Патент на изобретение №2182731

(54) УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОТОБРАЖЕНИЯ ИНФОРМАЦИИ

(57) Реферат:

Изобретение относится к технической физике и может быть использовано, главным образом, в конструкциях светофоров, регулирующих движение автомобильного и железнодорожного транспорта, а также отображения информации на различных информационных световых табло, например рекламных щитах. Техническим результатом является повышение надежности и эффективности устройства. Устройство снабжено мостовым выпрямителем, электронным ключом с параллельно соединенным защитным дросселем, диодно-емкостным фильтром с уравнивающим резистором, динамическими и управляемыми по времени стабилизаторами тока с корректирующими цепями, узлом формирования управляющей последовательности импульсов и узлом формирования питающего напряжения для узла формирования управляющей последовательности импульсов и напряжения установки величины тока стабилизации. Матрица светодиодов состоит из n составляющих ее матриц, в которых последовательно соединенные между собой группы светодиодов выполнены в виде m параллельно соединенных и включенных в одинаковой полярности светодиодов. Каждая из матриц одной узловой точкой через регулирующий элемент соответствующего стабилизатора тока, управляющие по времени входы которых соединены с соответствующими выходами узла формирования управляющей последовательности импульсов, диодно-емкостный фильтр и электронный ключ подключена к выходу мостового выпрямителя, а другой узловой точкой подключена через измерительную цепь тока стабилизатора тока к общей шине мостового выпрямителя и диодно-емкостного фильтра. Одна из корректирующих цепей стабилизатора тока выполнена в виде конденсатора, параллельно подключенного к узловым точкам каждой составляющей матрицы, а вторая корректирующая цепь стабилизатора тока состоит из последовательно соединенных конденсатора и резистора, включенных в цепь положительной обратной связи стабилизатора тока. Управляющий вход электронного ключа подключен к соответствующему выходу узла формирования управляющей последовательности импульсов. 2 ил.

Изобретение относится к технической физике и может быть использовано, главным образом, в конструкциях светофоров, регулирующих движение автомобильного и железнодорожного транспорта, а также отображения информации на различных информационных световых табло, например рекламных щитах.

В настоящее время ведутся интенсивные разработки, направленные на создание информационных световых панно, табло, дисплеев, в которых вместо традиционных источников света начали широко применяться светодиоды (светоизлучающие диоды), из которых собираются светодиодные матрицы с большим количеством светодиодов для формирования световых информационных сигналов различного назначения. Наиболее широко за последнее время светодиодные матрицы стали использоваться вместо традиционных ламп накаливания в информационно-справочных табло железнодорожных вокзалов, аэропортов и т.п., особенно в дисплеях светофоров, применяемых для управления движением транспорта и входящих в состав светофорных объектов.

Системы светофорных объектов, используемых для управления движением транспорта, включают два главных компонента: контроллер и дисплеи, отображающие либо один из сигналов красного, желтого или зеленого цвета, либо другие символы из стандартного набора символов управления движением. Технология современных контроллеров дорожной сигнализации весьма развита и включает технологию компьютерного управления, которая использует датчики грузонапряженности движения, таймеры и многое другое.

Известно устройство для отображения информации, содержащее блок ввода информации, связанный с газоразрядной индикаторной панелью, вертикальные шины которой соединены с выходами ключей, с катодами согласующих элементов на диодах и с выводами нагрузочных элементов на резисторах, другие выводы которых подключены к источнику напряжения, управляющие входы ключей подключены к выходам блока развертки, снабженное блоком сравнения и согласующим элементом на резисторе, один вывод которого подключен к шине источника напряжения, а другой вывод соединен с анодами диодов и с одним входом блока сравнения, подключенного к шине опорного напряжения, блоку ввода информации и блоку развертки (см., например, описание изобретения к патенту РФ 2067320, кл. G 09 G 3/28, опубл. 1996).

Однако такое устройство не обеспечивает требуемую точность срабатывания в стационарном режиме и за счет импульсного характера возбуждения ключей может выдать ложное срабатывание.

Наиболее близким из известных по своей технической сущности и достигаемому результату является выбранное в качестве прототипа устройство для отображения информации, содержащее источник переменного напряжение промышленной частоты, реактивный делитель напряжения, электронный ключ, управляющий выключатель и матрицу светодиодов, состоящую из групп последовательно соединенных светодиодов (см., например, описание изобретения к патенту США 5936599, кл. G 09 G 3/36, опубл. 1999).

Сущность заявляемого изобретения выражается в совокупности существенных признаков, достаточных для достижения обеспечиваемого предлагаемым изобретением технического результата, который выражается в повышении надежности и эффективности устройства за счет максимального использования светотехнических характеристик светодиодов, повышения кпд и уменьшения энергопотребления.

Указанный технический результат достигается тем, что устройство для отображения информации, содержащее источник переменного напряжения промышленной частоты, реактивный делитель напряжения, электронный ключ, управляющий выключатель и матрицу светодиодов, состоящую из групп последовательно соединенных светодиодов, снабжено мостовым выпрямителем, диодно-емкостным фильтром с уравнивающим резистором, управляемыми по времени стабилизаторами тока с корректирующими цепями, узлом формирования управляющей последовательности импульсов и узлом формирования питающего напряжения для узла формирования управляющей последовательности импульсов и напряжения установки величины тока стабилизации, причем общая матрица светодиодов выполнена из составляющих ее матриц, в которых последовательно соединенные между собой группы светодиодов выполнены в виде параллельно соединенных и включенных в одинаковой полярности светодиодов, каждая из матриц одной узловой точкой через регулирующий элемент соответствующего стабилизатора тока, управляющий по времени вход которого соединен с соответствующим выходом узла формирования управляющей последовательности импульсов, диодно-емкостный фильтр и электронный ключ, подключена к выходу мостового выпрямителя, вход которого через реактивный делитель напряжения подключен к источнику напряжения промышленной частоты, другая узловая точка матрицы подключена через измерительную цепь тока стабилизатора тока к общей шине мостового выпрямителя и диодно-емкостного фильтра, при этом одна из корректирующих цепей стабилизатора тока выполнена в виде конденсатора, параллельно подключенного к узловым точкам каждой составляющей матрицы, а вторая корректирующая цепь стабилизатора тока состоит из последовательно соединенных конденсатора и резистора, включенных в цепь положительной обратной связи стабилизатора тока, управляющий вход электронного ключа подключен к соответствующему выходу узла формирования управляющей последовательности импульсов, а управляющий выключатель подключен ко входу узла формирования управляющей последовательности импульсов.

Сравнение заявленного технического решения с прототипом позволило установить соответствие его критерию “новизна”, так как оно не известно из уровня техники.

Предложенное устройство является промышленно применимым существующими техническими средствами и соответствует критерию “изобретательский уровень”, т. к. оно явным образом не следует из уровня техники, при этом из последнего не выявлено каких-либо преобразований, характеризуемых отличительными от прототипа существенными признаками, на достижение указанного технического результата.

Таким образом, предложенное техническое решение соответствует установленным условиям патентоспособности изобретения.

Других известных технических решений аналогичного назначения с подобными существенными признаками заявителем не обнаружено.

На фиг. 1 представлено устройство для отображения информации, принципиальная схема, на фиг. 2 – то же, в ином варианте конструктивного исполнения.

В предлагаемом устройстве питания светодиодных матриц общая матрица светодиодов (ОМСД) разбита на множество (n) элементарных прямоугольных матриц светодиодов (ЭМСД). Каждая ЭМСД включает некоторое количество последовательно соединенных групп светодиодов (СД), где каждая группа составлена из m параллельно соединенных и включенных в одинаковой полярности СД. ОМСД соединена с источником переменного напряжения промышленной частоты последовательно с мостовым выпрямителем (MB), электронным ключом (ЭК), диодно-емкостным фильтром (ДЕФ) и реактивным сопротивлением четырехполюсника, выполняющим роль реактивного делителя напряжения. Параллельно ЭК и диоду ДЕФ включен уравнивающий резистор. Внутри ОМСД каждая из n ее ЭМСД соединена с выходом ДЕФ последовательно с регулирующим транзистором и измерительным элементом узла стабилизации тока светодиодов элементарной матрицы. Схема стабилизации тока СД составляющей матрицы представляет собой управляемый по времени стабилизатор тока, который кроме измерительной цепи, вырабатывающего сигнал управления для регулирующего транзистора для поддержания с его помощью тока через светодиоды установленной величины, имеет еще вход управления по времени. При наличии на входе управления по времени логического нуля от схемы формирования управляющей последовательности импульсов стабилизатор тока функционирует в режиме стабилизации тока, а при наличии на этом входе логической единицы стабилизатор тока, благодаря запиранию регулирующего транзистора, эквивалентен разомкнутому ключу. Время открывания и запирания регулирующего транзистора меньше или равно времени нарастания и спада излучающего импульса светодиодов.

Таким образом, стабилизатор тока совместно со схемой узла формирования последовательности управляющих импульсов образует схему управления работой матрицы СД, входящей в состав ОМСД. Схема узла формирования управляющей последовательности импульсов имеет количество выходов, равное количеству ЭМСД, составляющих ОМСД. Она вырабатывает импульс управления в виде логического нуля, перемещающегося от одного выхода схемы формирования управляющей последовательности импульсов к следующему выходу по принципу кольцевого регистра сдвига или стека. Благодаря такому принципу формирования управляющей последовательности импульсов и малому времени отпирания и запирания регулирующих транзисторов стабилизаторов тока фактически отсутствуют моменты времени, в течение которых все светодиоды не излучают, как это имеет место в ранее рассмотренных схемах. В данном случае если ОМСД включена, составляющие ее ЭМСД, излучая по очереди, обеспечивают растровое формирование сигнала, который должен был бы формироваться ОМСД при условии одновременного излучения всеми светодиодами ОМСД. Разумно рассчитанная геометрия расположения светодиодов одной ЭМСД среди светодиодов других ЭМСД позволяет наблюдателю воспринимать чередующиеся друг за другом вспышки групп светодиодов как сплошное свечение по всему полю полного набора светодиодов. Период повторения импульсов, управляющих включением конкретной ЭМСД, равен произведению количества ЭМСД, составляющих ОМСД, на длительность импульса, в течение которого излучает данная матрица. Таким образом, принцип формирования полного сигнала управления дисплеем светофора в некотором роде соответствует принципу формирования изображения на экране монитора компьютера или на экране телевизора.

Устройство для отображения информации содержит светодиодную матрицу, схема питания которой состоит из n управляемых по времени стабилизаторов тока 1а-8а, . .., 1n-8n, n элементарных матриц светодиодов (ЭМСД) 9а,…, 9n, светодиодов 10а, …, 10m, корректирующих цепей 11а,…, 11n, 12а,…, 12n, 13а,…, 13n, причем n элементарных матриц светодиодов (ЭМСД) 9а,…, 9n объединены в группы 14a,…,14k и выполнены с выделенными соответственно первыми и вторыми узловыми точками 15а,…,15n и 16а,…16n, узла формирования управляющей последовательности импульсов 17 с управляющим выключателем 18, источника 19 переменного напряжения промышленной сети, мостового выпрямителя 20, дросселя 21 защиты светодиодов от кратковременных “бросков” напряжения, электронного ключа 22, уравнивающего резистора 23, диодно-емкостного фильтра 24, 25, узла 26 формирования напряжения питания микросхем (резистор 26₁ и стабилитрон 26₂ с параллельно подключенным фильтрующим конденсатором) и напряжения установки величины тока стабилизации (резисторы 26₃ и 26₄), элементов 27, 28 согласования входного сопротивления цепи управления электронным ключом, реактивного делителя напряжения, выполненного в виде четырехполюсника 29, 30, 31, 32, выводов 33, 34 для соединения с источником переменного напряжения промышленной частоты, конденсатора 35, введенного в состав диодно-емкостного фильтра 24, 25 при удалении четырехполюсника 29, 30, 31, 32 и представляющего совместно с конденсатором 25 емкостный делитель напряжения, подключенный в цепь диодно-емкостного фильтра, при этом точка соединения конденсаторов емкостного делителя напряжения подключена ко входам стабилизаторов тока.

Работа устройства осуществляется следующим образом.

Включение светодиодной матрицы осуществляется замыканием управляющего выключателя 18, что эквивалентно подаче уровня напряжения, соответствующего уровню логического “0” на вход логической схемы 2-И-НЕ, ко входу которой подключен данный выключатель. В результате на выходе этой логической схемы установится уровень логической “1”, являющийся разрешающим потенциалом для генератора тактовых импульсов 17₂, двоичного счетчика 17₃ и выходных каскадов 17₄. Благодаря этому генератор тактовых импульсов начинает формировать непрерывную последовательность тактовых импульсов, а двоичный счетчик переходит в режим их счета. С помощью выходных каскадов 17₄, выполненных на логических схемах 3-И-НЕ и связанных определенным образом с выходами счетчика 17₃ на выходах 17а, 17b, 17с,…17n формируются импульсы управления длительностью с уровнем логического “0”. Эти импульсы подаются на соответствующие входы управления по времени стабилизаторов тока через согласующие резисторы 8а, . ..,8n и развязывающие диоды 6а,…,6n. С поступлением импульса с уровнем логического “0” на один из входов транзисторов 2а,…,2n откроется соответствующий этому транзистору один из регулирующих транзисторов 3а,…,3n, а остальные регулирующие транзисторы будут закрыты. Так как к выходам регулирующих транзисторов 3а,…,3n подключены соответствующие по номерам элементарные матрицы 9а, …,9n, засветятся светодиоды только той элементарной матрицы, которая связана с эмиттером открытого регулирующего транзистора (3а,…,3n). В силу того, что все коллекторы регулирующих транзисторов подключены к положительной обкладке фильтрующего конденсатора 25, через коллекторно-эмиттерный переход открытого регулирующего транзистора, светодиоды элементарной матрицы, первая узловая точка 15а,…,15n которой соединена с эмиттером этого регулирующего транзистора, развязывающий диод 5а,…,5n и переход база-эмиттер управляющего транзистора 2а,…,2n, а также через параллельно подключенный переход коллектор-эмиттер транзистора 1a,…, 1n, сопротивление которого выполняет роль измерителя тока, будет протекать ток от положительной обкладки конденсатора 25 к отрицательной обкладке этого же конденсатора. Напряжение на коллекторе управляющего транзистора 2а,…,2n пропорционально току, протекающему через его переход база-эмиттер. Так как база регулирующего транзистора 3а,…,3n связана с коллектором управляющего транзистора 2а,…,2n, а регулирующий транзистор по отношению к подключенной к его эмиттеру элементарной матрице является эмиттерным повторителем (усилителем мощности с коэффициентом передачи напряжения, близким к 1), на входе элементарной матрицы (первая и вторая узловые точки 15а,…,15n, 16а,. . . ,16n) напряжение будет почти равно напряжению на коллекторе управляющего транзистора. Если по какой-то причине ток в указанной цепи начнет увеличиваться (например, возникнет пробой одного из светодиодов матрицы, который в своей группе 14а, …,14k зашунтирует все остальные светодиоды группы, что приведет к снижению в первый момент времени величины требуемого рабочего напряжения матрицы на величину рабочего напряжения светодиода), то благодаря тому, что часть этого тока протекает через переход база-эмиттер управляющего транзистора, возрастет ток коллектора управляющего транзистора. Возрастание тока коллектора управляющего транзистора повлечет за собой уменьшение напряжения на его коллекторе, а следовательно, и на входе элементарной матрицы. В свою очередь это приведет к некоторому снижению тока в общей цепи. Так будет продолжаться до тех пор, пока не установится динамическое равновесие, характеризующееся тем, что на входе матрицы напряжение для выбранного примера не установится почти равным требуемому. В результате ток в цепи вновь установится на уровне величины, заданной при первоначальной установке. Первоначальная установка тока стабилизации осуществляется путем одновременного изменения сопротивлений переходов коллектор-эмиттер измерительных транзисторов 1a, …. 1n изменением токов их баз при изменении напряжения установки, снимаемого с движка потенциометра 26₄.

Синхронно с перемещением во времени управляющего импульса нулевого уровня на входах управляющих транзисторов 2а,…,2n будут зажигаться светодиоды той элементарной матрицы, номер которой совпадает с номером управляющего транзистора, на базу которого поступил управляющий импульс. В результате в любой момент времени излучают светодиоды только одной из n элементарных матриц, что обеспечивает в N раз снижение потребляемой от сети мощности.

Применение предложенного устройства обеспечивает также повышение надежности его работы в переходных процессах за счет исключения возникновения кратковременных нежелательных “бросков” напряжения в питающей сети и на входе матрицы СД, общий срок безаварийной работы которой возрастает до 20 лет.

Формула изобретения

Устройство для отображения информации, содержащее источник переменного напряжения промышленной частоты, реактивный делитель напряжения, электронный ключ, управляющий выключатель и матрицу светодиодов, состоящую из групп последовательно соединенных светодиодов, отличающееся тем, что оно снабжено мостовым выпрямителем, диодно-емкостным фильтром с уравнивающим резистором, управляемыми по времени стабилизаторами тока с корректирующими цепями, узлом формирования управляющей последовательности импульсов и узлом формирования питающего напряжения для узла формирования управляющей последовательности импульсов и напряжения установки величины тока стабилизации, причем общая матрица светодиодов выполнена из составляющих ее матриц, в которых последовательно соединенные между собой группы светодиодов выполнены в виде параллельно соединенных и включенных в одинаковой полярности светодиодов, каждая из матриц одной узловой точкой через регулирующий элемент соответствующего стабилизатора тока, управляющий по времени вход которого соединен с соответствующим выходом узла формирования управляющей последовательности импульсов, диодно-емкостный фильтр и электронный ключ подключена к выходу мостового выпрямителя, вход которого через реактивный делитель напряжения подключен к источнику напряжения промышленной частоты, другая узловая точка матрицы подключена через измерительную цепь тока стабилизатора тока к общей шине мостового выпрямителя и диодно-емкостного фильтра, при этом одна из корректирующих цепей стабилизатора выполнена в виде конденсатора, параллельно подключенного к узловым точкам каждой составляющей матрицы, а вторая корректирующая цепь стабилизатора тока состоит из последовательно соединенных конденсатора и резистора, включенных в цепь положительной обратной связи стабилизатора тока, управляющий вход электронного ключа подключен к соответствующему выходу узла формирования управляющей последовательности импульсов, а управляющий выключатель подключен ко входу узла формирования управляющей последовательности импульсов.

РИСУНКИ