заряда конденсатора 21 до напряжения сигнала U₁₂ (фиг. 6а), определяемое подбором резистора 20, находится в пределах 1-2 с. Так как отсчет времени заряда конденсатора 21 RC-цепи задержки и конденсатора 34 реле времени 18 совпадают, а время задержки для срабатывания реле времени 18 равно или более 2 с, то по истечении времени заряда конденсатора 21 RC-цепи задержки, включается компаратор 35 реле времени 18, срабатывает ключ 37, который включает оптрон 11, шунтирующий резистор 20 RC-цепи задержки. Устройство начинает работать в режиме стабилизации напряжения (тока) на нагрузке.

Если в режиме стабилизации происходит отклонение сетевого напряжения или напряжения питания от какого-либо автономного источника переменного тока в сторону увеличения (см. сигнал U₁₈, фиг. 6ж) от номинальной величины U_n, то на входы датчика 9 поступает повышенный относительно номинального сигнал напряжения. Выпрямленный сигнал действующего значения повышенного напряжения поступает на первый вход усилителя 12. В результате алгебраического сложения сигнала с датчика 9 и опорного сигнала и усиления сигнала рассогласования на выходе усилителя появится сигнал постоянного отрицательного напряжения по абсолютной величине меньший, чем при работе в номинальном режиме.

Пройдя без изменения через оптрон 11, эмиттерный повторитель 19, сигнал поступает на третий вход блока сравнения 14.

Так как абсолютная величина суммированного сигнала U₁₃ будет тоже меньше номинальной, сравнение с сигналом опорного напряжения U_оп произойдет позже в момент времени t₂₀, определяемый углом _б, большем, чем _n. Ключ переменного тока 5 в каждом периоде сигнала U₁₈ (фиг. 6ж) будет включаться на временные интервалы, меньшие по величине, чем при номинальном режиме работы, что приведет в норму действующее значение напряжения на лампе 6.

В случае понижения сетевого питающего напряжения или напряжения переменного тока какого-либо другого источника работа устройства происходит аналогично изложенному, только на выходе усилителя 12 появится сигнал рассогласования по абсолютной величине, больший, чем при работе в номинальном режиме, соответственно фазовый сдвиг _m импульсов управления, определяющий момент t₃₀ и т.д. открывания ключа 5 переменного тока в каждом периоде сигнала U₁₉ (фиг. 6з), будет меньше, чем _n, а время включения ключа 5 и, соответственно, действующее значение напряжения на лампе 6 увеличится до номинального.

Таким образом, разработанное осветительное устройство обеспечивает высокий коэффициент стабилизации напряжения на лампе накаливания 6 при питании от промышленной сети, что позволяет получать в используемой (совместно с данным осветительным устройством) эндоскопической технике изображение высокого качества. Осветительное устройство обладает портативностью, усовершенствованной схемотехникой, что определяет перспективность использования настоящего осветительного устройства в медицинской практике для оснащения различной эндоскопической техники.

Формула изобретения

Осветительное устройство для эндоскопической техники, содержащее силовой трансформатор с дополнительной вторичной обмоткой, первичная обмотка которого соединена с выводами для подключения к сети переменного тока, начало первой вторичной обмотки соединено через управляемый ключ переменного тока с лампой накаливания, а конец – со свободным выводом лампы накаливания, датчик напряжения, первый входной вывод которого соединен с лампой накаливания и катодом управляемого ключа переменного тока, конец первой вторичной обмотки трансформатора подключен к положительному полюсу выпрямителя и к одному из управляющих входов ключа постоянного тока, выход датчика напряжения соединен с первым входом усилителя, второй вход которого через регулятор освещенности соединен с отрицательным полюсом выпрямителя, блок сравнения, первый входной вывод которого соединен с выходом генератора пилообразного напряжения, второй входной вывод через регулировочный резистор – с отрицательным полюсом выпрямителя, а выход – с формирователем импульсов управления, реле времени, вход которого соединен с отрицательным полюсом выпрямителя, а выход – с другим управляющим входом ключа постоянного тока, эмиттерный повторитель, выход которого подключен к третьему входному выводу блока сравнения, а вход соединен с выходом усилителя через RC-цепь, резистор которой шунтирован выходом управляющего ключа постоянного тока, дополнительная вторичная обмотка силового трансформатора соединена со входами формирователя прямоугольных импульсов, выход которого подключен ко входу генератора пилообразного напряжения, вторая вторичная обмотка трансформатора подключена ко входам выпрямителя, выход формирователя управляющих импульсов соединен с управляющим входом ключа переменного тока, при этом средняя точка второй вторичной обмотки силового трансформатора, один из выходов выпрямителя, свободный вывод регулятора освещенности, регулировочного резистора и положительный полюс конденсатора RC-цепи подключены к земляной шине, отличающееся тем, что датчик напряжения выполнен в виде конденсатора, один вывод которого является первым входом датчика, а другой через диод соединен с первым входом сглаживающего фильтра и выводом второго конденсатора, параллельно которому подключен резистор, второй вывод второго конденсатора является вторым входом датчика напряжения, который подключен к земляной шине и ко второму входу сглаживающего фильтра, первый и второй выходы которого соединены соответственно с первым и вторым входами эмиттерного повторителя, выход которого является выходом датчика напряжения.

РИСУНКИ

MM4A Досрочное прекращение действия патента Российской Федерации на изобретение из-за неуплаты в установленный срок пошлины за поддержание патента в силе

Дата прекращения действия патента: 25.05.2005

Извещение опубликовано: 20.04.2006 БИ: 11/2006