Схема диммера лампы накаливания

Схема диммера для мощной нагрузки

Этот симисторный регулятор освещения для цепей переменного тока применяется для любой активной нагрузки, лампа накаливания или нагревательный элемент жала паяльника. Максимальная допустимая мощность устройства составляет 400VA. Принцип работы схемы базируется на контроле фазы 220VAC, давая возможность нагрузке получать питание от 360^o полной синусоидальной волны. Запитывание активной нагрузки для меньшего периода, обеспечивает меньший уровень мощности, создавая эффект диммирования. Конструкция конечно стара как мир, но все еще актуальна.

Управление устройством происходит с помощью переменного сопротивления R2, который выставляет время, требуемое для заряда емкости С2 через цепочку R1-R2. C2 заряжается, пока не достигнет напряжения пробоя динистора D1, который в свою очередь, запустит симистор T1. Как только последний сработает, цепь замыкается и на нагрузку поступает напряжение питания. Номинал конденсатора С2, определяет точку на синусоиде, где происходит пробой динистора.

L1 и C1 являются фильтром подавления помех, снижая уровень радиочастотного паразитного излучения. Так как схема не имеет гальванической развязки от источника сетевого напряжения, поэтому лучше использовать переменный резистор с пластмассовой ручкой.

L1 содержит 19 витков провода с диаметром 0.8 мм на ферритовом сердечнике диаметром 4 мм. Клеммы лучше использовать с зажимом для печатной платы

Осциллограмма работы устройства показана в видео ролике ниже. При повторении конструкции рекомендую увеличить расстояниях между дорожками 220 вольт, или накройняк покройте дорожки лаком.

Схема диммера. Как с помощью диммера увеличить срок службы ламп накаливания

Начнем с самого простого варианта схемы диммера, к лампе накаливания подведена через диод VD1 одна полуволна переменного напряжения, поэтому ток представляет собой последовательность импульсов, разделенных паузами.

В нормальном состоянии вольфрамовая спираль разогрета до температуры около 3000 К, в холодном состоянии - примерно 300 К. Сопротивление металла зависит от температуры

В самом деле, при возрастании температуры от 300 до 3000 К в 10 раз увеличивается энергия теплового хаотического движения молекул вещества, и во столько же раз увеличивается сопротивление металла электрическому току. Из формулы (1) видно, что "пусковой" ток примерно в 10 раз больше номинального тока (так как сопротивление во столько же раз меньше). Для тонкого участка спирали согласно закону Джоуля-Ленца в режиме пуска происходит 10-кратный перегрев

Индекс "п" указывает на пусковой режим; "н" - номинальный режим. При защите осветительного прибора накаливания диодом спираль в конечном итоге при номинальном режиме оказывается недогретой, поэтому сила импульсов тока оказывается большей чем у лампы, незащищенной диодом. Поскольку защищенная лампа питается импульсами тока, ее температура 50 раз в секунду сильно меняется (в номинальном режиме, при котором было 100 более слабых импульсов тока, спираль не успевала заметно остывать, поэтому температура менялась не очень сильно 100 раз в секунду). Если вспомнить, что "старое" кино при 16 кадрах в секунду сильно "мерцало", новый стандарт кино - 24, стандарт телевидения - 25 кадров в секунду.

Для снижения мерцания в телевидении применяют полукадровую передачу изображения, т.е. 50 раз в секунду четные (потом нечетные) строки. Вспомним также, что ртутные дуговые осветительные приборы (газосветные), вспыхивающие 100 раз в секунду, сильно утомляют зрение. Из всего этого вытекает вывод: свечение защищенной лампы накаливания, резко вспыхивающей 50 раз в секунду, вредно для зрения, допустимо только для сигнальных и аварийных ламп (поэтому много энергии таким образом не сэкономится).

Отдача света подчиняется закону Стефана-Больцмана:

R^э=sТ4, где R^э - энергетическая светимость, Вт/м²; s - постоянная Стефана - Больцмана 5,67 х 10-8, Вт/(м2К4); Т - абсолютная температура, К.

Таким образом, снижение температуры излучателя даже на 10% приводит к снижению излучаемой мощности на 35%. Но это еще не все последствия! Согласно закону смещения Вина, снижение абсолютной температуры излучателя приводит к сдвигу максимума спектральной плотности излучения в "красную" - более длинноволновую область

lм=b/T, где lм - длина волны, на которую приходится максимум спектральной плотности излучения; b - постоянная Вина.

На рис.3,а изображены кривые спектральной плотности излучения абсолютно черного тела при температурах 3000 и 2800 К (справа на графике большие длины волн - это соответствует меньшей температуре), а также (рис.3,б) кривая видности световых лучей глазом человека, так как освещение предназначено для людей. Максимум кривой видности примерно соответствует температуре максимальной плотности излучения 6000 К - это "привычный" глазу свет нашего Солнца! Из наложения двух кривых видно, что в видимой области находится только небольшая часть энергии излучения спирали, причем небольшое снижение температуры (режим "экономии" и защиты) приводит к заметному снижению видимой глазом картинки! Когда 20 лет назад в школе (г. Ладыжин) возникла проблема с проекционными лампами (в городской электросети напряжение завышено, а режим работы проекционных ламп подобран так, что температура и "заход" спектра в видимую область были побольше), пришлось использовать схему рис.4.

Балластные резисторы (проволочные) расположены вну- три корпуса проекционной аппаратуры. Казалось бы, это должно увеличить на- грев корпуса, но нет. Вывод: если на бал- ластных резисторах рассеивается 1 Вт мощности, то нагрев проекционной лам- пой уменьшается примерно на 2 Вт, в итоге нагрев корпуса прибора уменьша- ется на 1 Вт! Кроме уменьшения нагрева в номинальном режиме балластный резистор значительно улучшил пусковой режим. Из формулы (2) видно, что при пуске холодной спирали ее нагрев усиливается в 10 раз по сравнению с номинальным. Толстые места спирали (большего сечения) имеют меньшее сопротивление, поэтому меньше нагреваются:

R=rl/S=4rl/(pd2), где R - сопротивление участка спирали,Ом; l - длина участка, м; d - диаметр спирали, м; S - сечение спирали, м2; r - удельное сопротивление проводника.

В то же время масса толстых участков спирали больше, поэтому при меньшей мощности нагрева эти участки заметно дольше разогреваются. При таком ходе процессов тонкий участок спирали нагрева нагревается быстро, его сопротивление растет согласно формуле (1), а остальные места спирали разогреваются не так быстро, и общее сопротивление растет медленнее! 3начит, режим пускового перекала наиболее сильно вредит тонким участкам спирали лампы! В проекционные аппараты мы устанавливали балластные резисторы сопротивлением около 10 % от сопротивления лампы в номинальном режиме, поэтому в рабочем режиме на резисторе падало 10% "лишних" вольт. В режиме пуска сопротивление лампы равно 0,1 номинального, вместе с балластным резистором это составляет 0,2Rн, поэтому "пусковой" ток всего в 5 раз превышает номинальный, а нагрев тонких участков по закону Джоуля-Ленца в 2,5 раз превышает номинальный (с учетом (1)). Без защитного резистора это превышение составляет 70 раз! Значит, в режиме пуска нагрев спирали уменьшен в 4 раза. Это, кажется, не очень большой выигрыш, но, если тонкое место веревки рвется, снижение нагрузки в 4 раза гарантированно ее спасет! На рис.5 схематически изображены зависимости мощности нагрева ламп для трех случаев: 1 - лампа без защиты; 2 - защита диодом; 3 - защита балластным резистором. Выводы делайте сами.

Практика многолетней эксплуатации осветительных и сигнальных ламп показала высокую надежность защиты, снижение светового потока визуально незаметно. На рис.7 показано соединение балластного резистора с осветительной лампой. Для проверки эффективности защиты двух типов собрана схема (рис.8), в которой для ускорения перегорания ламп к ним подводилось напряжение 380 В, а также производились включения/выключения. После выхода из строя 5 ламп, защищаемых диодом, и одной лампы, защищаемой резистором, испытания были прекращены! Поразительно! Напряжение двух фаз подавалось на схему с "мелкой" добавкой, почти незаметно влияющей на свечение лампы, и лампа светилась с перекалом, сопротивляясь перегоранию даже в моменты пуска! Раз мы смогли так эффективно защитить лампу накаливания, что она может выдерживать даже перекал, возникает вопрос: нельзя ли пойти дальше и заставить светить лампу с перекалом и не перегорать (вопреки способу защиты с диодом)?

На рис 10 Rб снижает "броски" тока при пуске холодной лампы. Конденсатор С в пусковом периоде с одной стороны ограничивает возрастание напряжения импульсов, с другой стороны, подпитывает лампу в моменты минимумов напряжения сети. Вследствие этого пуск лампы ускоряется, а "броски" тока при этом ослабляются. Прогретая спираль меньше шунтирует конденсатор, и напряжение на лампе в период минимумов падает в меньшей мере. Соответственно лампа меньше "пульсирует" и отдает больше света. Емкость конденсатора определяет величину эффективного напряжения на лампе, при этом из электроли- тических подходят только специальные конденсаторы, предназначенные для работы в силовых цепях. При небольших мощностях ламп накаливания для обеспечения режима перекала достаточно емкости "бумажного" конденсатора в несколько мкФ.

Схема диммера регулятор яркости ламп накаливания

Схема была испытана с лампами накаливания и галогенными общей мощностью до 200 Вт, ну а если вам потребуется большая мощность используйте более мощные диоды и тиристор и установите их на радиатор.

Фаза включения тиристора в каждом полупериоде зависит от постоянной времени цепи (R1+R2)C1. Диммер позволяет в широких пределах изменять яркость лампы.

Плавное включение лампочки накаливания

Принцип работы данной схемы — плавное включение лампочки накаливания, которое значительно увеличивает срок ее службы. Давно известно, перегорание лампочки накаливания происходит как раз в момент включения, так как в холодном состоянии сопротивление ее спирали в десять раз меньше чем в прогретом.

Резистор R5 задает уровень начальной яркости. Сопротивление R7 регулирует степень нарастания накала, в пределах от трех до пяти секунд. Меньшее значение сопротивления не защищает лампочку накаливания от перегорания. Резистор R1 задает нужный уровень напряжения питания.

Как включить лампочку накаливания с точки зрения ее долговечности

Советуем включить лампочку последовательно с балластным резистором (Rб) сопротивлением 6-8R холодной спирали (Rх.с). И не надо никаких диодов ("аспиринов") и однополупериодного разогрева. Согласитесь, что и при однополупериодном питании лампы включение может произойти в момент, когда U сети ~ Uампл. Событие, вероятность которого снижена вдвое, все равно может произойти. И обязательно произойдет по закону Мерфи. Итак, спираль лампы нужно включить через резистор 6-8 Rх.с, а спустя 0,3 с нужно выключить Rб. Сделать это можно, например, через тиристор.

Рассмотрим работу схемы. В первый момент после включения ток определяется сопротивлением Rб=470.510 Ом (для лампы 60 Вт), что составляет ~7 Rх.с, и такой ток не представляет опасности для холодной нити: Iвкл = Uсети / (Rб + Rх.с) = 0,5 А в самом худшем случае. Одновременно с разогревом спирали происходит и заряд конденсатора С через резистор R2. Пока напряжение на конденсаторе не станет достаточным для открывания перехода Б-Э транзистора VT1 (Uоткр), последний закрыт. Закрыт и тиристор VS1, так как током управления его является коллекторный ток (Iк) VT1. Когда конденсатор С зарядится до Uоткр, VT1 откроется и своим Iк откроет VS1. Тиристор зашунтирует Rб, и на лампу будет подано практически полное напряжение. Диод VD5 создает дополнительную задержку включения VT1 за счет создания запирающего напряжения (0,6-0,7 В) в цепи эмиттера, а также ограничивает ток через переход Э-К транзистора. Резистор R3 более надежно закрывает тирис- тор VS1. Резистор R1 позволяет конденсатору С быстро раз- рядиться после выключения схемы и практически сразу быть готовым к повторному включению освещения с полным циклом задержки. Диоды VD2- VD4 создают стабильный (2,2- 2,4 В) источник, от которого заряжается конденсатор С, и формируется ток управления VS1. Данную схему можно установить на дно коробки под настенным выключателем, при- чем как одну, так и две схемы для двойного выключателя. Схему можно смонтировать в отдельном корпусе из изоляционного материала как приставку к настольной лампе, торшеру, бра с собственным (для удобства) выключателем питания. Она не требует наличия "чистого" (взятого до лампочки) нулевого провода. Время задержки есть функция RC- элементов схемы и не зависит от Uсети и мощности нагрузки. Схема "отбирает" у лампочки, с которой включена последовательно, не более 5,5 В, что составляет менее 3% от напряжения питающей сети. Она позволяет сетевому выключателю работать в облегченном (по току) режиме, что продлевает срок его службы.

Элементы схемы. VD1 - диодный мост или 4 диода в зависимости от тока нагрузки (КЦ405А-В, КД209А-В, КД247Г-Ж, КД226В-Е, 1N4004- 1N4007 и др.); VS1 - тиристор лучше приме- нить серии "Т" типа Т112-10-4 (Т112-16-4) на 10 А (16А). Они имеют ток управления 40 мА (справочные данные), но от- лично включаются и насыща- ются при токе управления 18-20 мА. Радиатор не нужен; VT1 - p-n-p высоковольтный транзистор типа КТ3157А с Iк.э доп=30 мА; VD2.VD4 - любые кремниевые выпрямительные диоды с Uобр>300 В и Iном_Iнагр; VD5 - любой кремниевый диод с Uобр>300 В и Iном>30 мА; С - конденсатор электроли- тический, малогабаритный 1000 мкФ х 6,3 В; Rб - составлен из трех резисторов типа МЛТ-2 (см. таблицу).

Несмотря на большую выделяющуюся мощность, время перегрузки мало, резисторы работают надежно, и за год работы ни в одном из 10 эк- земпляров устройства на ре- зисторах нет и намека на изменение цвета. Естественно, если габариты устройства не критичны, в ка- честве Rб можно применить резисторы типа ПЭВ-7,5; ПЭВ- 10 и т.д. Резистор R1 типа МЛТ-0,25 - 100 Ом; резисторы R2, R3 типа МЛТ-0,125 - 470-680 Ом. С рос- том R2 увеличивается время задержки, но при этом падает ток базы транзистора VT1, а значит, и ток коллектора Iк. А это - ток управления VS1, который должен быть не менее 18- 20 мА, номинал R3 не критичен.

Отличные результаты дает замена тиристора высоковольтным n-p-n транзистором большой мощности, например КТ854А,Б; КТ858А, КТ8108А1, КТ8140А-В и другие c Uк.э>300 В; Iк=5-20 А; b>10 (рис.2). На насыщенном транзисторе VT2 падает 0,1-0,2 В, что значительно меньше, чем на тиристоре (0,8 В). Мощность, рассеиваемая ключом, в этой схеме меньше. Если требуется "разогревать" очень большую мощность, для лучшего насы- щения VT2 понадобится еще один транзистор (рис.3). В качестве VT3 используется высоковольтный n-p-n транзис- тор типа КТ940А. При мощности нагрузки >20 Вт желательно увеличить мощность Rб. Правильно собранные схемы не требуют наладки. Надо лишь проверить Uнас тиристора или мощного транзистора. Uнас.VS=0,8.0,85 В; Uнас.VT_0,1-0,2 В. Задержкой увлекаться не следует, так как уже через 0,3 с лампа достаточно разогревается, и нет смысла более этого времени зря греть балластные резисторы. Следует обратить внимание на частоту миганий.

Автомат плавного включения лампочки накаливания

Работает схема следующим образом. В момент включения устройства, ток в отрицательный полупериод течет через цепь R1-VD1-L1-EL1. В результате этого лампочка загорается в пол накала. В этот же момент, ток, пройдя через сопротивление R2, зарядит конденсатор C1. Примерно через две секунды, когда он зарядится, лампа накаливания загорится в полную силу.