Термисторы 80D9, 220D15 -"таблетки" против экстра токов ламп накаливания или еще одна возможность продлить срок службы ламп.

За два года перегорели 10 разных недешевых кукурузок и спиралек. Вобщем, ни хорошего света, ни экономии не получил. Пробовал восстанавливать лампы и колхозить тепловентиляцию, но потом надоело. Решил покопать в направлении продления срока службы ламп накаливания.

Лампы накаливания (ЛН) у меня стоят в 12 точках освещения. В основном это люстры и закрытые светильники, в которых напряженный тепловой режим и требования к хорошей освещенности. Попытки оставить освещенность на хорошем уровне и сэкономить путем замены ЛН на энергосберегайки или светодиоды благополучно провалились. За два года перегорели 10 разных недешевых кукурузок и спиралек. В общем, ни хорошего света, ни экономии не получил. Пробовал восстанавливать лампы и колхозить тепловентиляцию, но потом надоело. Захотелось стабильности. Решил покопать в направлении продления срока службы ЛН. Для начала посадил ЛН на диод 0.5А на лестничной площадке. Конечно, свет не тот, но лампа горит уже 3000 часов непрерывным светом 24/7, потребляя 50% мощности. Дешево и сердито, хотя немного некомфортно. Но в квартире, где требования к освещению высокие, такое решение не подходит по двум причинам. Во-первых, при пониженном в 2 раза напряжении светоотдача падает примерно в 8 раз, во-вторых — мигание света хорошо ощущается глазом, что совсем плохо. Но есть еще одна возможность продлить срок службы ЛН. Она связана со способом запуска лампы. Об этом и буду говорить дальше.
У ЛН срок службы определяется двумя факторами — естественным износом нити накаливания при непрерывном горении (приводится в паспорте) и взрывной перегрузкой по току в момент включения, который может превышать номинальный более, чем в 10 раз. Причиной служит низкое сопротивление холодной спирали лампы. Для примера, холодная спираль ЛН 100 Вт имеет сопротивление 37 Ом, а горячая — 530 Ом. Поэтому пусковой ток превышает номинальный в 15,5 раз. Естественно, что при многократном включении спираль лампы быстро деградирует и срок службы ее резко сокращается. Напрашивается вопрос как уменьшить пусковой ток? Как сделать так, чтобы в момент включения ЛН последовательно с ней работал элемент, сопротивление которого меняется по закону, обратному закону изменения сопротивления лампы.

Оказывается, такие элементы есть и называются они термисторами. Термистор – это полупроводниковый резистор, сопротивление которого резко изменяется при нагреве. Для наших целей нужны термисторы с отрицательным температурным коэффициентом – NTC термисторы. При протекании тока через NTC термистор он нагревается и его сопротивление падает. У современных NTC термисторов оно может уменьшаться в 20-60 раз при изменении температуры от 25 до 85 градусов. Приближенно зависимость сопротивления от температуры в этом диапазоне можно рассчитать по формуле:

R2= R1* exp (-B (1/T1-1/T2)), где

В — индекс температурной чувствительности данного типа термистора. Часто приводится в его характеристиках в виде чисел от 2500 до 5000. Более высоким В соответствует более высокая чувствительность.
Т1 и Т2 — начальная и конечная температура, выраженная в Кельвинах ( температура по Цельсию +273 градуса)
R1 — известное сопротивление при температуре Т1.
R2 — рассчитываемое сопротивление при температуре T2

Для эффективного снижения пусковых токов ЛН сопротивление термистора при комнатной температуре должно быть больше в 2-3 раза сопротивления холодной нити лампы. В этом случае пусковые токи упадут в 3-4 раза. Казалось бы, почему тогда не выбрать сопротивление, большее в 5-10 раз и получить почти номинальный ток на пуске? Да просто потому, что при установившемся токе лампы на сопротивлении высокоомного термистора будет рассеиваться энергия, уже превышающая допустимую Wмах.
Подобрать нужный термистор можно по справочным данным, в которых указаны сопротивление термистора при 25˚С — R25, максимальный установивший ток — Iмакс и сопротивление при максимальном установившемся токе Rмах. Два последних параметра определяют максимальную мощность рассеивания термистора Wмах = Iмакс^ 2* Rмах.

У моих ламп накаливания 60 Вт и 100 Вт, сопротивления лежат в диапазонах 60-806 Ом и 37-530 Ом. Меньшие значения сопротивлений соответствуют холодным лампам и они определяют пусковые токи (3.8 А, 6.2 А), а большие значения соответствуют установившимся рабочим токам ламп (0.3 А, 0.4 А). Если исходить из условия двукратного превышения сопротивления холодного термистора над сопротивлением холодной ЛН, то необходимо выбрать для моих ламп термисторы с сопротивлениями 120 и 80 Ом на рабочие токи 0.3 и 0.5 А ( а если с запасом, то 0.5 и 0.6 А).
Как видим, пусковые токи ЛН в 7-10 раз превышают рабочие токи термисторов.

К сожалению, в даташитах не приводятся данные по допустимой кратковременной перегрузке термистора на экстра токах. Даются лишь данные об проведенных испытаниях термисторов для заряди конденсаторов определенных значений. Конечно, по ним можно посчитать энергию, полученную термистором. Но режимы зарядки конденсатора и зажигания ЛН отличаются по длительности. Поэтому использовать эти данные для ЛН можно только как ориентировочные. Чтобы прояснить для себя эту ситуацию, я решил провести свое тестирование термисторов.

Поиск термисторов 120 Ом на китайских сайтах не дал результатов. Там есть термисторы на 10, 30, 47, 80 Ом. Собирать наборы из последовательно соединенных термисторов у меня не было желания по причине их последующего размещения. Заказал только номинал 80 Ом, а на киевском радиорынке я нашел еще номинал термистора — 220D15 за 0.25$.



Найти справочные данные в интернете на термистор 220D15 (R25 = 220Ом, диаметр 15 мм) не получилось. Поэтому тестирование было вызвано и этой причиной.

Тестирование проводилось в два этапа. На первом этапе снималась температурная и резистивная характеристика термистора в зависимости от тока, проходящего через термистор в цепи с питанием от источника постоянного напряжения 5-15 В.
На втором этапе уже в реальных условиях эксплуатации оценивались токи и температура термисторов, включенных в сеть 220 В последовательно с ЛН 60 и 100 Вт.

Схема тестирования для снятия характеристик термисторов.

Для измерения температуры использовался ИК бесконтактный термометр с полем захвата примерно 10 мм. Напряжение от источника питания подавалось ступенями. Показания снимались через 2 мин после стабилизации тока термистором, когда устанавливался температурный баланс нагрева и охлаждения.



Графики зависимостей сопротивления и температуры от тока для термистора NTC 80D9 имеют хрестоматийный вид. Значения начального, конечного сопротивления и рассеиваемой мощности соответствуютсправочным. Китайпром оказался на высоте. Заодно приятно осознавать, что схема тестирования работает правильно и при тестировании следующего малоизвестного термистора даст правильные результаты.



Графики зависимостей сопротивления и температуры от тока для термистора NTC 220D15 тоже имеют хрестоматийный вид, но с поправкой на небольшие экспериментальные отклонения. Можно отметить, что при токе 0.6А термистор нагревается до 120 градусов, сопротивление его падает в 44 раза (5 Ом) и он рассеивает максимальную мощность 0.62^2 * 5 = 1.8 Вт. Оказывается данный термистор в 2 раза мощнее термистора NTC 80D9, у которого рассеивание 0.9 Вт. Таким образом, стали известны характеристики и этого термистора.

Анализ графиков позволяют сделать выводы как будет вести себя термисторы при различных токах нагрузки, которые зависят от мощности подключаемых ламп. Оба термистора без особого перегрева работает при токах нагрузки 0.3-0.5А, т. е. через них можно подключить ЛН от 40 до 100Вт или даже две лампы по 60Вт. Более мощный термистор NTC 220D15 вероятнее всего будет имеет предпочтение, поскольку из-за большего начального сопротивления может более эффективно подавлять пусковой ток. Но это предпочтение обходится почти в 5 раз дороже.

На втором этапе тестирования вместо нагрузки 20 Ом подключались лампы накаливания 60 и 100 Вт. Питание подавалось от сети 220 В.

Получены следующие результаты:

Термистор NTC 80D9



Термистор NTC 220D15



Данные в таблице для термистора 220 Ом наиболее впечатляющие. 8-кратное подавление — это как раз то что хотелось бы иметь. Правда, рабочий работы термистора довольно напряженный по температуре для окружающих элементов. Сам термистор рассчитан на температуру до 170 градусов. Вопрос стоит только где его монтировать. Что важно, так это то, что температура на концах ножек разогретого термистора не превышает 50 градусов. По крайней мере, я мог их держать руками. Поэтому для соединения термисторов можно смело применять пайку или контактные колодочки в пластмассовых корпусах.
Компромисс можно также найти, заменив термистор на более низкоомный, например 120-180 Ом. В этом случае несколько увеличатся пусковые токи, но нагрев будет уже ниже 100 градусов.

Поскольку меньших номиналов термисторов я не достал, то поставил у себя один 220-ти омный на две лампы по 60 Вт в чашке люстры. На третью 60 Вт лампу люстры поставил термистор на 80 Ом. Термисторы подключены через контактные колодки люстры. Уже идет вторая неделя эксплуатации. Проблем пока нет.

Наконец, несколько выводов по поводу «таблеток против экстра токов ламп накаливания»:
— таблетки оказались вполне нормальными несмотря на происхождение из фирмы NoName,
— цена и свойства таблеток растут в квадрате от их размера,
— свою работу таблетки выполняют
— можно рекомендовать для использования с ЛН при частом включения и в горячих светильниках.
Благодарю за внимание.