Быстродействующая 3-ступенчатая защита аппаратуры

В.ГРИЧКО, г.Краснодар.

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.

Рис. 1

 
Схема защиты имеет три ступени:
- сетевые разрядники;
- варисторы;
- супрессоры (TVS-диоды).

 
Все элементы защиты имеют различное время срабатывания (разрядник — 250 нс, варистор — 25 нс, TVS-диод — 10^-3 нс), 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 Y, которые рассчитаны на устранение различных видов ЭМП. Так, Х-конденсаторы, которые включаются между фазой и нейтралью, служат для подавления симметричных кондуктивных помех (частотой до сотен килогерц). Y-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 Y-конденсаторы. Рабочее напряжение конденсаторов — примерно 3000 В.

Для улучшения фильтрации несимметричных помех установлен 2-обмоточный 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 (μ>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 L_пр — 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 — ферритовый фильтр-защелка на сетевой кабель. Варисторы R2...R4 — MYG20K431 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.3. 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 μ=10000 типоразмера К36х22х15. Перед намоткой острые кромки магнитопровода закругляют надфилем, а затем изолируют лакотканью или фторопластовой лентой. Каждая из обмоток содержит 18 витков провода ПЭВ-2 ø1 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 "Codaca"). 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 — К26,9х14,5x11,1. На кольца наматываются от 11 до 20 витков провода ПЭВ-2 ø1 мм, полученная индуктивность — не менее 15 мкГн. Конечно, самодельные дроссели придется придумать, как крепить на плату.

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

Литература
1. Силовая электроника, 2007, №1.
2. Радио, 2010, №6, С.21.
3. Радио, 2010, №10, С.40.