Плавное включение освещения большой мощности на КР1182ПМ1

Опубликован автором CS на 13 Декабрь 2009

Сегодня я снова лезу в архивы, попивая зелёный чай с жасмином, и откапываю разные интересности. На этот раз это будет аналог блоков защиты галогенных ламп типа “Гранит“, но только значительно мощнее: от 1 киловатта и выше. Достоинство схемы ещё в том, что она практически полностью кулибинская – то-есть собирается почти на коленках и гаечек и винтиков и практически любых симисторов, какие есть под рукой. А основой схемы служит известная почти всем микросхема фазового регулятора мощности КР1182ПМ1 разработки НТЦ СИТ. Она умеет не только регулировать простейшие 100-ваттные лампочки без радиатора, но и “раскачивать” довольно мощные симисторы (на практике использовались например ТС-160А (160-амперные, как следует из названия). А если симистора не хватает – то можно применить два тиристора, включённых встречно-параллельно.

На заглавном фото к статье – вообще раритет, прародитель современных диммеров – резисторный темнитель, который примерно до 2007 года использовался в ДК ФСБ России для плавного гашения и зажигания света в зрительном зале. Устроен он до невозможности просто: мотор с редуктором крутит вал, по резьбе которого перемещается бегунок мощного графитового резистора. Ну и есть ручка, чтобы самому крутить, если что-то откажет… Это был небольшой бонус, а теперь немного грузилова и теории.

Плавное включение галогеновых (и обычных) ламп

Обычная лампа накаливания, будь это всем знакомый бытовой “шарик”, мелкие галогенки или лампы в каких-то сценических прожекторах, состоит из вольфрамовой спирали (которая накаляется до температуры свечения электрическим током).

Именно из-за этого сейчас и стремятся отказаться от ламп накаливания – на свечение уходит примерно 5-10% энергии; остальная расходуется в тепло и инфракрасное излучние. Но, с другой стороны свет от них содержит больше красных полос спектра, что делает его “мягче” и приятнее для глаз, нежели “офисный” свет ламп дневного света и энергосберегающих ламп (КЛЛ – Компактная Люминесцентная Лампа). Последние вообще на данный момент страшная муть: фактически это обычная “лампа-трубка”, но запихнутая в формат лампы накаливания с сохранением схемы запуска. Неисследованного ещё много. Электронная схема запуска может вертеть cos φ, сама схема компактная и поэтому работает в жутком температурном режиме… В общем – на данный момент от КЛЛ больше вреда, чем пользы.

Так вот. Пока вольфрамовая спираль холодная, её сопротивление примерно раз в 10 меньше, чем при работе лампы. Из-за этого через тончайшую проволочку при включении лампы (а если синусоида сетевого напряжения в этот момент попадёт на амплитудный максимум, то вообще кошмар) протекает аналогично – ток в десят раз больше рабочего. Вольфрамовая спираль может не выдержать такого издевательства и в один из прекрасных дней (или вечеров) попросту сгореть. А если лампа используется в качестве временного источника освещения и её дёргают по нескольку раз за день/ночь? Например – прожектор с датчиком движения на садовом участке: пошли в туалет типа сортир – включилась. Вышли – опять включилась… Да ещё и на морозе? Вот и служат лампочки, особенно галогеновые, вместо 1000 часов, всего два-три дня (особенно китайские и дешёвые).

Эту проблему можно очень легко обойти, используя плавное включение лампы, то-есть попросту подавая нарастающее напряжение (идеальный вариант) или вначале “прогревая” спираль лампы напряжением в 1/2 или 1/4 рабочего (простые схемки). Раньше в журнале “Радио” часто публиковали множество вариантов последних схем – например реле времени, которое, срабатывая через некоторое время, шунтирует диод, включённый последовательно с лампой: диод срезает половину сетевого напряжения, снижая его на лампе.

С появлением более-менее нормальной элементной базы тиристоров и симисторов, а вместе с ними и фазового принципа регулирования мощности и кучи диммеров, системы плавного включения стали делать на базе микроконтроллеров, и начался расцвет блоков “Гранит”.

Микросхема КР11182МП1 – фазовый регулятор мощности

Это Российское творение является обособленным вариантом фазового регулятора мощности наравне с турецкими диммерами типа Vi-Ko и MAKEL, которые умеют делать это только переменным резистором и имеют всего ничего деталей. Наши пошли чуть дальше, оставив небольшой простор для кулибинства. У микросхемы КР1182ПМ1 есть два отдельных управляющих входа, и она выполнена в корпусе PDIP16, что делает монтаж схемы на ней удобнее. Я положил на хостинг наиболее полный DataSheet на неё от производителя - Ссылка на Datasheet, где по этой микросхеме выдана наиболее полная информация и характеристики. Все комментарии и пояснения будут далее относиться только кэтому DataSheet’у.

Итак, давайте почитаем, что эта микросхема умеет:

Регулировка мощности до 150 Вт с минимальным охлаждением копрпуса микросхемы (заточена под бытовые регуляторы типа “настольная лампа”, гы);
Можно параллельно соединять несколько микросхем;
Минимальная и низковольтная обвязка (пара конденсаторов);
Умеет при изменении сопротивления на управляющем входе регулировать яркость.

В PDFнике приводится несколько типовых схем (копировать оттуда лень) – переменный резистор, выключатель и система плавного включения с конденсатором. Дополнительно с Сети встречались ещё варианты с фоторезистором (фотореле, датчик освещённости) и прочие приблуды.

Так как мы затачиваемся на плавное включение наших галогеновых ламп (для примера буду говорить о китайских прожекторах, которыми сейчас всё везде освещают, и лампы там горят чуть ли не каждую неделю), то рассмотрим подробнее эту схему с конденсатором и, заодно, включение и обвязку микросхемы.

Конденсаторы C1 и C2 (я буду стараться сохранять эту нумерацию) обычно берутся простые электролитические (и именно этим данная микросхема примечательна!) 1,0 мкФ х 16В (я обычно ставлю самый мелкий типоразмер 1,0 х 50В импортные), а конденсатор C3 подбирается экспериментально для желаемого времени плавного включения ламп и обычно его номинал находится в пределах 50-150 мкФ х 10-16 В. Опять же по напряжению можно взять с запасом. И всё! Мы получаем схему плавного включения на одной микросхеме и трёх конденсаторах. При включении питания конденсатор C3 разряжен, и его сопротивление стремится к нулю – микросхема КР1182ПМ1 выключена. Далее, при зарядке этого конденсатора его внутреннее сопротивление увеличивается, “регулируя” яркость и соответственно ток через лампу. Когда конденсатор C3 окончательно зарядится, его внутреннее сопротивление будет почти равно бесконечности, что для управляющего входа микросхемы означает 100%-ную мощность на выходе. Лампа горит. Ура!

Но давайте выключим схему и через полминуты включим снова? Что? Обломились? Плавного включения нет? Ага! А потому что конденсаторы (особенно современные) имеют офигенно малые токи утечки, и разрядятся может быть через дня два;) Так как мы делаем МОЩНУЮ схему, то морочиться не будем и введём сюда реле с нормально замкнутой группой контактов и дополнительное сопротивление R1. Вот что у нас получится:

Реле может быть любым, я использую миниатюрные с катушкой на ~22о вольт типа TRL-220VAC-S-2C реле 220 / 10А, 250VAC, котороме имеет две переключающие группы. Выбор реле вообще не принципиален, оно может быть любое, чуть ли не совковое РПУ-1 Резистор R1 нужен для того, чтобы более-менее плавно разряжать конденсатор (не замыкать его накоротко) и может варьироваться около килоома.

Что получается: нормально замкнутыми контактами наш конденсатор и управляющий вход всегда замкнуты при отключённом напряжении питания. Конденсатор C3, если он был заряжен, разряжается через резистор R1. Заодно выполняется требование из DataSheet на микросхему КР1182ПМ1: желательно включать её в режиме нулевой мощности на нагрузке (замкнутые контакты C- и C+).

При подаче питания срабатывает реле, размыкая разряжающую цепочку и позволяя конденсатору спокойно заряжаться, как в предыдущей схеме – нашал лампочка опять зажигается плавно, в том числе при повторном включении. Этот баг пофиксили.

Увеличение выходной мощности КР1182ПМ1 (подключение тиристоров и симистора)

Но я же обещал мощную схему? А тут всего лишь микросхема в штатном режиме работы, с лампочкой не больше 150 ватт? Я исправляюсь и выкладываю следующие схемы.

Вот как надо подключать к микросхеме КР1182ПМ1 симистор.

Резистор R1 здесь ограничивает ток управляющего электрода симистора. Выбор его номинала зависит от типа самого симистора (надо смотреть DataSheet) и управляющего тока через него. Не забывайте о том, что на этом резисторе может выделяться большая мощность! Например для одной из версий схемы с симистором ТС-160А (160-амперный) этот резистор был около 3-4,7 ом 5-тиваттной мощности! Сейчас есть хорошие резисторы серии SQP, которые отлично подходят под эти условия эксплуатации. Для симистора ТС-25 резистор R1 был 82 ома и 1-ваттный.

Схема подключения двух тиристоров (тиристоры раньше выпускались на более большие токи, и поэтому это было очень актуально) кажется немного абсурдной, однако если посмотреть на страницу 3 DataSheet’а, где показано внутреннее устройство микросхемы КР1182ПМ1, то видно, что мы “надставляем” штатные тиристоры внешними.

Правило для выбора резисторов R1 и R2 здесь такое же, как для предыдущей схемы. Не забывайте про мощность! В наших разработках использовались T-50 и T-160 с резисторами мощностью 1 Вт и сопротивлением 82 Ом.

Схема плавного включения ламп (мощная)

А теперь вспоминаем про нашу обвязку с реле и конденсатором и получаем вот такую итоговую конструкцию одного канала (однофазную) на примере тиристоров.

Если мы хотим собрать трёхфазную систему, то надо просто набрать три однофазных, соединив их вот так.

В этом случае реле можно применить с тремя переключащими группами одно на все три фазы при условии одновременного их включения. Сама схема, конечно же, может варьироваться в зависимости от нужд. И для примера я покажу два варианта её изготовления и применения.

Плавное включение дежурного освещения на сцене в ДК ФСБ России

Собственно в этом самом ДК ФСБ и происходила разработка и обкатка мощной версии этой системы, а дальше она собиралась на заказ под нужды клиентов.

В ДК ФСБ часто использовали так называемое “дежурное” освещение сцены. Это не две-три лампочки, как можно подумать – а целых 4 софита с киловаттными прожекторами (лампы – естественно театральные галогенки КГ-220-1000-4, одно время бывшие большим дефицитом). Это освещение врубалось отдельными группами тумблерами с пульта управления сценой через мощные контакторы в щите и использовалось во время мелких репетиций (этот ДК сдают всем кому не лень), когда не сцене не весь театр, а три актёра и ради них никто не будет гонять полный свет сцены. Вот светят им киловат 20 прожекторов – и хватит с них.

Лампы горели много часто, так как каждый второй не ленился пощёлкать тумблером – ушли на перекур – вырубили, пришли – врубили – поэтому отлаживать систему плавного включения на этих прожекторах было одно “удовольствие”.

Система была собрана на большом куске изоляционного материала сразу на три фазы (но 4 канала – 4 софита) по той самой “типовой” схеме, которую я рассмотрел выше. На каждый канал стояло по два тиристора ТС-160А, по одному реле с двумя контактными группами, одна из которых размыкала конденсатор у микросхемы, а вторая включала охлаждающий вентилятор. Из-за такого использования реле схема включения вентилятора напоминала логическое ИЛИ, и он автоматически запускался при включении любого из каналов системы.

Все микросхемы КР1182ПМ1были собраны на единой для всех 4х каналов плате, снабжённой кроватками (socket), что позволяло оперативно заменить выгоревшую микросхему. Для пафоса (тупое начальство задавало вопросы типа “а почему тиристора два а микросхема одна??”) и создания запаса ниже стояли никуда не подключённые новые микрухи

Данная система, как видно из шильдика была запущена в 2002 году и работает до сих пор (на момент написания статьи), часто весь день, вытягивая по 5 кВт на канал легко и непринуждённо. За полсуток работы радиаторы нагреваются примерно до 30-40 градусов, то-есть почти холодные из-за применения мощных тиристоров с запасом (какие были,такие и поставили).