Устройство защиты ламп накаливания на AVR

Лампы накаливания, несмотря на всевозможные энергосберегающие источники света остаются популярными. Причины их конкурентоспособности кроются не только в отлаженной десятилетиями технологии производства, но и главным образом - в наиболее дружественном для человеческого глаза спектре излучения, который, по своей форме, наиболее соответствует солнечному. Занимаясь освещением магазинных витрин, автор столкнулся с проблемой плохой совместимости использования ламп накаливания для местного освещения этих витрин и основного освещения торгового зала, которое было выполнено на основе традиционных люминесцентных светильников с пусковыми дросселями. Поскольку линия электропитания зальных светильников и витринных была общей, при едином включении света, из-за коммутации индуктивностей, присутствующих в схемах включения люминесцентных ламп происходят броски напряжения, из-за которых витринные лампы накаливания быстро перегорают. В результате поисков технического решения проблемы, появилась следующая схема.

Данное устройство совмещает в себе выдержку времени, по истечении которого, предположительно, загорится большинство люминесцентных ламп освещения зала, плавный запуск ламп накаливания освещения витрин, защиту от выбросов напряжения в системе электропитания и стабилизацию напряжения на лампах накаливания, в зависимости от медленно изменяющегося напряжения сети.

Данная конструкция, возможно, окажется полезной там , где необходимо продлить жизнь лампам накаливания и галогенным лампам, например для освещения стадионов, сцен, рабочих зон на производстве, - везде, где замена ламп накаливания связана со значительными трудовыми и финансовыми затратами. 

Пояснения к принципиальной схеме

Светодиод VD4 служит для фиксации факта выбросов сетевого напряжения. Этот светодиод загорается при обнаружении первого выброса и продолжает светиться до выключения питания устройства. Само устройство, при этом, выключив лампы (как во время первого подключения к сети и, отработав «плавный пуск» ламп, продолжает работать. Обнаружение выброса организовано по прерыванию микроконтроллера за счет срабатывания варистора R6 при превышении амплитуды сетевого напряжения более 330 В и последующего срабатывания ключа на транзисторе VT1, вызывающего аппаратное прерывание. В процедуре прерывания происходит выключение силового симистора и возврат в начало программы с выдержкой времени на 10 секунд и последующим плавным загоранием ламп. Здесь необходимо отметить, что устройство способно защитить лампы от выбросов сетевого напряжения, длительность которых превышает 10мс, поскольку симистор, открывшись , остается открытым до окончания текущего полупериода сетевого напряжения. Поэтому, для защиты ламп от коротких по длительности выбросов напряжения можно применять известные схемы сетевых фильтров, с таким расчетом, чтобы избежать возможных резонансных явлений, которые могут быть вызваны в том числе из-за изменения формы синусоидального напряжения и появления в нем высокочастотных гармонических составляющих, чего не избежать при применении фазоимпульсного режима управления силовым симистором.

Светодиод VD5 служит для отладки. С его помощью можно наблюдать работу плавного пуска ламп, до того момента когда эти лампы будут подключены, и, следовательно сделать вывод о правильности работы программы. Цепь r9, r10 . формирует импульсы синхронизации перехода сетевого напряжения через 0. Данная идея была заимствована мной из публикаций в журнале «Радио», посвященных регуляторам мощности с пониженным уровнем помех (например, Радио №7, 1989 г., стр.32 Автор: А. ЛЕОНТЬЕВ, г. Киев ). Однако в данной конструкции, в отличие от опубликованной, используется именно метод импульсно-фазового управления силовым симистором типа BT139 на этапе плавного включения ламп накаливания. Использование микроконтроллера позволило не только сформировать импульс необходимой длительности для включения симистора, но и достаточно просто программно организовать таймер с использованием напряжения сети в качестве задатчика временных интервалов. Плавное зажигание ламп состоит из 8 шагов (длительностью каждого в 1 сек), на каждом из которых фазовый угол открывания симистора в течение полупериода сетевого напряжения меняется ступенчато от 180 град до 0.

Цепь состоящая из делителя r17, r10 и варистора R16 служит для измерения напряжения сети. Варистор выбран на напряжение 180 В, с целью несколько расширить динамический диапазон измерения сетевого напряжения в интересуемой области выше 180В, и, следовательно - повысить чувствительность устройства. Согласно опубликованным исследованиям отмечается, что повышение напряжения сети всего на 2-3 процента приводит к сокращению жизни ламп накаливания на 14 %. Также, в процессе испытания устройства было замечено, что при углах открывания близких к 0 , соответствующих действующему значению напряжения от 205В до 220В, яркость ламп на глаз остается практически неизменной. Именно поэтому схема стабилизации напряжения на лампах работает ступенчато. При превышении напряжения сети выше 220В, угол открывания симистора увеличивается на шаг, что приводит к уменьшению действующего напряжения на лампах примерно на 15-20 В. Если напряжение сети уменьшается ниже 215 В, то угол открывания симистора переходит в 0 град, пропуская сетевое напряжение почти полностью. Данная процедура приводит к стабилизации (а точнее к ограничению) напряжения на лампах на уровне от 200 до 215 В , что кажется вполне достаточно для достижения поставленной цели.

Данное устройство было изготовлено в двух экземплярах. Его эксплуатация в течение 4 х месяцев показала, что, применяя его, удается продлить жизнь для ламп накаливания примерно в 3 –4 раза без ухудшения качества освещения и восприятия цвета. Для желающих повторить данную схему следует особенно осторожно производить измерения и монтаж поскольку при подачи питания 220В на элементах схемы может присутствовать это опасное напряжение.

Внешний вид устройства. Выполнен на фрагменте монтажной платы. Резисторы использованы smd размера 0805. Исключение составляет резистор R8 который состоит из 2х, последовательно соединенных, резисторов МЛТ 250мВт (голубого цвета), поскольку является гасящим. FUSE биты микроконтроллера - заводские (тактовая частота 1 МГц внутреннего RC генератора)

Схема вместе с симистором (BT139-600 на радиаторе ) и корпус для автомата, куда все это и монтируется. При желании в такой корпус можно поместить и сам автомат защиты, что определяется размером радиатора для симистора. Электроника помещается в прозрачную термоусадку ( что позволяет наблюдать светодиоды) и, в зависимости от того в каких условиях предполагается его эксплуатация, торцы термоусадочной трубки можно обработать силиконовым герметиком перед процедурой термоусадки для герметизации. Резистор R15 млт 125 припаян непосредственно к управляющему электроду симистора. Противоположный вывод этого симистора подключается к нагрузке (лампам), а средний – к фазному проводу. Желтые провода от диодного моста DB107 подсоединяются к фазному и нулевому проводу сети

Литература:

1. Простой регулятор мощности Леонтьев А. Радио №7, 1989 г., стр.32
2. Практическое программирование микроконтроллеров Atmel AVR на языке ассемблера. 2-е изд., испр.Автор: Ревич Ю.В.
3. 8 bit microcontroller with 2Kb Flash Data Sheet DOC1477 Atmel

Список радиоэлементов

^{Скачать список элементов (PDF)}

Теги:

• Освещение
• AVR
• Микроконтроллер