Блок защиты галогенных ламп и ламп накаливания

Несмотря на то, что экономичность галогенных ламп и ламп накаливания составляет 20% и 30% соответственно, их продолжают использовать на практике. А так, как они отдают значительный поток инфракрасного (теплового) излучения, то, в некоторых устройствах, они бывают незаменимы. Другой их существенный недостаток – короткий срок службы, за счёт большой вероятности перегорания нити накала, устраняет блок защиты галогенных ламп и ламп накаливания.

Почему преждевремено перегорают галогенные и лампы накаливания

Если дело обстоит с перегоранием каких-либо элементов в электрических приборах, то в этом, практически всегда, причиной бывает превышение тока. Возросший ампераж, по закону Ома, возможен в двух случаях:

• Снижение сопротивления нагрузки;
• Увеличение напряжения питания.

Причём перегорание нити накала обычной лампы или галогенной может произойти даже при кратковременном воздействии любого из перечисленных параметров. А так, как сопротивление вольфрамовой нити накаливания сильно зависит от температуры, то в момент её включения через цепь протекает максимальный ток.

К примеру, лампа накаливания, мощностью 60 Вт, при комнатной температуре имеет сопротивление нити накала около 60 Ом. При включении её в сеть, напряжением 230В, в начальный момент ток через нить накала будет составлять:

I=U/R = 230/60 = 3,83А

Где:

• I — ток через нить накала;
• U — напряжение сети;
• R — сопротивление «холодной» спирали лампы;

Это очень большой ток, который вызывает мощность потребления около 880Вт. Однако продолжительность пика такого тока очень малая, так как нагреваясь до температуры свечения, лампа проводит ток:

I=P/U = 60/230 = 0,26А, что составляет 260мА.

Здесь P — номинальная мощность лампы.

Значит ток старта в 14,7 раз больше номинального. Естественно, такое превышение тока может привести к перегоранию хрупкой спирали. Но, если обеспечить постепенное нарастание напряжения, то нить накала будет максимально защищена от перегорания.

Вторым фактором возможного перегорания накала лампы – скачки напряжения. Поэтому устройство для плавного включения спиральных ламп должно иметь ещё и фильтр сетевого напряжения, хотя бы простейший. В этом случае УПВЛ сможет максимально продлить срок службы питаемых им ламп накаливания или галогенных.

В редких случаях, но и выключение лампы накаливания может привести к резкому повышению напряжения и перегоранию её нити. Дело в том, что сетевая линия представляет собой катушку индуктивности. Поэтому, в момент разрыва цепи питания лампы, благодаря токам самоиндукции, напряжение может возрасти настолько, что оно электрически пробивает размыкающиеся контакты выключателя и может повредить нить накала.

Это можно заметить, наблюдая за образованием электрической дуги на контактах выключателя. Она проявляется не только в момент замыкании, но и при размыкании контактов. Последнее может быть даже с большим искрообразованием.

Варианты плавного пуска ламп

Устройства защиты нити накала ламп производят плавное включение света с помощью электронного модуля, который в момент старта уменьшает мощность сетевого напряжения.

В качестве ключа используются, в основном, тиристоры или симисторы. Они открываются подачей на их управляющий электрод импульса и закрываются в момент перехода сетевого напряжения через 0 или в случае уменьшения тока нагрузки ниже определённого значения. Поэтому они не могут вызвать повышения самоиндукции выключением. Также, в момент старта мощность на нагрузке значительно ограничивается путём задержки открывающего импульса.

Но тиристор может проводить ток только в одном направлении. Поэтому устройство плавного пуска, работающее с переменным током, должно содержать 2 таких ключа в силовой цепи или иметь диодный мост. Номинал его максимального тока должен превышать ток нагрузки. Симистор же способен управлять как положительной, так и отрицательной полуволной напряжения сети. Однако для его управления требуется более сложная электронная схема с питанием от постоянного напряжения.

Если сеть питания имеет постоянное напряжение, например, в автомобиле, то в качестве ключа может использоваться транзистор. Потому что тиристоры имеют сложную топологию выключения при таком питании. Силовые ключи удобно реализовывать на полевых МОП-транзисторах, а точнее их разновидностях – Mosfet-транзисторах.

Устройство плавного включения

Чтобы обезопасить нить накала лампы необходимо обеспечить её плавный пуск. Суть его заключается в том, что мощность в первый момент включения составляет около 10%. Далее плавно она возрастает до 90% – 100%. Ниже изображена форма напряжений, которые выдаёт на нагрузке блок защиты галогенных ламп или ламп накаливания в момент их включения.

В устройствах плавного пуска ламп, работающих от постоянного напряжения, снижение мощности во время включения производится сигналом управления выходным транзистором. Он может быть:

• Аналоговым;
• Цифровым.

Реализуется топология плавного пуска, во всех системах, использованием в управляющем каскаде аналоговых или цифровых устройств времязадающей RC-цепочки. Также возможно применение специальных интегральных компонентов, у которых такая функция установлена программным обеспечением.

Диммирование

Плавный пуск лампы накаливания осуществляется изменением мощности в момент старта. А вот функция димирования предполагает регулировать мощность излучения лампы во время её работы. Диммер – это регулятор мощности, он часто содержат функцию плавного старта. Но устройства ступенчатой регулировки мощности не подходят для диммирования ламп накаливания и галогенных ламп.

Можно применить готовое изделие, если оно предназначено для работы с тем типом светового излучателя, которым требуется регулировка освещения. Также ниже представлены схемы модулей, которые можно изготовить самостоятельно.

Готовые решения

Многие производители предлагают большой выбор готовых аппаратов плавного включения ламп накаливания и галогенных ламп.

При выборе устройства следует внимательно просмотреть его параметры. Если изделие приобретается в офлайн-магазине, то можно попросить менеджеров продемонстрировать его работу. Также можно получить консультацию по использованию или выбору модели аппарата. При этом следует учитывать, что продавцы заинтересованы в скорейшей продаже наиболее дорогих моделей.

Поэтому характеристика «лучший» должна быть аргументирована соответствующими параметрами или наличием дополнительных функций. И только покупатель решает, нужно ли ему управление со смартфона или возможность подключения к системе «Умный дом».

Схемы

Повторение электронной схемы – это не попытка сэкономить на покупке, а, скорее всего, занятие для творческих людей. Также возможность кардинального ремонта имеющихся в электрооборудовании устройств. Итак, предложено несколько топологий плавного пуска галогенных ламп и накаливания.

Блок плавного пуска на 220 В: схемы на тиристоре

Простая схема квазиплавного пуска лампы изображена на картинке 5, схеме а. Мощность при включении устройства нарастает, начиная с 50%. Если нагрузка не более 100Вт, то можно применить тиристор ВТ169. Увеличить ток через систему освещения до 7,5А (1,6кВт) можно использованием тиристора ВТ151, а установив его на радиатор – поднять ток до 12А (2,6кВт). Это касается всех схем картинки 5.

Простая для повторения схема плавного пуска изображена на рисунке б, картинки 5. Транзисторы Т1, Т2 могут быть любыми маломощными n-p-n-структуры, стабилитрон Д6 – любой с напряжением стабилизации 8 – 10В. Конденсатор С1 можно использовать электролитический танталовый на напряжение 16В или более. Устойчивой работой обладает схема в, картинки 5. Здесь ключ запуска тиристора выполнен на транзисторах VT1, VT2, которые включены по схеме аналога однопереходного транзистора.

Если применить КТ117А – Г, то сопротивление R1 можно увеличить до 100К, а мощность его уменьшить до 0,5Вт. Подключают однопереходной транзистор так:

• Б1 — к точке R3, R4;
• Б2 — к УЭ тиристора Д1, R2;
• Э — к С1, R5 и коллектор VT3.

В этом случае в качестве стабилитронов VD1, VD2 можно использовать 1 элемент – любой из серии 1N4745A – 1N4750A.

Блок плавного пуска ламп на 220 В: схемы на симисторе

Плавный пуск лампы накаливания 220В реализует простая схема. Она позволяет включать нагрузку, мощностью до 200Вт (см. картинку 6).

Достоинством этой топологии является малое количество активных и пассивных компонентов. Её можно собрать в малогабаритный модуль и использовать как плавное включение света в коридоре или квартире. Симистор Z0107NA, выполнен в малогабаритном корпусе TO-92 и способен управлять током до 1А, при напряжении до 800В. Нагрузка не должна быть меньше 10мА (2,2Вт), иначе система не будет работать. Ещё одна схема, обладающая более устойчивым плавным запуском изображена на картинке 7.

Если симистор установить на радиатор, то максимальную мощность нагрузки можно поднять с 1,3кВт до 2,8кВт. Транзистор может быть отечественный – КТ940А. В качестве симметричного динистора применён DB3. Но, вместо него можно использовать неоновую лампочку, например, NE-2. В этом случае напряжение электролитических конденсаторов должно быть 180В (при NE-2 – 60В).

Однако в случае применения неоновой лампочки с большим напряжением включения – мощность может снизиться на 30% – 40%. Иногда это бывает необходимо, например, при использовании мощных ламп в качестве обогревателей в цыплятниках или в инкубаторах. А снижение мощности – ещё больше увеличит долговечность эксплуатации ламп накаливания или мощных галогенных источников света и тепла при повышении сетевого напряжения выше 220В.

Плавный запуск на 220 В: схема на ИМС КР1182ПМ1

Плавное включение ламп накаливания на 220В представляет схема на специализированном интегральном компоненте К1182ПМ1Р (КР1182ПМ1). Топология с микросхемой в корпусе DIP-12+4 показана на картинке 8. Для других типов корпуса этой микросхемы нумерация выводов отличается. На изображении подписано соответствие вывода для данного типа корпуса к номеру, указанному на схеме.

Система осуществляет задержку не только плавным включением нагрузки, но и её плавным выключением при замыкании контактов S1. Цепочка R3C4 защищает симистор от возможных скачков напряжения. Такое шунтирование силового ключа во всех схемах, в симисторных и тиристорных, улучшает помехозащиту.

Выбор блока защиты галогенных ламп

Сейчас другое время, руководством сборки приборов занимаются уже не конструкторы, а маркетологи. Поэтому, от выбора производителя в большой степени зависит качество товара. Оно влияет не только на продолжительность эксплуатации, но и на характер работы устройства. При выборе модели можно придерживаться принципа: чем солиднее компания – тем более высокотехнологичное оборудование она имеет. А большие объёмы продаж могут реально снизить цену устройства без ущерба его качеству.

Хорошими производителями УПВЛ являются российские компании «Шепро» и «Композит», белорусский «Гранит», также совместное китайско-российский бренд «Вжик».

Невысокую стоимость могут предложить китайские производители. Причём, возможно высокотехнологичное изделие с хорошими параметрами, как и крайне никудышное, чем и характерен их рынок.

При выборе устройства необходимо обратить внимание на такие параметры:

• Тип и диапазон питающего напряжения — должен соответствовать параметрам лампы;
• Мощность нагрузки — если предполагается использовать несколько ламп, то мощность (ток нагрузки в амперах, умноженный на напряжение питания в вольтах) устройства, в ваттах, должна быть больше суммарной мощности всех подключаемых к нему ламп;
• Степень защиты IP — параметр должен соответствовать условиям эксплуатации прибора.

Наличие дополнительных функций – это приятный бонус, однако он может выражаться дополнительной стоимостью.

Установка и подключение блока защиты галогенных ламп

Если блок защиты ламп накаливания имеет небольшие габариты, то его можно установить в распределительную коробку или применить отдельный корпус. Подключается прибор в разрыв цепи питания лампы или по схеме, изображённой на корпусе изделия.

Меры предосторожности

Все работы по монтажу/демонтажу устройства ведутся при полном отключении питающей сети. Для проверки наличия опасного потенциала применяют заведомо исправные, проверенные индикаторы фазы. Двухпроводные изделия нельзя подключать параллельно в линию сетевого напряжения, но только в разрыв с нагрузкой, также, как и выключатель. Цепь питающей сети должна быть защищена автоматическим выключателем на входе в распределительном щите.

Плавный запуск ламп 12 В

Для регулирования мощности в цепях постоянного напряжения +12В в выходных ключах используют транзисторы. Но для того, чтобы изменять мощность нагрузки с большими токами реализовывают метод ШИМ-управления (широтно-импульсной модуляции). Он заключается в том, что транзистор включается полным открыванием на короткие промежутки времени. В итоге, падение мощности на нём минимальное.

В качестве мощного ключа применяют транзисторы типа Mosfet с изолированным затвором. Они потребляют минимальное количество энергии для управления.

Плавный пуск автомобильных галогенных ламп +12В

Несложный прибор защиты галогенных автомобильных ламп можно собрать на базе интегрального таймера типа 555. В момент старта система генерирует импульсы включения Mosfet-транзистора, длительность которых приближается к скважности по мере зарядки конденсатора С1. Его ёмкость определяет время нарастания мощности от 0 к максимуму.

После зарядки этого конденсатора внутренний триггер переходит в устойчивое состояние логической 1 на выходе 3 микросхемы IC1. При этом транзистор оказывается постоянно включенным. Диод D3 защищает электронный ключ от возможных токов самоиндукции. Его можно не ставить при использовании коротких проводов и отсутствии индуктивностей в цепях.

Для увеличения мощности можно применить транзистор с большим током сток-исток или использовать несколько экземпляров, соединив параллельно все их выводы.

Заключение

Модули плавного включения могут быть различными, но принцип действия – аналогичный изложенному. При ремонте приоритетно проверяют силовую часть и лишь затем каскады управления. Использование недорогих устройств позволит продлить срок службы лампам накаливания и галогенным лампам.