[02-2020] Быстродействующее устройство защиты от перенапряжения
 

Быстродействующее устройство защиты от перенапряжения

А. ВАСИЛЬЕВ, г. Санкт-Петербург

Для надёжной защиты ценной бытовой аппаратуры от повышенного напряжения в сети требуется быстродействующее устройство, которое можно подключить к любой сетевой розетке. Если напряжение в сети относительно стабильно, а перенапряжения случаются редко, и только в аварийных ситуациях, то задача стабилизации напряжения перед таким устройством не ставится. Его можно выполнить по простейшей схеме с минимальным собственным потреблением тока от электросети. Органов управления у него не должно быть много. Они не должны быть доступными детям и неквалифицированным пользователям, которые могут по неосторожности или неопытности нарушить регулировку.

Современные дома всё более насыщаются электронной аппаратурой, в большинстве случаев требующей больших расходов на восстановление после отказа. Чаще всего её повреждение — следствие чрезмерного повышения напряжения в электросети. Оно бывает вызвано различными авариями, неравномерной нагрузкой фаз и грозовыми явлениями. Применять стабилизатор напряжения сети для питания аппаратуры, имеющей свои стабилизированные блоки питания (что характерно для всей современной электронной аппаратуры), совершенно нецелесообразно. К тому же для всех дешёвых стабилизаторов сетевого напряжения характерно время реакции на его изменение не менее трёх-четырёх полупериодов синусоиды. За это время чувствительные к перенапряжению полупроводниковые компоненты электронных приборов вполне могут быть повреждены. Широко известные и массово производимые реле напряжения предназначены, главным образом, для установки в щиток электропитания и, имея ещё большее время реакции, плохо защищают электронную аппаратуру. К тому же при срабатывании они обесточивают всю квартиру или иное помещение.

Основа предлагаемого устройства — автоматический предохранитель ST101E или ВК-1-10. Такие обычно устанавливают в сетевых удлинителях, разветвителях, источниках бесперебойного питания и другой аппаратуре. Этот предохранитель содержит биметаллическую пластину, изгибающуюся при нагреве текущим через неё током и нажимающую на контактную пружину, разрывающую электрическую цепь. Для возврата сработавшего предохранителя в замкнутое состояние нужно нажать на имеющуюся на нём кнопку.


К этому предохранителю я добавил самодельный электромагнит, срабатывающий при превышении мгновенным напряжением в сети максимального допустимого значения и нажимающий на контактную пружину автоматического выключателя. Чтобы вернуть его в исходное состояние, нужно нажать на кнопку. Нужно сказать, что способность автоматического выключателя разрывать цепь при превышении номинального для него тока полностью сохранена. В результате получен расцепитель с внешним управлением, отличающийся наличием токовой защиты и высоким быстродействием.

Схема управления электромагнитом изображена на рис. 1. На подстроечном резисторе R1 выделяются вершины выпрямленной диодным мостом VD1 сетевой синусоиды, превышающие сумму напряжений стабилизации стабилитронов VD2—VD5 и прямых падений напряжения на светодиоде HL1 и диодах выпрямительного моста. Как только напряжение, снимаемое с движка подстроечного резистора, превысит пороговое напряжение симметричного динистора VS1, последний открывается и формирует импульс, открывающий мощный симистор VS2. Обмотка электромагнита оказывается напрямую подключена к сети, в результате чего он срабатывает. Его якорь через толкатель нажимает на контактную пружину автоматического предохранителя QS1. Обмотка электромагнита YA1 и розетка XS1 с подключённым к ней потребителем электроэнергии оказываются обесточенными.

Тип подстроечного резистора R1 — CA9V. Перемещая его движок, регулируют напряжение срабатывания устройства. Конденсатор С1 сглаживает кратковременные случайные выбросы напряжения, предотвращая ложные срабатывания, в том числе в момент подключения устройства к сети.

Эскиз сборки автоматического выключателя QS1 с электромагнитом YA1 показан на рис. 2. Здесь обозначено:

1 — заклёпка;

2 — статор электромагнита;

3 — щёчки каркаса обмотки;

4 — якорь электромагнита;

5 — толкатель;

6 — стержни-магнитопроводы;

7 — обмотка электромагнита;

8 — диэлектрическая прокладка;

9 — кнопка возврата;

10 — втулка с резьбой;

11 — корпус предохранителя;

12 — крышка корпуса;

13 — подвижный контакт;

14 — неподвижный контакт;

15 — стеклотекстолитовая шторка;

16 — вывод.

Его изготовление начинайте с разборки автоматического выключателя. Для этого высверлите расклёпанные части трёх обычно пластмассовых, но иногда алюминиевых заклёпок, стягивающих корпус 11 с крышкой 12. Одна из заклёпок находится между выводами 16, а две другие — по углам правой (по рис. 3) части корпуса 11. Ещё две алюминиевые заклёпки 1, фиксирующие выводы 16 предохранителя, трогать не следует. Затем с помощью ножа раздвиньте корпус 11 и его крышку 12 и аккуратно снимите её.

Найдите на биметаллической пружине подвижного контакта 13 точку, показанную крестом на рис. 3, и строго под ней просверлите в корпусе 11 отверстие. В него должен легко входить толкатель 5, сделанный из отрезка толстой капроновой рыболовной лески или струны для теннисной ракетки. При срабатывании электромагнита толкатель раздвигает подвижный и неподвижный контакты, размыкая цепь. В образовавшуюся щель не показанная на эскизе пружина вводит шторку 15, предотвращющую замыкание контактов после обесточивания обмотки 7 электромагнита. Одновременно кнопка 9 выдвигается наружу — это сигнализирует о срабатывании.

Завершив доработку, крышку 12 автоматического выключателя можно установить на место, вставив остатки пластмассовых заклёпок в оставшиеся от них отверстия корпуса 11. Если заклёпки были алюминиевыми, нужно вставить в отверстия аналогичные заклёпки подходящей длины и диаметра и расклепать их. Если желательно оставить предохранитель разборным, вместо заклёпок можно применить винты М2,5 с гайками.

Якорь 4 и статор 2 электромагнита изготовлены из отожжённой стальной тарной ленты 20x1 мм. При их сочленении зазоры между боковыми плоскостями должны быть минимальными. Стержни-магнитопроводы 6 — отрезки мягкой стальной проволоки диаметром 5 мм. Они вставлены на клею в отверстия стеклотекстолитовых щёчек 3 и расчеканены в них. Для изоляции от обмотки 7 стержни 6 покрыты двумя слоями лака. Обмотка намотана проводом ПЭВ-2 диаметром 0,1 мм до заполнения каркаса. Её сопротивление постоянному току — около 50 Ом.

Внешний вид статора электромагнита с обмоткой показан на рис. 4. Электромагнит в сборе с автоматическим выключателем изображён на рис. 5. Лента из лакоткани, наклеенная на наружные поверхности якоря и статора, предотвращает выпадение якоря.

Устройство собрано в корпусе розетки с выключателем (рис. 6), включаемой в обычную сетевую розетку. Выключатель удалён, а оставшееся от него окно закрыто пластиковой пластиной. Рядом с ней просверлено отверстие для светодиода HL1. Слева видна фирменная наклейка, под которой имеется отверстие для доступа к подстроечному резистору R1. Внутри корпуса удалены все мешающие перегородки и выступы. Кнопка 9 (см. рис. 2) выведена в нижней части корпуса. Помещённая внутри него плата электронного узла имеет размеры 50x30 мм. Размещение элементов на ней показано на рис. 7. Их монтаж — проводной. Конденсатор С1 припаян непосредственно к контактам розетки XS1.


Для налаживания устройства нужен лабораторный автотрансформатор (ЛАТР). Однако можно обойтись и без него, используя силовой трансформатор мощностью около 300 Вт от лампового телевизора. Соединяя одну или несколько его вторичных обмоток последовательно синфазно с первичной, можно получить переменное напряжение до 250...255 В, что соответствует максимальному по ГОСТ напряжению в сети. Большее пороговое напряжение устанавливать не рекомендуется.

Перед началом налаживания движок подстроечного резистора R1 установите в нижнее по схеме положение. Затем подайте на вход устройства (вилку ХР1) заранее установленное напряжение, равное желаемому пороговому. Медленно вращайте движок подстроечного резистора до момента срабатывания электромагнита YA1 и автоматического предохранителя QS1. На этом налаживание можно считать законченным.

Для проверки быстродействия изготовленного устройства я собрал стенд по изображённой на рис. 8 схеме. Конденсаторы С1— СЗ в нём полиэтилентерефталатные К73-11 (CL20) или аналогичные. Вольтметр PV1 должен быть цифровым с входным сопротивлением не менее 5 МОм. В качестве батареи GB1 использовались два или три литиевых аккумулятора.

Вилка ХР1 устройства защиты была вставлена в розетку XS1 стенда, а розетка XS1 устройства оставлена свободной. Прежде чем включить вилку ХР1 стенда в сеть, движок подстроечного резистора R1 устройства был установлен в нижнее по схеме положение, а конденсаторы С1—СЗ стенда разряжены с помощью временно наложенной на их выводы перемычки.

Замкнув выключатель SA1 и вставив вилку ХР1 стенда в сетевую розетку, я медленно вращал движок подстроечного резистора до срабатывания устройства и замечал первое после срабатывания показание вольтметра PV1. Оно равно напряжению, до которого зарядились через резистор R4 конденсаторы С1—СЗ за время протекания тока через резистор R1, т. е. с момента открывания симистора VS1 до момента размыкания контактов автоматического выключателя QS1. Предположив, что напряжение на конденсаторах Uc нарастает линейно, я подсчитал время срабатывания защиты tcp в секундах по формуле




где С — суммарная ёмкость конденсаторов С1—СЗ, Ф; Uc — напряжение на конденсаторах сразу после срабатывания защиты, В; ибат — напряжение батареи GB1, В. Сопротивление резистора R4 подставляют в формулу в омах. Получено усреднённое за несколько измерений значение времени срабатывания 3 мс.

Такое высокое быстродействие объясняется отсутствием холостого хода и малым (1...2мм) рабочим ходом якоря электромагнита. Кроме того, его воздействие на размыкающиеся контакты — ударное благодаря многократной перегрузке обмотки электромагнита, на которую поступает напряжение, близкое к амплитудному значению сетевого. Она выдерживает этот режим лишь по причине его кратковременности.