Как предотвратить потери от перенапряжений в домашней электросети — обзор новой разработки

Новая разработка для защиты от потерь при перенапряжении в сети - амплитудный ограничитель ОНС. Схема ограничителя и особенности работы. Испытание ноу хау.

Автор публикации: Васильев А. И.

Тот, кто хорошо знает цену ремонта домашних электроприборов, особенно современных телевизоров и другой сложной техники, давно уже поставил стабилизатор или реле напряжения в щиток электропитания (если сбои по напряжению случайны и кратковременны). Другие, особенно не осведомленные о цене случая, спокойно пользуются дорогой техникой с риском больших потерь («на авось»). Наиболее критичной в данном плане является ситуация в дачно-поселковых (деревенских) электросетях, где кроме грозовых явлений имеют место и «перекосы фаз» общего питающего трансформатора, при которых напряжение на слабо нагруженной фазе может возрасти до 260–270 Вольт и более.

• Что предлагает рынок
• Взгляд на промышленные устройства защиты с технической (инженерной) точки зрения
• Возможное рациональное решение проблем защиты
• Варианты реализации схемы синхронного ограничения амплитуды

Что предлагает рынок

На современном рынке имеет место изобилие стабилизаторов и реле напряжения (в виде переходника «вилка-розетка» или для электрощитка на всю квартиру). Современные ведущие фирмы выпускают устройства защиты (главным образом щитовые модели), — смотрите в интернете, которые не позволяют, однако, надежно защитить электронную бытовую аппаратуру, имеют определенные функциональные недостатки (см. ниже). Эта продукция широко производится и ярко рекламируется, думается, просто в расчете на технически неграмотного потребителя. Судя по обзору предложений рынка (за несколько лет) большинство Производителей остановились в развитии своей продукции на выверенных годами инженерных и конструктивных решениях, выгодных с экономической точки зрения, и являющихся внешне привлекательными для широкого потребителя. Однако, если смотреть на проблему защиты от перенапряжений с инженерной точки зрения, то можно сказать, что качественная «розетка» (устройство защиты) должна просто поставлять качественное напряжение, и это зависит не от её красивого «лица», а от «функционального ума».

Взгляд на промышленные устройства защиты с технической (инженерной) точки зрения

Отметим, прежде всего, что все простые нагревательные приборы не боятся больших отклонений напряжения от нормы (отклонение может быть до +/- 40 Вольт). Поэтому нецелесообразно включать их после стабилизатора, излишне нагружая его. Стабилизатор необходим главным образом для холодильника, если напряжение длительно снижается до 180-190 Вольт.

Во всех случаях решения вопросов стабилизации или иной защиты надо учитывать, что:

• Стабилизаторы имеют так называемый «ток холостого хода» (без нагрузки), который непрерывно суммируется с током нагрузки. Поэтому во многих случаях, особенно при питании маломощной электронной техники, общее потребление электроэнергии будет много больше (стабилизатор, как правило, не отключается и не включается вместе с нагрузкой). Все производители указывают КПД для номинальной нагрузки.
• Большинство стабилизаторов не имеет устройств защиты от перенапряжений в случаях грозовых явлений или при обрыве нулевого» провода в электросети (или имеют простейшие, с заводской настройкой). Время срабатывания защиты, как правило, более полупериода напряжения, что слишком опасно при броске напряжения более 300 В. Надо учитывать, что напряжение, контролируемое стабилизатором и вызывающее определенные переключения, продолжает расти на входе блока питания телевизора или иного потребителя за всё время срабатывания защиты (отключения нагрузки), и броски эти (импульсы) часто имеют крутой фронт.
• По своему принципу действия стабилизаторы пропускают короткие (до нескольких миллисекунд) импульсы перенапряжений, поэтому качество выходного напряжения определяется дополнительной фильтрацией, которая может оказаться для некоторой электронной техники недостаточной.
• Стабилизация напряжения при его спаде в сети для современных электронных потребителей не требуется, они имеют собственную стабилизацию в этой зоне.
• Реле напряжения, устанавливаемые в щитке или на розетку (как переходник) имеют релейные уставки на отключение нагрузки при повышении или снижении напряжения более установленных величин (вручную настраиваемых). То есть имеет место очень неприятная для потребителя и даже вредная их функциональная особенность. Для всей, как правило дорогой аппаратуры, строго необходимо не допускать напряжение выше 250 В. В то же время во многих электросетях, особенно в дачно-поселковых, это превышение очень вероятно. Таким образом, возникают частые отключения телевизора и всех прочих потребителей, которое быстро надоедает и приводит к завышению уставки до 260 В и выше, если пользователь технически неграмотный. Риск повреждения аппаратуры резко возрастает (надо учесть и величину задержки срабатывания, которая также настраивается вручную и может оказаться опасно большой). Чтобы уменьшить психологическое воздействие частых отключений разработчики сделали автоматическое восстановление работы устройства защиты с некоторой (настраиваемой) задержкой. Но, во многих случаях (особенно для компьютера) это не позволит сохранить спокойствие пользователей техники и особенно плоды долгого труда за компьютером.
• Подавляющее большинство защитных устройств в форме разветвителей или переходников, имеющихся в широкой продаже, вообще не имеют защиты указанной на яркой упаковке. Чаще всего они имеют лишь маломощный варистор, который начинает как-то гасить напряжение (по своим характеристикам, в микросекундах) примерно после 350 В. Но, это же напряжение будет одновременно приложено и к входным элементам блока питания любой электронной аппаратуры, с высокой вероятностью их пробоя и выжигания!

Таким образом ситуация по решению проблем защиты от перенапряжений видится не столь благополучной, как на полках магазинов и на сайтах ведущих Производителей.

Возможное рациональное решение проблем защиты

Мой собственный опыт разработки наиболее экономичных и перспективных, на мой взгляд, устройств защиты привел к следующему решению (которое успешно опробовано в опытных моделях, патентоспособно, либо составляет предмет «ноу-хау», — по соответствующему договору с заинтересованным Производителем).

Чтобы исключить недостатки стабилизаторов и реле напряжения целесообразно реализовать срез излишней амплитуды напряжения в диапазоне 250-290 Вольт входного напряжения (наиболее вероятного превышения) и мгновенную отсечку при большем напряжении. Это возможно путем введения в цепь питания активного балласта с мощным транзистором Дарлингтона (или двумя простыми). Для увеличения допустимой мощности потребителей возможна установка миниатюрного вентилятора (12 В) с простейшим блоком питания для зарядных устройств. При этом переход 12/5 Вольт обеспечивается очень просто – переключением дополнительного стабилитрона в схеме зарядного устройства. То есть устройство защиты обретает дополнительную функцию зарядного устройства.

Реализация управления балластом по отмеченному выше принципу (синхронный срез амплитуды, включая все импульсы) не требует использования каких-либо контроллеров. Более того, в недавней новой работе над схемой удалось избавиться от реле включения режима стабилизации амплитуды и, соответственно, от электролитического конденсатора (их нет вообще), благодаря разработке оригинального ключа постоянного тока на тиристоре (с гистерезисом), который оказался очень удачным в используемой схеме устройства защиты (судя по опыту автора и поиску аналогов, его можно рассматривать как изобретение).

В дежурном режиме плата управления потребляет менее 0,5 Вт (зависит от напряжения). Для мгновенной отсечки (порядка 1 мс) автором разработана также и успешно опробована (на протяжении несколько лет, в разных устройствах) конструкция реле — расцепителя на базе термобрейкера типа ВК-1-10, широко используемого в сетевых фильтрах-разветвителях. Однако, в связи с синхронным срезом амплитуды на уровне 250 В, вплоть до 280–290 В напряжения сети, вероятность большего перенапряжения существенно уменьшается, поэтому становится рационально обоснованным использование простого предохранителя, который просто выжигается мощным тиристором (с некоторым ограничением тока) при достаточно длительном для этого импульсе перенапряжения (с учетом длительности спада полуволны сетевого напряжения). При этом надо учитывать также, что ток через предохранитель (порядка 20–40 А) «подсаживает» напряжение сети (ввиду её сопротивления).

Варианты реализации схемы синхронного ограничения амплитуды

Ниже представлены фото платы управления (последняя разработка, — вариант для испытаний), а также видео испытаний устройства с мгновенной отсечкой (предыдущая разработка, — для прослушивания щелчка отсечки надо увеличить громкость) и видео испытаний «ключа постоянного тока» (первая проверка идеи, на напряжении 24 В). Последнее требует, конечно, определенных пояснений, но поскольку данное устройство планируется передать заинтересованным Производителям в качестве «ноу-хау» (по договору), то здесь возможно представить пока лишь качественную (экспериментальную) ВАХ первого маломощного ключа (сейчас опробован уже ключ и на напряжение до 400 В, с гистерезисом около 10%).

Видео:

Отдельно хотелось бы рассказать про источник повышенного напряжения для настройки и испытаний защитного устройства. Вместо широко известного ЛАТРа, который имеет «грубую» ступенчатую характеристику и недостаточно высокое напряжение, целесообразно использовать специальное устройство на базе двух обычных трансформаторов со вторичной обмоткой на 30–40 Вольт. Ниже показана схема, используемая автором (возможны некоторые изменения).

Мощность основного трансформатора может быть 50-100 Вт, а дополнительного 15-30. При этом защитные устройства испытываются на малую нагрузку, до 10-15 Вт (например, резистор с неоновым индикатором, или лампа накаливания для холодильника). Для испытания балласта на мощную нагрузку имеется возможность запитывать балласт прямо от розетки, а плату управления через указанное выше устройство повышения напряжения (испытания балласта на мощную нагрузку являются, по сути, тепловыми испытаниями).

Желающие включиться в разработку промышленных образцов нового устройства защиты для электронной аппаратуры (выставочных моделей) могут обратиться с предложениями к администратору.