Быстродействующая 3-ступенчатая защита аппаратуры

Разрабатывая свое устройство, я попытался учесть те ошибки, которые встречались в аналогичных схемах. Все защитные элементы схемы (рис 1) устанавливаются по линиям питания, после предохранителей.

Предохранителей должно быть обязательно два, чтобы отключать сразу оба сетевых провода (фазу и нейтраль). Необходимо учитывать возможность выхода из строя защитных элементов при бросках напряжения в сети, поэтому ко всем деталям устройства защиты следует предусмотреть удобный доступ. Корпус конструкции должен быть металлическим или из негорючего материала.

Схема защиты имеет три ступени:

сетевые разрядники;
варисторы;
супрессоры (ТХ/Э-диоды).

Все элементы защиты имеют различное время срабатывания (разрядник — 250 нc, варистор — 25 нc, ТХ/Э-диод — 10-3 нc), что вызывает необходимость отделять их друг от друга дросселями (индуктивностями).

Чем больше время реакции элемента, тем большей индуктивностью должен обладать разделяющий дроссель. В схеме последовательность срабатывания этих устройств определяется дросселями L1…L5.

Современные сетевые розетки и вилки выполнены по 3-проводной схеме, т.е. имеют отдельные заземляющие контакты, соединенные с контуром заземления здания. В устройстве к нему подключен независимый (“земляной”) провод, служащий нулевой шиной для конденсаторов фильтров и варисторов. Защитные элементы включаются между всеми тремя проводниками: фаза — нейтраль, фаза — земля, нейтраль земля. Эта схема называется “защитным треугольником” и обеспечивает максимальное подавление помех (качество фильтрации асимметричных помех резко увеличивается, так как паразитные перенапряжения “сбрасываются” не только на нейтраль, но и на землю).

В фильтре для эффективного подавления электромагнитных помех (ЭМП) применены специальные конденсаторы классов X и У, которые рассчитаны на устранение различных видов ЭМП. Так, Х-конденсато- ры, которые включаются между фазой и нейтралью, служат для подавления симметричных кондуктивных помех (частотой до сотен килогерц). У-конденсаторы подключаются между фазой (нейтралью) и землей для подавления несимметричных помех (частотой более 1 МГц). Их емкость необходимо ограничивать (не более 5…6 нФ), чтобы через конденсаторы на землю не протекал большой ток (более 0,5 мА), опасный для человека. Поэтому при отсутствии заземления лучше вообще не использовать У-конденсаторы. Рабочее напряжение конденсаторов — примерно 3000 В.

Для улучшения фильтрации несимметричных помех установлен 2-обмо- точный дроссель L3 (с согласным направлением обмоток). Токи, протекающие через этот дроссель, идут по обмоткам в разные стороны, что не приводит к насыщению сердечника. А для токов помех такой дроссель представляет значительное индуктивное сопротивление. В качестве сердечника используется феррит с большой магнитной проницаемостью (u>10000).Если проницаемость кольцевого сердечника неизвестна, ее можно определить, намотав пробную обмотку из 5…20 витков и измерив индуктивность и размеры ферритового кольца. Расчет производится по формуле:

где Lпр — индуктивность пробной катушки, мкГН;

d — наружный диаметр кольца, мм;

d1 — внутренний диаметр кольца, мм;

h — толщина кольца, мм;

w — число витков пробной катушки (намотана равномерно по кольцу);

Дроссели L1…L5 вместе с конденсаторами С1…С6 служат для подавления симметричных и несимметричных помех в двух направлениях: от сети к нагрузке и из нагрузки в сеть. Конденсаторы С1, С6 — класса Х2 типа МКР (импортные или отечественные). Этот тип конденсаторов используется в бытовых приборах с номинальным напряжением до 250 В. Они выдерживают всплески до 2,5 кВ. Конденсаторы С2…С5 класса Y2 (типа КН, можно использовать отечественные керамические с рабочим напряжением не менее 3000 В) - могут быть использованы при сетевом напряжении до 250 В и выдерживают импульсы перенапряжения до 5 кВ.

Дроссель L — феритовый фильтр-защелка на сетевой кабель. Варисторы R2…R4 — МУЄ20К431 или другого типа на то же напряжение. Супрессоры VD1…VD3 — двуханодные, типа 1.5КЕ440СА. Резистор R1 (от 470 кОм до 1 МОм мощностью не менее 1 Вт) предназначен для разрядки конденсаторов при выключении устройства.

Установка и электромонтаж компонентов фильтров для достижения максимально вносимого затухания должны производиться с соблюдением следующих основных правил:

компоненты устройства располагаются “в линию” (рис.2), как они изображены на схеме;
первое звено желательно отделить от второго металлическим экраном, который соединяется с шиной заземления фильтра максимально короткими проводами;
дроссели фильтра, по возможности, ориентируются в пространстве перепендикулярно друг другу, исходя из минимума взаимных наводок;
выводы конденсаторов при электромонтаже укорачиваются до минимальной длины (3…4 мм).

Чертеж печатной платы устройства и расположение деталей показаны на рис.З. Ширина печатных проводников платы выбрана из расчета допустимой плотности тока в печатном проводнике 20 А/мм2. Расстояние между дорожками взято по нормам на максимально допустимое напряжение (1,2 мм—300 В; 1.5 мм — 400 В: 2.5 мм — 500 В).

Дроссель L3 намотан на импортном ферритовом кольце и u=10000 типоразмера K36x22x15. Перед намоткой острые кромки магнитопровода закругляют надфилем, а затем изолируют лакотканью или фторопластовой лентой. Каждая из обмоток содержит 18 витков провода ПЭВ- 2∅1 мм. После намотки дросселя необходимо измерить его индуктивность (примерно 4,7 мГн), затем соединить выходные концы обмоток и измерить входную индуктивность. Она не должна превышать 0,047 мГн (1%).

Дроссели L1, L2, L4, L5 — серии SMP на ток 7.5 А (предположительно китайской фирмы «Codаса»). Эти дроссели заменяются самодельными. Для их изготовления подойдут кольца из распыленного железа (Iron Powder, номер — “-26″, с желтой цветной маркировкой, один торец белый). Они есть в компьютерных блоках питания, их размеры — К26,9х14,5×11,1. На кольца наматываются от 11 до 20 витков провода ПЭВ-2∅1 мм, полученная индуктивность — не менее 15 мкГн. Конечно, самодельные дроссели придется придумать, как крепить на плату.

Во время эксплуатации устройства необходимо периодически, особенно после грозы, осматривать элементы защиты и своевременно заменять выработавшие свой ресурс.

C этой схемой также часто просматривают:

Защита блока питания от КЗ
КАТОДНАЯ ЗАЩИТА ОТ КОРРОЗИИ
ЗАЩИТА АППАРАТУРЫ ОТ БРОСКОВ НАПРЯЖЕНИЯ
Преобразователь напряжения для батарейной аппаратуры
ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКАЯ ЗАЩИТА В ЗАРЯДНЫХ УСТРОЙСТВАХ
Ёмкостной датчик с чувствительность до 20см
Дверной звонок "Патриот"
Новогодняя елочка на микроконтроллере PIC12F675
Новогодняя светодиодная снежинка-термометр