Меню

Защита аппаратуры от повышенного напряжения

5. Защита электронных устройств от перенапряжения

Для защиты радиоэлектронного оборудования традиционно применяют плавкие предохранители. Обычно в них используют тонкие неизолированные проводники калиброванного сечения, рассчитанные на заданный ток перегорания. Наиболее надежно эти приспособления работают в цепях переменного тока повышенного напряжения. С понижением рабочего напряжения эффективность их применения снижается. Обусловлено это тем, что при перегорании тонкой проволоки в цепи переменного тока возникает дуга, распыляющая проводник. Предельным напряжением, при котором может возникнуть такая дуга, считается напряжение 30. 35 6. При низковольтном питании происходит просто плавление проводника. Процесс этот занимает более продолжительное время, что в ряде случаев не спасает современные полупроводниковые приборы от повреждения.
Тем не менее, плавкие предохранители и поныне широко используют в низковольтных цепях постоянного тока, там, где от них не требуется повышенное быстродействие.
Там, где плавкие предохранители не могут эффективно решить задачу защиты радиоэлектронного оборудования и приборов от токовых перегрузок, их можно с успехом использовать в схемах защиты электронных устройств от перенапряжения.
Принцип действия этой защиты прост: при превышении уровня питающего напряжения срабатывает пороговое устройство, устраивающее короткое замыкание в цепи нагрузки, в результате которого проводник предохранителя плавится и разрывает цепь нагрузки.
Метод защиты аппаратуры от перенапряжения за счет принудительного пережигания предохранителя, конечно, не является идеальным, но получил достаточно широкое распространение благодаря своей простоте и надежности. При использовании этого метода и выбора оптимального варианта защиты стоит учитывать, насколько быстродействующим должен быть автомат защиты, стоит ли пережигать предохранитель при кратковременных бросках напряжения или ввести элемент задержки срабатывания. Желательно также ввести в схему индикацию факта перегорания предохранителя.
Простейшее защитное устройство [4.1], позволяющее спасти защищаемую радиоэлектронную схему, показано на рис. 4.1. При пробое стабилитрона включается тиристор и шунтирует нагрузку, после чего перегорает предохранитель. Тиристор должен быть рассчитан на значительный, хотя и кратковременный ток. В схеме совершенно не допустимо использование суррогатных предохранителей, поскольку в противном случае могут одновременно выйти из строя как защищаемая схема, так и источник питания, и само защитное устройство.


Рис. 4.1. Простейшая защита от перенапряжения

Рис. 4.2. Помехозащищенная схема защиты нагрузки от превышения напряжения

Усовершенствованная схема защиты нагрузки от превышения напряжения, дополненная резистором и конденсатором [4.2], показана на рис. 4.2. Резистор ограничивает предельный ток через стабилитрон и управляющий переход тиристора, конденсатор снижает вероятность срабатывания защиты при кратковременных бросках питающего напряжения.
Следующее устройство (рис. 4.3) защитит радиоаппаратуру от выхода из строя при случайной переполюсовке или превышении
напряжения питания, что нередко бывает при неисправности генератора в автомобиле [4.3].
При правильной полярности и номинальном напряжении питания диод VD1 и тиристор VS1 закрыты, и ток через предохранитель FU1 поступает на выход устройства.


Рис. 4.3. Схема защиты радиоаппаратуры с индикацией аварии

Если полярность обратная, то диод VD1 открывается, и сгорает предохранитель FU1. Лампа EL1 загорается, сигнализируя об аварийном подключении.
При правильной полярности, но входном напряжении, превышающем установленный уровень, задаваемый стабилитронами VD2 и VD3 (в данном случае — 16 Б), тиристор VS1 открывается и замыкает цепь накоротко, что вызывает перегорание предохранителя и зажигание аварийной лампы EL1.
Предохранитель FU1 должен быть рассчитан на максимальный ток, потребляемый радиоаппаратурой.
Элементы ГТЛ-логики обычно работоспособны в узком диапазоне питающих напряжений (4,5. 5,5 Б). Если аварийное снижение питающего напряжения не столь опасно для «здоровья» микросхем, то повышение этого напряжения совершенно недопустимо, поскольку может привести к повреждению всех микросхем устройства.
На рис. 4.4 приведена простая и довольно эффективная схема защиты 7777-устройств от перенапряжения, опубликованная в болгарском журнале [4.4]. Способ защиты предельно прост: как только питающее напряжение превысит рекомендуемый уровень всего на 5% (т.е. достигнет величины 5,25 Б) сработает пороговое устройство и включится тиристор. Через него начинает протекать ток короткого замыкания, который пережигает плавкий предохранитель FU1. Разумеется, в качестве предохранителя нельзя использовать суррогатные предохранители, поскольку в таком случае может выйти из строя блок питания, защищающий схему тиристор, а затем и защищаемые микросхемы.
Недостатком устройства является отсутствие индикации перегорания предохранителя. Эту функцию в устройство несложно ввести самостоятельно. Примеры организации индикации разрыва питающей цепи приведены также в главе 36 книги [1.5].

Читайте также:  Схема отключения аккумулятора при понижении напряжения


Рис. 4.4. Схема защиты микросхем ТТЛ от перенапряжения


Рис. 4.5. Схема устройства защиты от перенапряжения, работающего на переменном и постоянном токе

Схема устройства, которое в случае аварии в электросети защитит телевизор, видеомагнитофон, холодильник и т.д. от перенапряжения, приведена на рис. 4.5 [4.5].
Напряжение срабатывания защиты определяется падением напряжения на составном стабилитроне VD5+VD6 и составляет 270 Б.
Конденсаторы С1 и С2 образуют совместно с резистором R1 RC-цепочку, которая препятствует срабатыванию устройства при импульсных выбросах в сети.
Схема работает следующим образом. При напряжении в сети до 270 В стабилитроны VD3, VD4 закрыты. Также закрыты и тиристоры VS1, VS2. При действующем напряжении более 270 В открываются стабилитроны VD3, VD4, и на управляющие электроды тиристоров VS1, VS2 поступает открывающее напряжение. В зависимости от полярности полупериода сетевого напряжения ток проходит либо через тиристор VS1, либо через VS2. Когда ток превышает 10 А, срабатывают автоматические выключатели (пробки, плавкие предохранители), отключая электроприборы от электросети. Нагрузка (на рисунке не показана) подключается параллельно тиристорам. Проверить работоспособность устройства можно с помощью ЛАТРа.
Устройство работоспособно и на постоянном токе.


Рис. 4.6. Схема релейного устройства защиты от перенапряжения с самоблокировкой

Устройство защиты от перенапряжения (рис. 4.6) выгодно отличается от предыдущих тем, что в нем не происходит необратимого повреждения элемента защиты [4.6]. Вместо этого при напряжении свыше 14,1 В пробивается цепочка стабилитронов VD1 — VD3, включается и самоблокируется тиристор VS1, срабатывает реле К1 и своими контактами отключает цепь нагрузки.
Восстановить исходное состояние устройства защиты можно только после вмешательства оператора — для этого следует нажать на кнопку SB1. Устройство также переходит в рабочий ждущий режим после кратковременного отключения источника питания. К числу недостатков данного устройства защиты относится его высокая чувствительность к кратковременным перенапряжениям.
Устройство (патент DL-WR 82992) [4.7], принципиальная схема которого приведена на рис. 4.7, может применяться для защиты нагрузки от недопустимо высокого выходного напряжения. В нормальных условиях транзистор VT1 работает в режиме, когда напряжение между его коллектором и эмиттером небольшое, и на транзисторе рассеивается небольшая мощность (ток базы определяется резистором R1). Сопротивление стабилитрона VD2 в этом случае большое и тиристор VS1 закрыт.


Рис. 4.7. Схема полупроводникового реле защиты нагрузки от перенапряжения

При возрастании напряжения на выходе устройства выше определенной величины через стабилитрон начинает протекать ток, который приводит к открыванию тиристора. Транзистор VT1 при этом закрывается, и напряжение на выходе устройства становится близко к нулю. Отключить защиту можно только отключением источника питания.
Описанное устройство должно включаться в выходную цепь стабилизаторов так, чтобы сигнал обратной связи подавался из цепи, расположенной за системой защиты. При номинальном выходном напряжении 12 В и токе 1 А в устройстве можно применить транзистор КТ802А, тиристор КУ201А — КУ201К, стабилитрон — Д814Б. Сопротивление резистора R1 должно быть 39 Ом (мощность рассеивания при отсутствии системы автоматики, отключающей стабилизатор от сети, составляет 10 Вт), R2 — 200 Ом, R3 — 1 кОм.

Источник

Как защитить технику от перепадов напряжения

Внезапные перепады напряжения грозят плачевными последствиями для бытовой техники: выход из строя без надежды на ремонт. А для загородного дома в период летних гроз эта проблема становится наиболее актуальной. Почему происходят перепады и чем они опасны для техники? Как надежно защититься от скачков напряжения?

Читайте также:  Как рассчитать потери напряжения освещения

Чем опасны перепады напряжения

Перепад напряжения может быть вызван одновременным отключением нескольких мощных устройств, аварией на электросетях, нестабильной работой подстанции из-за перегрузки, эксплуатацией сварочного аппарата, низким качеством материалов электропроводки или ее монтажа. Нередко к существенному скачку напряжения приводит и удар молнии по линии электропередач.

Большинство перепадов незначительны и остаются незамеченными нами, но не техникой. Любой скачок, из-за которого напряжение в сети становится выше 250 Вольт, снижает срок службы подключенных устройств или дестабилизирует их работу. Даже несущественные отклонения на 5-10 %, происходящие регулярно, приводят к сбоям в управляющих блоках, сбросу настроек, возникновению помех. Перепады на 10-25 % сокращают срок службы приборов почти вдвое. А скачки напряжения до 300 Вольт выводят из строя блоки питания, управляющие и сенсорные панели, электродвигатели, сетевое оборудование.

В большинстве многоквартирных домов качество электропроводки оставляет желать лучшего, они не выдерживают нагрузки, ведь в каждой квартире одновременно работают десятки приборов. Безусловно, лучше поменять в квартире проводку, чтобы минимизировать вероятность перепадов и не довести до пожара. Но даже если нет такой возможности, обезопасить себя и родных можно.

Сетевые фильтры

Так называемый сетевой фильтр — это зачастую просто разветвитель/удлиннитель, защитные функции у которого либо фактически отсутствуют, либо являются минимальными и способны защитить только от перегрузки или короткого замыкания.

Однако среди «обманок» прячутся и настоящие сетевые фильтры, которые с помощью LC-контура фильтруют высокочастотные помехи в сети. Стоимость таких устройств, естественно, выше, но для некоторых видов техники наличие полноценной фильтрации необходимо. У приборов с LC-контуром есть характеристика «Подавление электромагнитных / радиочастотных шумов». Если вам нужен такой вариант, обращайте на нее внимание.

Стабилизаторы напряжения

Если подаваемое напряжение в сети не соответствует заданным нормам, стабилизатор нормализует его. К тому же стабилизатор повторяет функции хорошего сетевого фильтра: защита от короткого замыкания, от перенапряжения и высоковольтных импульсов, а также фильтрация помех. Маломощные стабилизаторы можно устанавливать для отдельного электроприбора, например, для холодильника, так как этот прибор наиболее болезненно реагирует на скачки напряжения. Супермощные стабилизаторы устанавливаются для всей сети, такие модели наиболее полезны для загородных домов или в районах, где с напряжением постоянные проблемы.

В сетях 220 Вольт используются однофазные стабилизаторы, в сетях 380 Вольт — три однофазных либо один трехфазный. Хороший стабилизатор хоть и стоит в разы дороже сетевого фильтра, однако он реально защищает технику от серьезных перепадов напряжения и обеспечивает стабильную работу.

Источники бесперебойного питания (ИБП)

ИБП объединяет в себе функции сетевого фильтра и стабилизатора (кроме резервного типа), но помимо этого позволяет технике работать еще какое-то время после отключения электропитания. Бесперебойники бывают трех типов: резервные, интерактивные и с двойным преобразованием.

Резервный вариант — самое простое и дешевое решение. Он пропускает ток через LC-контур, как в хороших сетевых фильтрах, а если необходимое напряжение отсутствует, осуществляется переключение на аккумуляторы. К недостаткам резервных бесперебойников можно отнести задержку при переключении на батареи (5 – 15 миллисекунд).

Интерактивные ИБП оснащены ступенчатым стабилизатором, позволяющим поддерживать надлежащее напряжение на выходе без использования батарей, что увеличивает срок их службы. Такие источники бесперебойного питания годятся для ПК и значительной части бытовой техники.

Бесперебойники с двойным преобразованием преобразуют полученный переменный ток в постоянный, а на выходе подают снова переменный с необходимым напряжением. Аккумуляторные батареи при этом все время подключены к сети, переключение не производится. ИБП данного типа отличаются более высокой стоимостью, в то же время создают больший шум при эксплуатации и сильнее нагреваются. Применяются в основном для требовательного к надежности питания оборудования: серверов, медицинское оборудования.

Реле напряжения

Реле напряжения, также называемые реле-прерывателями, производят размыкание электрических цепей при перепадах напряжения. После отключения питания реле через небольшие временные интервалы проверяет состояние напряжения, и при нормальных значениях возобновляет подачу тока.

Читайте также:  Устройство контроля величины напряжения

Некоторые модели оснащения регуляторами, позволяющие настраивать реле под разные приборы, устанавливая верхний и нижний предел перепадов для отключения, а также время последующей активации. Существуют модели реле-прерывателей как для монтирования в электрощиток, так и для отдельной установки в розетку.

Источник



Способы защиты от перенапряжений в электрических сетях

Способы защиты от перенапряжений в электрических сетях Перенапряжение – это ненормальный режим работы в электрических сетях, который заключается в чрезмерном увеличении значения напряжения выше допустимых значений для участка электрической сети, который является опасным для элементов оборудования данного участка электрической сети.

Изоляция оборудования электроустановок рассчитана на нормальную работу при определенных значениях напряжения, в случае наличия перенапряжения, изоляция приходит в негодность, что приводит к повреждению оборудования и представляет опасность для обслуживающего персонала или людей, которые находятся в непосредственной близости к элементам электрических сетей.

Перенапряжения могут быть двух видов – природными (внешними) и коммутационными (внутренними). Природные перенапряжения – это явление атмосферного электричества. Коммутационные перенапряжения возникают непосредственно в электрических сетях, причинами их проявления могут быть большие перепады нагрузки на линиях электропередач, феррорезонансные явления, послеаварийные режимы работы электрических сетей.

Способы защиты от перенапряжений

В электроустановках для защиты оборудования от возможных перенапряжений применяют такое защитное оборудование, как разрядники и ограничители перенапряжения нелинейные (ОПН) .

ОПН

Основным конструктивным элементом данного защитного оборудования является элемент с нелинейными характеристиками. Характерная особенность данных элементов заключается в том, что они изменяют свое сопротивление в зависимости от приложенного к ним значения напряжения. Рассмотрим вкратце принцип работы данных защитных элементов.

Разрядник или ограничитель перенапряжения присоединяется к шине рабочего напряжения и к контуру заземления электроустановки. В нормальном режиме, то есть, когда сетевое напряжение находится в пределах допустимых значений, разрядник (ОПН) имеет очень большое сопротивление, и он не проводит напряжение.

В случае возникновения перенапряжения на участке электрической сети сопротивление разрядника (ОПН) резко падает, и данный защитный элемент проводит напряжение, способствуя утечке возникшего скачка напряжения в заземляющий контур. То есть на момент перенапряжения разрядник (ОПН) осуществляет электрическое соединение провода с землей.

Разрядники и ОПН устанавливаются для защиты элементов оборудования на территории распределительных устройств электроустановок, а также в начале и в конце линий электропередач напряжением 6 и 10 кВ, которые не оборудованы грозозащитным тросом.

ограничительперенапряжения

Для защиты от природных (внешних) перенапряжений на металлических и железобетонных конструкциях открытых распределительных устройств устанавливают стержневые молниеотводы . На высоковольтных линиях напряжением 35 кВ и выше применяют грозозащитный трос (тросовый молниеотвод), который располагается в верхней части опор линий электропередач на всей их протяженности, соединяясь с металлическими элементами линейных порталов открытых распределительных устройств подстанций. Молниеотводы притягивают атмосферные заряды на себя, тем самым предупреждая их попадания на токоведущие части электрооборудования электроустановок.

Для обеспечения надежной защиты оборудования электроустановок от возможных перенапряжений, разрядники и ограничители перенапряжений, как и все элементы оборудования, должны проходить периодические ремонты и испытания. Также необходимо в соответствии с установленной периодичностью проверять сопротивление и техническое состояние заземляющих контуров распределительных устройств.

Защита от перенапряжений в высоковольтных электрических цепях

Перенапряжения в низковольтных сетях

Явление перенапряжений также характерно и для низковольтных сетей напряжением 220/380 В. Перенапряжения в низковольтных сетях приводят к выходу из строя не только оборудования данных электрических сетей, но и электроприборов, которые включены в сеть.

Для защиты от перенапряжений в домашней электропроводке используют реле напряжения или стабилизаторы напряжения, источники бесперебойного питания, в которых предусмотрена соответствующая функция. Также существуют модульные устройства защиты от импульсных перенапряжений, предназначенные для установки в домашний распределительный щиток.

УЗИП

В низковольтных распределительных устройствах предприятий, электроустановок, ЛЭП для защиты от перенапряжений применяют специальные ограничители перенапряжений по принципу работы схожие с высоковольтными ОПН.

Источник