Устройства зависимого включения и защиты электрических устройств

Часто бывает необходимо при включении одного устройства одновременно с ним включить какое-либо другое или даже несколько. Распространенные в быту варианты: телевизор — блок питания антенного усилителя, телевизор - DVD-плеер, игровая приставка, спутниковый тюнер, компьютер - внешний модем, активные колонки, принтер. Чтобы избежать излишних манипуляций, желательно иметь такое устройство, которое при включении питания одного прибора автоматически включало бы другие вспомогательные приборы. Конечно же, электронные устройства надо защищать от превышения напряжения питания. Об этом и пойдет речь в статье.

В литературе описывались устройства, где в качестве высоковольтного ключа для включения ведомого устройства используется дефицитное высокоомное реле или самодельное токовое герконовое реле {с обмоткой поверх геркона). Недостаток этих устройств в том, что форма выходного тока для питания ведомой нагрузки зависит от характера потребляемого тока ведущей нагрузки, что накладывает определенные ограничения на тип подключаемых приборов.

 Рис. 1

 
Устройство, лишенное недостатков предшественников, показано на рис. 1. В качестве силового ключа используется пара параллельно включенных мощных п-канальных высоковольтных полевых транзисторов обогащенного типа. Устройство не создает помех по цепям питания и может управлять нагрузкой мощностью от 1 Вт до 250 Вт и более. Кроме того, конструкция имеет цепи индикации нормальной работы, защиту от всплесков напряжения сети и помех. К ней в любом сочетании могут подключаться другие электронные узлы нагрузки, как потребляющие ток в течение всего сетевого периода (лампы накаливания, электронагревательные приборы, синхронные и асинхронные однофазные электродвигатели), так и потребляющие максимум тока на пиках амплитуды сетевого напряжения (телевизоры, мониторы, осветительные приборы с тиристорными, симисторными регуляторами мощности, высокочастотные преобразователи напряжения).

Принцип работы автомата зависимого включения
Когда ведущий прибор (нагрузка 1) мощностью не менее 30 Вт подключается к устройству, на первичной обмотке трансформатора Т1 наводится ЭДС переменного тока величиной более 60 мВ. Сильноточные диоды VD2, VD3 предназначены для ограничения амплитуды напряжения на обмотке I T1 величиной 0,7.-0,8 В. Так как трансформатор Т1 является повышающим, то на выходе диодного моста, собранного на маломощных германиевых диодах VD4—VD7, появляется постоянное напряжение, максимальная величина которого ограничена стабилитроном VD8 на уровне 12 В. Роль токоограничительного резистора выполняет сопротивление провода высокоомной вторичной обмотки трансформатора.
Когда напряжение на оксидном конденсаторе С5 превысит 7...9 В, полевые транзисторы VT1, VT2 почти полностью откроются и зашунтируют своим открытым каналом исток-сток выход мощного диодного моста VD1. Следовательно, на ведомый прибор (нагрузка 2) через мост VD1 и дроссель L1 поступит почти полное напряжение питания переменного тока. Емкости конденсатора С5 достаточно, чтобы транзисторы оставались открытыми в течение нескольких периодов сетевого напряжения после пропадания тока в цепи питания нагрузки 1. Это позволяет в качестве ведущего использовать электро- или радиоприбор любого типа, максимальная мощность которого ограничена лишь типом примененных диодов VD2, VD3.

 
Не рекомендуется без явной необходимости применять конденсатор С5 емкостью большей, чем указано на схеме. В противном случае процесс отключения нагрузки 2 может растянуться на довольно длительное время, а это, в свою очередь, может привести к локальным перегревам транзисторов VT1 и VT2, превышению рассеиваемой ими мощности с последующим выходом их из строя. Плавкий предохранитель FU3 защищает полевые транзисторы от перегрузки или короткого замыкания в цепи ведомой нагрузки. Светодиод HL1 светится при наличии напряжения питания 220 В переменного тока, светодиод HL2 гаснет, когда на ведомую нагрузку поступает напряжение питания. Если этот светодиод не будет погасать при включении ведущей нагрузки, то это будет говорить о том, что мощность ведущей нагрузки мала (менее 30 Вт) и полевые транзисторы открыты не полностью.
Для защиты подключаемых нагрузок от сетевых помех и уменьшения их влияния друг на друга конструкция оснащена двумя LC-фильтрами L1C4C7 и L2C2C6.

 
Детали автомата зависимого включения
В устройстве можно использовать постоянные резисторы типов МЛТ, С2-23, С2-13, С2-33, С1-4. Варистор R1 типа FNR-07K471, FNR-10K471, FNR-14К431 или аналогичный. Конденсаторы С2, С4, С6, С7- К15-5 или К73-17 на рабочее напряжение не менее 400 В.

Оксидный конденсатор С5 типа К53-14, К53-19, К53-30, К50-24.

В качестве диодов VD2, VD3 можно использовать любые выпрямительные диоды, выдерживающие максимальный ток, который могут потреблять ведущие приборы. Для этой конструкции подойдут диоды 6А1-6А10, Р600А-Р600М, 2Д251А-2Д251Е, КД203Д-КД203М, КД244А-КД244Г.

 
Диоды VD4-VD7 -любые маломощные германиевые из серий Д9, Д18, Д20, ДЗ10. Вместо этих диодов можно использовоть также четыре маломощных германиевых транзистора, например, МП25А в диодном включении (база с коллектором соединяются вместе).
Диодный мост VD1 на ток 4 А можно заменить любым другим, рассчитанным на напряжение не менее 400 В и выдерживающим потребляемый ведомой нагрузкой ток, например, KBL06, BR34, BR36, BR68, КВРС608.

 
Стабилитрон можно взять любой маломощный на 12... 14 В, к примеру, КС512А, Д814В, КС231Б, КС213Ж, 1N5349, 1N4742A, но лучше использовать два включенных последовательно 2С168К1.
Для уменьшения потерь мощности и напряжения использовано параллельное включение двух однотипных n-канальных полевых транзисторов. Вместо транзисторов КП776А можно использовать пару КП777А, КП787А, BUZ90, BUZ90AF, IRF830, IRF840, IRF832, а также распространенные отечественные транзисторы серий КП707, КП726, КП753. Еще лучшие результаты будут получены, если вместо двух использовать один транзистор, гарантированно имеющий сопротивление открытого канала сток-исток менее 0,5 Ом (IRFP450, IRFP350, КП779А, КП781 А). При мощности ведомой нагрузки до 50 Вт достаточно установить один полевой транзистор КП776А.
Для мощности нагрузки 2, равной 250 Вт и менее, достаточно оба транзистора установить на общий дюралюминиевый теплоотвод с площадью охлаждающей поверхности 200 см².
Трансформатор Т1 может быть выполнен на стальном магнитопроводе с площадью сердечника 2—2,5 см². Первой наматывают вторичную обмотку. Она содержит 6000 витков обмоточного провода диаметром 0,05...0,07 мм. После наматывают первичную обмотку, которая содержит 45 витков провода диаметром 0,75 мм. Между обмотками прокладывают четыре слоя тонкой фторопластовой пленки. Оба дросселя наматывают вдвое сложенным проводом МГТФ с сечением «по меди» не менее 0,82 мм. Дроссель L1 содержит две обмотки по 25 витков, намотанных на кольцевом низкочастотном ферритовом магнитопроводе с внешним диаметром 40 мм, L2 можно намотать на аналогичном сердечнике - 40-60 витков.

 
После сборки устройства необходимо определить, какая минимальная мощность ведущей нагрузки необходима для нормального функционирования устройства. Для этого при отключенной нагрузке 2 на устройство подается напряжения питания, подключается нагрузка 1, в качестве которой удобно использовать лампы наналивания мощностью 25, 40 и 60 Вт. Затем измеряется напряжение на конденсаторе С5. Минимально допустимой мощностью ведущего прибора считается та, при которой напряжение на конденсаторе превысит 7 В. Подбором емкости конденсатора СЗ трансформатор Т1 нужно настроить в резонанс на частоте 50 Гц, что повысит чувствительность устройства.
При желании и необходимости допустимую мощность подключаемых ведомых приборов можно увеличить до нескольких сотен ватт, применив соответствующие управляемой нагрузке предохранители, диодный мост и полевой транзистор. Естественно, потребуются соответствующие, более мощные теплоотводы, в том числе и для диодного моста и более мощный дроссель L2. Транзистор (или транзисторы) в устройстве рекомендуется использовать при токе не более чем на 40...50% от максимального допустимого тока стока используемых типов транзисторов. Изменив намоточные данные первичной обмотки трансформатора, можно сдвинуть диапазон мощностей ведущей нагрузки в любую сторону.

Применение автомата зависимого включения
Устройство может найти самое различное применение. Например, холодильник компрессионного типа, у которого цикл «работа/пауза» имеет обычно соотношение 1:5... 1:10, может управлять вентилятором кухонной, подвальной вытяжки или настольной лампой, имитирующей присутствие хозяев дома в темное время суток. Еще один вариант применения устройства - в комфорте пользования компьютерным комплексом. Как известно, периферийные устройства типа принтера, сканера и т.п. часто имеют свои собственные источники питания от сети 220 В. Для того чтобы они включались в работу одновременно с системным блоком ПК, подходит рассмотренное устройство. Для оптимальной работы его в составе компьютерного комплекса придется только незначительно скорректировать данные дросселя L1 и первичной обмотки трансформатора Т1 так, чтобы при активации системного блока (например, с источником питания мощностью 350 Вт, который потребляет от сети 220 В в обычном режиме мощность всего 10...15 Вт, если не активированы CD- и другие приводы) надежно включалась нагрузка 2.

Устройство защиты
Электронные устройства на базе микропроцессоров чувствительны к параметрам питающего напряжения. Чтобы обеспечить безопасную работу таких устройств, применяют стабилизаторы напряжения с защитой. Защита во многих блоках питания сводится к прекращению подачи питания на схему при коротком замыкании в ней или резком увеличении тока нагрузки. Таковы, например, популярные стабилизаторы напряжения типов 7805, КР142ЕН5 и аналогичные. Недостаток таких стабилизаторов в том, что они достаточно инертны в режиме включения защиты. Автор считает, что срабатывание защиты (прекращение подачи питания на схему) происходит в таких стабилизаторах через 200...500 мс и сильно зависит от характера изменения тока в нагрузке - на скачкообразное увеличение тока узлы защиты стабилизаторов реагируют, а плавное, часто не воспринимают. Инертность включения защиты в 200 мс может стоить владельцу очень дорого. В литературе публиковались схемы устройств защиты, реагирующие на изменение тока нагрузки быстрее чем за 100 нс (наносекунд), а это очень хороший показатель. Однако такие схемы содержат много элементов, сложны и дороги.

Простая схема защиты, срабатывающая при изменении тока нагрузки, показана на рис.2. Устройство защиты содержит только одну микросборку КМП201УП1 А, не требует настройки и адаптируется с любым источником питания с общим минусовым проводом. Я рекомендую встраивать узел в каждый домашний источник питания, обеспечивающий эксперименты с электроникой, особенно в те источники напряжения, которые обеспечивают работу дорогих узлов электронных приборов. Питается устройство постоянным стабилизированным напряжением 4...6 В, в «нормальном» режиме ожидания потребляет от источника напряжения ток 0,8 мА.
Пока напряжение на входе схемы не превышает установленного резистором R1 предела, на выводе 6 микросборки напряжение близко к нулю.Через нормально замкнутые контакты реле К1 питание от БП поступает к защищаемой электронной схеме. Как только установленный предел превышен, с вывода 6 на управляющий электрод тиристора поступает напряжение около 0,67Un. Тиристор открывается и остается в открытом состоянии пока на схему подано питание. Реле включено, его контакты разомкнуты, следовательно, подача питания на защищаемую схему прекращена. В качестве датчика тока, параллельно которому включается резистор R1 устройства, применяется проволочный резистор. Этот резистор в источнике питания подключается последовательно с одним из полюсов так, чтобы при увеличении тока в нагрузке на этом резисторе оказывалось падение напряжения. Это падение напряжение и воспринимается узлом защиты.

Цепочка, показанная на рис.2 пунктиром, служит для проверки узла и принудительного включения защиты. Для отключения защиты необходимо кратковременно разорвать цепь питания этой схемы, нажав кнопку S1. Теперь устройство снова тестирует входное напряжение и готово к включению защиты.
Чувствительность устройства регулируют R1.

Детали защитного устройства
Тиристор VS1 можно заменить КУ101 Б. Реле К1 любое маломощное, срабатывающее при напряжении 3...4 В. Для этой цели удобны герконовые реле. Если в наличии такого нет, реле можно изготовить самостоятельно. Для этого на маломощный геркон с нормально разомкнутыми контактами наматывают внавал 200 витков трансформаторного провода ПЭЛ диаметром 0,1 мм. Эта обмотка служит самодельной катушкой реле, а коммутирующие контакты — штатные контакты геркона. Такое реле срабатывает при низком напряжении питания 2...4 В и потребляет ток до 50 мА. Постоянные резисторы типа МЛТ-0,5. Конденсаторы С2, СЗ типа КМ или аналогичные. Электролитический конденсатор типа К50-35 или импортный.

Радиокомпоненты 4/2011   Андрей Кашкаров, г. Санкт-Петербург