Схема защита от превышения напряжения сети – Методы защиты бытовых электрических сетей от перепадов напряжения, разновидности защитных устройств и способы их установки.

Содержание

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.

Устройство защиты от перенапряжения своими руками, схема

В статье мы расскажем как собрать самодельное устройство защиты от перенапряжения, объясним принцип работы и покажем схему данного устройства.

Сетевое перенапряжение

Скачок напряжения сети переменного тока может быть определен как мгновенное повышение напряжения, которое обычно может происходить из-за колебаний напряжения. Такие пики напряжения могут сохраняться в течение очень короткого промежутка времени, но все же могут быть смертельно опасными для бытового электрического и электронного оборудования.

Повышение напряжения в соответствии с законом Ома вынудит устройство или подключенную нагрузку потреблять эквивалентную избыточную величину тока за пределами диапазона допуска конкретного гаджета. Таким образом, всплеск, вызванный скачком напряжения, может мгновенно и навсегда повредить ценные приборы.

Обычно электронные устройства, такие как телевизоры, музыкальные системы и т. Д., Как правило, подвержены опасности таких скачков напряжения. Несмотря на то, что они в основном оснащены встроенными системами защиты, такими как стабилизатор / регулятор напряжения SMPS, предохранители и т. Д., Внезапный толчок, вызванный всплеском, возникающим из-за скачка напряжения, может привести к сгоранию критических частей. Также весьма тревожно, что дорогие электромеханические устройства, такие как холодильники, кондиционеры, водяные насосы и т. Д., Подвергаются еще большему риску при таких нарушениях питания. Эти устройства могут быть весьма уязвимы к сбоям напряжения и обычно «не любят» резких изменений входных напряжений и токов. Скачок напряжения не только вызывает ухудшение состояния компонентов машины, но иногда может даже мгновенно обжечь обмотки соответствующего двигателя. Более того, ремонт такого оборудования довольно дорогостоящий, и можно даже предпочесть покупку нового, чем ремонт при высоких затратах. Короче говоря, последствия могут привести к ненужным потерям денег и времени.

На рынке может быть несколько сложных сетевых устройств защиты от перенапряжений; однако вышеупомянутая ситуация может быть эффективно решена даже с помощью очень простой концепции.

Описание цепи

картинка-схема сетевого устройства защиты от перенапряжений

ВНИМАНИЕ: ЦЕПЬ, ПРЕДСТАВЛЕННАЯ ЗДЕСЬ, НАХОДИТСЯ НА ПОТЕНЦИАЛЕ ПЕРЕМЕННОГО ТОКА, ПОЭТОМУ ЧРЕЗВЫЧАЙНО ОПАСНО ДОТРАГИВАТЬСЯ К ПЕРЕКЛЮЧЕННОЙ ПОЗИЦИИ. РЕКОМЕНДУЕТСЯ ИСПОЛЬЗОВАТЬ ДЕРЕВЯННУЮ ПЛАНКУ ПОД ВАШИМИ НОГАМИ. Новички, пожалуйста, держитесь подальше.

Мы знаем, что свойство металлического железа проводить электричество не очень хорошее по сравнению с некоторыми другими электрическими проводниками, такими как алюминий и медь.

Теперь, если мы пойдем по закону Ома, мы обнаружим, что сопротивление проводника и тока, проходящего через него, прямо пропорционально приложенному напряжению, подразумевается, что по мере увеличения напряжения ток также увеличивается, а в случае железа в качестве проводника — увеличение тока через это заставило бы его действовать пропорциональное количество растущего сопротивления против него. Это противоположное сопротивление железа поможет устранить опасные всплески внезапных колебаний напряжения.

Давайте подробно разберемся в схеме и в ее деталях.

Обращаясь к схеме, C1, R1, D1, D2 и D3 вместе образуют твердотельный источник питания без трансформатора. D1 и D2 эффективно удаляют переходные напряжения входного напряжения, создавая безопасное напряжение для предыдущих электронных компонентов. C2 делает все остальное, отфильтровывая любые остаточные помехи переменного тока.

Вышеупомянутое напряжение подается в цепь, в основном включающую транзисторы T1, T2 и симистор TR1 в качестве активных компонентов.

Предварительная установка P1 регулируется таким образом, что T1 просто начинает проводить с пороговым значением напряжения (DC), которое может быть эквивалентным приложенному сетевому переменному току. Например, предположим, что при нормальном напряжении вход постоянного тока в Т1 составляет около 9 вольт, увеличение на 25% сети переменного тока приведет к увеличению потенциала постоянного тока пропорционально примерно до 11,25. Таким образом, здесь P1 можно установить так, чтобы T1 просто проводил на этом пороге.

Обычно, пока T1 выключен, T2 остается включенным и подает требуемое напряжение затвора на симистор TR1. В течение этого времени сетевое напряжение к приборам подается через TR1, и оно получает полное нормальное входное напряжение без каких-либо ограничений, R5 остается неактивным.

Если случайно входной сигнал выходит за пределы установленного порога, как объяснено выше, T1 проводит, T2 выключается и симистор так же выключается, отключая нормальное неограниченное электропитание переменного тока для нагрузки или приборов. Однако в этот момент происходит интересная вещь: нагрузку начинает получать переменный ток через R5, который является резистором низкого значения, состоящим из железной катушки.

Внедрение R5 мгновенно устраняет опасно растущее напряжение, гарантируя, что приборы не будут повреждены. Также переход плавный, безопасный и без перерывов.

В соответствии с максимальной нагрузкой на дом, R5 должен иметь соответствующие размеры.

Эта простая и недорогая конструкция цепи сетевого фильтра очень эффективна, безопасна, проста в сборке и поэтому должна быть встроена в каждый дом.

СХЕМА УСТРОЙСТВА ЗАЩИТЫ ОТ ПЕРЕНАПРЯЖЕНИЯ

СХЕМА УСТРОЙСТВА ЗАЩИТЫ ОТ ПЕРЕНАПРЯЖЕНИЯ

Продолжение темы самодельных устройств защиты аппаратуры от превышения сетевого напряжения. Предлагаю очередную испытанную схему защитного устройства. Простота данной конструкции обусловлена тем, что отключение нагрузки происходит только в случае превышения сетевого напряжения выше заданного значения. Для того, чтобы автомат отключал приборы и при понижении напряжения сети, есть более сложные схемы. Но считаю, что низкое сетевое напряжение не приносит столько проблем, сколько высокое, поэтому можно не усложнять конструкцию и реализовать её на одном транзисторе и симисторе. Схема из журнала радиолюбитель.

В данной схеме выключение сети производится симистором. Отпирание симистора производится транзистором, подающим на управляющий электрод отрицательное относительно катода напряжение. Резистор R5 ограничивает ток управления, облегчая режим работы транзистора. В качестве источника опорного и управляющего напряжений используется параметрический стабилизатор, образованный элементами VD1, R1,C1, дополненный однополупериодным выпрямителем на диоде VD2. С этого выпрямителя снимается нестабилизированное однополярное напряжение, используемое для управления транзистором при изменениях напряжения сети. При нормальном напряжении сети, напряжение на делителе R2-R4-C2 и, соответственно, на базе транзистора ниже, чем стабилизированное напряжение на эмиттере. Соответственно, транзистор открыт, и симистор пропускает напряжение фазы к потребителю.

По мере увеличения напряжения сети, напряжение на резистивном делителе возрастает, и в какой-то момент времени становится равным напряжению на эмиттере. Эмиттерный ток транзистора уменьшается до нуля, транзистор и симистор запираются, а напряжение перестаёт поступать к нагрузке. Для более резкого переключения, в схеме присутствует цепь положительной обратной связи R3, VD3, R6. Ток, протекающий через нее при запирании симистора, суммируется с током резистора R2, дополнительно повышая напряжение на делителе R2-R4-C2, обеспечивая тем самым более надежное выключение транзистора.

Устройство защиты собирал навесным монтажом. Резистор R2 определяет напряжение отключения нагрузки: чем больше номинал — тем выше напряжение. Резистор R3 определяет напряжение гистерезиса: чем меньше номинал — тем шире разброс между напряжениями включения и выключения. Номинал резистора R5 необходимо уменьшать в случае неустойчивого включения симистора. Симистор устанавливается на теплоотвод площадью 100 см2. В качестве него можно использовать симистор с рабочим напряжением более 400 В и током порядка 10 А (ТС106-10-5, ТС112-10-5, ТС125-10-5). В качестве транзистора подойдет любой n-p-n транзистор с током коллектора более 0.1 А. Диоды VD2, VD3 — низкочастотные выпрямительные диоды с обратным напряжением 400 В.

В устройстве можно использовать и более мощные симисторы с рабочими токами до 50 А. При этом следует вдвое уменьшить сопротивления резисторов R1 и R5, соответственно увеличив мощность R1 до 20 Вт, и заменить транзистор на мощнее, с током коллектора более 0.3 А. Настройку устройства защиты аппаратуры можно проводить с помощью аналога автотрансформатора.

Если чего не понятно — вопросы задавайте на ФОРУМЕ

Схемы блоков питания

5.2. Схемы защит сетей от перенапряжений

Варисторы и ограничительные диоды имеют относительно высокую емкость. Они образуют совместно с индуктивностями проводов и развязывающими индуктивностями фильтр низких частот (рис. 5.20). При частотах полезного сигнала примерно до 30 кГц применение обычных ограничителей не вызывает трудностей. При более высоких частотах демпфирующее действие ОПН становится большим и наступает искажение полезного сигнала или даже его подавление.

Рис. 5.20. Фильтр низких частот

Рис. 5.21. Мостовая схема с малой емкостью

Устройства для передачи сигналов с большими частотами выполняются без варисторов. Кроме того, оказывает влияние демпфирование в цепях, в которых вместо развязывающей индуктивности использовано активное сопротивление. Такие устройства можно использовать при передаваемых частотах от нескольких сотен килогерц до нескольких мегагерц.

Если передаваемая частота превышает указанный предел, то возможно применение двухступенчатого ограничителя, имеющего мостовую схему (рис. 5.21). В зависимости от механической конструкции эту схему можно заключить в корпус. При этом можно достичь частоты до 200 МГц при затухании 3 дБ. При использовании одноступенчатого газонаполненного разрядника возможна передача сигналов частотой выше 1 ГГц.

Защитный уровень такого разрядника зависит от статического разрядного напряжения и от вольт-секундной характеристики. Все защищаемые элементы на входе (антенна, интерфейс данных) в этом случае должны иметь электрическую прочность при импульсе 1,2/50 мкс выше 1 кВ.

В более полной концепции защиты от перенапряжений стремятся к трехступенчатой системе с индуктивными развязывающими элементами. Лишь при наличии высокочастотных ответвлений переходят к двухступенчатой схеме с активными развязывающими элементами или к одноступенчатому разряднику.

Рис. 5.22. Короткозамыкатели в электронном устройстве

Любой разрядник в соответствии с принципом работы требует времени для срабатывания. Переходные процессы с крутым нарастанием напряжения приводят к возрастанию напряжения срабатывания разрядника. Остающееся напряжение является важнейшим параметром при выборе разрядника. Для сравнения разрядников используется импульс напряжения крутизной 1 кВ/мкс или импульс 1,2/50 мкс.

Чтобы защитить электрические и электронные приборы от разрушения из-за перенапряжений и предотвратить этим самым сильные переходные токи, необходимо использовать защитные схемы, способные быстро реагировать на сильные токи и дополнительно создавать низкий уровень остающихся напряжений. Так как переходные перенапряжения имеют малое время нарастания в микросекундном и наносекундном диапазоне, то необходимы элементы с очень малым временем срабатывания, чтобы осуществить защитные мероприятия уже на фронте и тем самым снизить остающееся напряжение. С помощью таких элементов можно быстро осуществить уравнивание потенциалов, т.е. организовать короткое замыкание активных проводов друг с другом или на землю.

На рис. 5.22 схематически показано электронное устройство с симметричной схемой электропитания, корпус которого соединен с системой уравнивания потенциалов, имеющей потенциал земли.

Между каждым активным проводом и землей, а также между обоими активными проводами находятся короткозамыкатели S. Если, например, на провод А воздействует перенапряжение, то возникает разность потенциалов как между проводами А и В, предназначенными для рабочего напряжения, так и между приводом А и землей. При замыкании выключателя S1 происходит выравнивание потенциалов между проводами А и В. Возникающее при этом короткое замыкание приводит к исчезновению напряжения между ними. Электронное устройство, таким образом, не чувствует перенапряжения после замыкания.

После замыкания выключателя создается короткое замыкание между проводом А и землей. Переходные токи, протекающие по этому пути, отводятся в землю, и через электронное устройство не протекает кратковременный ток. Одновременно замыкается выключатель включенный между проводомВ и землей. Возможно протекание части тока после срабатывания выключателя из проводникаА в проводник В, а также в землю.

Эффективная защита от перенапряжений требует установки разрядников, согласованных по мощности и с параметрами системы. Эта установка должна производиться квалифицированно. Разрядник, как таковой, не в состоянии обеспечить требуемый уровень защиты. После того, как подходящий разрядник выбран, правильно установлен при соблюдении важнейших указаний по установке, задачи можно считать выполненными. Указания по установке разрядников рассматриваются ниже. Кроме того, необходимо соблюдать указания изготовителя.

Для сетей электропитания выпускаются разрядники от двух- до четырехфазного исполнения как выполненные в одном корпусе, так и модульного одноканального исполнения. Они должны устанавливаться с предохранителями на случаи перегрузки током молнии или током КЗ трансформатора.

Рис. 5.23. Схема с предохранителями , включенными последовательно с разрядниками

Предохранитель требуется и на случай КЗ при токах, больших, чем токи, которые разрядник способен отключить самостоятельно из-за износа электродов при частых срабатываниях или при выделении в нем большой энергии. Предохранители в схеме на рис. 5.23 требуютсялишь тогда, когда превышаются данные изготовителя для максимального тока предохранителя . Рекомендуется выбиратьпредохранители иучетом селективности. Это значит, что отношение токов для них должно быть 1:1,6, т.е. должен иметь ток срабатывания на две ступени выше, чем . Если сработает из-за большого тока КЗ трансформатора, то установка остается в работе благодаря не сработавшему .

Для обеспечения селективности срабатывания необходимо оценить, какой ток КЗ ожидается при срабатывании разрядника. Это можно сделать с помощью табл. 5.2. Она дает ответ на вопрос, какие предохранители следует выбрать при срабатывании разрядника в соответствии с током КЗ (какой из предохранителей должен сработать, а какой не должен).

Таблица 5.2. Ток КЗ и минимальная уставка предохранителей при использовании разрядников с выдуванием дуги на пластину

Ожидаемый ток КЗ, кА	Реальный эффективный ток КЗ, кА, при номинальном напряжении		Минимальная уставка предохранителей, А, при номинальном напряжении
Ожидаемый ток КЗ, кА	400 В	230 В	400 В	230 В
4,0	—	2,0	—	125
3,5	2,4	1,8	125	100
3,0	2,0	1,5	125	100
2,5	1,7	1,3	100	80
2,0	1,4	1,0	80	63

При этом становится ясным, реализуется ли селективность срабатывания предохранителей и.

Пример. При определенной конструкции разрядника ожидаемый ток КЗ составляет 3,5 кА (2-я строка) в сети 400 В, реальный ток КЗ — 2,4 кА, а в сети 230 В — 1,8 кА. Наименьшее значение — результат влияния на ток КЗ установленного оборудования и разрядника. Реальные токи КЗ требуют применения для разрядника указанного типа в сети 400 В предохранителя на 125 А, а в сети 230 В — на 100 А.

На рис. 5.24 можно видеть, что ток 3,5 кА через разрядник спустя 8,1 мс самостоятельно гасится, включенный предохранитель на 125 А не срабатывает. По восстанавливающемуся напряжению синусоидальной формы после гашения дуги в разряднике видно, что предохранитель не сработал.

Если разрядник не в состоянии самостоятельно отключить сопровождающий ток и одновременно предохранитель имеет слишком высокую уставку, то гашение дуги сопровождающего тока происходит слишком поздно, и разрядник разрушается. Этот процесс показан на рис. 5.25 в опыте с разрядниками устаревших конструкций.

Самостоятельное гашение дуги сопровождающего тока в разряднике без срабатывания предохранителя позволяет обеспечить высокую надежность электроснабжения приборов и устройств. Само собой разумеется, что предохранитель при высоких токах молнии, например, при 30 кА и импульсе 10/350 мкс будет разрушен.

Рис. 5.24. Разрядник отключает ток КЗ самостоятельно

Рис. 5.25. Разрядник не гасит дугу сопровождающего тока

Во время разрушения образуется дуга. Более короткие импульсы (например, 8/80 мкс) или меньшие по амплитуде импульсы 10/350 мкс не разрушают предохранители в питающей сети или в цепи разрядников. В этом случае энергии грозового импульса тока недостаточно, и для разрушения предохранителей необходима энергия источника питания (энергия короткого замыкания трансформатора). Дугогасительная возможность разрядника и устойчивость предохранителя и провода, идущего к системе уравнивания потенциалов, очень важны. Максимальное сечение плавного предохранителя, включаемого последовательно с разрядником, указываются изготовителем. В соответствии с рекомендациями МЭК медный провод, идущий от разрядника к системе уравнивания потенциалов, должен иметь площадь сечения не менее 16 мм².

При срабатывании разрядника, функционирующего на принципе зажигания разряда между электродами, возникают выбросы горячего газа. Это явление не слишком опасно, но его необходимо учитывать. Существуют некоторые рекомендации отдельных изготовителей по устранению влияния выбросов газа на части, находящиеся под напряжением или на горючие материалы. На рис. 5.26 показано размещение модульных разрядников в трехфазной системе с безопасным выбросом, при котором разрядники располагаются так, чтобы взоне выброса отсутствовало оборудование, для которого опасны эти выбросы (зона выброса расположена ниже разрядников ).

Ограничители перенапряжений для защиты от продольных напряжений в распределительной сети на базе варисторов монтируются на шине с присоединением активных проводников и проводов системы уравнивания потенциалов. Если изготовитель задает максимально допустимое значение тока предохранителя ограничителя перенапряжений, превышающее значение тока через (см. рис. 5.23), то в провод, идущий к ограничителю, включается дополнительный предохранительс большим допустимым током.

Комбинированные защитные устройства содержат, как правило, ступени тонкой (ограничительный диод или варистор) и грубой (разрядник) защиты. Часто применяются трехступенчатые защитные устройства со схемой, показан на рис. 5.27.

Отдельные ограничивающие элементы отделяются друг от друга полными сопротивлениями и. В информационно-измерительной сетии— активные сопротивления порядка 10 Ом. В сети электроснабжения это либо катушки индуктивности (примерно 10 мкГн), либо провода длиной от 5 до 15 м.

Рис. 5.26. Установка разрядника с газовым выбросом в распределительном

При воздействии импульса перенапряжения на такое устройство первой срабатывает тонкая защита (диод Д). Так как ограничительный диод не способен пропускать большой импульсный ток, при возрастании падения напряжения на сопротивлении ток начинает протекать через варисторВ. Увеличение напряжения на сопротивлениях иприводит к срабатыванию грубой защиты — разрядника . В комбинированном устройстве решается проблема рассеиваемой в нем энергии при воздействии импульса перенапряжения. Только незначительная часть импульсного тока протекает через тонкую ступень защиты.

Рис. 5.25. Трехступенчатое защитное устройство и характерные напряжения на его элементах

Работа варистора В облегчается при срабатывании разрядника из-за малого значения его остающегося напряжения.

В комбинированном устройстве реализуется существенное снижение перенапряжения или кондуктивной помехи. Напряжение на выходе такого устройства может быть снижено примерно до 10-20 В при входном импульсном напряжении порядка 1 кВ, что наглядно продемонстрировано на рис. 5.27.

Как уже отмечалось, провода, идущие к разряднику и от разрядника к системе уравнивания потенциалов, выбираются в соответствии с указаниями изготовителя. Они не должны иметь сечение медного провода менее 16 мм². Если речь идет о проводе уравнивания потенциалов, который не используется для уравнивания потенциалов при токе молнии, то допускается минимальное сечение медного провода 6 мм².

Разрядник, встроенный в прибор, подключается к проводам системы электропитания на некотором расстоянии от входных элементов прибора. При этом соблюдается следующий принцип: элементы, ограничивающие продольное напряжение, должны ограничивать и поперечное напряжение. При установке этого разрядника необходимо обращать внимание на максимально допустимые номинальные токи, так как рабочий ток проходит через защитное устройство. Схема защиты прибора приведена на рис. 5.28.

Координация параметров разрядников в сети низкого напряжения. В описанной ранее схеме функционирования многоступенчатой защиты с разрядником элементы не должны быть связаны друг с другом. Для развязки можно использовать резисторы или катушки индуктивности. Таким же образом должны быть развязаны элементы и в сети низкого напряжения, т.е. требуется координация параметров разрядников. Катушки индуктивности пригодны для развязки лишь в редких случаях, так как для передачи большого длительного тока катушки должны иметь большое сечение провода.

Лишь при длительных токах до 60 А в сети питания можно использовать развязывающие элементы серийного изготовления. При выборе катушек нужно иметь в виду, что при слишком большой индуктивности высокое падение напряжения на развязывающей катушке приведет к частым повторным пробоям разрядника. Для развязки следует использовать только воздушные катушки, так как катушки с железом при больших токах насыщаются, в результате чего снижается их индуктивность. Поэтому использование индуктивности для развязки ограниченно. Катушка, включаемая как показано на рис. 5.29, должна иметь индуктивность от 7-15 мкГн.

В большинстве случаев в качестве развязывающих элементов используются провода электроснабжения главной распределительной сети, местной распределительной сети или провода между местной сетью и конечным прибором.

Рис. 5.28. Защита от перенапряжений при однофазном питании

Длины проводов должны быть такими, чтобы в нормальном режиме ожидаемая крутизна тока переходных процессов обеспечивала достаточное падение напряжения. Перегрузка защитного элемента должна быть такой, чтобы при переходных процессах в наиболее прочном элементе выделялась допустимая энергия. Расчеты и эксперименты показали, что между грозовым разрядником и ОПН длина проводов должна составлять примерно 10 м, а между ОПН в сети и защитой прибора — не менее 5 м. Любой металлический провод имеет собственную индуктивность, которая играет роль индуктивности развязки, вместо катушки индуктивности в предыдущем случае. Для подтверждения этого можно сравнить рис. 5.29 и 5.30.

Функция защитной схемы — координация параметров ее элементов. Например, ограничительный диод бессмысленно координировать с разрядником. Вторая ступень защиты за разрядником может реализоваться мощным варистором, выдерживающим ток не менее 10 кА (8/20 мкс). Третья ступень, если она требуется, должна располагаться от защищаемого прибора не менее чем в 5 м от сети питания.

Рис. 5.29. Развязка между разрядником и варистором

Рис. 5.30. Использование провода в качестве развязывающего элемента

Если в поперечном ответвлении требуется ограничение напряжения, то должны использоваться элементы, способные пропустить ток не менее 1,5 кА (8/20 мкс), Нельзя использовать разрядник со случайными свойствами без координации его параметров с остальными элементами.

Простая схема защиты от перенапряжения и переполюсовки

Допустим, у вас есть некое устройство, питаемое от внешнего аккумулятора. Для определенности скажем, от это LiIon или LiPo, часто используемые в квадракоптерах. При питании от внешнего источника всегда есть неплохие шансы сжечь устройство. Самый простой способ это сделать — перепутать полярность. Еще можно запитать устройство от блока питания и, случайно крутанув ручку, превысить допустимое напряжение. Давайте рассмотрим классическую схему, защищающую от таких ошибок при помощи компонентов общей стоимостью менее 5$.

Вот эти компоненты:

Компоненты были выбраны в предположении, что устройство может потреблять до 25 А тока. Если ваше устройство потребляет меньше, можно обойтись аналогичными компонентами, рассчитанными на меньший ток. Они обойдутся вам дешевле.

Схема защиты:

При нормальном питании устройства положенными 12-ю вольтами стабилитрон D1 имеет высокое сопротивление. Управляющий электрод тиристора D2 притянут к земле через резистор R1. Тиристор находится в закрытом состоянии. Диод D3 также закрыт, поскольку к нему приложено обратное напряжение. В итоге нагрузка получает питание.

Если напряжение питания превышает напряжение пробоя стабилитрона, ток через стабилитрон резко возрастает. Тиристор переходит в открытое состояние. Фактически, происходит короткое замыкание. В результате предохранитель перегорает и цепь размыкается. При нарушении полярности питания к диоду D3 прикладывается прямое напряжение и диод становится открыт. Опять-таки, происходит КЗ и сгорает предохранитель. Таким образом, цепь защищается как от перенапряжения, так и от переполюсовки.

Примечание: Как вариант, для защиты от переполюсовки вместо диода можно использовать МОП-транзистор. Этот способ ранее был описан в посте Шпаргалка в картинках по использованию MOSFET’ов.

Интересно, что устройство, собранное по приведенной схеме, можно сделать очень компактным. Вид спереди (без предохранителя):

Вид сзади:

Такую конструкцию можно упаковать в термоусадку и поместить прямо в корпус устройства, если в нем имеется немного свободного места. Предохранитель имеет смысл поместить не в корпус, а снаружи, на кабеле питания. Так будет легче заменять сгоревший предохранитель. Само собой разумеется, можно разместить все компоненты защиты и на кабеле. Если не вскрывать корпус, вы сохраните гарантию на устройство.

Схема была протестирована на стабилизаторе LM7805, светодиоде и резисторе в роли нагрузки, а также лабораторном блоке питания и LiPo аккумуляторе 3S в роли источников питания. Защита продемонстрировала безотказную работу во всех сценариях. В моем случае защита от перенапряжения срабатывала при 15.8 В. При необходимости, защиту можно настроить на любое напряжение, подобрав подходящий стабилитрон.

Такая вот простенькая, но надежная схема. Само собой разумеется, никакого срыва покровов здесь нет, поскольку приведенную схему можно найти в каждой второй книжке по электронике.

Метки: Электроника.

Реализация аппаратной защиты по току / Habr

Сегодня моя статья будет носить исключительно теоретический характер, вернее в ней не будет «железа» как в предыдущих статьях, но не расстраивайтесь — менее полезной она не стала. Дело в том, что проблема защиты электронных узлов напрямую влияет на надежность устройств, их ресурс, а значит и на ваше важное конкурентное преимущество — возможность давать длительную гарантию на продукцию. Реализация защиты касается не только моей излюбленной силовой электроники, но и любого устройства в принципе, поэтому даже если вы проектируете IoT-поделки и у вас скромные 100 мА — вам все равно нужно понимать как обеспечить безотказную работу своего устройства.

Защита по току или защита от короткого замыкания (КЗ) — наверное самый распространенный вид защиты потому, что пренебрежение в данном вопросе вызывает разрушительные последствия в прямом смысле. Для примера предлагаю посмотреть на стабилизатор напряжения, которому стало грустно от возникшего КЗ:

Диагноз тут простой — в стабилизаторе возникла ошибка и в цепи начали протекать сверхвысокие токи, по хорошему защита должна была отключить устройство, но что-то пошло не так. После ознакомления со статьей мне кажется вы и сами сможете предположить в чем могла быть проблема.

Что касается самой нагрузки… Если у вас электронное устройство размером со спичечный коробок, нет таких токов, то не думайте, что вам не может стать так же грустно, как стабилизатору. Наверняка вам не хочется сжигать пачками микросхемы по 10-1000$? Если так, то приглашаю к ознакомлению с принципами и методами борьбы с короткими замыканиями!

Цель статьи

Свою статью я ориентирую на людей для которых электроника это хобби и начинающих разработчиков, поэтому все будет рассказываться «на пальцах» для более осмысленного понимания происходящего. Для тех, кому хочется академичности — идем и читаем любой ВУЗовский учебники по электротехники + «классику» Хоровица, Хилла «Искусство схемотехники».

Отдельно хотелось сказать о том, что все решения будут аппаратными, то есть без микроконтроллеров и прочих извращений. В последние годы стало совсем модно программировать там где надо и не надо. Часто наблюдаю «защиту» по току, которая реализуется банальным измерением напряжения АЦП какой-нибудь arduino или микроконтроллером, а потом устройства все равно выходят из строя. Я настоятельно не советую вам делать так же! Про эту проблему я еще дальше расскажу более подробно.

Немного о токах короткого замыкания

Для того, чтобы начать придумывать методы защиты, нужно сначала понять с чем мы вообще боремся. Что же такое «короткое замыкание»? Тут нам поможет любимый закон Ома, рассмотрим идеальный случай:

Просто? Собственно данная схема является эквивалентной схемой практически любого электронного устройства, то есть есть источник энергии, который отдает ее в нагрузку, а та греется и что-то еще делает или не делает.

Условимся, что мощность источника позволяет напряжению быть постоянным, то есть «не проседать» под любой нагрузкой. При нормальной работе ток, действующий в цепи, будет равен:

Теперь представим, что дядя Вася уронил гаечный ключ на провода идущие к лампочке и наша нагрузка уменьшилась в 100 раз, то есть вместо R она стала 0,01*R и с помощью нехитрых вычислений мы получаем ток в 100 раз больше. Если лампочка потребляла 5А, то теперь ток от нагрузки будет отбираться около 500А, чего вполне хватит чтобы расплавить ключ дяди Васи. Теперь небольшой вывод…

Короткое замыкание — значительное уменьшение сопротивления нагрузки, которое ведет к значительному увеличению тока в цепи.

Стоит понимать, что токи КЗ обычно в сотни и тысячи раз больше, чем ток номинальный и даже короткого промежутка времени хватает, чтобы устройство вышло из строя. Тут наверняка многие вспомнят о электромеханических устройствах защиты («автоматы» и прочие), но тут все весьма прозаично… Обычно розетка бытовая защищена автоматом с номинальным током 16А, то есть отключение произойдет при 6-7 кратном токе, что уже около 100А. Блок питания ноутбука имеет мощность около 100 Вт, то есть ток нем менее 1А. Даже если произойдет КЗ, то автомат долго будет этого не замечать и отключит нагрузку, только когда все уже сгорит. Это скорее защита от пожара, а не защита техники.

Теперь давайте рассмотрим еще один, часто встречающийся случай — сквозной ток. Покажу я его на примере dc/dc преобразователя с топологией синхронный buck, все MPPT контроллеры, многие LED-драйвера и мощные DC/DC преобразователи на платах построены именно по ней. Смотрим на схему преобразователя:

На схеме обозначены два варианта превышения тока: зеленый путь для «классического» КЗ, когда произошло уменьшение сопротивления нагрузки («сопля» между дорог после пайки, например) и оранжевый путь. Когда ток может протекать по оранжевому пути? Я думаю многие знают, что сопротивление открытого канала полевого транзистора очень небольшое, у современных низковольтных транзисторов оно составляет 1-10 мОм. Теперь представим, что на ключи одновременно пришел ШИМ с высоким уровнем, то есть оба ключа открылись, для источника «VCCIN — GND» это равносильно подключению нагрузки сопротивлением около 2-20 мОм! Применим великий и могучий закон Ома и получим даже при питании 5В значение тока более 250А! Хотя не переживайте, такого тока не будет — компоненты и проводники на печатной плате сгорят раньше и разорвут цепь.

Данная ошибка очень часто возникает в системе питания и особенно в силовой электронике. Она может возникать по разным причинам, например, из-за ошибки управления или длительных переходных процессах. В последнем случае не спасет даже «мертвое время» (deadtime) в вашем преобразователе.

Думаю проблема понятна и многим из вас знакома, теперь понятно с чем нужно бороться и осталось лишь придумать КАК. Об этом и пойдет дальнейший рассказ.

Принцип работы защиты по току

Тут необходимо применить обычную логику и увидеть причинно-следственную связь:
1) Основная проблема — большое значения тока в цепи;
2) Как понять какое значение тока? -> Измерить его;
3) Измерили и получили значение -> Сравниваем его с заданным допустимым значением;
4) Если превысили значение -> Отключаем нагрузку от источника тока.

Измерить ток -> Узнать превысили ли допустимый ток -> Отключить нагрузку

Абсолютно любая защита, не только по току, строится именно так. В зависимости от физической величины по которой строится защита, будут возникать на пути реализации разные технические проблемы и методы их решения, но суть неизменна.

Теперь предлагаю по порядку пройти по всей цепочки построения защиты и решить все возникающие технические проблемы. Хорошая защита — это защита, которую предусмотрели заранее и она работает. Значит без моделирования нам не обойтись, я буду использовать популярный и бесплатный MultiSIM Blue, который активно продвигается Mouser-ом. Скачать его можно там же — ссылка. Также заранее скажу, что в рамках данной статьи я не буду углубляться в схемотехнические изыски и забивать вам голову лишними на данном этапе вещами, просто знайте, что все немного сложнее в реальном железе будет.

Измерение тока

Это первый пункт в нашей цепочке и наверное самый простой для понимания. Измерить ток в цепи можно несколькими способами и у каждого есть свои достоинства и недостатки, какой из них применить конкретно в вашей задаче — решать только вам. Я же расскажу, опираясь на свой опыт, о этих самых достоинствах и недостатках. Часть из них «общепринятые», а часть мои мироощущения, прошу заметить, что как какую-то истину даже не пытаюсь претендовать.

1) Токовый шунт. Основа основ, «работает» все на том же великом и могучем законе Ома. Самый простой, самый дешевый, самый быстрый и вообще самый самый способ, но с рядом недостатков:

а) Отсутствие гальванической развязки. Ее вам придется реализовывать отдельно, например, с помощью быстродействующего оптрона. Реализовать это не сложно, но требует дополнительного места на плате, развязанного dc/dc и прочие компоненты, которые стоят денег и добавляют габаритных размеров. Хотя гальваническая развязка нужна далеко не всегда, разумеется.

б) На больших токах ускоряет глобальное потепление. Как я ранее писал, «работает» это все на законе Ома, а значит греется и греет атмосферу. Это приводит к уменьшению КПД и необходимости охлаждать шунт. Есть способ минимизировать этот недостаток — уменьшить сопротивления шунта. К сожалению бесконечно уменьшать его нельзя и вообще я бы не рекомендовал уменьшать его менее 1 мОм, если у вас пока еще мало опыта, ибо возникает необходимость борьбы с помехами и повышаются требования к этапу конструирования печатной платы.

В своих устройствах я люблю использовать вот такие шунты PA2512FKF7W0R002E:

Измерение тока происходит путем измерения падения напряжения на шунте, например, при протекании тока 30А на шунте будет падение:

То есть, когда мы получим на шунте падение 60 мВ — это будет означать, что мы достигли предела и если падение увеличится еще, то нужно будет отключать наше устройство или нагрузку. Теперь давайте посчитаем сколько тепла выделится на нашем шунте:

Не мало, правда? Этот момент надо учитывать, т.к. предельная мощность моего шунта составляет 2 Вт и превышать ее нельзя, так же не стоит припаивать шунты легкоплавким припоем — отпаяться может, видел и такое.

Рекомендации по использованию:

Используйте шунты, когда у вас большое напряжение и не сильно большие токи
Следите за количеством выделяемого на шунте тепла
Используйте шунты там, где нужно максимальное быстродействие
Используйте шунты только из специальным материалов: константана, манганина и подобных

2) Датчики тока на эффекте Холла. Тут я допущу себе собственную классификацию, которая вполне себе отражает суть различных решений на данном эффекте, а именно: дешевые и дорогие.

а) Дешевые, например, ACS712 и подобные. Из плюсов могу отметить простоту использования и наличия гальванической развязки, на этом плюсы кончаются. Основным недостатком является крайне нестабильное поведение под воздействием ВЧ помех. Любой dc/dc или мощная реактивная нагрузка — это помехи, то есть в 90% случаев данные датчики бесполезны, ибо «сходят с ума» и показывают скорее погоду на Марсе. Но не зря же их делают?

Они имеют гальваническую развязку и могут измерять большие токи? Да. Не любят помехи? Тоже да. Куда же их поставить? Правильно, в систему мониторинга с низкой ответственностью и для измерения тока потребления с аккумуляторов. У меня они стоят в инверторах для СЭС и ВЭС для качественной оценки тока потребления с АКБ, что позволяет продлить жизненный цикл аккумуляторов. Выглядят данные датчики вот так:

б) Дорогие. Имеют все плюсы дешевых, но не имеют их минусов. Пример такого датчика LEM LTS 15-NP:

Что мы имеем в итоге:
1) Высокое быстродействие;
2) Гальваническую развязку;
3) Удобство использования;
4) Большие измеряемые токи независимо от напряжения;
5) Высокая точность измерения;
6) Даже «злые» ЭМИ не мешают работе и не; влияют на точность.

Но в чем тогда минус? Те, кто открывали ссылку выше однозначно его увидели — это цена. 18$, Карл! И даже на серии 1000+ штук цена не упадет ниже 10$, а реальная закупка будет по 12-13$. В БП за пару баксов такое не поставить, а как хотелось бы… Подведем итог:

а) Это лучшее решение в принципе для измерения тока, но дорогое;
б) Применяйте данные датчики в тяжелых условиях эксплуатации;
в) Применяете эти датчики в ответственных узлах;
г) Применяйте их если ваше устройство стоит очень много денег, например, ИБП на 5-10 кВт, там он себя однозначно оправдает, ведь цена устройства будет несколько тысяч $.

3) Трансформатор тока. Стандартное решение во многих устройствах. Минуса два — не работают с постоянным током и имеют нелинейные характеристики. Плюсы — дешево, надежно и можно измерять просто огромнейшие токи. Именно на трансформаторах тока построены системы автоматики и защиты в РУ-0.4, 6, 10, 35 кВ на предприятиях, а там тысячи ампер вполне себе нормальное явление.

Честно говоря, я стараюсь их не использовать, ибо не люблю, но в различных шкафах управления и прочих системах на переменном токе все таки ставлю, т.к. стоят они пару $ и дают гальваническую развязку, а не 15-20$ как LEM-ы и свою задачу в сети 50 Гц отлично выполняют. Выглядят обычно вот так, но бывают и на всяких EFD сердечниках:

Пожалуй с методами измерения тока можно закончить. Я рассказал об основных, но разумеется не обо всех. Для расширения собственного кругозора и знаний, советую дополнительно хотя бы погуглить да посмотреть различные датчики на том же digikey.

Усиление измеренного падения напряжения

Дальнейшее построение системы защиты пойдет на базе шунта в роли датчика тока. Давайте строить систему с ранее озвученным значением тока в 30А. На шунте мы получаем падение 60 мВ и тут возникают 2 технические проблемы:

а) Измерять и сравнивать сигнал с амплитудой 60 мВ неудобно. АЦП имеют обычно диапазон измерений 3.3В, то есть при 12 битах разрядности мы получаем шаг квантования:

Это означает, что на диапазон 0-60 мВ, который соответствует 0-30А мы получим небольшое количество шагов:

Получаем, что разрядность измерения будет всего лишь:

Стоит понимать, что это идеализированная цифра и в реальности они будет в разы хуже, т.к. АЦП сам по себе имеет погрешность, особенно в районе нуля. Конечно АЦП для защиты мы использовать не будем, но измерять ток с этого же шунта для построения системы управления придется. Тут задача была наглядно объяснить, но это так же актуально и для компараторов, которые в районе потенциала земли (0В обычно) работают весьма нестабильно, даже rail-to-rail.

б) Если мы захотим протащить по плате сигнал с амплитудой 60 мВ, то через 5-10 см от него ничего не останется из-за помех, а в момент КЗ рассчитывать на него точно не придется, т.к. ЭМИ дополнительно возрастут. Конечно можно схему защиты повесить прямо на ногу шунта, но от первой проблемы мы не избавимся.

Для решения данных проблем нам понадобится операционный усилитель (ОУ). Рассказывать о том, как он работает не буду — тема отлично гуглится, а вот о критичных параметрах и выборе ОУ мы поговорим. Для начала давайте определимся со схемой. Я говорил, что особых изяществ тут не будет, поэтому охватим ОУ отрицательной обратной связью (ООС) и получим усилитель с известным коэффициентов усиления. Данное действия я смоделирую в MultiSIM (картинка кликабельна):

Скачать файл для симуляции у себя можно — тут.

Источник напряжения V2 выполняет роль нашего шунта, вернее он симулирует падение напряжения на нем. Для наглядности я выбрал значение падения равное 100 мВ, теперь нам нужно усилить сигнал так, чтобы перенести его в более удобное напряжение, обычно между 1/2 и 2/3 V_ref. Это позволит получить большое количество шагов квантования в диапазон токов + оставить запас на измерения, чтобы оценить насколько все плохо и посчитать время нарастания тока, это важно в сложных системах управления реактивной нагрузкой. Коэффициент усиления в данном случае равен:

Таким образом мы имеем возможность усилить сигнал наш сигнал до требуемого уровня. Теперь рассмотрим на какие параметры стоит обратить внимание:

ОУ должен быть rail-to-rail, чтобы адекватно работать с сигналами около потенциала земли (GND)
Стоит выбирать ОУ с высокой скоростью нарастания выходного сигнала. У моего любимого OPA376 этот параметр равен 2В/мкс, что позволяет достигать максимальное выходное значение ОУ равное VCC 3.3В всего за 2 мкс. Этого быстродействия вполне достаточно, чтобы спасти любой преобразователь или нагрузку с частотами до 200 кГц. Данные параметры стоит понимать и включать голову при выборе ОУ, иначе есть шанс поставить ОУ за 10$ там, где хватило бы и усилителя за 1$
Полоса пропускания, выбираемого ОУ, должна быть как минимум в 10 раз больше, чем максимальная частота коммутации нагрузки. Опять же ищите «золотую середину» в соотношение «цена/ТТХ», все хорошо в меру

В большинстве своих проектов я использую ОУ от Texas Instruments — OPA376, его ТТХ хватает для реализации защиты в большинстве задач и ценник в 1$ вполне себе хорош. Если вам необходимо дешевле, то смотрите на решения от ST, а если еще дешевле, то на Microchip и Micrel. Я по религиозным соображениям использую только TI и Linear, ибо оно мне нравится и сплю так спокойнее.

Добавляем реализм в систему защиты

Давайте теперь в симуляторе добавим шунт, нагрузку, источник питания и прочие атрибуты, которые приблизят нашу модель к реальности. Полученный результат выглядит следующим образом (картинка кликабельная):

Скачать файл симуляции для MultiSIM можно — тут.

Тут уже мы видим наш шунт R1 с сопротивлением все те же 2 мОм, источник питания я выбрал 310В (выпрямленная сеть) и нагрузкой для него является резистор 10.2 Ом, что опять по закону Ома дает нам ток:

На шунте как видите падают, ранее посчитанные, 60 мВ и их мы усиливаем с коэффициентом усиления:

На выходе мы получаем усиленный сигнал с амплитудой 3.1В. Согласитесь, его уже и на АЦП можно подать, и на компаратор и протащить по плате 20-40 мм без каких либо опасений и ухудшения стабильности работы. С этим сигналом мы и будем далее работать.

Сравнение сигналов с помощью компаратора

Компаратор — это схема, которая принимает на вход 2 сигнала и в случае если амплитуда сигнала на прямом входе (+) больше, чем на инверсном (-), то на выходе появляется лог. 1 (VCC). В противном случае лог. 0 (GND).

Формально любой ОУ можно включить как компаратор, но такое решение по ТТХ будет уступать компаратору по быстродействию и соотношению «цена/результат». В нашем случае, чем выше быстродействие, тем выше вероятность, что защита успеет отработать и спасти устройство. Я люблю применять компаратор, опять же от Texas Instrumets — LMV7271. На что стоит обратить внимание:

Задержка срабатывания, по факту это основной ограничитель быстродействия. У указанного выше компаратора это время около 880 нс, что достаточно быстро и во многих задачах несколько избыточно по цене в 2$ и вы можете подобрать более оптимальный компаратор
Опять же — советую использовать rail-to-rail компаратор, иначе на выходе у вас будет не 5В, а меньше. Убедиться в этом вам поможет симулятор, выберите что-то не rail-to-rail и поэкспериментируйте. Сигнал с компаратора обычно подается на вход аварии драйверов (SD) и хорошо бы иметь там устойчивый TTL сигнал
Выбирайте компаратор с выходом push-pull, а не open-drain и другие. Это удобно и имеем прогнозируемые ТТХ по выходу

Теперь давайте добавим компаратор в наш проект в симуляторе и посмотрим на его работу в режиме, когда защита не сработала и ток не превышает аварийный (кликабельная картинка):

Скачать файл для симуляции в MultiSIM можно — тут.

Что нам нужно… Нужно в случае превышения тока более 30А, чтобы на выходе компаратора был лог. 0 (GND), этот сигнал будет подавать на вход SD или EN драйвера и выключать его. В нормальном состоянии на выходе должна быть лог. 1 (5В TTL) и включать работу драйвера силового ключа (например, «народный» IR2110 и менее древние).

Возвращаемся к нашей логике:
1) Измерили ток на шунте и получили 56.4 мВ;
2) Усилили наш сигнал с коэффициентом 50.78 и получили на выходе ОУ 2.88В;
3) На прямой вход компаратора подаем опорный сигнал с которым будем сравнивать. Его задаем с помощью делителя на R2 и выставляет 3.1В — это соответствует току примерно в 30А. Данным резистором регулируется порог срабатывания защиты!
4) Теперь сигнал с выхода ОУ подаем на инверсный и сравниваем два сигнала: 3.1В > 2.88В. На прямом входу (+) напряжение выше, чем на инверсном входе (-), значит ток не превышен и на выходе лог. 1 — драйвера работают, а наш светодиод LED1 не горит.

Теперь увеличиваем ток до значения >30А (крутим R8 и уменьшаем сопротивление) и смотрим на результат (кликабельная картинка):

Давайте пересмотри пункты из нашей «логики»:
1) Измерили ток на шунте и получили 68.9 мВ;
2) Усилили наш сигнал с коэффициентом 50.78 и получили на выходе ОУ 3.4В;
4) Теперь сигнал с выхода ОУ подаем на инверсный и сравниваем два сигнала: 3.1В < 3.4В. На прямом входу (+) напряжение НИЖЕ, чем на инверсном входе (-), значит ток превышен и на выходе лог. 0 — драйвера НЕ работают, а наш светодиод LED1 горит.

Почему аппаратная?

Ответ на этот вопрос простой — любое программируемое решение на МК, с внешним АЦП и прочее, могут попросту «зависнуть» и даже если вы достаточно грамотный софтописатель и включили сторожевой таймер и прочие защиты от зависания — пока оно все обработается ваше устройство сгорит.

Аппаратная защита позволяет реализовать систему с быстродействием в пределах нескольких микросекунд, а если бюджет позволяет, то в пределах 100-200 нс, чего достаточно вообще для любой задачи. Также аппаратная защита не сможет «зависнуть» и спасет устройство, даже если по каким-то причинам ваш управляющий микроконтроллер или DSP «зависли». Защита отключит драйвер, ваша управляющая схема спокойно перезапустится, протестирует аппаратную часть и либо подаст ошибку, например, в Modbus или запустится если все хорошо.

Тут стоит отметить, что в специализированных контроллерах для построения силовых преобразователей есть специальные входы, которые позволяют аппаратно отключить генерацию ШИМ сигнала. Например, у всеми любимого STM32 для этого есть вход BKIN.

Отдельно стоит сказать еще про такую вещь как CPLD. По сути это набор высокоскоростной логики и по надежности оно сопоставимо с аппаратным решением. Вполне здравым смыслом будет поставить на плату мелкую CPLD и реализовать в ней и аппаратные защиты, и deadtime и прочие прелести, если мы говорим о dc/dc или каких-то шкафах управления. CPLD позволяет сделать такое решение очень гибким и удобным.

Эпилог

На этом пожалуй и все. Надеюсь вам было интересно читать данную статью и она даст вам какие-то новые знания или освежит старые. Всегда старайтесь заранее думать какие модули в вашем устройстве стоит реализовать аппаратно, а какие программно. Часто реализация аппаратная на порядки проще реализации программной, а это ведет с экономии времени на разработке и соответственно ее стоимости.

Формат статьи без «железа» для меня новый и попрошу высказать ваше мнение в опросе.

Как организовать защиту от перенапряжения сети в частном доме: схемы, приборы, оборудование

Наличие в доме дорогостоящей электробытовой и электронной технике, природные катаклизмы и низкое качество электроснабжения в городских сетях вынуждают собственников жилья принимать меры, чтобы минимизировать возможный ущерб от вышеуказанных факторов.

В данной статье речь пойдёт о практических мерах по защите от перенапряжения, которые можно реализовать при организации электроснабжения частного дома. Причём эти работы можно выполнить как при новом строительстве, так и при модернизации существующих систем электроснабжения частного дома.

Я выполнял указанные работы при переводе электропитания дома с однофазной на трёхфазную схему. Причём работы были не только выполнены, но и приняты представителями горэлектросетей без замечаний, а правильное функционирование приборов и эффективность защиты от перенапряжения проверена на практике в процессе эксплуатации. Известно, что основным условием подключения к городским электросетям является выполнение технических условий (ТУ), которые выдаются собственнику жилья. Как показал личный опыт, надеяться на то, что в данных ТУ будут отражены все мероприятия по безопасной эксплуатации электрооборудования, можно с определённым скептицизмом. На фото ниже показаны ТУ, выданные мне в горэлектросетях.

Примечание: пункты, помеченные на фото красным цветом, были мной реализованы самостоятельно ещё до получения тех. условий. Пункт, помеченный синим цветом, больше обусловлен интересами самих горсетей (защитить себя от ответственности за ущерб перед собственником дома по причине возможных проблем в зоне их ответственности).

Поэтому при разработке проекта схемы электроснабжения частного дома было решено использовать дополнительные меры по защите электрооборудования, которые не были отражены в ТУ. Ниже на фото показан фрагмент проекта электроснабжения моего жилого дома.

Как видно из фото, в учётно-распределительном шкафу (ЩР1), устанавливаемом внутри дома, предусмотрено устройство защиты от импульсных перенапряжений (УЗИП-II) согласно требованиям ТУ, выданных городскими электрическими сетями.

Так как ввод в дом осуществляется по воздушной линии, то с учётом требований ПУЭ (правил устройства электроустановок), на вводе в дом должны устанавливаться ограничители перенапряжений, что и было мной учтено в проекте (УЗИП-I на фото), которые установлены в шкафу (ЩВ1) на фасаде здания. Для защиты индивидуальных электроприёмников в доме используются ИБП (источники бесперебойного питания) и стабилизаторы напряжений.

Таким образом, защита электрооборудования дома от перенапряжений реализована в трёх зонах (уровнях):

на вводе в дом
внутри дома, в учётно-распределительном шкафу
индивидуальная защита электроприборов внутри помещений дома

Защита от перенапряжения

Что важно учесть при выполнении работ

В первую очередь должен отметить специфические особенности, предъявляемые к выполнению электромонтажных работ со стороны представителей городских электросетей. Для примера с точки зрения учёта потребляемой электроэнергии достаточно поверить и опечатать счётчик электроэнергии. Но поскольку в каждом из нас они видят «потенциальных расхитителей электроэнергии», то всё, что касается монтажа оборудования, присоединений на участке от городской опоры и до счётчика включительно, должно быть «недоступным для потребителя», закрытым (в боксы, шкафы) и опломбированным. Причём даже в том случае, если эти «требования» противоречат требованиям технической документации на установленное оборудование, создают риск возникновения отказов в работе оборудования и т. д. Более подробно об этих «специфических требованиях» будет сказано ниже.

Теперь о технической стороне вопроса:

Для защиты электрооборудования, установленного в доме, я использовал следующие приборы и аппараты.

1. В качестве УЗИП (устройства защиты от импульсных перенапряжений) — I уровня мной были использованы ограничители перенапряжений нелинейные (ОПН), российского производства (Санкт-Петербург), в количестве трёх штук (по одному, на каждый фазный проводник). Заводское обозначение данных приборов — ОПНд-0,38. Установлены они в опечатанном пластиковом боксе в стальном шкафу на фасаде дома.

Что важно отметить по данному оборудованию:

Данные приборы защищают только от импульсных (кратковременных) перенапряжений, возникающих при грозах, а также от кратковременных коммутационных перенапряжений, причём в обе стороны. При длительных перенапряжениях, вызванных авариями и неполадками в городской электросети, данные приборы защиту дома не обеспечат.
В техническом плане ОПН представляет собой варистор (нелинейный резистор). Прибор подключается параллельно нагрузке между фазным и нулевым проводом. При появлении бросков (импульсов) напряжения, внутреннее сопротивление прибора моментально снижается, при этом ток через прибор резко и многократно возрастает, уходя в землю. Таким образом, происходит сглаживание (снижение) амплитуды импульсного напряжения. В связи с вышесказанным, при монтаже данных приборов нужно обратить особое внимание на устройство контура заземления и надёжного подключения ОПН к нему.
В зависимости от схемы электроснабжения дома, количество используемых ОПН может варьироваться. Например, для однофазного воздушного ввода достаточно установить один такой прибор, при питании от городской сети по двухпроводной линии. Для трёхфазного воздушного ввода в большинстве случаев достаточно установить три прибора (по числу фаз). Если ввод в дом осуществляется по трёхфазной, но пяти проводной схеме, или приборы ставится на участке после разделения общего проводника на нулевой рабочий (N) проводник и защитный проводник (PE), то потребуется установка дополнительного прибора между нулевым и защитным проводником.

2. В качестве УЗИП — II уровня я использовал аппараты УЗМ-50 М (устройство защитное многофункциональное) российского производства.

Из особенностей данных аппаратов можно отметить следующее:

В отличие от ОПН, данные аппараты обеспечивают защиту не только от импульсных перенапряжений, но и защиту от длительных (аварийных) перенапряжений и просадок (недопустимого падения напряжения).
В конструктивном отношении представляют собой реле контроля напряжения, дополненное мощным реле и варистором, заключенным в один корпус.
Для однофазной сети необходимо установить один аппарат, для трёхфазной сети потребуется три аппарата, не зависимо от числа проводников питающей линии.

3. Третий немаловажный момент, касающийся правильного монтажа и работы УЗИП при их последовательном включении (показаны на фото красными прямоугольниками УЗИП-1 и УЗИП-2) заключается в том, что расстояние между ними (по длине кабеля) должно быть не менее 10 метров. В моём случае оно равно 20 метрам.

Примечание: приобрести указанное оборудование (ОПН и УЗМ) в моём городе оказалось невозможным, ввиду его отсутствия в продаже, заказывал через интернет. Такой расклад навеял мысль о том, что вопросу защиты электрооборудования, по крайней мере, в нашем городе, внимания практически никто не уделяет.

Практическое выполнение работ

Практическое выполнение работ не представляет собой большой сложности и показано на фото ниже, с небольшими пояснениями.

Монтаж ОПН-0,38 на вводе в дом

На фото показан монтаж ОПН в пластиковом боксе. Из особенностей нужно учесть, что специальных боксов для ОПН не существует, ибо конструктивно они крепятся на опорной конструкции и по типу своего исполнения могут устанавливаться открыто. Установка ОПН в боксе — мера вынужденная. Бокс должен иметь возможность для пломбировки. Для установки ОПН в боксе сделана самодельная конструкция из оцинкованной стали толщиной 1 мм, которая закреплена вместо штатной дин рейки, установленной в боксе на заводе-изготовителе.

При монтаже ОПН и подключении к ним проводов использование граверных шайб — обязательно. По требованиям ТУ, вводной автомат должен устанавливаться в боксе с возможностью пломбировки. Использовался аналогичный бокс, как для ОПН, что и показано на фото ниже (верхний пластиковый бокс в металлическом шкафу).

Такое нагромождение конструкций (пластиковых боксов в металлическом шкафу) на фасаде дома, обусловлено, как я отмечал ранее, именно специфическими требованиями горэлектросетей и вызывает не только заметное удорожание работ, но и дополнительных затрат сил, времени и нервов. На мой взгляд, правильное в техническом плане выполнение работ при воздушном вводе, выполненное проводом СИП, должно бы быть следующим: от опоры горэлектросетей до фасада дома прокладываем провод СИП, крепим на фасаде дома и обрезаем с небольшим напуском. Затем на каждый провод СИП крепим прокалывающий зажим с отводом из медного провода сечением 10 мм2, который заводится в шкаф (или бокс) на клеммы вводного автомата. Срезы проводов СИП закрываем герметичными колпачками. Таким образом, мы правильно «перешли» с алюминия (провод СИП) на медь. При этом у нас не возникло бы проблем с подключением медного провода (сечением 10 мм2) к клеммам модульного вводного автомата. Но такую работу представители горсетей не примут.

Поэтому провод СИП сечением 16 мм2 необходимо завести непосредственно на клеммы вводного автомата, который должен быть установлен в пластиковый бокс. Сделать это на практике очень сложно, так как нужно сохранить степень защиты бокса (для наружной установки не ниже IP 54), при этом провод СИП должен быть зафиксирован по отношению к пластиковому боксу и т. д.

На практике пришлось просто купить ещё один стальной шкаф, в котором установил сами пластиковые боксы, затем провод СИП был заведён в шкаф и закреплён в нём. Ниже на фото показаны завершающие работы по монтажу шкафа и его крепления на фасаде дома. Работы были приняты без замечаний и претензий.

Ещё один важный момент, на который нужно обратить внимание, связан с тем, что ОПН при работе во время грозы отводит ток в землю посредством подключения самого ОПН к контуру заземления. При этом токи могут достигать значительных величин: от 200 — 300 А и до нескольких тысяч ампер. Поэтому важно обеспечить кратчайший путь от самих ОПН до контура заземления медным проводником сечением не менее 10 мм2. Ниже на фото показано, как данное подключение выполнил я. Для надёжности работы ОПН я сделал подключение приборов к контуру заземления двумя медными проводами сечением 10 мм2 каждый. На фото провод в желто-зеленой трубке ТУТ (термоусаживающаяся трубка).

Монтаж аппаратов УЗМ-50М в учётно-распределительном шкафу

Выполнение электромонтажных работ проблем не доставляет, поскольку аппараты имеют штатное крепление на DIN-рейку. Фрагмент выполнения работ по монтажу УЗМ-50М в шкафу показан на фото ниже. Аппараты также должны устанавливаться в пластиковый бокс с возможностью пломбирования. На фото верхняя крышка бокса не показана.

С точки зрения электрической схемы подключения (хотя схема имеется в паспорте на аппарат и на корпусе самого аппарата) у неподготовленного читателя могут возникнуть вопросы. Чтобы пояснить особенности подключения аппарата, ниже на рисунке приводится схема подключения, приведённая в паспорте на УЗМ-50М, с некоторыми моими пояснениями.

Во-первых, как видно из схемы, УЗМ-50М является однофазным коммутирующим аппаратом и для своего функционирования требует обязательного подключения проводников L и N к верхним клеммам. Это показано на схеме подключения в обоих случаях (а и б). Далее, между схемой а и схемой б появляется различие, о котором производитель не даёт ни какого пояснения и приходится потребителю самостоятельно додумывать, как и в каких случаях какую схему использовать.

Различие заключается в том, что по верхней схеме (а) нагрузка подключается к аппарату по двум проводам (L и N). Т. е. в случае аварийного срабатывания аппарата цепь будет разорвана как по фазному проводнику (L), так и по проводнику (N).

В нижней схеме (б) нагрузка к аппарату подключается только по одному фазному проводнику (L), а второй провод (N) подключается к нагрузке напрямую, минуя аппарат. Т. е. в случае аварийного срабатывания аппарата он разомкнёт только фазный проводник, а проводник N остаётся подключенным всегда. Исходя из вышесказанного, а также зная, в каком случае допускается разрывать проводник N, а в каком — не допускается, можно сделать следующий вывод:

В случае подключения дома (квартиры) по двухпроводной линии (система TN-C), необходимо подключать аппарат УЗМ-50М по нижней схеме (б), так как в этом случае провод N выполняет две функции (нулевого рабочего проводника и нулевого защитного проводника), и его разрывать ни в коем случае нельзя.

В случае если подключение дома (квартиры) выполнено по трёхпроводной схеме (TN-S), либо аппарат установлен в системе (TN-C-S), на участке после разделения общего (PEN) проводника (на N и PE), то провод N можно разрывать. В этом случае аппарат УЗМ-50М нужно подключать по верхней схеме (а). Почему аппарат, согласно схеме производителя, нужно подключать после счётчика (на рисунке поставил знак вопроса) — мне малопонятно. Я, например, свои аппараты в шкафу подключал до счётчика, что бы они защищали всё оборудование, установленное в доме, в том числе и оборудование, установленное в самом шкафу. Кроме того, поскольку разделение общего PEN выполнено в шкафу (ЩР1) в доме, то подключал аппараты защиты по схеме а, т. е. с отключением как фазных, так и нулевого проводников. Что и показано на фото ниже.

Ещё один важный момент: поскольку данные аппараты не предназначены для использования в многофазной сети то необходимо знать и учитывать следующее.

В случае трёхфазного подключения дома и использования данных аппаратов, если в доме имеются только однофазные электроприёмники, никаких проблем с использованием и работой данных аппаратов быть не должно. Но если в доме имеются трёхфазные потребители, например, трёхфазный электродвигатель, то в случае аварийного срабатывания аппаратов (одного или двух), трёхфазный электроприёмник (например, электродвигатель) может выйти из строя. Таким образом, в данном случае потребуются дополнительные технические мероприятия по отключению трёхфазных потребителей при аварийном срабатывании аппаратов УЗМ.

Использование индивидуальных защитных приборов

Применение ИБП стабилизаторов напряжения для защиты отдельных электроприёмников в доме (телевизор, компьютер и т. д.) настолько стало привычным и распространённым, что какого-либо особого пояснения не требует, поэтому здесь не приводится.

Выводы

1. Опыт эксплуатации показал, что при сильной грозе защита может работать неоднократно, на относительно небольшом промежутке времени. С учётом этого можно смело утверждать, что при сильных грозах и при отсутствии защиты, электрооборудование, установленное в доме, может быть выведено из строя с достаточно высокой степенью вероятности.
2. В случае невозможности выполнения аналогичных работ в своём доме, в качестве защитной меры при грозовых разрядах необходимо хотя бы отключать электроприборы от сети, что, кстати, делают далеко не все.

Данный вариант защиты электрооборудования является недорогим бюджетным решением, но вполне работоспособным, надёжным и проверенным на практике. В случае применения аналогичного оборудования импортного производства и приглашения для выполнения работ специалистов цена вопроса может увеличиться в разы, что даже для средне обеспеченной семьи может быть накладно.