Termistor NTC jako soft-start do żarówki.

W związku z wymianą żarówek:

Modernizacja oświetlenia głównego w dużym pokoju i przedpokoju

Postanowiłem dodać do nich układ soft-start'u. Chciałem jednak sprawdzić, czy to działanie ma sens. Przygotowałem więc pierwsze stanowisko testowe:

Napiszę jeszcze, dlaczego w ogóle rozważa się instalacje dodatkowych elementów do tak prostego i niezawodnego urządzenia jaki jest żarówka. No właśnie.. czy na pewno niezawodnego? Czas życia podawany przez uznanego producenta określony jest na 1000 godzin. Czy ma to coś wspólnego filmami:

• Żarówkowi ściemniacze, Bulb Fiction, PLANETE+
• Ściemy wielkich marek: Spisek żarówkowy - nieznana historia zaplanowanej nieprzydatności. Dokument CNBC z cyklu "Zrozumieć świat".

(filmy są usuwane, dlatego trzeba je szukać samodzielnie)

Niektóre żarówki z supermarketów działają jeszcze krócej, a przy wykręcaniu potrafi w nich odkleić się bańka od trzonka, który zostaje w oprawie. Żarówki zaczęły być problemem w firmach, gdzie wykorzystuje się ich duże ilości, a niektóre są przecież umieszczone w trudno dostępnych miejscach.

Zimny żarnik żarówki 60 W ma rezystancję wynoszącą około 65 Ω. Z prawa Ohma wynika, że przez taką rezystancję przy napięciu skutecznym 230 V przepłynie prąd 3,54 A, co odpowiada mocy 814 W. Prawie 14 razy więcej od mocy znamionowej żarówki! Taki prąd przepłynie przez krótką chwilę, dopóki rezystancja żarnika nie wzrośnie wraz z jego temperaturą. Nominalna moc żarówki sugeruje, że rezystancja działającej żarówki waha się w granicach 880 Ω, a wielkość skuteczna prądu wynosi 0,26 A.
Zmiany temperatury żarnika, zależne też od częstotliwości sieci elektrycznej powtarzają się ciągle (w takt częstotliwości sieci energetycznej wynoszącej 50 Hz), nie tylko w momencie uruchomienia

Pulsowanie (migotanie) różnych źródeł światła: świetlówki kompaktowe (CFL), żarówki, lampy LED, itp.

Teoretycznie więc można przedłużyć czas życia żarówki, przez ograniczenie jej prądu rozruchu, który - przypomnę - jest prawie 14 razy większy od prądu pracy. Ograniczyć można na wiele sposobów, np.:

• Sterowanie PWM stopniowo zwiększające wypełnienie impulsu. Zwiększamy w ten sposób impulsowe zasilanie żarnika, a jak widać na moich filmach nakręconych przy szybkości 1000 klatek/s, żarnik wtedy "pulsuje", co może mieć negatywny wpływ na czas jego pracy. Do tego załączanie elementu sterującego nie odbywa sie w zerze (tylko wyłączanie).
• Można załączać żarówkę w zerze napięcia, co dla odbiornika o rezystancyjnym charakterze, zmniejsza udar prądu. Do realizacji takiego zadania trzeba wykonać układ elektroniczny, a nie zawsze jest miejsce na jego zamontowanie.
• Innym pomysłem jest włączenie na stałe w szereg rezystora. Takie rozwiązanie jest nieodpowiednie dla żarówek halogenowych (mała rezystancja jest akceptowalna). Na takim rezystorze będzie się też cały czas wydzielać kilka watów strat (przy żarówce 60 W), co wymusza rozwiązanie problemu jego chłodzenia i umiejscowienia. Przykładowo rezystor 47 Ω ograniczy moc do 1125 W, jednak w połączeniu z rezystancją zimnego żarnika wynoszącą 65 Ω otrzymamy 112 Ω, co już ogranicza maksymalny prąd do 2 A, czyli 470 W. Udar prądu mniejszy prawie o połowę. Trzeba jednak zachować ostrożność, by gorący rezystor nie spowodował większych problemów, niż przepalona żarówka, oraz by zachodził cykl regeneracyjny dla żarówek halogenowych.
• Wariacja rozwiązania z rezystorem, polegająca na umieszczeniu równoległego do rezystora przekaźnika. Przekaźnik załączany jest po ustalonych, krótkim, czasie stanowiąc bypass do rezystora, co ogranicza straty i nie powoduje spadku napięcia zasilajacego żarówkę. Rozwiązanie to zajmuje dożo miejsca i wymaga użycia kilku podzespołów - a czym więcej elementów tym trudniej zachować odpowiedni poziom niezawodności.
• Zainstalowanie szeregowo termistora NTC. Element taki ma dużą rezystancję, gdy jego temperatura jest zbliżona do temperatury pokojowej. Dopiero przepływający prąd rozgrzewa go, powodując spardek rezystancji, najczęściej poniżej 1 Ω. Jest to proste rozwiązanie, ale też posiada wady: termistor rozgrzewa się do około 110-120 stopni celsjusza (zmierzyłem sondą K i pirometrem), a dopóki ponownie nie ostygnie nie stanowi ochrony (gorący ma małą rezystancję).

***

Można jeszcze w szereg z żarówką wstawić diodę prostowniczą. Ograniczymy moc wydzielaną na żarówce, co może wpłynąć na wydłużenie czasu jej pracy. Z drugiej strony żarówka świecić znacznie słabiej. Będzie również migotać z częstotliwością 25 Hz, co jest może być już czasami widoczne i przeszkadzające:

Żarówka z włączoną szeregowo włączona diodą prostowniczą:

Żarówka standardowo podłączona (bez diody prostowniczej):

Pulsowanie (migotanie) różnych źródeł światła: świetlówki kompaktowe (CFL), żarówki, lampy LED, itp.

Pulsowanie (migotanie) monitorów i telewizorów (LCD, kineskopowych).

***

Wszelkie elektroniczne urządzenia sterujące, czy to PWM'em, załączaniem w zerze, załączaniem z opóźnieniem, wymagają zasilanej elektroniki, którą ciężko zabezpieczyć przed przepięciami, spowodowanymi chociaż by iskrzeniem włącznika.
Dlatego zdecydowałem się na sprawdzenie skuteczności ochrony (przed udarem prądu występującym przy włączeniu żarówki) oferowanej przez termistor NTC. Gorący termistor nie oferuje ochrony, ale ze względu na jego małą pojemność cieplną szybko stygnie. Nawet jak czasami światło zostanie szybko wyłączone i ponownie włączone, to będą to sytuacje sporadyczne zresztą... to jest tylko dodatkowa ochrona i nie musi zadziałać w 100% włączeń żarówki.
Termistor jest również prostym, tanim i zajmującym mało miejsca rozwiązaniem.

Postanowiłem użyć termistora o wyraźnie większej rezystancji, od rezystancji  początkowej żarówki, którą ma chronić. Użyłem więc termistora o rezystancji 220Ω (w temperaturze pokojowej). Jest to ponad trzykrotnie większa rezystancja od rezystancji zimnego włókna żarówki 60 W. Taka rezystancja ogranicza moc do 240 W, a w połączeniu z rezystancją żarnika otrzymamy: 220 Ω + 65 Ω = 285 Ω, czyli 0,8A (185 W). Oczywiście część tej mocy odłoży się na termistorze, ale tylko niewielka, ponieważ ten element rozgrzewa sie błyskawicznie, przez co zmniejsza swoją rezystancję. Szkoda, że dzieje się to tak szybko, ponieważ gdyby ten proces trwał dłużej, to udar był by jeszcze mniejszy.

Testy:

Przebieg prądu (nie napięcia!) rejestrowałem przy pomocy sondy prądowej z czujnikiem Halla. Sonda ta działa dla małych częstotliwości, ale ponieważ użyto w niej tylko czujniki Halla, bez np.: transformatora, jej górna częstotliwość pracy ograniczona jest do około 20 kHz.

1 mA = 1 mV

Jak widać zarejestrowane zostały przebiegi, które w maksymalnych punktach osiągały wartość około 2 V, co odpowiada przepływowi prądu o wielkości 2 A. Widać też, jak szybko take przeciążenie zanika - łącznie nie trwa dłużej niż 40 ms (jeden okres 50 Hz ma 20 ms). Właściwie udar jest tylko przez 5-10 ms, a przez następne 30 ms prąd ma wartość szczytową większą (od nominalnego prądu szczytowego wynoszącego 0,4 A) o około 50% (o 0,2 A).

***

Po zainstalowaniu w szeregu z żarówką termistora NTC 220 Ω, pomimo wielu prób otrzymywałem przebiegi zbliżone do poniższych. Próby przeprowadzałem w 3 minutowych odstępach, by termistor ostygł.

Jak widać maksymalny zarejestrowany udar prądu był o około 0,7 A większy od szczytowego prądu nominalnego 0,4 A. Wg. tego pomiaru prąd udarowy zmniejszył się po zainstalowaniu termistora o 0.8 A i osiągnął moc 276 W, zamiast oczekiwanej 185 W. Dlaczego tak się stało? Odpowiedź na to pytanie może dać poniższe zdjęcie:

Kupiłem jednocześnie około 10 sztuk termistorów i jak widać, część z nich ma rezystancję odbiegającą od deklarowanych 220 Ω. Dwa termistory zainstalowane w żyrandolu mają po około 260 Ω.

***

Ponieważ użyta sonda prądowa oscyloskopu ma ograniczone pasmo, przeprowadziłem dodatkowe pomiary przepływu prądu z wykorzystaniem rezystora wzorcowego 1 Ω.

Bez NTC.

Zainstalowany NTC.

***

Pomiary bez zainstalowanego termistora. Ta sama żarówka, 60 W. Czerwony przebieg odwzorowuje prąd (CH2), a niebieski napięcie (CH1).
1 mV = 1 mA.

Po zainstalowaniu termistora NTC. 

Przerwy pomiędzy pomiarami wynosiły 3 minuty.

Widać, ze po instalacji termistora został ograniczona, a wręcz zniwelowana, pierwsza szpilka odwzorowująca pobór prądu.

***

Wobec powyższych wyników testów instaluję termistory do używanych w domu żarówek.

Poniżej zdjęcia termistorów dodanych do żyrandola. Dwa termistory dla dwóch obwodów. Można to było wykonać na jednym NTC, ale dwa zwiększają niezawodność.

Również dwa kinkiety zyskały nowe wyposażenie.

Ostatni z pięciu zainstalowanych termistorów został wykorzystany w garderobie do 100 W żarówki.

Przeprowadziłem trwający pięć godzin test, kontrolując w tym czasie temperaturę elementów wokół termistorów, oraz czy nie ma problemów z przebiciem na obudowę lamp (lub nadmierną upływnością).

***

Warto dodać, że powyższa modyfikacja, nie tylko poprawia samopoczucie autora i wydłuża czas pracy żarówek, ale i ogranicza przepięcia w sieci elektrycznej. Dzięki temu mniej zakłóceń wpłynie na pracę moich mierników i nie będzie niszczyć innych urządzeń AGD/RTV podłączonych do sieci elektrycznej.

***

2016.03.16  Zamiast schematu film:

***

Termistor NTC: testy, spadek napięcia:

***

W poniższym linku jest propozycja ciekawego układu soft-start'u:
http://www.elektroda.pl/rtvforum/topic3279575.html

Również w ramach tej dyskusji zaproponowano diodę prostowniczą, jako tani i prosty środek przedłużający czasz życia żarówki:

*

Kolejny test: soft start do elektronarzędzi (z Allegro) jako soft-start do żarówki:

***

Pokrewne tematy:

LED FILAMENT
Oświetlenie LED w kuchni
Oświetlenie LED łazienki (małej)
Skrzynka elektryczna z bezpiecznikami i zabezpieczeniami antyprzepięciowymi

Zabezpieczenie przeciwprzepięciowe - wstęp.
Centrum Zarządzania Światem - zasilanie
Bezprzewodowy licznik energii elektrycznej OWL -rozpakowanie (unboxing)

Jakie napięcie w "gniazdku" mieści się w normie?

Filtry sieci energetycznej

Separator galwaniczny dla TV, radia i Internetu w sieci TV kablowej

Oświetlenie LED w kuchni
Pulsowanie (migotanie) różnych źródeł światła: świetlówki kompaktowe (CFL), żarówki, lampy LED, itp.

Modernizacja oświetlenia głównego w dużym pokoju i przedpokoju
Nowe, inteligentne liczniki energii elektrycznej

Spadek napięcia w zależności od długości przewodu (przedłużacza)

Jak zmierzyć prąd upływu (Leakage Current Test)
Oznaczenia wyłączników różnicowoprądowych (RCD), oraz jaki wyłącznik zastosować do obwodów zasilających komputery

Update: 2017.01.05
Create: 2014.10.27