Патент на изобретение №2383964
|
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
(54) ЛАМПА-АВТОМАТ (СПОСОБ ЗАЩИТЫ ОСВЕТИТЕЛЬНОЙ ЛАМПЫ НАКАЛИВАНИЯ)
(57) Реферат:
Изобретение относится к электротехнике, а именно к тепловым источникам оптического излучения – лампам накаливания (ЛН). Сущность изобретения: способ заключается в том, что регулируют сопротивление цепи нити накала (НН) в переходном режиме (ПР) путем последовательного подключения при помощи термореле (ТР 1) дополнительного электрического сопротивления, состоящего из нихромовой спирали (участок АВ), таким образом, чтобы в момент включения лампы накаливания выполнялось равенство Rн+R
Изобретение относится к электротехнике, а именно к тепловым источникам оптического излучения – лампам накаливания (ЛН). Сущность изобретения: способ заключается в том, что регулируют сопротивление цепи нити накала (НН) в переходном режиме (ПР) путем последовательного подключения при помощи термореле (1) (ТР 1) дополнительного электрического сопротивления, состоящего из нихромовой спирали (участок АВ), таким образом, чтобы в момент включения лампы накаливания выполнялось равенство Rн+R Описание изобретения Изобретение относится к электротехнике, а именно к тепловым источникам оптического излучения – лампам накаливания, имеющим защиту нити накала, для предохранения от преждевременного перегорания. Известен способ включения осветительной лампы в электрическую сеть, включающий регулирование сопротивления цепи нити накала в переходном режиме путем последовательного подключения дополнительного сопротивления, проявляющего свойства полупроводника с отрицательным температурным коэффициентом сопротивления (ТКС) (патент РФ Лампа накаливания состоит из цоколя, колбы из светопрозрачного материала, наполненной инертным газом, стеклянного держателя, в который вплавлены металлические держатели нити накала. Тело накала представляет собой вольфрамовую проволоку, свернутую в спираль, и состоит из дополнительного сопротивления – нихромовой проволоки, свернутой в спираль, и двух элементов автоматики, которые представляют собой две металлические пластины, имеющие свойство совершать механическую работу при изменении температуры. (Такие термореле работают во многих теплоэлектрических приборах). На базе этих пластин выполнены два термореле (1) и (2). Лампа накаливания имеет два уровня защиты. Первый уровень защищает лампу от пускового тока и состоит из нихромовой спирали, которая выполняет функцию мощного резистивного элемента и термореле (1), которое по мере увеличения температуры основной вольфрамовой спирали закорачивает нихромовую спираль. Второй уровень защищает лампу от превышения амплитуды, питающего лампу напряжения и состоит из вольфрамовой спирали и термореле (2), которое по мере увеличения температуры, избыток которой был вызван увеличением амплитуды питающего лампу напряжения свыше номинального значения (на 5-10 процентов), подключает к основной вольфрамовой спирали добавочную вольфрамовую спираль, которая выполняет функцию делителя напряжения. В основу изобретения поставлена задача разработать способ включения осветительной лампы накаливания в электрическую сеть, обеспечивающий эффективное регулирование сопротивления цепи нити накала в переходном режиме (обеспечить защиту нити накала основной вольфрамовой спирали (участка ВС) лампы накаливания в момент включения, потому что в момент включения амплитуда пускового тока в 12-15 раз превышает номинальное значение потребляемого тока), а также обеспечить защиту от превышения амплитуды питающего лампу напряжения. Сущность изобретения заключается в том, что по способу, включающему регулирование сопротивления цепи нити накала основной вольфрамовой спирали участка (ВС) в переходном режиме путем последовательного подключения при помощи термореле(1) дополнительного электрического сопротивления, которое представляет собой нихромовую спираль (участок АВ), сопротивление нити накала основной вольфрамовой спирали (участок ВС) регулируют таким образом, чтобы в момент включения лампы накаливания обеспечивалось выполнение равенства Rн+R Регулирование сопротивления цепи нити накала основной вольфрамовой спирали (участок ВС) в переходном режиме путем последовательного подключения при помощи термореле (1) дополнительного электрического сопротивления, которое представляет собой нихромовую спираль (участок АВ), таким образом, чтобы в момент включения обеспечивалось выполнение равенства Rн+R На фиг.1 приведен геометрический чертеж лампы накаливания с защитой от пускового тока, а также от превышения амплитуды питающего лампу напряжения. На фиг.2 (2а), 3 (3а) и 4 (4а) приведены монтажные чертежи. Лампа накаливания на фиг.3 (3а) отличается от лампы на фиг.2 (2а) конфигурацией держателя (1) и держателя (4), а также расположением пластин термореле (1) и термореле (2). В устройстве лампы на фиг.4 (4а) держатель (2) и держатель (3), помимо функций держателя (2) и держателя (3) выполняют еще и функцию термореле (1) и термореле (2) соответственно. Эти держатели выполнены из металлической пластины, имеющей свойство, совершать механическую работу при изменении температуры. В этом варианте держатели-термореле будут отклоняться по мере нагрева вместе с нитью накала. На фиг.5, 6, 7 и 8 показаны геометрический и монтажные чертежи миниатюрной лампы накаливания, предназначеной для осветительных устройств с батарейным питанием, транспортных средств и других вариантов применения. На фиг.8 показан вариант миниатюрной лампы накаливания всего с тремя держателями, один из которых (держатель 2) выполняет функцию термореле так же, как и в лампе на фиг.4 (4а) в этом варианте, нить накала будет отклоняться вместе с держателем (2) – термореле. Эти лампы накаливания по принципу действия аналогичны лампам накаливания, показанным на фиг.1, 2 (2а), 3 (3а) и 4 (4а), но более просты, так как не имеют защиты от превышения амплитуды питающего лампу напряжения. Для ламп накаливания с батарейным питанием такая защита не актуальна, так как по мере разряда батарей напряжение изменяется в сторону уменьшения. На фиг.10, 11 и 12 приведены графические зависимости, иллюстрирующие следующие физические процессы: переходный процесс установления тока на нити накаливания основной вольфрамовой спирали (участок ВС) при отсутствии в ее цепи дополнительного сопротивления, состоящего из нихромовой спирали (участка АВ) фиг.10; переходный процесс установления тока на нити накаливания основной вольфрамовой спирали (участок ВС) при включенной системе защиты от пускового тока фиг.11, 12. В таблице 1 приведены значения добавочных сопротивлений нихромовой спирали участка (АВ) при напряжении сети U=225 В и температуре основной вольфрамовой спирали (участок ВС) Т=2500°С в нагретом состоянии в конце переходного режима (в режиме работы (2)) для серийных ламп накаливания, выпускаемых отечественной промышленностью, расчитанных на мощность от 25 до 500 Вт. Новыми деталями в лампе накаливания являются два термореле, одно из которых термореле (1) вместе с добавочной нихромовой спиралью, участок (AB), обеспечивает защиту основной вольфрамовой спирали участка (BC) от пускового тока, а другое термореле (2) вместе с добавочной вольфрамовой спиралью, участок (CD), обеспечивает защиту основной вольфрамовой спирали участка (BC) от превышения амплитуды питающего лампу напряжения. Термореле представляет собой металлическую пластину, закрепленную на металлическом держателе нити накала методом контактной сварки, диффузионно-сплавным или любым другим приемлемым способом. Металлическая пластина термореле (1) и термореле (2) имеет свойство совершать механическую работу при изменении температуры. Такие термореле работают в электроутюгах, тепловентиляторах, электрочайниках, электрофенах и многих других теплоэлектрических приборах промышленного и бытового назначения. Описание работы лампы накаливания с двухуровневой системой защиты 1. Статический режим работы В статическом режиме работы напряжения питания на лампе накаливания нет. В этом режиме термореле (1) разомкнуто, а термореле (2) замкнуто. Сопротивление основной вольфрамовой спирали (участок BC) минимально и составляет 1/14 от сопротивления этой спирали в динамическом режиме работы (2) (в нагретом состоянии). В статическом режиме работы добавочный участок (AB) нихромовой спирали, выполняющей функцию мощного резистивного элемента, подключен последовательно к основной вольфрамовой спирали – участку (ВС) таким образом, что суммарное сопротивление участка (АВ) и (ВС) равно сопротивлению участка (ВС) основной вольфрамовой спирали в динамическом режиме работы (2) (в горячем состоянии). Таким образом обеспечивается выполнение равенства Rн+R 2. Динамический режим работы (1) В динамическом режиме работы (1) происходит переход из статического режима работы в динамический. На лампу накаливания будет подано напряжение питания, при этом термореле (1) будет разомкнуто, а термореле (2) замкнуто, значит, все напряжение питания будет выделяться на участке (АС), состоящем из последовательно соединенных нихромовой (участок АВ) и вольфрамовой (участок ВС) спиралей. Пусковой ток не причинит никакого вреда основной вольфрамовой спирали (участку ВС), так как ток проходит через мощный резистивный элемент, выполненный на базе дополнительной нихромовой спирали (участок АВ) и обладающий электрическим сопротивлением, значение которого в 14 раз больше электрического сопротивления основной вольфрамовой спирали (участка ВС) (в статическом режиме), таким образом выполняется соотношение Rн+R В динамическом режиме работы (1) основная вольфрамовая спираль (участок ВС) прогревается так, что ее электрическое сопротивление увеличивается почти до номинального значения, таким образом, в динамическом режиме работы (1) происходит подготовка основной вольфрамовой спирали (участок ВС) к основному (номинальному) режиму работы (2). По мере прогревания основной вольфрамовой спирали (участок ВС) и добавочной нихромовой спирали (участок АВ) тепло будет передаваться держателю (2) и закрепленной на нем пластине термореле (1). В динамическом режиме работы (1) лампа накаливания должна работать не менее одной секунды (иначе основная вольфрамовая спираль (участок ВС) не прогреется до нужной температуры, соответственно электрическое сопротивление не увеличится до номинального значения). 3. Динамический режим работы (2) – (Номинальный режим) Примерно через одну секунду, когда температура пластины термореле (1) достигнет порога срабатывания термореле (1), произойдет переход лампы накаливания из динамического режима работы (1) в динамический режим работы (2). В этом режиме термореле (1) закорачивает добавочную нихромовую спираль, выполняющую функцию мощного резистивного элемента (участок АВ), и все напряжение питания поступает на основную вольфрамовую спираль (участок ВС), при этом температура основной вольфрамовой спирали становится еще выше, что способствует еще более сильному удержанию термореле (1). После срабатывания термореле (1) общее сопротивление нити накала (участок АС) уменьшается в два раза (так как значение электрического сопротивления добавочной нихромовой спирали (участок АВ), выполняющей функцию мощного резистивного элемента, равно (R=Rн*-Rн)). В динамическом режиме работы (2) лампа накаливания будет потреблять тот ток, на который она расчитана, то есть номинальный ток. В динамическом режиме работы (2) лампа накаливания будет оставаться до тех пор, пока амплитуда питающего лампу напряжения увеличится на 5-10 процентов или когда лампа будет обесточена. Настройка термореле (1) заключается в определении времени срабатывания. Так как пластина термореле (1) реагирует на изменение температуры, то для максимального быстродействия пластина термореле (1) должна как можно ближе расположиться на держателе (2) к нити накала. (На держателе (2) общая (точка В) соединения добавочной нихромовой (участок АВ) и основной вольфрамовой (участок ВС) спиралей. Также пластина термореле (1) должна иметь минимальный зазор между держателем (1). На быстродействие также могут повлиять теплопроводимость держателя (2) и его площадь поперечного сечения, а также площадь поперечного сечения пластины термореле. Если выполнение этих условий не поможет сократить время срабатывания термореле (1), то придется уменьшить электрическое сопротивление добавочной нихромовой спирали (участок АВ), для того чтобы увеличить температуру основной вольфрамовой спирали (участок ВС). В этом случае соотношение Rн+R 4. Динамический режим работы (3) В динамический режим работы (3) лампа накаливания перейдет в том случае, если амплитуда питающего лампу напряжения увеличится на 5-10 процентов. В этом случае температура основной вольфрамовой спирали (участок ВС) также возрастет, и при определенном значении температуры, переданной держателю (3), а от держателя (3) термореле (2), и как только порог срабатывания термореле (2) будет достигнут, оно сработает и разомкнет (участок CD) добавочной вольфрамовой спирали, таким образом к основному участку (ВС) вольфрамовой спирали будет последовательно подключен участок (CD) добавочной вольфрамовой спирали, на котором будет падать 1/5 напряжения (так как длина добавочной вольфрамовой спирали участок (CD) равна 1/5 от длины основной вольфрамовой спирали (участка ВС)). Таким образом, добавочная вольфрамовая спираль (участок CD) выполняет функцию делителя напряжения. На участке (ВС) основной вольфрамовой спирали напряжение почти стабильно. Так, если лампа накаливания расчитана на напряжение 220-230 вольт, то вместе с добавочным участком (CD) вольфрамовой спирали (после срабатывания термореле (2)) лампа будет рассчитана: 220+1/5; 220/5=44; 220+44=264 230+1/5; 230/5=46; 230+46=276 на напряжение 264 В (против 220 В) и 276 В (против 230 В). Таким образом, лампа накаливания будет иметь запас по напряжению и интенсивность процесса испарения нити накала будет значительно уменьшена, конечно же, это отразится на увеличении срока службы лампы накаливания в несколько раз. В динамическом режиме работы (3) лампа накаливания будет оставаться до тех пор, пока амплитуда питающего лампу напряжения вернется к номинальному значению (220 В). При этом термореле (2) замкнет участок (CD) добавочной вольфрамовой спирали и лампа накаливания продолжит работу в номинальном режиме работы (2). При отключении питания в любой момент времени, из любого режима работы лампа накаливания переходит в статический режим. Настройка термореле (2) заключается в определении порога срабатывания и так же, как и при настройке термореле (1), зависит от расстояния, на котором закреплена пластина термореле (2), от теплопроводимости держателя (3), а также от площади поперечного сечения держателя (3). В динамическом режиме работы (2) температура основной вольфрамовой спирали (участок ВС) максимальна и постоянно воздействует на пластину термореле (2), но термореле (2) не отклоняется, так как для срабатывания термореле (2) немного не хватает температуры. При увеличении напряжения питания на 5-10 процентов температура основной вольфрамовой спирали (участок ВС) также немного возрастет и этой температурной разницы хватит для преодоления порога срабатывания термореле (2). Настройка термореле (2) более “острая”, чем настройка термореле (1), так как термореле (2) должно срабатывать при небольших изменениях температуры. Новшество заключается в добавлении системы защиты (термореле плюс дополнительный резистивный элемент, последовательно подключаемый при помощи термореле). Значения сопротивления и тока, приведенные в таблице, вычислены при помощи формул:
Пусковой ток: Io=U/Rн Номинальный ток: I=U/Rн* или I=U/(Rн+R) U=225 V;
Комментарии к чертежам Список элементов лампы накаливания. Фиг 1. (Геометрический чертеж) 1. Держатель (стекло). 2. Держатель (1) (металл). 3. Держатель (2) (металл). 4. Держатель (3) (металл). 5. Держатель (4) (металл). 6. Пластина термореле (1) (металл). 7. Пластина термореле (2) (металл). 8. Спираль нихромовая, добавочная, участок (АВ). 9. Спираль вольфрамовая, основная, участок (ВС). 10. Спираль вольфрамовая, добавочная, участок (СО). 11. Колба (стекло). 12. Цоколь (металл). 13. Держатель (5) (металл). 14. Держатель (6) (металл). На фиг.1 цоколь и колба из светопрозрачного материала отсутствуют. На контактные точки (EF) держателя (1) и держателя (4) подается напряжение питания. Держатель (5) и держатель (6) предохраняют основную вольфрамовую спираль (участок ВС) от провисания. Участок BCD вольфрамовой спирали представляет собой целую (однородную) спираль. Список элементов лампы накаливания фиг.2; фиг.3 Лампа-автомат с двухуровневой защитой от пускового тока и от превышения амплитуды питающего лампу напряжения. 1. Держатель (стекло). 2. Держатель (1) (металл). 3. Держатель (2) (металл). 4. Держатель (3) (металл). 5. Держатель (4) (металл). 6. Термореле (1) (металл). 7. Термореле (2) (металл). 8. Спираль нихромовая (добавочная). 9. Спираль вольфрамовая (основная). 10. Спираль вольфрамовая (добавочная). 11. Колба (стекло). 12. Цоколь (металл). 13. Держатель (5) (металл). 14. Держатель (6) (металл). Держатель (5) и держатель (6) предохраняют основную вольфрамовую спираль (участок ВС) от провисания. Вольфрамовая спираль (участок BCD) представляет собой целую спираль (однородную). Список элементов лампы накаливания фиг.2а; фиг.3а. Лампа-автомат с защитой от пускового тока. 1. Держатель (стекло). 2. Держатель (1) (металл). 3. Держатель (2) (металл). 4. Держатель (3) (металл). 5. Держатель (4) (металл). 6. Держатель (5) (металл). 7. Термореле (1) (металл). 8. Спираль нихромовая (добавочная). 9. Спираль вольфрамовая (основная). 10. Колба (стекло). 11. Цоколь (металл). Держатель (5) и держатель (6) предохраняют основную вольфрамовую спираль (участок ВС) от провисания. Новая деталь для всех фиг.: термореле. Термореле – металлическая пластина, имеющая свойство совершать механическую работу при изменении температуры, и используется в таких электрических приборах, как электроутюг (в качестве термореле), тепловентиляторах (в качестве тепловой защиты), в электрофенах, электропосуде и многих других теплоэлектрических приборах. Список элементов лампы накаливания фиг.4а Лампа-автомат с защитой от пускового тока 1. Держатель (стекло). 2. держатель (1) (металл). 3. Держатель (2), выполняющий функцию термореле (1) (металл). 4. Держатель (3) (металл). 5. Держатель (4) (металл). 6. Держатель (5) (металл). 7. Спираль нихромовая участок АВ (добавочная). 8. Спираль вольфрамовая участок ВС (основная). 9. Колба (стекло). 10. Цоколь (металл). Держатель (4) и держатель (5) предохраняют основную вольфрамовую спираль участок ВС от провисания. Держатель (2), выполняющий функцию термореле (1), в режиме работы будет отклоняться вместе с нихромовой и вольфрамовой спиралями, т.к. спирали соединены с держателем (2) – термореле (1) в общей точке В. Комментарий к фиг.4 Список элементов лампы накаливания фиг.4 Лампа-автомат с двухуровневой защитой от пускового тока и от превышения амплитуды питающего лампу напряжения. 1. Держатель (стекло). 2. Держатель (1) (металл). 3. Держатель (2), выполняющий функцию термореле (1) (металл). 4. Держатель (3), выполняющий функцию термореле (2) (металл). 5. Держатель (4) (металл). 6. Держатель (5) (металл). 7. Держатель (6) (металл). 8. Спираль нихромовая участок АВ (добавочная). 9. Спираль вольфрамовая участок ВС (основная). 10. Спираль вольфрамовая участок CD (добавочная). 11. Колба (стекло). 12. Цоколь (металл). Держатель (5) и держатель (6) предохраняют основную вольфрамовую спираль (участок ВС) от провисания. Держатель (2), выполняющий функцию термореле (1), в режиме работы будет отклоняться вместе с нихромовой (участок АВ) и вольфрамовой (участок ВС) спиралями, т.к. спирали соединены с держателем (2) – термореле (1) в общей точке В. Вольфрамовая спираль (участок BCD) представляет собой целую спираль (однородную). Комментарии к фиг.5; фиг.6; фиг.7 Держатель (2), выполняющий функцию термореле (1), в режиме работы будет отклоняться вместе с нихромовой и вольфрамовой спиралями, т.к. спирали соединены с держателем (2) – термореле (1) в общей точке В. Список элементов миниатюрной лампы накаливания Лампа-автомат с защитой от пускового тока. 1. Держатель (стекло). 2. Держатель (1) (металл). 3. Держатель (2), выполняющий функцию термореле (1) (металл). 4. Контакт (1). 5. Держатель (3) (металл). 6. Нихромовая спираль – участок АВ (добавочная). 7. Вольфрамовая спираль – участок ВС (основная). На точки DE держателя (1) и держателя (3) подается напряжение питания. Цоколь и колба из светопрозрачного материала не изображены. Миниатюрная лампа-автомат может быть выполнена в безцокольном варианте. Комментарий к фиг.8 На фиг.8 показана миниатюрная лампа-автомат всего с тремя держателями, один из которых (держатель 2) выполняет еще функцию термореле (1), а конфигурация держателя (1) изменена таким образом, что позволило исключить контакт (1). В этом варианте держатель (2) – термореле (1) в режиме работы, отклоняясь, будет соединяться с контактным выступом держателя(1) и замыкать участок АВ нихромовой спирали. Держатель (2), выполняющий функцию термореле (1), будет отклоняться вместе с нихромовой и вольфрамовой спиралями, т.к. спирали соединены в общей точке В. Список конструктивных элементов миниатюрной лампы накаливания 1. Держатель (стекло). 2. Держатель (1) (металл). 3. Держатель (2) – термореле (1). 4. Держатель (3) (металл). 5. Нихромовая спираль – участок АВ (добавочная). 6. Вольфрамовая спираль – участок ВС (основная). На точки DE держателя (1) и держателя (3) подается напряжение питания. Цоколь и колба из светопрозрачного материала не изображены. Миниатюрная лампа-автомат может быть выполнена в безцокольном варианте. На фиг.9-11 представлены графики соотношения тока и времени. Комментарии к рисункам Список и название конструктивных элементов 1. Токонесущий провод-держатель(1). 2. Токонесущий провод-держатель(4). 3. Держатель(2)-термореле(1). 4. Держатель(3)-термореле(2). 5. Держатель(5). 6. Держатель(6). 7. Добавочная нихромовая спираль (участок ВС) – резистивный элемент. 8. Тело накала – вольфрамовая спираль (участок АВ и участок CD). Функцию термореле(1) и термореле(2) выполняют держатель(2) и держатель(3) соответственно. Термореле(1) и термореле(2) представляют собой биметаллическую пластину, имеющую свойство совершать механическую работу (отклоняться) при изменении температуры. На фиг.1б показана лампа только с добавочной нихромовой спиралью (резистивным элементом). На фиг.1в показана лампа только с вольфрамовыми спиралями (тело накала (участок АВ и участок CD)). На фиг.1 г показан конечный вид. На фиг.1д показан вид сверху на спирали. На фиг.1е – увеличенный вид биметаллических пластин (термореле). На фиг. 1е показана конфигурация пластин, благодаря которой в момент соприкосновения улучшается сцепление и фрагменты спиралей. Вольфрамовые спирали (участок АВ и участок CD) имеют две точки опоры, чего может быть недостаточно для защиты от провисания, поэтому, возможно, придется добавить по одному держателю (между точками АВ и CD).
Формула изобретения
Способ защиты осветительной лампы накаливания, включающий регулирование сопротивления цепи нити накала в переходном режиме путем последовательного подключения при помощи термореле (1) дополнительного электрического сопротивления, состоящего из нихромовой спирали (участок АВ), отличающийся тем, что сопротивление цепи нити накала регулируют так, чтобы в каждый момент времени переходного режима обеспечивалось выполнение соотношения Rн+R
РИСУНКИ
|
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Rн*, где Rн – значение сопротивления НИ ЛН основного участка (ВС) вольфрамовой спирали; R – значение добавочного сопротивления нихромовой спирали участка (АВ); Rн* – значение сопротивления НН ЛН основной вольфрамовой спирали участка (ВС) в динамическом режиме работы (2) (в горячем состоянии, в конце ПР). Технический результат – осуществление эффективного регулирования сопротивления цепи нити накала в переходном режиме. 12 ил., 1 табл.
2050652, 1995). Однако, поскольку терморезистор установлен без вмешательства в конструкцию лампы накаливания (вне лампы), то изобретение скорее относится к злектроустановочным устройствам (патронам). Такое техническое решение связано с рядом неудобств. Прежде всего установкой вкладыша (терморезистора) должен заниматься специалист, имеющий соответствующие навыки, к тому же потребуется установка вкладыша в каждое электроустановочное устройство (патрон), что потребует материальных затрат и времени. Если же терморезистор установить в непосредственном контакте с источником тепла (нитью накала), то терморезистор будет работать в жестком тепловом режиме, что отрицательно скажется на надежности терморезистора, и будет способствовать его скорейшему выходу из строя. К тому же терморезистор должен быть изготовлен из тугоплавких материалов с отрицательным ТКС.
Wo=0.005; t=2500°C; to=20°C.
