Умное устройство защиты ламп накаливания при включении

Несмотря на повсеместно взятый курс на отказ от ламп накаливания, в продаже все еще можно найти таковые разной мощности. Кроме того, есть сегмент галогенных ламп, имеющих достаточно значительную стоимость, да и споры о «вредности» светодиодных источников света  не утихают. Поэтому, актуальность устройств для увеличения срока службы  ламп накаливания  хоть и стала меньше, но не пропала совсем. Таких схем в Сети и печатных изданиях множество. Но они, как правило, не совершенны, в силу того, что в подобных устройствах просто затягивается во времени процесс включения, а ток прямо не контролируется, априори считая его сниженным до безопасного уровня. Это, в свою очередь, приводит либо к недостаточной защите, либо к чрезмерному увеличению времени включения.

В предлагаемом устройстве в процессе включения лампы прямо контролируется среднеквадратичное значение тока, не допуская повышения мощности на лампе сверх номинальной. При этом, устройство корректно работает с лампами, мощностью от 15 до 150 Вт, настраиваясь автоматически. Так же данное устройство позволяет, по желанию пользователя, производить более долгое, чем необходимо для ограничения  тока, включение (визуально «плавное» включение).

Как это работает? Сначала немного теории. Как известно, ток через лампу в произвольный момент времени можно описать формулой

где Io – амплитудное значение, постоянное для данного напряжения сети и сопротивления нити накала. 

Для вычисления среднеквадратичного за полуволну значения тока (далее будем называть его «действующий ток»)  через лампу, при открывании тиристора с задержкой по фазе φ, проинтегрируем квадрат правой части формулы от φ до π, поделим на общий интервал (π) и вычислим из полученного результата квадратный корень:

Здесь Ix – значение тока в момент открытия тиристора.

Нетрудно заметить, что действующий ток (или, соответственно, действующее напряжение на лампе) пропорционален мгновенному значению тока в момент открытия тиристора (для данной фазы открытия).

Исходя из вышеописанного, для каждого фиксированного угла включения вычислены коэффициенты и  занесены в массив, с помощью которого для каждого значения легко вычисляется действующий ток через лампу. Конечно, здесь возникает некая ошибка из-за роста сопротивления лампы в течении одного импульса, но это не ухудшает параметры устройства, так как ток от этого эффекта может только уменьшиться. Фаза открытия тиристора изменяется в соответствии с измеренным током в момент открытия так, что ток лампы остается на уровне не более 130% от номинального  в течении всего процесса включения. А так как напряжение при этом значительно ниже номинала, мощность никогда не превышает номинальную.

Технические характеристики:

• Напряжение питания (В) …………………..……………. 180 – 250
• Мощность лампы (Вт) ……………………….…………. 15 – 150
• Дополнительное увеличение времени включения (с) … 0 - 4

Схема устройства представлена ниже.

Напряжение 230В через предохранитель FU1 поступает на диодный мост на диодах D1-D4, а с него на остальную часть схемы в виде пульсирующего положительного напряжения. Лампа накаливания, подключаемая к разъему J2, включена через тиристор U1, который управляется портом GP0 микроконтроллера (МК) DD1. Сигнал с датчика тока (резистор R9) поступает на порт GP1, сконфигурированный как аналоговый вход АЦП. Сигнал с делителя R3R4R6 поступает на вход INT и в начале каждой полуволны запускает прерывание. Фронт этого сигнала совпадает с моментом, когда напряжение достигает 9-10 В, что дает задержку от начала полуволны примерно в 50 мкс, которая корректируется программно. Светодиод HL1 сигнализирует о перегрузке (мощность лампы более 200Вт), при этом лампа отключается от сети вплоть до отключения-включения устройства.  Питается МК напряжением около 5В с параметрического стабилизатора R1R2C1D5.  Диод D2 защищает управляющий переход тиристора от обратного напряжения, а значительный номинал R8 – вход МК при обрыве резистора R9 (возможно при КЗ в нагрузке). Номинал R8 выбран больше рекомендованного производителем МК, однако, это не сказывается на работе, так как , во-первых, снижение точности на доли процента здесь не критично и, во-вторых, практически все измерения в устройстве относительны.

Работа программы. МК тактируется от внутреннего генератора частотой 4МГц. Имеются два прерывания. В одном фиксируется начало новой полуволны сетевого напряжения, в другом (от таймера TMR0 интервалом 500мкс) – отсчет временных интервалов. Первоначально сигнал на включение тиристора длительностью 200мкс подается спустя 9мс от момента перехода сетевого напряжения через ноль, что соответствует 5% от номинального напряжения. Далее тиристор включается через 8.5мс, 8мс и т.д. После каждого открытия тиристора измеряется ток и вычисляется его эффективное значение. Причем, необходимое условие перехода к следующему значению – действующее значение тока, меньшее номинального. Дополнительно, в зависимости от режима, к каждой ступени добавляется задержка 0 – 400 мс, что дает максимальную дополнительную общую задержку в 4с. В режиме без дополнительной задержки зажигание лампы происходит в течении минимально необходимого для безопасного включения времени – обычно около 0.4 с. Для смены режима (доп. задержка 0, 1, 2, 3 или 4 сек.) достаточно выключить прибор через время менее 5 сек. после включения. При следующем включении режим будет изменен.

Запись в память номинального тока лампы происходит через 6 сек. после включения. При смене мощности лампы, первое включение будет некорректным. Необходимо подождать 10 сек. и выключить прибор. Последующие включения пройдут в штатном режиме.

Конструкция и детали. Устройство собрано на печатной плате размерами 90мм на 26мм  из стеклотекстолита с односторонней металлизацией.  Далее изображены конфигурация «дорожек» и расположение деталей, а так же фотоснимки готового устройства.

Напряжение питания и лампа подключены через винтовые колодки с шагом контактов 5мм. Для уменьшения вероятности КЗ, желательно использовать трехконтактные колодки с удалением среднего контакта и подключением проводов к крайним. Применение двухконтактных колодок требует особой осторожности при подключении. В этом случае, на плате между средним контактом и одним из крайних впаивают перемычку. Тиристор можно заменить на BT151-600 или BT151-800. Отечественные типа КУ202 не подойдут из-за больших токов включения и удержания. Диоды моста подойдут любые на ток не менее 1А и обратное напряжение не менее 400В. Так же удобно заменить их всех мостом типа 2W08G. Стабилитрон D5 – любой, маломощный на 5.1 В. Диод D6 – быстрый на напряжение не менее 400В, например, FR105-FR107. МК установлен на DIP колодку. Номинал конденсатора С1 не следует увеличивать по принципу «кашу маслом не испортишь» - может не стартовать МК из-за медленного нарастания напряжения. Никакого налаживания устройство не требует.

Программа МК написана на языке С  и откомпилирована в среде MikroC. Программа работает с временными интервалами, поэтому, желательно перед программированием чипа предварительно сохранить значение калибровочной константы из последней ячейки памяти программ МК и вписать ее туда же после загрузки прошивки в программу-оболочку используемого программатора (в PicKit  это делается автоматически). Если этого не сделать константа будет «откалибрована» средним значением. Впрочем, нарушить работу программы и устройства в целом это не должно.

Список радиоэлементов

^{Скачать список элементов (PDF)}

Теги:

• Proteus
• Sprint-Layout
• Микроконтроллер