Устройство защиты от аварийного напряжения сети

Л. СИТНИКОВ, п. Стулово Кировской обл.
Как известно, номинальное значение напряжения в сети (действующее значение) — 220 В. Разумеется, оно не равно в точности 220 В, так как Межгосударственный стандарт (ГОСТ 13109-97 "Электрическая энергия. Совместимость технических средств электромагнитная. Нормы качества электрической энергии в системах электроснабжения общего назначения.") допускает отклонение от номинального значения до 10%. Поэтому электроприборы с питанием от сети должны нормально функционировать при напряжении 198...242 В.

Некоторые из них, в частности с импульсными блоками питания, допускают и меньшее напряжение. Но большинство могут функционировать неустойчиво или вообще выйти из строя.
Последнее происходит, к сожалению, довольно часто. Причины отклонений сетевого напряжения могут быть разными: включение и отключение мощной нагрузки, аварии в системе электроснабжения, перегрузка сети и т. д. К пониженному напряжению сети (160...180 В) чувствительны приборы, имеющие электродвигатели: холодильники, микроволновые печи, стиральные машины, а к повышенному — подавляющее большинство. Наиболее опасна ситуация, когда в сети присутствует межфазное напряжение 380 В и резко увеличиваются токи потребления всех электроприборов. В этом случае часть элементов выходит из строя по причине превышения предельно допустимого напряжения или тока. Так, например, из-за насыщения магнитопровода ток асинхронного двигателя увеличивается в несколько раз. Естественно, все это ведет к порче дорогостоящих приборов, а также увеличивает вероятность возникновения пожара.
Описанное ниже устройство защищает приборы с потребляемой мощностью до 1,1 кВт, отключая их от электросети при снижении или превышении сетевым напряжением заранее установленных значений (в авторском варианте 195 и 245 В).
Технические характеристики
Напряжение сети, В.........100...380
Ток нагрузки, А .................0...5
Нижний порог отключения нагрузки, В..............160...195
Верхний порог отключения нагрузки, В..............230...260
Время отключения нагрузки при возникновении аварийной ситуации в сети, с -----1 ...3
Время включения после восстановления напряжения сети, с .............30...60
Схема устройства показана на рис. 1.
 
 На диодах VD2, VD3 собран выпрямитель с балластными конденсаторами С5, С6, а на стабилитроне VD6 и транзисторе VT1 — ограничитель выходного напряжения выпрямителя, резистор R1 ограничивает зарядный ток конденсаторов С5, С6 при подключении устройства к сети. Резисторы R6, R8 обеспечивают разрядку конденсаторов С5, С6 при отключении устройства, они включены последовательно, так как большинство постоянных резисторов мощностью 0,25 Вт (например, МЛТ, С2-23, Р1-4) имеют рабочее напряжение не более 250 В. На диоде VD1 собран однополупериодный выпрямитель, конденсаторы С2, СЗ — сглаживающие, С1, С4 подавляют высокочастотные помехи. ОУ DA1.1, DA1.2 — компараторы напряжения, светодиод HL1 индицирует включение устройства в сеть, a HL2 — нормальное напряжение сети. Диоды VD4 и VD5 образуют "монтажное ИЛИ", напряжение питания компараторов стабилизировано интегральным стабилизатором на микросхеме DA2, оно использовано и как образцовое.
После подключения устройства к сети на выходе микросхемы DA2 напряжение будет около 12В, на конденсаторах СЗ, С4 — постоянное напряжение, значение которого зависит от сетевого напряжения и сопротивления резисторов R2— R5. При напряжении сети 220 В это напряжение примерно равно 2,5 В. Резисторами R7 и R9 устанавливают верхний и нижний пороги отключения нагрузки. Если напряжение сети в норме, то на выходах ОУ низкий уровень, транзистор VT2 закрыт и начинается зарядка конденсатора С9 через резисторы R13, R14. Через 30...60 с напряжение на конденсаторе С9 становится достаточным для открывания полевого транзистора VT3, а затем и биполярного транзистора VT4. На реле К1 поступает напряжение питания, оно сработает и своими контактами К1.1 подключит нагрузку к сети. Одновременно светит светодиод HL2, сигнализируя, что сетевое напряжение в норме и оно подано на нагрузку.
Если напряжение сети превысит верхний порог отключения, компаратор на ОУ DA1.1 переключится, на его выходе установится высокий уровень, транзистор VT2 откроется и конденсатор С9 быстро разрядится через этот транзистор и резистор R14. Транзисторы VT3, VT4 закроются, светодиод HL2 погаснет и реле отключит нагрузку от сети. При уменьшении напряжения сети до нижнего порога переключится компаратор на ОУ DA1.2, процесс повторится и нагрузка также будет отключена от сети. Длительность временного интервала между моментом возникновения аварийной ситуации и отключением нагрузки (1...3с) зависит от скорости разрядки конденсатора С9 (т. е. от его емкости и сопротивления резистора R14), напряжения открывания транзистора VT3 и постоянной времени цепи выпрямителя (резисторы R4, R5, конденсаторы С2, СЗ).
Когда напряжение сети вернется в допустимые пределы, транзистор VT2 закроется, начнется зарядка конденсатора С9 и через 30...60 с реле К1 подключит нагрузку к сети. Время задержки зависит от сопротивления резистора R13, емкости конденсатора С9 и напряжения открывания транзистора VT3.
В устройстве применены конденсаторы С5, С6 — К73-17, оксидные — К50-35, остальные — К10-17. Транзисторы
2N2222 заменимы на КТ3102 с любыми буквенными индексами (VT2) или КТ3117А, КТ815А, КТ815Б, КТ815В (VT1, VT4). Транзистор BS170P можно заменить на КП501А, КП501Б, взамен стабилитрона КС518А можно применить любой маломощный стабилитрон с напряжением стабилизации 15...22 В. Светодиоды допустимы любые в пластмассовом корпусе диаметром 3...5 мм, желательно разного цвета свечения, с рабочим током 5....20 мА. Автор применил многооборотные подстроечные резисторы W3296 (R7, R9), но подойдут СП5-2ВБ, постоянные резисторы — С2-23, МЛТ, реле — TRJ-12VDC, но можно использовать и аналогичные TRIL-12VDC, JRU-12VDC, TRV-12VD с одной группой контактов на замыкание или переключение.
Все детали, кроме вилки ХР1 и розетки XS1, смонтированы на печатной плате из двусторонне фольгированного стеклотекстолита толщиной 1,5 мм, ее чертеж показан на рис. 2.
 
 Плату устанавливают в корпус из изоляционного материала. На одной из стенок крепят розетку XS1 для подключения нагрузки, а на крышке делают отверстия для установки светодиодов.
Их соединяют с платой изолированными проводами.
Налаживание устройства проводят в следующей последовательности. После проверки правильности монтажа устройство подключают к выходу ЛATРа, на выходе которого устанавливают напряжение 220 В. Светодиод HL1 должен светить, на конденсаторе С11 — напряжение примерно 12В, а на выводах 2 и 5 микросхемы DA1 — около 2,5 В. Подстроечным резистором R7 устанавливают на выводе 6 микросхемы DA1 напряжение 2,9 В, что соответствует верхнему порогу отключения (около 245 В), а резистором R9 — напряжение 2,2 В на выводе 3 микросхемы DA1, что соответствует нижнему порогу отключения (около 195 В). После установки напряжений подключают нагрузку, например, лампу накаливания.
После того как реле сработает и лампа загорится, ЛАТРом плавно изменяют напряжение и проверяют напряжения отключения нагрузки. При необходимости их изменяют в нужную сторону подстроечными резисторами R7 и R9. Следует помнить, что наладочные работы производятся при напряжении, опасном для жизни!
От редакции. Примененные конденсаторы К73-17(C5, C6), хотя и имеют рабочее напряжение 630 В, но амплитуда приложенного к ним переменного напряжения не должна превышать 50 % этого значения, т, е- 315 В. Поэтому при сетевом напряжении 230 В и более конденсаторы будут работать в запредельном режиме, что снижает надежность устройства. Для ее повышения эти конденсаторы должны иметь большее рабочее напряжение, допустимо, например, использовать конденсаторы К75-10 (2 шт. 0,47 мкФ на 500 В или 1 шт. 1 мкФ на 500 В). Так как размеры этих конденсаторов больше, то устанавливают их в корпусе отдельно от платы и соединяют с ней изолированными проводами.
Радио №3/2015

Яндекс.Метрика Рейтинг@Mail.ru Счетчик тИЦ и PR