на главную
Карта сайта
English version
Вы читаете:

Устройство питания аппаратуры при аварийном напряжении сети

Электропитание
1 неделю назад

Устройство питания аппаратуры при аварийном напряжении сети


На страницах журнала "Радио" и в другой радиолюбительской литературе неоднократно публиковались описания устройств, предназначенных для защиты отдельных электроприборов или всей электросети целиком от повышенного или пониженного напряжения. Подобные устройства могут быть построены на дискретных элементах, аналоговых или цифровых интегральных микросхемах, микроконтроллерах или даже исключительно на электромагнитных реле. В качестве выходных узлов, коммутирующих нагрузку, могут быть применены электромагнитные реле, симисторы или полевые транзисторы. Многофункциональные устройства защиты (УЗМ или реле напряжения) также в широком ассортименте выпускаются промышленностью.

Однако, несмотря на разнообразие схем построения, все подобны еустройства имеют общий принцип работы - они отключают нагрузку от сети в случае выхода сетевого напряжения за установленные пределы и подключают её обратно при его возврате к номинальному значению. Ни одно из этих устройств не способно обеспечить питание нагрузки при аномально высоком или низком сетевом напряжении. Для этой цели служат стабилизаторы напряжения, но и они в подавляющем большинстве случае не способны работать при критических значениях входного напряжения, автоматически отключаясь и обесточивая подключённую к ним нагрузку.

У читателей может возникнуть резонный вопрос: целесообразно ли строить устройство, способное обеспечивать питанием нагрузку при аномальных значениях сетевого напряжения, ведь подобные аварийные ситуации носят, как правило, временный характер, и на это время нагрузку можно просто обесточить? Действительно, для подавляющего большинства случаев это справедливо, но иногда могут возникнуть ситуации, когда целесообразно обеспечивать питание нагрузки всё время, пока в сети присутствует напряжение, и вне зависимости от его значения. К таким нагрузкам, в первую очередь, относятся системы обеспечения безопасности - охранные и пожарные сигнализации, аварийное освещение и т. п., а также другие устройства, питание которых не должно прерываться.

Конечно, упомянутые выше устройства и системы обязательно должны иметь в своём составе независимый от сети источник питания - в подавляющем большинстве случаев таким источником является аккумуляторная батарея. Но её ёмкость не безгранична, и при длительном отсутствии сетевого напряжения питаемые от неё устройства рано или поздно будут обесточены. Понятно, что описанная ситуация является маловероятной, так как в большинстве случаев отсутствие питающего напряжения будет вовремя замечено и будут приняты меры по устранению аварии, но иногда она может длительное время оставаться незамеченной.

Это, в первую очередь, относится к оборудованию, установленному на объектах с периодическим пребыванием людей и на отдалённых необслуживаемых объектах, особенно в тех случаях, когда оборудование не способно передать сигнал о возникшей неисправности.

Последствия, которые влекут за собой значительные отклонения сетевого напряжения от нормы, зависят от типа потребителей, подключённых к сети. Значительное снижение сетевого напряжения опасно для устройств, содержащих в своём составе асинхронные электродвигатели, при этом подавляющее большинство других приборов либо способно работать при низком напряжении с некоторым ухудшением их свойств, либо просто перестаёт работать без возникновения повреждений. Гораздо более опасным является повышение сетевого напряжения, способное вывести из строя практически все электроприборы. Исход подобной аварийной ситуации определяется конструктивными особенностями питающихся от сети устройств: где-то дело может ограничиться выходом из строя блока питания, а где-то большинство элементов устройства будут безвозвратно повреждены. Наличие защитного варисто-ра на входе блока питания способно уберечь устройство от повреждения, но устройство всё равно не будет работать, так как перегоревший при срабатывании варистора предохранитель отключит его от сети.

В качестве нагрузки, работа которой возможна при значительных колебаниях напряжения в сети, наиболее подходит импульсный источник питания. Действительно, многие из этих источников, особенно рассчитанных на работу как в европейских, так и в американских сетях с напряжением 120 В, сохраняют свою работоспособность при снижении сетевого напряжения до 100 В и менее. Однако верхний предел питающего напряжения для таких источников не превышает 260...270 В, и при более высоком его значении устройство будет выведено из строя. Конечно, используя высоковольтные элементы, можно сделать источник, работоспособный при входном напряжении 400 В и даже более, но требования к компонентам такого источника и, как следствие, его стоимость резко возрастут. Поэтому для обеспечения работы импульсного источника питания при повышенном сетевом напряжении целесообразно использовать делитель, автоматически включающийся при превышении напряжения сети установленного значения.

Упрощённая схема такого делителя приведена на рис. 1. Устройство получает питание от сети 230/400 В через трёхфазный однополупериодный выпрямитель на диодах VD1-VD3 или от однофазной сети 230 В через диодный мост VD4. Импульсный источник питания А1 подключён к выходу выпрямителя через делитель напряжения, верхнее плечо которого образовано лампами накаливания EL1, EL2, а нижнее - лампами EL3, EL4. Нижнее плечо делителя соединено с минусом источника питания с помощью ключа на полевом транзисторе VT1, который управляется компаратором напряжения на логическом элементе DD1 с передаточной характеристикой триггера Шмитта.

Упрощённая схема делителя

Рис. 1. Упрощённая схема делителя

 

В исходном состоянии, когда амплитуда сетевого напряжения не превышает установленного подстроечным резистором R2 значения, на выходе компаратора присутствует низкий логический уровень, транзистор VT1 закрыт и на импульсный источник А1 поступает полное напряжение сети за вычетом его падения на сопротивлении холодных нитей накала ламп EL1, EL2. В случае увеличения сетевого напряжения сверх установленного значения на выходе компаратора появляется высокий логический уровень, транзистор VT1 открывается и лампы EL3, EL4 оказываются подключёнными параллельно входу импульсного источника питания А1, в результате чего напряжение на его входе снижается пропорционально сопротивлению нитей накала ламп. После возвращения сетевого напряжения к нормальному значению делитель отключается и устройство возвращается в исходное состояние.

Применение в составе делителя напряжения ламп накаливания обусловлено тем, что их нити имеют положительный температурный коэффициент сопротивления (ТКС), вследствие чего падение напряжения на лампах EL1, EL2 при отключённом делителе минимально. Наличие в каждом плече делителя двух последовательно соединённых ламп повышает надёжность устройства, поскольку напряжение, приложенное к каждой из ламп, не превысит половины номинального.

Схема устройства, построенного по описанному выше принципу, приведена на рис. 2. Пока амплитуда сетевого напряжения не превышает установленного подстроечным резистором R8 значения, на выходе элемента DD1.3 присутствует высокий логический уровень, конденсатор С5 заряжен, а полевой транзистор Vt 1 закрыт. В случае превышения сетевого напряжения на выходе элемента DD1.3 появляется низкий логический уровень, конденсатор С5 быстро разряжается через диод VD9 и на выходе элемента DD1.4 появляется высокий уровень напряжения, открывающий полевой транзистор VT1. В моменты снижения мгновенного значения сетевого напряжения, а также при возвращении его к нормальному значению элемент DD1.4 переключается с задержкой, определяемой временем зарядки конденсатора С5 через резистор R11, предотвращая тем самым ложные переключения транзистора VT1. Этот конденсатор также обеспечивает кратковременное открывание транзистора при подключении устройства к сети.

Схема устройства

Рис. 2. Схема устройства

 

Элемент DD1.1 совместно с двухканальной транзисторной оптопарой U1 образуют узел, управляющий индикаторным светодиодом HL1. Когда на выходе импульсного источника питания А1 присутствует напряжение 12 В, а контакт ХТ5 соединён с контактом ХТ7, оба фототранзистора оптопары открыты, поэтому на выводе 12 элемента DD1.1 присутствует высокий логический уровень. При этом, если сетевое напряжение не превышает установленного значения, на выводе 13 этого элемента DD1.1 также присутствует высокий логический уровень, а на выходе - низкий, поэтому светодиод HL1 "Неисправность" не светит. При нарушении одного из условий (отсутствие тока через любой из излучающих диодов оптопары, а также превышение сетевым напряжением порогового значения) на выходе элемента DD1.1 будет присутствовать высокий логический уровень, закрывающий диод VD5 и разрешающий тем самым работу светодиода HL1.

Резисторы R3 и R4 задают ток, при котором открываются фототранзисторы оптопар, а резисторы R1, R2 ограничивают протекающий через излучающие диоды ток. Контакт ХТ5 можно использовать для контроля исправности устройств, питаемых выходным напряжением источника А1 и имеющих соответствующий выход с открытым стоком или открытым коллектором. В том случае, если подобный контроль не нужен, контакт ХТ5 можно соединить с контактом ХТ7 или замкнуть между собой выводы коллектора и эмиттера фототранзистора оптопары U1.1.

Узел питания устройства состоит из гасящего резистора R6, стабилитрона VD7 и сглаживающего конденсатора С1. Диод VD6 предотвращает разрядку этого конденсатора при переходе сетевого напряжения через ноль, а конденсатор С2 выполняет функцию блокировочного в цепи питания микросхемы. Ток в цепи светодиода HL1 ограничен резистором R5, а диод VD4 предотвращает повреждение микросхемы DD1 в случае обрыва в цепи светодиода. Диоды VD10, VD11 защищают затвор полевого транзистора VT1 от возможных выбросов напряжения, а защита входов элемента DD1.3 обеспечивается встроенными в микросхему защитными диодами.

Конденсатор С3 обеспечивает подавление высокочастотных помех на входах элемента DD1.3 и не должен оказывать заметного влияния на скорость изменения напряжения, поэтому его ёмкость не должна превышать нескольких тысяч пикофарад. Оставшийся незадействованным элемент DD1.2 использован для построения генератора частотой 1 Гц, который можно использовать для тактирования каких-либо внешних устройств или "заставить" с его помощью мигать светодиод HL1, соединив контакт ХТ8 с анодом этого светодиода. Если генератор не нужен, резистор R10 и диод VD8 следует удалить, а вместо конденсатора С4 установить перемычку.

Терморезистор RK1, имеющий положительный ТКС, предназначен для защиты импульсного источника А1 при включении устройства. Дело в том, что после подключения устройства к сети транзистор VT1 не может открыться сразу, так как для зарядки сглаживающего конденсатора С1 нужно некоторое время, поэтому в случае присутствия в этот момент в сети повышенного напряжения источник питания А1 может быть повреждён. Терморезистор RK1, сопротивление которого в момент подключения устройства к сети мало, создаёт начальный ток через лампы EL1, EL2, образуя нижнее плечо делителя напряжения. После прогрева терморезистора его сопротивление увеличивается приблизительно в сто раз, и он перестаёт оказывать влияние на работу устройства, потребляя при этом незначительную мощность.

Ограничительный диод VD12 защищает полевой транзистор VT1 от превышения допустимого напряжения сток-исток. Наличие этого диода позволяет использовать на месте VT1 недорогой и широко распространённый транзистор IRF840, имеющий максимальное рабочее напряжение 500 В. Диод VD13 предотвращает влияние ёмкости и индуктивности сетевого фильтра, имеющегося в источнике питания А1, на цепь контроля амплитудного значения напряжения.

Чертёж платы устроства

Рис. 3. Чертёж платы устроства

 

Детали устройства, за исключением предохранителей FU1-FU3, ламп EL1 - EL4, терморезистора RK1, светодиода HL1 и диода VD13, смонтированы на печатной плате из одностороннего фольгированного стеклотекстолита толщиной 1,5...2 мм, чертёж которой приведён на рис. 3. Для предотвращения электрического пробоя по поверхности платы между печатными проводниками с большой разницей потенциалов выполнены прорези. На печатной плате предусмотрено место для установки диодов VD1’-VD3’, которые можно использовать для устройства дополнительных выпрямителей сетевого напряжения. Если дополнительные выпрямители не нужны, эти диоды на плату не устанавливают.

Проволочную перемычку под микросхемой DD1 следует установить в самом начале монтажа. Конденсатор С1 монтируют параллельно плате, уложив его на корпус микросхемы DD1, а стабилитрон VD7 устанавливают после монтажа всех остальных деталей. Диоды VD1-VD3 и резисторы R5-R7 установлены перпендикулярно плате, а их свободные выводы спаяны вместе и образуют шину, являющуюся контактом ХТ9. Вывод стока транзистора VT1 перед установкой на плату удаляют, а катод защитного диода VD12 соединяют с теплоотводящим фланцем транзистора с помощью винта - это будет контакт ХТ10. Внешний вид смонтированной платы приведён на рис. 4.

Внешний вид смонтированной платы

Рис. 4. Внешний вид смонтированной платы

 

Плата рассчитана на сборку устройства как в трёхфазном, так и в однофазном исполнении. Для реализации однофазного варианта диоды VD3 и VD3’ необходимо удалить, а диоды VD1’ и VD2’ установить катодами к анодам диодов VD1 и VD2. Аноды диодов VD1’ и VD2’ соединяют перемычками с общим проводом (контактом ХТ4) устройства, а напряжение 230 В подают на контакты ХТ1 и ХТ2.

Для обеспечения надёжной работы устройства при сетевом напряжении 400 В резисторы R5-R7 должны иметь допустимое рабочее напряжение не менее 600 В постоянного тока. Этому требованию соответствуют металлоплёночные резисторы МЛТ и МТ мощностью 2 Вт, а также углеродистые резисторы ВС мощностью 1 Вт и более.

Остальные резисторы - любые малогабаритные, подстроечный резистор - СП4-1 или другой, подходящий по габаритам. Если применённый подстроечный резистор не помещается на печатную плату, то его можно вынести за её пределы, соединив с платой с помощью проводов.

Оксидный конденсатор С1 - К50-35 или импортный, остальные конденсаторы - керамические или плёночные, например, КМ, К73-17. Диоды VD1 - VD3, VD13 должны иметь максимальное обратное напряжение не менее 700 В. Кроме указанных на схеме, подойдут, например, диоды 1N4007 или HER208. Остальные диоды - любые маломощные выпрямительные или импульсные, например, серий КД521 или КД522. Стабилитрон VD7 - любой маломощный с напряжением стабилизации 10...12 В, светодиод - любой сверхъ-яркий. Для индикации наличия сетевого напряжения последовательно с резистором R6 можно включить дополнительный светодиод, например зелёного свечения.

Микросхему CD4093BE можно заменить отечественной К561ТЛ1, оптопара - АОТ101 с любым буквенным индексом или подходящая импортная. Если дополнительный канал контроля напряжения 12 В не нужен, можно использовать одноканальную транзисторную оптопару. Полевой транзистор VT1 должен иметь допустимое напряжение сток-исток не менее 500 В, подойдут, например, импортные транзисторы IRF820, IRF830 или отечественные КП707 с индексами Б-Е. Защитный диод VD12 - любой подходящий, имеющий напряжение срабатывания 400 В. Терморезистор RK1 - Toptrend D6-14MA от узла размагничивания телевизора, оба диска которого соединены последовательно. Для обеспечения нормальной работы устройства мощность каждой из ламп EL1-EL4 должна в 3...4 раза превышать мощность импульсного источника питания А1. Номинальное напряжение ламп - 230 В. В устройстве можно использовать лампы с октальным цоколем, но для уменьшения габаритов желательно применить малогабаритные галогеновые лампы для прожекторов мощностью 100 Вт.

Налаживание устройства сводится к установке напряжения срабатывания с помощью подстроечного резистора R8. Так как трёхфазный ЛАТР найдётся далеко не у каждого радиолюбителя, для налаживания устройства можно применить однофазный ЛАТР, к выходным зажимам которого подключают вольтметр переменного тока и диодный мост, имеющий допустимое обратное напряжение не менее 700 В. Плюсовой вывод диодного моста подключают к одному из контактов ХТ1-ХТ3 устройства, а минусовый - к контакту ХТ4. Перед началом налаживания нагрузку (импульсный источник питания А1) следует отключить, а движок подстроечно-го резистора R8 установить в верхнее по схеме положение.

Подключив ЛАТР к сети, на его выходе устанавливают напряжение, при котором должно срабатывать устройство. При этом в момент включения устройства лампы EL1-EL4 должны включиться и затем плавно погаснуть, что свидетельствует о нормальной работе терморезистора RK1. Далее, медленно перемещая движок подстроечного резистора R8 вниз по схеме, добиваются включения ламп. На этом налаживание закончено. Далее к устройству подключают импульсный источник питания и проверяют работу всей системы в целом при номинальном, пониженном и повышенном сетевом напряжении.

Порог установки срабатывания защиты устанавливают исходя из особенностей сети, совместно с которой планируется эксплуатировать устройство. Согласно ГОСТу 29322-2014 "Напряжения стандартные" максимальное напряжение каждой из фаз трёхфазной сети относительно нулевого провода составляет 230 В +10 %, т. е. 253 В, но так как данный стандарт был введён относительно недавно, номинальное напряжение большинства сетей всё ещё равно 220 В ±10 %. Поэтому, если напряжение в сети составляет 220 В или менее, а значительного его повышения в часы минимальной нагрузки (в ночное время) не наблюдается, порог срабатывания защиты можно установить равным 250 В. Если же напряжение сети повышено, то порог срабатывания защиты целесообразно устанавливать равным 260 или 265 В, но при этом следует убедиться, что защита на варисторах, встроенная в импульсный источник питания (если таковая имеется), не срабатывает при таком напряжении.

Работоспособность устройства была проверена с двумя импульсными блоками питания, имеющими выходное напряжение 12 В и ток нагрузки 0,2 А и 2 А. С первым блоком питания использовались лампы накаливания мощностью 40 Вт, а со вторым - мощностью 100 Вт. В результате оба блока питания сохраняли работоспособность в интервале входного напряжения от 90 до 400 В. Так как имеющийся у автора лабораторный автотрансформатор не позволяет получить выходное напряжение более 330 В, для испытания при максимальном напряжении устройство подключалось через диодный мост между двумя фазами трёхфазной сети. Внешний вид макета устройства, с которым автор проводил эксперименты, приведён на рис. 5. В макете использован импульсный источник питания 12 В 0,2 А, в качестве которого применено доработанное зарядное устройство для сотового телефона.

Внешний вид макета устройства

Рис. 5. Внешний вид макета устройства

 

Описанное устройство можно использовать как самостоятельно, так и в составе какого-либо устройства, питание которого должно быть обеспечено практически при любом значении сетевого напряжения. Если совместно с устройством планируется использовать импульсный источник питания с другим выходным напряжением, необходимо пропорционально изменить сопротивление резисторов R1 и R2. Мощность источника питания, который можно подключить к устройству, определяется мощностью применённых ламп накаливания. При использовании галогеновых ламп мощностью 1000 Вт мощность импульсного источника питания может достигать 250...300 Вт, но при этом диоды VD1-VD3, VD13 должны быть рассчитаны на ток не менее 2...3 А.

Чертёж печатной платы в формате Sprint LayOut находится здесь.

Автор: А. Мельников, г. Барнаул

Мнения читателей

Нет комментариев. Ваш комментарий будет первый.

Вы можете оставить свой комментарий, мнение или вопрос по приведенному выше материалу:

Поля, обязательные для заполнения