Ограничение пускового тока ламп накаливания на IRF740

Не смотря на наступление светодиодов, остаются поклонники ламп накаливания при реализации освещения. Одним из недостатков ламп накаливания, наряду с высоким потреблением энергии, остается короткий срок их жизни. Считается, что наибольший вклад здесь вносит повышенный (до 10 раз) пусковой ток и попытки продлить срок жизни ламп накаливания сводятся , в основном, к ограничению пускового тока.

Большинство существующих устройств для снижения пускового тока собраны на тиристорах и работают на принципе фазо-импульсного регулирования. На мой взгляд, один из недостатков таких устройств это большие пиковые токи через лампу даже при ограничении среднего тока через нее и высокие электромагнитные помехи. Предлагаемое здесь устройство лишено этих недостатков. Оно собрано на MOSFET транзисторе IRF740 и ограничивает как средний, так и пиковый пусковой ток, выступая при включении, в течении 0.5 с, в роли балласта.

Поясню, почему именно 0.5 с. Из Википедии, толщина нити лампы 220В составляет 45-50 мкм, сопротивление холодной нити – 70 Ом, а удельное сопротивлении вольфрама – 0.055 Ом*мм^2 / м . Отсюда вычисляем длину нити – 2.5м (эта цифра некоторых удивит, но спираль двойная и эта длина реальна!). Плотность вольфрама 19.32 г/см^3, отсюда элементарно находим массу нити накала – 0.1 г. Давайте теперь вычислим, насколько успеет нагреться нить за 0.5 с при условии рассеиваемой мощности не больше номинала (в среднем 60 Вт). Удельная теплоемкость вольфрама 0.134 Дж/(г*К), а значит температура будет Т = (60Вт*0.5с) / (0.134 Дж/(г*К )*0.1г) = 2240 градуса, то есть примерно равна номинальной. Вот этим и обусловлено значение 0.5 сек. . На практике, пусковая мощность при ограничении тока окажется несколько меньше номинальной, а значит, и температура будет ниже, но порядок цифр будет примерно такой.

Устройство рассчитано для номинального напряжения 220В и мощности ламп до 100 Вт.   

Ниже приводится схема предлагаемого устройства.

Лампа подключена последовательно с диодным мостом, на выходе которого включен транзистор VT1. На затвор транзистора при включении подается плавно возрастающее напряжение при помощи цепочки VD5, VD6, R1, R2, C1. Благодаря наличию диода VD6, конденсатор C1 заряжается: до начала открытия транзистора обеими полуволнами, а с началом открытия VT1 - только положительной (условно) полуволной. Это позволяет с началом открытия VT1 уменьшить скорость заряда конденсатора, что, для того же времени плавного пуска, позволяет в 2 раза уменьшить начальную задержку включения. Относительно небольшое значение R2 служит этой же цели (с увеличением напряжения возрастает ток через него и, становясь сопоставимым с зарядным током C1, уменьшает со временем скорость его заряда), а так же быстрому разряду С1 после выключения. . Стабилитрон VD7 защищает вход транзистора от превышения напряжения. Диод VD5 подключен до лампы, поэтому, напряжение на затворе остается высоким даже при полном открытии VT1, что сводит потери напряжения в статичном режиме до падения напряжения на диодном мосте (около 1.5 В). Этот факт тоже выгодно отличает устройство от многих схем подобного назначения. Приведенная выше максимальная мощность лампы обусловлена максимальной пиковой мощностью, выделяемой на транзисторе в момент включения. Предохранитель FU1 защищает элементы устройства в случае (довольно редком) КЗ при перегорании лампы. Транзистор при этом, с большой долей вероятности, будет открыт по причине сниженной на лампе мощности в период плавного пуска. Вместо плавкого предохранителя можно припаять разрывной (обязательно) резистор номиналом 0.22 Ома на 1 Вт.

Все детали устройства собраны на печатной плате размерами 25мм на 66мм, чертежи и общий вид которой приводится ниже.

Прибор устанавливается в непосредственной близости от светильника (или внутри него) между выключателем и собственно лампой накаливания. Никакого радиатора для транзистора не требуется, так как в статике на нем рассеивается мизерная мощность, а в момент включения он не успевает существенно нагреться.

Для анализа работы схемы проводилось моделирование в программе LTspice (правда, пришлось вместо нелинейного сопротивления лампы использовать постоянное среднего значения, в следствие чего, ток через лампу в модели серьезно отличается от реальности, она предназначена, в основном, для наблюдения временных характеристик и напряжений). Модель и плата DipTrace приводятся во вложении.

Список радиоэлементов

^{Скачать список элементов (PDF)}

Теги:

• MOSFET
• LTspice
• DipTrace
• Освещение