О случаях, когда постоянно сгорает лампа в одном и том же светильнике. О больших токах пуска в лампах накаливания, о переходных процессах и вкратце о способах решения проблемы.
Щелчок выключателя: в туалете вспыхивает лампочка, на мгновение озарив скромный интерьер уборной, и все. Светила ярко, но недолго. Разобравшись в полумраке со своими естественными потребностями, вволакиваем табуретку, выкручиваем пострадавшую лампу. Ей, разумеется, уже никак не помочь.
Вкручиваем новую лампу, выбрасываем происшествие из головы. А на следующий день внезапно все повторяется: щелчок, вспышка и внезапная смерть лампы. Да что за беда-то такая! Может лампы неудачные, бракованные? Никак нет – в коридоре горит в точности такая же и безо всяких эксцессов.
Поминая всуе и Ильича, и Эдисона, запасаемся лампочками и скрепя сердце изводим весь свой запас на один-единственный светильник – все в том же туалете. А лампы все сгорают и сгорают. Причем именно в момент включения, то есть коммутации. Ну почему же, в конце-то концов?
Вообще-то, при коммутации страдает любое электрооборудование, а не только лампочки накаливания. Просто последним везет меньше всех. Электрическое сопротивление их нити накала очень зависит от температуры, а во время работы они прогреваются до двух с лишним тысяч градусов по Цельсию. При этом номинальный режим работы лампы соответствует прогретой нити, которая имеет большое сопротивление. При включении же холодной спирали электрический ток может в десять раз превышать номинальный из-за пониженного сопротивления. Выражаясь фигурально, после включения лампа получает настоящий электрический удар повышенной мощности.
Такие удары сами по себе неприятны и не способствуют длительной службе лампы и ее нити накаливания. Но ситуация может быть отягощена и еще одним фактором, из-за которого и получается, что именно в каком-то определенном светильнике лампы перегорают с завидным постоянством. Этот фактор – переходные процессы при коммутации.
Ведь ток через лампочку начинает идти сразу после подачи напряжения. И если лампа, к примеру, имеет мощность 60 ватт, то, считая нагрузку чисто активной, делаем вывод о том, что электрический ток должен составить примерно 0,27 ампера. Это в номинальном режиме. При включении холодной нити получаются уже все 2,7 ампера. Но как же величина тока изменится от нуля до 2,7 ампера? Скачком, сразу после включения выключателя, или плавно, через некоторое время?
Так вот, согласно теории переходных процессов, переход от полного отсутствия тока к 2,7 ампера никак не может быть мгновенным. В этом, пожалуй, и нет ничего удивительного – ведь в жизни практически нет мгновенных процессов, есть только процессы, занимающие очень малые промежутки времени с нашей, человеческой точки зрения. Вот и процесс изменения электрического тока в лампочке уборной комнаты занимает тысячные, может быть, сотые доли секунды.
Здесь уже, конечно, наши рассуждения немного отдают философией, но электрическому току тоже требуется некоторое время для того, чтобы разогнаться до скорости света. Это во-первых. А во-вторых, на длительность переходных процессов в любой цепи влияет наличие/отсутствие реактивной нагрузки. Так согласно одному из законов коммутации, ток на катушке индуктивности физически не может измениться мгновенно. Поле, создаваемое индуктивностью, будет препятствовать изменению тока. И чем больше индуктивность, тем медленнее ток будет достигать своего установившегося, окончательного значения.
По второму закону коммутации, напряжение на емкостном элементе, то есть конденсаторе, не может резко упасть или возрасти. Конденсатору требуется время, чтобы отдать или накопить свой заряд. И чем больше его электроемкость, тем больше времени потребуется на изменения.
Эти законы действуют и в цепях переменного, и в цепях постоянного тока. Но кто-то скажет: «Какие еще катушки индуктивности и конденсаторы? Речь-то шла об обыкновенной лампочке – она-то тут при чем?» И действительно, можно было бы и согласиться: ведь реактивное сопротивление нити накаливания лампы составляет лишь доли процента от ее же активного сопротивления. Именно поэтому реактивным сопротивлением лампы накаливания пренебрегают при расчетах.
Но то, что им пренебрегают, не означает, что оно отсутствует. И вдобавок, параметры всей цепи, то есть всей домашней сети, нам досконально не могут быть известны. Лишь одно можно сказать точно: цепь замещения лампы накаливания будет содержать не только резистор, но и реактивный элемент – конденсатор или катушку индуктивности, а скорее всего – и то, и другое сразу.
Когда же в цепи есть реактивные элементы, величина электрического тока в переходных процессах определяется как сумма устоявшегося тока и некоей свободной составляющей. Свободная составляющая очень быстро уменьшается после коммутации, и максимальное ее значение приходится на первый момент после включения выключателя.
Величина и длительность воздействия тока свободной составляющей даже в цепях постоянного тока определяется методом решения сложных дифференциальных уравнений, которые учитывают соотношения всех параметров цепи замещения – активного сопротивления, индуктивности и емкости. На практике такие расчеты производят очень редко – настолько сложно определить все параметры с достаточной точностью.
А лампочка в туалете включена в цепь переменного тока, для которой немаловажную роль играют не только параметры цепи замещения, но и начальная фаза включения выключателя. Если выключатель был включен в момент, когда напряжение было на нулевой отметке, переходный процесс, возможно, никак не будет заметен, и лампа войдет в работу при самых благоприятных условиях.
Но если коммутация произойдет тогда, когда напряжение находится на пике своего значения (а для бытовой сети это примерно 310 вольт, между прочим), то лампочка может подвергнуться токовой нагрузке, превышающей установившееся значение в два раза! Конечно, с учетом того, что индуктивность и емкость схемы замещения будут малы, продолжительность такой перегрузки будет очень малой. Но ведь лампа итак подвергается токовому удару из-за того, что нить не прогрета.
Итак, с одной стороны, у нас есть холодная нить накала, сопротивление которой мало, а с другой стороны мы имеем цепь с неизвестными параметрами замещения. И включаем эту цепь неизвестно в какой момент времени по фазе тока. И если величина реактивных параметров цепи имеет сколько-нибудь существенное значение, а напряжение сети не ниже номинальных 220 вольт, то лампочке не поздоровится.
Пытаться найти настоящую причину, по которой в данном конкретном светильнике постоянно перегорают лампы, - дело малоперспективное. Ведь мы не можем определить все факторы и параметры цепи и внести нужные исправления. Поэтому проблему лучше решать радикально.
Первое возможное решение – это поменять тип светильника, или хотя бы лампы. Например, те же компактные люминесцентные лампы, известные как энергосберегающие, гораздо в меньшей степени подвержены вредному воздействию переходных процессов. И нити накаливания у них нет никакой – ни холодной, ни горячей. То же самое можно сказать и о светодиодных лампах.
Но если лампы накаливания вам дороги и без их желто-красного света вам «свет не мил», можно сделать следующее:
- установить электронный блок защиты ламп накаливания. Такой блок не только обеспечивает плавную подачу напряжения на лампу без бросков тока, но и стабилизирует напряжение, обеспечивая оптимальный режим работы.
- установить в цепь лампы дроссель или активное сопротивление, понизив тем самым напряжение и обеспечив лампе более мягкий режим работы;
- установить в цепь лампы обыкновенный диод, соответствующий по номинальному току. Диод «срежет» одну половину периода напряжения, и лампа будет гореть вдвое слабее. Для многих мест, например, для чулана, или для подъезда большего, бывает, и не надо.
Последние два способа решения проблемы сопряжены не только со снижением яркости лампы, но и с тем, что она будет работать с меньшим КПД. Но поскольку уж мы отдаем предпочтение лампам накаливания, этот факт не должен нас особо расстраивать.
По материалам electrik.info
