Схемы защиты от опасных напряжений

5. Защита электронных устройств от перенапряжения

Для защиты радиоэлектронного оборудования традиционно применяют плавкие предохранители. Обычно в них используют тонкие неизолированные проводники калиброванного сечения, рассчитанные на заданный ток перегорания. Наиболее надежно эти приспособления работают в цепях переменного тока повышенного напряжения. С понижением рабочего напряжения эффективность их применения снижается. Обусловлено это тем, что при перегорании тонкой проволоки в цепи переменного тока возникает дуга, распыляющая проводник. Предельным напряжением, при котором может возникнуть такая дуга, считается напряжение 30. 35 6. При низковольтном питании происходит просто плавление проводника. Процесс этот занимает более продолжительное время, что в ряде случаев не спасает современные полупроводниковые приборы от повреждения.
Тем не менее, плавкие предохранители и поныне широко используют в низковольтных цепях постоянного тока, там, где от них не требуется повышенное быстродействие.
Там, где плавкие предохранители не могут эффективно решить задачу защиты радиоэлектронного оборудования и приборов от токовых перегрузок, их можно с успехом использовать в схемах защиты электронных устройств от перенапряжения.
Принцип действия этой защиты прост: при превышении уровня питающего напряжения срабатывает пороговое устройство, устраивающее короткое замыкание в цепи нагрузки, в результате которого проводник предохранителя плавится и разрывает цепь нагрузки.
Метод защиты аппаратуры от перенапряжения за счет принудительного пережигания предохранителя, конечно, не является идеальным, но получил достаточно широкое распространение благодаря своей простоте и надежности. При использовании этого метода и выбора оптимального варианта защиты стоит учитывать, насколько быстродействующим должен быть автомат защиты, стоит ли пережигать предохранитель при кратковременных бросках напряжения или ввести элемент задержки срабатывания. Желательно также ввести в схему индикацию факта перегорания предохранителя.
Простейшее защитное устройство [4.1], позволяющее спасти защищаемую радиоэлектронную схему, показано на рис. 4.1. При пробое стабилитрона включается тиристор и шунтирует нагрузку, после чего перегорает предохранитель. Тиристор должен быть рассчитан на значительный, хотя и кратковременный ток. В схеме совершенно не допустимо использование суррогатных предохранителей, поскольку в противном случае могут одновременно выйти из строя как защищаемая схема, так и источник питания, и само защитное устройство.


Рис. 4.1. Простейшая защита от перенапряжения

Рис. 4.2. Помехозащищенная схема защиты нагрузки от превышения напряжения

Усовершенствованная схема защиты нагрузки от превышения напряжения, дополненная резистором и конденсатором [4.2], показана на рис. 4.2. Резистор ограничивает предельный ток через стабилитрон и управляющий переход тиристора, конденсатор снижает вероятность срабатывания защиты при кратковременных бросках питающего напряжения.
Следующее устройство (рис. 4.3) защитит радиоаппаратуру от выхода из строя при случайной переполюсовке или превышении
напряжения питания, что нередко бывает при неисправности генератора в автомобиле [4.3].
При правильной полярности и номинальном напряжении питания диод VD1 и тиристор VS1 закрыты, и ток через предохранитель FU1 поступает на выход устройства.


Рис. 4.3. Схема защиты радиоаппаратуры с индикацией аварии

Если полярность обратная, то диод VD1 открывается, и сгорает предохранитель FU1. Лампа EL1 загорается, сигнализируя об аварийном подключении.
При правильной полярности, но входном напряжении, превышающем установленный уровень, задаваемый стабилитронами VD2 и VD3 (в данном случае — 16 Б), тиристор VS1 открывается и замыкает цепь накоротко, что вызывает перегорание предохранителя и зажигание аварийной лампы EL1.
Предохранитель FU1 должен быть рассчитан на максимальный ток, потребляемый радиоаппаратурой.
Элементы ГТЛ-логики обычно работоспособны в узком диапазоне питающих напряжений (4,5. 5,5 Б). Если аварийное снижение питающего напряжения не столь опасно для «здоровья» микросхем, то повышение этого напряжения совершенно недопустимо, поскольку может привести к повреждению всех микросхем устройства.
На рис. 4.4 приведена простая и довольно эффективная схема защиты 7777-устройств от перенапряжения, опубликованная в болгарском журнале [4.4]. Способ защиты предельно прост: как только питающее напряжение превысит рекомендуемый уровень всего на 5% (т.е. достигнет величины 5,25 Б) сработает пороговое устройство и включится тиристор. Через него начинает протекать ток короткого замыкания, который пережигает плавкий предохранитель FU1. Разумеется, в качестве предохранителя нельзя использовать суррогатные предохранители, поскольку в таком случае может выйти из строя блок питания, защищающий схему тиристор, а затем и защищаемые микросхемы.
Недостатком устройства является отсутствие индикации перегорания предохранителя. Эту функцию в устройство несложно ввести самостоятельно. Примеры организации индикации разрыва питающей цепи приведены также в главе 36 книги [1.5].


Рис. 4.4. Схема защиты микросхем ТТЛ от перенапряжения


Рис. 4.5. Схема устройства защиты от перенапряжения, работающего на переменном и постоянном токе

Схема устройства, которое в случае аварии в электросети защитит телевизор, видеомагнитофон, холодильник и т.д. от перенапряжения, приведена на рис. 4.5 [4.5].
Напряжение срабатывания защиты определяется падением напряжения на составном стабилитроне VD5+VD6 и составляет 270 Б.
Конденсаторы С1 и С2 образуют совместно с резистором R1 RC-цепочку, которая препятствует срабатыванию устройства при импульсных выбросах в сети.
Схема работает следующим образом. При напряжении в сети до 270 В стабилитроны VD3, VD4 закрыты. Также закрыты и тиристоры VS1, VS2. При действующем напряжении более 270 В открываются стабилитроны VD3, VD4, и на управляющие электроды тиристоров VS1, VS2 поступает открывающее напряжение. В зависимости от полярности полупериода сетевого напряжения ток проходит либо через тиристор VS1, либо через VS2. Когда ток превышает 10 А, срабатывают автоматические выключатели (пробки, плавкие предохранители), отключая электроприборы от электросети. Нагрузка (на рисунке не показана) подключается параллельно тиристорам. Проверить работоспособность устройства можно с помощью ЛАТРа.
Устройство работоспособно и на постоянном токе.


Рис. 4.6. Схема релейного устройства защиты от перенапряжения с самоблокировкой

Устройство защиты от перенапряжения (рис. 4.6) выгодно отличается от предыдущих тем, что в нем не происходит необратимого повреждения элемента защиты [4.6]. Вместо этого при напряжении свыше 14,1 В пробивается цепочка стабилитронов VD1 — VD3, включается и самоблокируется тиристор VS1, срабатывает реле К1 и своими контактами отключает цепь нагрузки.
Восстановить исходное состояние устройства защиты можно только после вмешательства оператора — для этого следует нажать на кнопку SB1. Устройство также переходит в рабочий ждущий режим после кратковременного отключения источника питания. К числу недостатков данного устройства защиты относится его высокая чувствительность к кратковременным перенапряжениям.
Устройство (патент DL-WR 82992) [4.7], принципиальная схема которого приведена на рис. 4.7, может применяться для защиты нагрузки от недопустимо высокого выходного напряжения. В нормальных условиях транзистор VT1 работает в режиме, когда напряжение между его коллектором и эмиттером небольшое, и на транзисторе рассеивается небольшая мощность (ток базы определяется резистором R1). Сопротивление стабилитрона VD2 в этом случае большое и тиристор VS1 закрыт.


Рис. 4.7. Схема полупроводникового реле защиты нагрузки от перенапряжения

При возрастании напряжения на выходе устройства выше определенной величины через стабилитрон начинает протекать ток, который приводит к открыванию тиристора. Транзистор VT1 при этом закрывается, и напряжение на выходе устройства становится близко к нулю. Отключить защиту можно только отключением источника питания.
Описанное устройство должно включаться в выходную цепь стабилизаторов так, чтобы сигнал обратной связи подавался из цепи, расположенной за системой защиты. При номинальном выходном напряжении 12 В и токе 1 А в устройстве можно применить транзистор КТ802А, тиристор КУ201А — КУ201К, стабилитрон — Д814Б. Сопротивление резистора R1 должно быть 39 Ом (мощность рассеивания при отсутствии системы автоматики, отключающей стабилизатор от сети, составляет 10 Вт), R2 — 200 Ом, R3 — 1 кОм.

Источник

Устройства защиты от скачков напряжения

Устройства защита от скачков напряжения картинка

Перепады и скачки напряжения в российских электросетях отнюдь не редкость. Они могут вывести из строя дорогостоящую технику и даже угрожать жизни и здоровью людей. Для предотвращения таких последствий на рынке представлены различные устройства защиты от скачков напряжения.

Из данной статьи Вы узнаете: каковы причины перепадов напряжения, чем они опасны, какие существуют устройства защиты и в каких случаях они используются.

Содержание

  • Допустимые отклонения сетевого напряжения по ГОСТ
  • Причины и последствия перепадов напряжения в сети
  • Спасут ли пробки или автоматы?
  • Как защитить технику от скачков напряжения?
  • Сетевой фильтр
  • Реле контроля напряжения (РКН)
  • Устройства защиты от импульсных перенапряжений (УЗИП)
  • Стабилизаторы напряжения
  • Источники бесперебойного питания (ИБП)
  • Эффективность приборов для защиты от скачков напряжения

    Высокий уровень развития современных технологий позволил оснастить наше жилье высокотехнологичной бытовой техникой, которая экономит время, облегчает труд и упрощает жизнь. В подавляющем большинстве квартир и жилых домов обязательно найдутся автоматические стиральные и посудомоечные машины, микроволновки, холодильники, аудио- и видеоаппаратура, персональные компьютеры, а также другие электроприборы, реализованные на основе электронных компонентов и имеющие цифровые алгоритмы управления.

    С ростом функциональности, эффективности и удобства эксплуатации растут и требования таких устройств к питающему напряжению, показатели которого, к сожалению, далеко не всегда соответствуют действующим стандартам качества электроэнергии.

    По ряду причин, речь о них пойдет ниже, в электрических сетях могут возникать либо резкие колебания (скачки) напряжения, либо его длительные отклонения как в большую, так и в меньшую сторону. И то, и другое приводит не только к сбоям в работе или выходу из строя дорогостоящей бытовой техники, но и представляет реальную угрозу для безопасности жизни и здоровья людей.

    Допустимые отклонения сетевого напряжения по ГОСТ

    Стандартный уровень напряжения однофазной электросети в нашей стране составляет 230 В – именно на это номинальное значение рассчитана вся современная бытовая техника. Согласно требованиям ГОСТ 29322-2014 (IEC 60038:2009), определяющего нормы качества электроэнергии, расхождение с данной величиной не должно превышать ±10%. Таким образом, применительно к однофазной домашней сети диапазон предельно допустимого напряжения составляет 207-253 В.

    Допустимые отклонения сетевого напряжения по ГОСТ картинка

    Крайние значения из этого диапазона, не говоря уже о больших отклонениях, губительно влияют на многие современные электроприборы, в особенности на те, которые не имеют в своём составе импульсного блока питания. При этом следует понимать, что неисправность бытовой техники, вызванная некачественным электропитанием, не будет считаться гарантийным случаем – производитель, как правило, оговаривает подобные ситуации следующим образом: «Гарантия не распространяется на изделие, вышедшее из строя по причине повышенного/пониженного входного напряжения».

    Причины и последствия перепадов напряжения в сети

    Причины возникновения колебаний и резких перепадов сетевого напряжения чаще всего следующие:

    1. Недостаточная мощность и общий износ подстанций, которые не всегда соответствуют фактическому потреблению электроэнергии, в результате чего сеть работает с перегрузкой и постоянными сбоями.
    2. Плохое состояние инфраструктуры энергетического комплекса, являющееся причиной частых аварий и ухудшения общего качества электроэнергии.
    3. Несимметричное (неравномерное) распределение нагрузки, вызывающее перекос фаз и скачок напряжения в однофазной сети.
    4. Атмосферные явления, например, попадание разряда грозовой молнии в линию электропередач или обрывающий провода ледяной дождь.
    5. Человеческий фактор. Короткие замыкания и перенапряжения часто возникают вследствие некорректного подключения или умышленного вандализма.
    6. Включение мощных нагрузок, приводящее к падению сетевого напряжения (при отключении таких нагрузок наблюдается обратная картина – резкий рост сетевого напряжения).

    Небольшие перепады напряжения в сети снижают, в первую очередь, эффективность осветительного и нагревательного оборудования. Кроме того, они могут повлечь за собой сбои в работе и остальных электроприборов, в особенности тех, которые имеют электронное управление (газовые котлы, стиральные машины, кухонная техника и т. п.).

    Куда более плачевные последствия вызывают значительные сетевых отклонения: даже кратковременные провалы или скачки напряжения довольно часто становятся причиной сокращения срока службы бытовой техники, а в худшем случае и её моментального выхода из строя.

    Наиболее опасны перенапряжения – резкие и сильные броски сетевого напряжения в большую сторону (на десятки и сотни вольт), такое явление практически всегда губительно для любого электрооборудования.

    Спасут ли пробки или автоматы?

    Пробки и автоматы картинка

    Автоматические выключатели и их более ранние аналоги, предохранительные пробки, являются устройствами защиты от коротких замыканий и длительных перегрузок. Их защитное срабатывание происходит только при недопустимо длительном по времени превышении током в цепи определённого значения, которое во время сетевого перепада может быть и не достигнуто.

    В итоге пробки и автоматы либо вообще не сработают, либо сработают через длительный промежуток времени, поэтому такие изделия вряд ли можно рассматривать в качестве серьёзной защиты от сетевых скачков и колебаний.

    Как защитить технику от скачков напряжения?

    Для того, чтобы в условиях нестабильной электросети гарантировать безопасное и надёжное функционирование своей бытовой техники необходимо принять определённые меры защиты. Они заключаются в установке и правильной эксплуатации специального устройства, нейтрализующего скачки напряжения и другие негативные сетевые явления.

    Рассмотрим основные типы данных устройств.

    Сетевой фильтр

    Сетевой фильтр картинка

    Основное назначение этого прибора определяется его названием: фильтрация и сглаживание приходящих из сети помех. При наличии в составе варистора он будет защищать и от экстремальных перенапряжений.

    Следует понимать, что сетевой фильтр не обеспечивает коррекцию напряжения, следовательно, при сетевых отклонениях как хронических, так и резких прибор будет неэффективен.

    Реле контроля напряжения (РКН)

    Основная задача такого реле заключается в своевременном обесточивании подключенного оборудования при выходе питающего напряжения из определённого диапазона. Причем границы максимально допустимого и минимально допустимого значения пользователь задаёт самостоятельно.

    РКН отличаются компактностью, достаточным токовым номиналом и удобным исполнением, позволяющим размещать их непосредственно в вводном щитке и использовать для защиты сразу всей домашней электросети.

    Из недостатков можно назвать не самую эффективную защиту от значительных импульсных перенапряжений, а также неспособность повышать качество сетевого напряжения.

    Реле контроля напряжения картинка

    Устройства защиты от импульсных перенапряжений (УЗИП)

    УЗИП картинка

    Эти устройства хорошо зарекомендовали себя в качестве защиты от импульсных перенапряжений, возникающих при грозовых разрядах, коротких замыканиях или переходных коммутационных процессах. Но они совершенно бесполезны при сетевых колебаниях и скачках, в результате которых напряжение не достигает экстремальных значений, а именно такие явления наиболее распространены и случаются во многих электросетях практически ежедневно.

    УЗИП логичнее всего использовать в связке с другим устройством защиты, например, с упомянутым выше реле контроля напряжения – это повысит надежность системы электропитания и обеспечит ей максимальный уровень устойчивости перед импульсными перенапряжениями.

    Стабилизаторы напряжения

    Стабилизаторы напряжения картинка

    Данные приборы регулируют входное напряжение и стараются максимально приблизить его фактические параметры к номинальным значениям. Качественный прибор способен быстро нейтрализовать сетевое колебание или подтянуть хронически пониженное/повышенное напряжение до установленной величины.

    Применение современного стабилизатора (в частности – инверторного) позволит повысить качество электроэнергии в домашней сети до уровня, удовлетворяющего требованиям даже самого чувствительного к характеристикам электропитания оборудования. Однако не все стабилизаторы одинаково эффективны — на рынке представлено большое количество моделей, которые не способны обеспечить защиту должного уровня и уязвимы для скачков напряжения.

    Ознакомиться с полным модельным рядом инверторных стабилизаторов напряжения «Штиль» можно, перейдя по ссылке:
    Инверторные стабилизаторы напряжения «Штиль».

    Источники бесперебойного питания (ИБП)

    Аналогично стабилизаторам напряжения, современный ИБП является эффективным средством защиты от сетевых скачков, отклонений и колебаний. Главным отличием этих приборов от всех вышерассмотренных является способность обеспечить бесперебойное питание нагрузки при отсутствии напряжения в основной сети. Работа в автономном режиме поддерживается благодаря аккумуляторным батареям, от емкости которых зависит ее продолжительность.

    ИБП, как и стабилизаторы, строятся на основе разных схем и имеют различные принципы работы. Если требуется устройство, гарантирующее высокое качество электропитания при работе и от сети, и от батарей, то необходимо выбирать ИБП с двойным преобразованием или, иначе говоря, онлайн ИБП.

    Ознакомиться с полным модельным рядом онлайн ИБП «Штиль» можно, перейдя по ссылке:
    Источники бесперебойного питания топологии онлайн от ГК «Штиль».

    Источники бесперебойного питания картинка

    Эффективность приборов для защиты от скачков напряжения

    Подытожив, можно сказать, что сетевой фильтр и РКН обеспечивают лишь частичную защиту и не справляются со всем спектром сетевых проблем. Стабилизатор напряжения и ИБП универсальнее – подключенное к ним оборудование менее досягаемо для негативных сетевых воздействий (если перед стабилизатором или ИБП дополнительно установить УЗИП, то уровень защиты возрастет ещё больше).

    Эффективность устройств защиты от скачков напряжения картинка

    Однако далеко не все стабилизаторы и ИБП качественны и по-настоящему надежны, поэтому следует максимально внимательно подходить к выбору устройства и при возникновении любых вопросов консультироваться с профессионалами.

    Стоит отметить, что средняя стоимость качественного ИБП превышает стоимость схожего по мощности и качеству стабилизатора (при примерно одинаковом функционале по борьбе с сетевыми скачками).

    Источник

  • Поделиться с друзьями
    Мощность и напряжение
    Adblock
    detector