Как защититься от колебаний сетевого напряжения
Описание простого устройства, отключающего нагрузку в случае выхода сетевого напряжения за допустимые пределы.
Допуск на сетевое напряжение для питания бытовой электронной и просто электрической аппаратуры составляет плюс — минус 10%. Но в условиях отечественной системы энергоснабжения это требование зачастую не соблюдается.
Напряжение бывает значительно завышено или намного ниже нормы, что может повлечь за собой выход аппаратуры из строя. Чтобы такого не случилось, в статье описывается простое устройство, которое отключит нагрузку вовремя, прежде, чем она успеет сгореть.
Схема достаточно простого устройства защиты показана на рисунке 1.
Принцип действия. Описание схемы
Отключение нагрузки от сети происходит когда напряжение превысит 242 В или станет ниже 170 В. Мощное реле на выходе устройства позволяет коммутировать токи до десяти ампер, что позволяет подключать нагрузку мощностью до двух киловатт.
В исходном состоянии контакты реле находятся в положении указанном на схеме. Переключающий контакт К1.3 подключает к сети светодиод HL1, сигнализирующий, что нагрузка выключена, а в сети есть напряжение. Подключение нагрузки к сети происходит при кратковременном нажатии на кнопку SB1 «Пуск».
Рисунок 1. Устройство защиты от колебаний сетевого напряжения
Сетевое напряжение через гасящий конденсатор С1 и резистор R10 поступает на выпрямитель на диодах VD9, VD10, и заряжает конденсатор С3. Напряжение на этом конденсаторе стабилизировано стабилитроном VD11. От этого выпрямителя производится питание маломощного реле К2, которое управляет работой мощного реле К1, коммутирующего собственно нагрузку.
Через диод VD2 сетевое напряжение поступает на узел включения реле К2. Если напряжение в сети будет более 170 В стабилитрон VD7 откроется, что позволит зарядиться конденсатору С2 до напряжения достаточного для открывания транзистора VT1, который включит маломощное реле К2. (Параллельно катушке реле К2 включен диод VD8. Его назначение – защита транзистора от ЭДС самоиндукции, возникающей в момент выключения реле К2.)
Это реле своим контактом К2.1 включит мощное реле К1, а оно своими контактами К1.1…К1.4 подаст сетевое напряжение в нагрузку. Кнопку «Пуск» теперь можно отпустить, устройство вошло в рабочий режим. При этом загорается светодиод HL2, сигнализирующий о нормальной работе устройства. Светодиод HL1 погаснет, устройство вошло в рабочий режим.
Защита от понижения напряжения
Если напряжение сети станет меньше, чем 170 В, стабилитрон VD7 закроется, и зарядка конденсатора С2 прекратится. Это приведет к тому, что конденсатор С2 разрядится через резистор R8 и переход база – эмиттер транзистора VT1. Транзистор закроется и промежуточное реле К2 отключится и контактом К2.1 выключит мощное реле К1 – нагрузка будет обесточена.
Защита от повышенного напряжения
Узел защиты от превышения напряжения собран на тиристоре VS1. Работает он следующим образом.
Сетевое напряжение, а точнее его положительная полуволна, через диод VD2 поступает на соединенные последовательно стабилитроны VD3… VD6, а через них на последовательно соединенные резисторы R2 и R3. При повышении сетевого напряжения свыше 242 В стабилитроны откроются и на резисторе R3 создастся падение напряжения, величина которого будет достаточна для открытия тиристора VS1.
Открытый тиристор через резистор R5 «посадит» напряжение на конденсаторе С3. (Поскольку выпрямитель, питающий этот конденсатор, собран по схеме с гасящим конденсатором, то он не боится даже коротких замыканий. Резистор R4 нужен лишь для того, чтобы разрядом конденсатора С3 не сжечь тиристор VS1.) Этого напряжения будет не достаточно для удержания реле К2, оно выключится, а вместе с ним отключится реле К1, и нагрузка будет отключена. Также будет обесточено и само устройство, если не считать цепочки R1, VD1, HL1.
Повторное включение нагрузки можно осуществить лишь нажатием кнопки «Пуск». При этом не следует торопиться, а выждать некоторое время, ведь иногда, при возобновлении подачи электроэнергии, случаются достаточно большие перепады, можно даже сказать скачки, напряжения.
Несколько слов о деталях
Почти все детали устройства смонтированы на печатной плате из фольгированного стеклотекстолита толщиной 1,5…2 мм. Топология платы настолько проста, что ее можно просто вырезать острым ножом. Почти все детали разместились на плате. Плата с расположенными на ней деталями показана на рисунке 2.
Рисунок 2. Конструкция печатной платы устройства защиты от колебаний сетевого напряжения
Все устройство в целом необходимо разместить в корпусе из изоляционного материала. Те детали, которые не уместились на плате установлены внутри корпуса методом навесного монтажа. Если мощное реле будет иметь значительные габариты, то его также следует разместить вне платы.
В качестве мощного реле К1 возможно использовать реле типов МКУ-48, РПУ-2 или аналогичные с катушкой на переменное напряжение 220 В. В качестве реле К2 можно применить реле РЭС-6, РЭС-22 или другого типа с напряжением срабатывания около 50 В и током катушки не более 15 мА. У этого реле может быть всего один контакт.
При монтаже устройства можно применить следующие типы деталей: постоянные резисторы типа МЛТ, подстроечный резистор типа СП3-3 или СП3-19. Конденсатор С1 типа К73-17 на рабочее напряжение не ниже указанного на схеме, оксидные конденсаторы типа К50-35 или импортные. В качестве диодов VD1, VD2, VD8…VD10 подойдут любые маломощные диоды с обратным напряжением не менее 400 В, а также импортные типа 1N4007.
Транзистор VT1 можно заменить на КТ817Г, КТ603А,Б или КТ630Д.
Повышенное напряжение сети, при котором производится отключение, определяется напряжением стабилизации стабилитронов VD3… VD6, в качестве которых, вместо указанных на схеме, возможно применение стабилитронов КС600А, КС620А, КС630А, КС650А, КС680А.
С их помощью производится грубая настройка порога отключения, а более плавная осуществляется подбором резистора R3. Проще всего при настройке вместо него установить переменный резистор сопротивлением около 10 килоом, а по окончании настройки заменить его постоянным, равным сопротивлению введенной части переменного резистора.
Нижний порог срабатывания (минимальное напряжение сети) устанавливается с помощью подстроечного резистора R7.
Налаживание устройства проще всего производить с помощью ЛАТРа. Сначала следует настроить верхний порог. Для этого следует устройство подключить к ЛАТРу, и плавно увеличивать напряжение, конечно, контролируя его вольтметром. Подбором стабилитронов VD3…VD6 и резистора R3 добиться отключения прибора при напряжении 242 В. Устройство – потребитель при этом, естественно, подключать не следует. Чтобы не происходило срабатывания устройства по нижнему порогу движок подстроечного резистора R7 установить в верхнее по схеме положение.
После настройки верхнего порога следует с помощью резистора R7 добиться отключения устройства при понижении напряжения до 170 В.
Если требуется возможность принудительного отключения устройства, то последовательно с контактом реле К2.1 можно установить кнопку с контактом на размыкание.
Замечания по технике безопасности
Конструкция не имеет гальванической развязки с питающей сетью, поэтому при ее налаживании надо быть предельно внимательным и осторожным, соблюдать все правила техники безопасности при работе в электроустановках. Лучше всего для наладки воспользоваться трансформатором безопасности: ЛАТР следует подключить уже после него. Тогда настройку можно делать безо всяких опасений.
Борис Аладышкин
Любите умные гаджеты и DIY? Станьте специалистом в сфере Internet of Things и создайте сеть умных гаджетов!
Записывайтесь в онлайн-университет от GeekBrains:
Факультет Интернет вещей
Вы сможете:
-
Изучить C, механизмы отладки и программирования микроконтроллеров;
-
Получить опыт работы с реальными проектами, в команде и самостоятельно;
-
Получить удостоверение и сертификат, подтверждающие полученные знания.
Starter box для первых экспериментов в подарок!
После прохождения курса в вашем портфолио будет: метостанция с функцией часов и встроенной игрой, распределенная сеть устройств, устройства регулирования температуры (ПИД-регулятор), устройство контроля влажности воздуха, система умного полива растений, устройство контроля протечки воды…
Вы получите диплом о профессиональной переподготовке и электронный сертификат, которые можно добавить в портфолио и показать работодателю.
Подробнее здесь:
Интернет вещей и современные встраиваемые системы