Устройство защиты аппаратуры от аномального напряжения в сети

Импульсные блоки питания современной аппаратуры рассчитаны на широкие пределы изменения напряжения сети. Но его выход за эти пределы может повредить питаемую нагрузку. Устройства, отключающие нагрузку в подобных ситуациях, — актуальная тема нашего журнала. Предлагаемое устройство отличается тем, что включение нагрузки происходит только а моменты перехода напряжения сети через ноль, в результате чего значительно снижен пусковой ток и коммутационные помехи. Примечательно, что, реализовав новое качество устройства, автору удалось сократить число радиодеталей.

Предлагаемое устройство, как и его прототип, описанный в предыдущей статье автора ("Устройство защиты аппаратуры от аномального напряже ния в сети". — Радио, 2006, № 4, с. 27, 28) отключает нагрузку при повышении и при понижении напряжения сети.
Но в отличие от прототипа, включение нагрузки в сеть синхронизировано с моментами перехода напряжения сети через ноль, что не только снижает уровень помех и пусковой ток, предотвращая повреждение коммутирующих транзисторов, но и существенно уменьшает зарядный ток сглаживающего конденсатора импульсного блока питания нагрузки, амплитуда которого может достигать десятков ампер.



Схема устройства показана на рис. 1. При включении устройства в сеть ток протекает через диод VD1, резистор R4, стабилитрон VD2 и встроенный диод между стоком и истоком транзистора VT2. Напряжение на стабилитроне VD2 амплитудой около 12В пульсирует с частотой 50 Гц и уменьшается до нуля в моменты перехода напряжения сети через ноль.

Из напряжения на стабилитроне VD2 триггер Шмитта на элементах DD1.1 и DD1.3 формирует на выходе элемента DD1.1 импульсы, нарвстающие перепады которых совпадают с моментами перехода сетевого напряжения через ноль и устанавливающие триггер на элементе DD1.4 в состояние, при котором коммутирующие транзисторы VT2 и VT3 открыты. В результате включение нагрузки возможно только в моменты перехода напряжения сети через ноль.
Напряжение со стабилитроне VD2 через диод VD3 подано в цепь питания микросхем. Конденсатор С2 — сглаживающий.
Резисторы R1—R3 — делитель выпрямленного напряжения сети, подаваемого на входы аналоговых компарвторов, собранных на ОУ DA1. Образцовое напряжение для компараторов снимают со светодиода HL1, использованного как стабистор с напряжением стабилизации 1,5...2 В. Ток через светодиод HL1 стабилизирован полевым транзистором VT1.



Элемент DD1.2 — цифровой компаратор, на входы которого поданы сигналы с двух аналоговых (DA1.1 и DA1.2).
Если напряжение сети находится в допустимых пределах 180-240 В, на обоих выходах аналоговых компараторов высокий уровень, а на выходе цифрового (DD 1.2) — низкий уровень, разрешающий установку триггера на элементе DD1.4 в единичное состояние нарастающим перепадом напряжения с выхода элемента DD1.1.
Когда напряжение сети упадет ниже 180 В, на выводе 13 цифрового компаратора DD1.2 установится низкий уровень, а на выводе 12 он останется высоким. Это вызовет появление на выходе элемента DD1.2 высокого уровня и быструю зарядку конденсатора СЗ через резистор R7 и диод VD5, что, в свою очередь, установит триггер на элементе DD1.4 в нулевое состояние Коммутирующие транзисторы VT2 и VT3 будут закрыты и отключат нагрузку от сети.

Увеличение напряжения сети до 240 В и выше вызывает появление низкого уровня на выводе 12 элемента DD1.2 при высоком уровне на его выводе 13. Это приведет, как и в случав понижения напряжения, к появлению на выходе цифрового компаратора высокого уровня, устанавливающего триггер в нулевое состояние и отключению нагрузки.

После возвращения напряжения сети в допустимые пределы повторное включение нагрузки возможно только по истечении примерно 5 с (время разрядки конденсатора СЗ через диод VD6 и резистор R8). Диод VD5 препятствует разрядке конденсатора СЗ через резистор R7 и выход элемента DD1.2.

Конструкция и детали.
Устройство собрано на односторонней печатной плате из фольгированного стеклотекстолита, чертеж которой показан на рис. 2. Транзисторы VT2 и VT3 должны быть рассчитаны на максимальный ток нагрузки и напряжение не менее 600 В, чтобы устройство выдерживало аварийное повышение напряжения сети до 380 В. Например, если мощность нагрузки не превышает 700 Вт, можно применить транзисторы КП707Б— КП707Г. Устанавливать их на теплоотводы необязательно при мощности нагрузки до 400 Вт Если напряжение сети заведомо не превысит 350 В, допустимо применить транзисторы IRF840.

В этом случае мощность нагрузки может достигать 1 кВт. Но возможно повреждение этих транзисторов при коммутации нагрузки индуктивного характера. Выбросы напряжения самоиндукции амплитудой свыше 500 В возникают в момент закрывания транзисторов на пиках сетевого напряжения. Чтобы предотвратить пробой транзисторов, необходимо между их стоками включить защитный диод 1.5КЕ350СА или 1.5КЕ400СА. Рекомендации по выбору остальных деталей те же, что и для прототипа.

Налаживание.
При исправных деталях и отсутствии ошибок в монтаже достаточно установить необходимые пороги срабатывания защиты. Вход устройства подключают к сети через J1ATP выход — к нагрузке, например, лампе накаливания мощностью 40 Вт. Напряжение на выходе J1ATP измеряют вольтметром. Устанавливают максимальное напряжение, и подбором резистора R3 добиваются низкого логического уровня на выходе ОУ DA1.2. Затем с помощью ЛАТР устанавливают минимальное напряжение и перемещением движка подстроечного резистора R2 добиваются низкого уровня на выходе ОУ DA1.1.



Для индикации выхода сетевого напряжения за допустимые пределы к выходам аналоговых компараторов можно подключить катоды светодиодов разного цвета свечения, подключив их соединенные вместе аноды через резистор сопротивлением 5,1 ...7,5 кОм к верхнему (по схеме) выводу конденсатора С2.
В устройство может быть введена защита от перегрузки по току (рис. 3).
Ее датчик (диоды VD1—VD6 и резистор R1) включают в разрыв цепи нагрузки.
Падение напряжения на резисторе R1 (датчике тока нагрузки) создает ток через излучающий диод оптрона U1.
При токе нагрузки, соответствующем порогу срабатывания защиты, открываются фотодиод оптрона и транзистор VT1. Через канал этого транзистора и резистор R4 зарядится конденсатор СЗ (см. рис. 1), что приведет к отключению нагрузки.


Источник: "Журнал Радио"