Устройство для включения ламп накаливания

 

Устройство содержит штатное электромагнитное реле, включенное параллельно лампе накаливания, и элемент предохранения в виде инерционной плавной вставки с калиброванным сопротивлением. Технический результат: снижение пускового тока в 2,5-3 раза за счет эффекта термонелинейности нити накаливания лампы. 3 ил.

Предлагаемое изобретение относится к устройствам включения ламп накаливания вообще, а в частности для включения автомобильных ламп накаливания фар конкретно.

Известно, что сопротивление проводников электрическому току зависит от температуры и описывается законом: R_T = R_o(1+αT), (1) где R_o, R_т - сопротивление проводника при Н.У. и расчетной температуре T; α - температурный коэффициент сопротивления для чистых металлов примерно равный 0,004 I/град.

Если принять температуру нагрева нити накаливания лампы 200^oC, то отношение тока по холодной нити к току в горячей достигает 10.

Так для обычной лампы дальнего-ближнего света автомобиля мощностью 50 В·А пусковой ток достигает 40 А, при номинальном токе 4 А. В связи с этим, преимущественно, лампы накаливания перегорают в момент включения.

Для устранения этого применяют плавное или ступенчатое нарастание тока в лампе, например, как это описано в журнале "Радио" N 2, 1987 год, стр. 46 в статье Хрисанова "Плавное включение дальнего света". Здесь транзисторно-тиристорная схема обеспечивает плавное нарастание тока в цепи ламп накаливания дальнего света.

В а.с. NN 704935, 667723, 1311037 и 1750071 предлагает различные варианты ступенчатого увеличения тока в лампах накаливания при питании от постоянного тока.

Наиболее простое схемно-техническое решение описано в а.с. N 1750072 A1. Заявка 4847490/01 от 09.07.90 А.И. Гольштейна, Р.В. Рейнгардта и др. (см. фиг. 1), Описанная в этом изобретении схема состоит из двух реле (3 и 5) с нормально открытыми контактами (6 и 4), через которые от источника тока в одной цепи лампа накаливания (2) включена через добавочный резистор (7), а с другой непосредственно, обмотка реле (5) подключена к сети через RC-цепочку (8, 9).

Работает схема так. При подаче на схему напряжения питания контактом (1) через RC-цепочку срабатывает реле (3) и подключает через добавочное сопротивление (7) лампы (2) накаливания. Из-за роста сопротивления нагревающихся ламп (2) падение напряжения на добавочном сопротивлении (7) уменьшается, что в свою очередь приводит к увеличению напряжения на обмотке реле (5), которое подключено параллельно лампам накаливания (2).

При достижении напряжения на лампах (2) равного срабатывания реле (5) последнее срабатывает и своим контактом (4) шунтирует добавочное сопротивление (7), при этом на лампы (2) подключаются на полное напряжение источника тока. Параметры RC (8, 9) цепочки включения реле (3) выбраны таким образом, что оно отключает цепь с добавочным сопротивлением (7) через определенное время задержки. Схема рекомендована автором для включения ламп освещения в вагонах поездов.

Для повышения надежности работы системы защиты ламп и обеспечения безопасности в возможных аварийных режимах предложена схема, изображенная на фиг. 2. где 10 - включатель лампы; 11 - лампа; 12 - резистор добавочный; 13 - реле; 14 - Н.О. контакт реле 15;
15 - плавкая вставка;
16 - масса (электропроводный корпус автомобиля).

Работает схема следующим образом. При включении ключа (10) через плавкую вставку (15) напряжение источника тока подается на лампу (13). Ток в цепи в момент включения определяется номиналом добавочного резистора (12), так как его сопротивление R_д выбирается существенно большим, чем "холодное" сопротивление (R_ло) нити лампы (11). По мере нагрева нити лампы ее сопротивление растет, что приводит к росту падения напряжения на лампе (11) и, при достижении его уровня, срабатывает и своим контактом (14) шунтирует добавочное сопротивление (12). Лампа (11) при этом подключается непосредственно к источнику тока.

Как видно для обеспечения работоспособности предложенной схемы важное значение имеют выбор напряжения срабатывания реле (13) и номинал сопротивления добавочного резистора (12).

Для выбора критериев определения параметров реле (13) и добавочного резистора (12) рассмотрим переходные процессы в схеме.

Как уже было указано (см. формулу 1) сопротивление нити накаливания увеличивается с ростом ее температуры. Во времени этот процесс определяется скоростью нагрева нити током.

Скорость нагрева нити накаливания лампы в первом приближении описывается экспоненциальным законом

где T_о - конечное значение температуры нити, определяющееся установившимся теплообменом
0,24I²R = ασT⁴. (3)
Здесь левая половина равенства - джоулево тепло, выделяющееся в объеме нити накаливания, а правая - энергия излучения по закону Стефана-Больцмана. Потерями на теплопроводность можно в этом случае пренебречь, так как внутри лампы вакуум. Процесс нагрева показан на фиг. 3. Характерным для экспоненциального закона является его так называемая постоянная времени, которая есть отрезок времени t = τ равный проекции ординаты, образованной точкой пересечения (1) касательной в начале координат к экспоненте, и линией установившейся температуры.

Точка (2) на экспоненте при t = τ соответствует 0,63 от установившегося значения, действительно:
T = T₀(1-е^-1),
или

здесь e - основание натурального логарифма - 2,73.

С определенной точностью можно дать зависимость изменения падения напряжения на лампе
U_л = U_лmax(1-e^-t/τ). (5)
Известно, что при экспоненциальном законе скорость изменения параметра максимально на участке до t = τ, а далее существенно снижается. Так как реле (13) включено параллельно лампе (11), то напряжение на его обмотке также меняется по экспоненциальному закону. Следовательно, обеспечение максимальной точности его срабатывания возможно при прочих равных условиях только на участке изменения напряжения в период t = τ.
Отсюда следует вывод, что максимальное напряжение срабатывания реле напряжения не должно превышать 0,63 от максимального установившегося значения, а именно:

или
U_p^max ≅ 0,63 U₀ (6)
Это условие для выбора максимального напряжения срабатывания (U₀) реле (13). Для U_p = 12 В напряжение U_p^max, будет равно
U_p^max = 0,63 · 12 = 7,36 В.

Выбор номинала добавочного сопротивления определяется тем, что к моменту срабатывания реле на нем будет падать напряжение равное 0,37 U₀.

К этому моменту по принятому закону, см. формулы (4) и (1), сопротивление нити лампы R_лt=τ, будет равно
R_лt=τ = R_лo(1+α·0,63 T_max).
Примем для вольфрама (нить обычно вольфрамовая) α = 0,004,
а T_max = 2000^oC, тогда
R_лt=τ = R_лo(1+0,004·0,63·2000) = 6R_лo.
Ток через лампу в момент времени t = τ равен

Отсюда определим номинал добавочного сопротивления R₀

Определим кратность снижения пускового тока. По формуле (1) для T = 2000^oC
R_лmax = 9R_л0.

При R_д = 3,7 R_л0 получим суммарное сопротивление цепи, лампа холодная + добавочный резистор
R_Σmin = R_д+R_лo = 3,7R_лo+R_лo = 4,7 R_лo.
Максимальное сопротивление цепи в момент срабатывания реле
R_Σmax = R_д+R_лt=τ = 3,7R_лo+6R_лo = 9,7 R_лo.
Следовательно, снижение пускового тока при включении t = 0 будет равно

В момент срабатывания реле кратность тока будет

Таким образом, поставленная задача снижения пускового тока выполнена, даны соотношения по оптимальному выбору параметров используемых элементов для этой цепи, в данном случае выбора напряжения срабатывания реле и номинала добавочного резистора.

Необходимо также отметить, что место включения добавочного сопротивления выбрано между массой и выводами лампы не случайно, а для исключения режима короткого замыкания этой цепи на работоспособность лампы. Действительно, возникновение здесь короткого замыкания приведет только к отказу системы снижения пускового тока. Короткое замыкание в цепи до лампы (11) приведет, как обычно, к срабатыванию плавкой вставки (15).

Остается аварийный режим, возникающей при несрабатывании реле (13), когда добавочный резистор (12) не шунтируется контактом (14), реле (13). Вариант выполнения резистора (12) по мощности из расчета этого аварийного режима не рационален.

Во-первых, мощность резистора должна быть большой, а именно: например для двух нитей по 60 Вт.

Номинальный ток будет равен 10 А, а при R_д = 0,5 Ом, получим
P = I²R_g = 10² · 0,5 = 50 Вт.

Во-вторых, этот аварийный режим не столь вероятен.

С целью исключения этого явления предлагается добавочному резистору (11) придать функции плавкой вставке. Дело в том, что процесс нагрева нити плавкой вставки также инерционный.

Следовательно, параметры добавочного резистора (11) должны быть выбраны таким образом, что в нормальном режиме она не должна нагреться до температуры потери механической прочности, а в аварийном, например при несрабатывании реле, "сгореть" после определенной задержки времени.

Для этого добавочное сопротивление выполняется в виде короткого проводника из сплава с высоким оммическим сопротивлением, при этом масса этого проводника должна быть такова, чтобы за принятое время задержки ее перегорания она нагрелась до температуры плавления вещества проводника. Ниже приведены расчетные соотношения по выбору параметров проводника добавочного резистора.

Выбор времени предельной задержки перегорания проводника добавочного резистора.

Как отмечалось ранее, срабатывание реле должно происходить в диапазоне времени, близком к постоянной времени (τ) нагрева нити накаливания лампы. Это время и следует взять за критерий. С целью исключения преждевременного перегрева проводника резистора примем десятикратное превышение, т.е. время перегорания (t) проводника добавочного сопротивления должно произойти после несрабатывания реле при t ≥ 10 τ.

Например для ламп фар мощностью 60 Вт на 12 В, постоянная времени τ была опытным путем установлена равной 30·10^-3 с.

Рассмотрим добавочное сопротивление как линейный проводник диаметром "d" и длиной "l".

Сопротивление такого проводника определяется известным соотношением

где ρ - удельное сопротивление, например равное для нихрома ,
l - длина в метрах;
d - диаметр в мм;
S - сечение проводника, мм².

Для выбранного для расчетов материала нихром, запишем его тепловые характеристики:
Температура плавления - T_пл - 1400^oC, плотность 8,4 г/см³, температурный коэффициент сопротивления α = 0,015%/^oC).

Расчетное сопротивление R_д добавочного резистора из-за его нагрева примем равным среднеарифметическому

где R₀ - сопротивление резистора во нормальных условиях,
R_т - сопротивление резистора при расчетной температуре, в нашем случае равной температуре плавления T_пл = 1400^oC, определяется соотношением

Вывод общих соотношений будем сопровождать конкретными данными. Так ранее был определен номинал добавочного сопротивления из расчета работы на две нити накаливания равным 0,45 Ом.

Тогда для нихрома


На резисторе R_д за время t = 10 τ выделится тепловая энергия "q_R" согласно известному соотношению равная

где U_R - напряжение приложенное к риезистору.

Так как величина этого напряжения зависит от нагрева нити ламп накаливания и напряжения в бортовой сети, то в первом приближении его следует взять по минимуму. Например, равным 10 В, здесь 2 В от номинала бортовой сети убраны на падение напряжения вообще в сети и на нити лампы накаливания в переходном процессе.

Тогда для U_R = 10 В : t = 10 τ = 0,3 с и R_д = 0,5 Ом получим
Таким образом проводник резистора должен быть таким, чтобы "сгореть", набрав 15 кал.

Ниже приведенное известное соотношение определяет теплосодержание "q".

где d и l - размеры проводника,
C - теплоемкость вещества проводника, в нашем случае для нихрома это 0,1 кал/г,
γ - плотность, 8,4 г/см³,
T - температура нагрева T = T_пл = 1400^oC.

Подставив сюда вместо q = q_R определим, чему будет равно "q²l".

Итак, мы имеем два соотношения,
d²l = 0,0162,

Решим эти два уравнения методом подстановки второго в первое
d² · 0,393d² = 0,0162,

Теперь определим l из первого уравнения, подставив туда полученное значение "d".

Таким образом искомый проводник должен иметь диаметр, равный 0,45 мм и иметь длину 8 см.

В общем виде уравнения запишутся так:


где U - минимальное напряжение в сети,
t - время перегорания проводника добавочного резистора, равное 10 τ , где τ - постоянная времени.

И окончательно

или

Определив диаметр провода вычислить его длину по формуле
о

Формула изобретения

Устройство для включения лампы накаливания от источника постоянного тока, состоящее из добавочного резистора, последовательно включенного с нитью лампы и включенного параллельно лампе реле с нормально открытым контактом, шунтирующим этот резистор, отличающееся тем, что резистор и шунтирующий его контакт реле включены между корпусом, являющимся проводником тока и выводом нити лампы накаливания, при этом использование реле с напряжением срабатывания (U_р), определенным по соотношению
U_р = U₀(1 - e^-1),
где U₀ - напряжение источника питания;
e - основание натурального логарифма, равное 2,73,
а сопротивление добавочного резистора (R_д) определено соотношением
R_д = 3,7R_ло,
где R_ло - "холодное" сопротивление нити накаливания подключаемых ламп, при этом диаметр d проводника резистора определяется по соотношению

где U₀ - напряжение источника питания;
ρ, с; γ и T - удельное сопротивление, теплоемкость, плотность и температура плавления материала проводника добавочного резистора;
R_ло - "холодное" сопротивление нити накаливания включаемых ламп;
t - время, равное 10 постоянных времени разогрева нити лампы накаливания при включении,
а длина проводника l вычисляется по соотношению

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3