ПАТЕНТНЫЙ ПОИСК В РФ
НОВЫЕ ПАТЕНТЫ, ЗАЯВКИ НА ПАТЕНТ
БИБЛИОТЕКА ПАТЕНТОВ НА ИЗОБРЕТЕНИЯ

устройство для включения ламп накаливания

Классы МПК:H05B39/02 включение, например с заданной скоростью увеличения светового потока 
H05B39/04 управление 
Автор(ы):,
Патентообладатель(и):Белявский Анатолий Геннадьевич (UA)
Приоритеты:
подача заявки:
1998-06-04
публикация патента:

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.

Рисунки к патенту РФ 2156044

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3

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:

RT = Ro(1+устройство для включения ламп накаливания, патент № 2156044T), (1)

где Ro, Rт - сопротивление проводника при Н.У. и расчетной температуре T;

устройство для включения ламп накаливания, патент № 2156044 - температурный коэффициент сопротивления для чистых металлов примерно равный 0,004 I/град.

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

Так для обычной лампы дальнего-ближнего света автомобиля мощностью 50 Вустройство для включения ламп накаливания, патент № 2156044А 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 Rд выбирается существенно большим, чем "холодное" сопротивление (Rло) 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

устройство для включения ламп накаливания, патент № 2156044

где Tо - конечное значение температуры нити, определяющееся установившимся теплообменом

0,24I2R = устройство для включения ламп накаливания, патент № 2156044устройство для включения ламп накаливания, патент № 2156044T4. (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 = устройство для включения ламп накаливания, патент № 2156044 равный проекции ординаты, образованной точкой пересечения (1) касательной в начале координат к экспоненте, и линией установившейся температуры.

Точка (2) на экспоненте при t = устройство для включения ламп накаливания, патент № 2156044 соответствует 0,63 от установившегося значения, действительно:

T = T0(1-е-1),

или

устройство для включения ламп накаливания, патент № 2156044

здесь e - основание натурального логарифма - 2,73.

С определенной точностью можно дать зависимость изменения падения напряжения на лампе

Uл = Uлmax(1-e-t/устройство для включения ламп накаливания, патент № 2156044). (5)

Известно, что при экспоненциальном законе скорость изменения параметра максимально на участке до t = устройство для включения ламп накаливания, патент № 2156044, 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 = устройство для включения ламп накаливания, патент № 2156044.

Отсюда следует вывод, что максимальное напряжение срабатывания реле напряжения не должно превышать 0,63 от максимального установившегося значения, а именно:

устройство для включения ламп накаливания, патент № 2156044

или

Upmax устройство для включения ламп накаливания, патент № 2156044 0,63 U0 (6)

Это условие для выбора максимального напряжения срабатывания (U0) реле (13). Для Up = 12 В напряжение Upmax, будет равно

Upmax = 0,63 устройство для включения ламп накаливания, патент № 2156044 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 Rлt=устройство для включения ламп накаливания, патент № 2156044, будет равно

Rлt=устройство для включения ламп накаливания, патент № 2156044 = Rлo(1+устройство для включения ламп накаливания, патент № 2156044устройство для включения ламп накаливания, патент № 21560440,63 Tmax).

Примем для вольфрама (нить обычно вольфрамовая) устройство для включения ламп накаливания, патент № 2156044 = 0,004,

а Tmax = 2000oC, тогда

Rлt=устройство для включения ламп накаливания, патент № 2156044 = Rлo(1+0,004устройство для включения ламп накаливания, патент № 21560440,63устройство для включения ламп накаливания, патент № 21560442000) = 6Rлo.

Ток через лампу в момент времени t = устройство для включения ламп накаливания, патент № 2156044 равен

устройство для включения ламп накаливания, патент № 2156044

Отсюда определим номинал добавочного сопротивления R0

устройство для включения ламп накаливания, патент № 2156044

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

Rлmax = 9Rл0.

При Rд = 3,7 Rл0 получим суммарное сопротивление цепи, лампа холодная + добавочный резистор

Rустройство для включения ламп накаливания, патент № 2156044min = Rд+Rлo = 3,7Rлo+Rлo = 4,7 Rлo.

Максимальное сопротивление цепи в момент срабатывания реле

Rустройство для включения ламп накаливания, патент № 2156044max = Rд+Rлt=устройство для включения ламп накаливания, патент № 2156044 = 3,7Rлo+6Rлo = 9,7 Rлo.

Следовательно, снижение пускового тока при включении t = 0 будет равно

устройство для включения ламп накаливания, патент № 2156044

В момент срабатывания реле кратность тока будет

устройство для включения ламп накаливания, патент № 2156044

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 Rд = 0,5 Ом, получим

P = I2Rg = 102 устройство для включения ламп накаливания, патент № 2156044 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 (устройство для включения ламп накаливания, патент № 2156044) 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 устройство для включения ламп накаливания, патент № 2156044 10 устройство для включения ламп накаливания, патент № 2156044.

Например для ламп фар мощностью 60 Вт на 12 В, постоянная времени устройство для включения ламп накаливания, патент № 2156044 была опытным путем установлена равной 30устройство для включения ламп накаливания, патент № 215604410-3 с.

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

Сопротивление такого проводника определяется известным соотношением

устройство для включения ламп накаливания, патент № 2156044

где устройство для включения ламп накаливания, патент № 2156044 - удельное сопротивление, например равное для нихрома устройство для включения ламп накаливания, патент № 2156044,

l - длина в метрах;

d - диаметр в мм;

S - сечение проводника, мм2.

Для выбранного для расчетов материала нихром, запишем его тепловые характеристики:

Температура плавления - Tпл - 1400oC, плотность 8,4 г/см3, температурный коэффициент сопротивления устройство для включения ламп накаливания, патент № 2156044 = 0,015%/oC).

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

устройство для включения ламп накаливания, патент № 2156044

где R0 - сопротивление резистора во нормальных условиях,

Rт - сопротивление резистора при расчетной температуре, в нашем случае равной температуре плавления Tпл = 1400oC, определяется соотношением

устройство для включения ламп накаливания, патент № 2156044

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

устройство для включения ламп накаливания, патент № 2156044

устройство для включения ламп накаливания, патент № 2156044

На резисторе Rд за время t = 10 устройство для включения ламп накаливания, патент № 2156044 выделится тепловая энергия "qR" согласно известному соотношению равная

устройство для включения ламп накаливания, патент № 2156044

где UR - 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 UR = 10 В : t = 10 устройство для включения ламп накаливания, патент № 2156044 = 0,3 с и Rд = 0,5 Ом получим устройство для включения ламп накаливания, патент № 2156044

Таким образом проводник резистора должен быть таким, чтобы "сгореть", набрав 15 кал.

Ниже приведенное известное соотношение определяет теплосодержание "q".

устройство для включения ламп накаливания, патент № 2156044

где d и l - размеры проводника,

C - теплоемкость вещества проводника, в нашем случае для нихрома это 0,1 кал/г,

устройство для включения ламп накаливания, патент № 2156044 - плотность, 8,4 г/см3,

T - температура нагрева T = Tпл = 1400oC.

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

устройство для включения ламп накаливания, патент № 2156044

Итак, мы имеем два соотношения,

d2l = 0,0162,

устройство для включения ламп накаливания, патент № 2156044

Решим эти два уравнения методом подстановки второго в первое

d2 устройство для включения ламп накаливания, патент № 2156044 0,393d2 = 0,0162,

устройство для включения ламп накаливания, патент № 2156044

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

устройство для включения ламп накаливания, патент № 2156044

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

В общем виде уравнения запишутся так:

устройство для включения ламп накаливания, патент № 2156044

устройство для включения ламп накаливания, патент № 2156044

где U - минимальное напряжение в сети,

t - время перегорания проводника добавочного резистора, равное 10 устройство для включения ламп накаливания, патент № 2156044 , где устройство для включения ламп накаливания, патент № 2156044 - постоянная времени.

И окончательно

устройство для включения ламп накаливания, патент № 2156044

или

устройство для включения ламп накаливания, патент № 2156044

Определив диаметр провода вычислить его длину по формуле

устройство для включения ламп накаливания, патент № 2156044о

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 (Uр), определенным по соотношению

Uр = U0(1 - e-1),

где U0 - напряжение источника питания;

e - основание натурального логарифма, равное 2,73,

а сопротивление добавочного резистора (Rд) определено соотношением

Rд = 3,7Rло,

где Rло - "холодное" сопротивление нити накаливания подключаемых ламп, при этом диаметр d проводника резистора определяется по соотношению

устройство для включения ламп накаливания, патент № 2156044

где U0 - напряжение источника питания;

устройство для включения ламп накаливания, патент № 2156044, с; устройство для включения ламп накаливания, патент № 2156044 и T - удельное сопротивление, теплоемкость, плотность и температура плавления материала проводника добавочного резистора;

Rло - "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

устройство для включения ламп накаливания, патент № 2156044

Патентный поиск по классам МПК-8:

Класс H05B39/02 включение, например с заданной скоростью увеличения светового потока 

Класс H05B39/04 управление 

Патенты РФ в классе H05B39/04:
способ и аппаратная система для определения фазового угла регулятора яркости и избирательного определения универсального входного напряжения для твердотельных осветительных установок -  патент 2529465 (27.09.2014)
устройство для регулирования освещенности -  патент 2390976 (27.05.2010)
способ организации световых эффектов и устройство для его осуществления (варианты) -  патент 2336667 (20.10.2008)
устройство для дистанционного регулирования мощности ламп накаливания -  патент 2262216 (10.10.2005)
устройство для управления освещением -  патент 2206185 (10.06.2003)
электронный регулятор мощности с импульсным источником питания -  патент 2202145 (10.04.2003)
устройство для регулирования яркости галогенных ламп накаливания -  патент 2165131 (10.04.2001)
система регулирования электрической мощности -  патент 2162244 (20.01.2001)
устройство для питания электрической нагрузки -  патент 2157584 (10.10.2000)
электрическая лампа накаливания с двумя телами накала -  патент 2140116 (20.10.1999)


Наверх