Реле защитного отключения с таймером

Рейтинг:  0 / 5

Подробности

Категория: Защита

Опубликовано: 24.03.2017 13:31

Просмотров: 3578

С. КОСЕНКО, г. Воронеж
Работоспособность, надежность и долговечность сетевых электроприборов коренным образом зависят от качества питающего их напряжения. В допустимых пределах (±20 %) колебания напряжения сети нейтрализуются встроенными в аппаратуру электронными стабилизаторами. При меньшем сетевом напряжении технические параметры аппаратуры резко ухудшаются, при большем — значительно возрастающий потребляемый ток приводит, как правило, к перегоранию плавких предохранителей.

Более серьезные неисправности при чрезмерном снижении напряжения возникают в приборах, использующих электродвигатели переменного тока, таких как в посудомоечных и стиральных машинах, кофемолках и миксерах, холодильниках и многих других, когда роторы не могут создать требуемый вращательный момент, и в отсутствие вращения приборы неминуемо выходят из строя.
Предлагаемое реле защитного отключения значительно повышает надежность функционирования приборов в такой ситуации. Основной блок (рис. 1) — ИИП на микросхеме VIPer17 [1 ], которая имеет функцию Brown-out — отключение при чрезмерном снижении сетевого напряжения и автоматическое включение после его увеличения до установленного значения.

При включении устройства в сеть высоковольтный генератор пускового тока внутри микросхемы, использующий в качестве источника энергии напряжение на выводе DRAIN, через вывод Vdd начинает заряжать стабильным током 3 мА конденсатор С7. Включенная в обратной полярности для пускового тока выпрямительная цепь VD5R9 препятствует утечке тока в обмотку II трансформатора Т1 и через R10VD6 — в конденсатор С10 и параллельно подключенную к нему нагрузку. После возрастания напряжения Vdd на конденсаторе С7 свыше 14 В в микросхеме начинает работать коммутирующий транзистор. Импульсное напряжение с обмотки II заряжает конденсатор С7, обеспечивая питание микросхемы в режиме генерации. С небольшой задержкой по отношению к С7 зарядится конденсатор С10. Через резистор R5 начинает протекать ток излучающего диода симисторного оптрона U1. Симисторы оптрона U1 и VS1 открываются. В результате замыкается цепь питания нагрузки, подключенной к выходу устройства.
Напряжение 12 В на конденсаторах С7, С9, С10 стабилизировано обратной связью через цепь VD2R4, задающую величину этого напряжения. Эта цепь подключена к базе транзистора VT1, коллектор которого соединен с управляющим входом ШИ контроллера FB (Feed Back — вывод 7 DA1).
Резисторы делителя напряжения R1—R3 выбраны так, чтобы преобразователь выключался при снижении сетевого напряжения менее 162 В[1]. При этом симистор VS1 отключает нагрузку от сети. При последующем возрастании напряжения свыше 174 В преобразователь включится снова, подключая нагрузку к сети. Демпферная цепь R7C8 нейтрализует возможные выбросы напряжения самоиндукции при отключении нагрузки с трансформаторами и электродвигателями. Номиналы этой цепи соответствуют типовой схеме (с. 4, рис. 8 в [2]).
Реальные пороговые значения напряжений, характеризующие включение и отключение нагрузки, могут незначительно отличаться от расчетных.

Так, в экземпляре автора они составили 174 и 162 В вместо 170 и 150 В соответственно. Связано это как с технологическим разбросом параметров микросхемы, так и с допустимым пятипроцентным отклонением сопротивлений резисторного делителя R1—R3 от номиналов. Их подбором можно добиться полного соответствия напряжений включения и отключения нагрузки требуемым значениям.
К особенностям используемого маломощного ИИП по сравнению с описанным в [1] следует отнести увеличенную до 33 мкФ емкость сглаживающего конденсатора С4, что необходимо для снижения влияния пульсаций выпрямленного сетевого напряжения на точность установки пороговых значений напряжения отключения и включения. Однако при этом потребовалось увеличить рабочий ток плавкой вставки FU1 до 1 А, чтобы предотвратить ее повреждение начальным зарядным током сглаживающего конденсатора С4. Следует отметить, что выпрямитель VD5R9C7 предназначен только для питания микросхемы DA1. К нему нельзя подключать никакую дополнительную нагрузку, так как это может привести к нарушению режима работы автогенератора микросхемы DA1, в худшем случае — к повреждению этой микросхемы. Для питания постоянным напряжением 12 В всех остальных нагрузок (излучающего диода оптрона U1 и таймера) предназначен другой выпрямитель VD6R10C9—С11. Конденсатор С11, шунтирующий диод VD6, подавляет паразитную высокочастотную генерацию микросхемы DA1.
Все элементы устройства установлены на печатной плате из двусторонне фольгированного стеклотекстолита, чертеж которой показан на рис. 2. Звездочками отмечены отверстия, в которые пропущены проволочные перемычки, припаянные к печатным проводникам с обеих сторон платы.

Основные элементы и их возможная замена описаны в [1]. Транзистор КТ315Д (VT1) может быть заменен любым маломощным кремниевым структуры n-p-n, в частности, из серий КТ315 и КТ503 с любым буквенным индексом. Конденсатор С11 — любой пленочный или керамический с номинальным напряжением не меньше 100 В. Симистор VS1 с предельным эффективным током 16 А и максимально допустимым в закрытом состоянии обратным напряжением 800 В установлен на дюралевый теплоотвод с площадью поверхности охлаждения 72 см2. Теплоотвод вместе с симистором на цилиндрических стойках высотой 12 мм приподнят над импульсным трансформатором и прикреплен к плате винтами МЗ.
Маломощный импульсный трансформатор Т1 выполнен на основе высокочастотного дросселя ДМ-0,1 500 мкГн, его собственную обмотку используют как секцию 1.1 трансформатора. Сквозь слой краски, покрывающей дроссель, отчетливо видно направление намотки провода. Подпаяв к одному из выводов обмоточный провод ПЭВ-2 диаметром 0,12 мм, на дроссель в прежнем направлении в один слой наматывают виток к
витку вторую секцию I.2, всего 100 витков, в результате суммарная индуктивность дросселя увеличивается до 1,2 мГн. Первичную обмотку изолируют прозрачной липкой лентой. Поверх первичной наматывают тем же проводом вторичную обмотку II — 80 витков, а затем липкой лентой изолируют готовый трансформатор. Выводы трансформатора впаивают в плату с учетом фазировки обмоток, как показано на схеме, где их начала отмечены точками. Следует иметь в виду, что при отгибании выводов дросселя на расстоянии менее 5 мм от корпуса обмоточный провод на выводах будет неминуемо поврежден.
Налаживание устройства помимо подбора резисторов R1—R3 заключается в подборке сопротивления резистора R5 до значения, при котором протекающий через излучающий диод оптрона U1 ток составит 6...7 мА. Это больше рекомендованного в [2] значения 5 мА, иначе при напряжении сети менее 180 В устройство будет работать неустойчиво (наблюдалось выпадение отдельных полупериодов синусоиды).
Устройство длительное время испытано с двумя моделями двукамерных холодильников, максимальная мощность нагрузки — 1,2 кВт, при этом температура теплоотвода соответствовала примерно 45 °С.
Особенность эксплуатации холодильников заключается в необходимости выдержки защитной пятиминутной паузы между отключением компрессорного электродвигателя и его последующим включением (например, при кратковременном пропадании сетевого напряжения). Обусловлено такое требование тем обстоятельством, что при длительной работе компрессора давление фреона в охлаждающей системе повышается, поэтому кратковременные пропадания напряжения сети сопровождаются повышенным стартовым током по сравнению с обычным пуском компрессора. Чтобы соблюсти данное требование, в точке А на рис. 1 разрывают соединение общего провода питания с выводом 2 оптрона U1 и подключают этот вывод к таймеру, схема которого показана на рис. 3.
Таймер выполнен на специализированной микросхеме КР512ПС10 [3—5]. Он работает следующим образом. После включения преобразователя (см. рис. 1) напряжение 12 В подается на вход интегрального стабилизатора DA1 (рис. 3), который понижает его до 5 В. Это напряжение поступает в цепь питания микросхемы DD1 и одновременно — на вход интегрального детектора понижения напряжения DA2.

При включении и переходе напряжения питания 5 В через уровень 4,7 В микросхема с небольшой задержкой формирует положительный перепад напряжения, который инвертируется транзистором VT1 и устанавливает в нулевое состояние все счетчики таймера DD1. Отсчет времени начинается после того, как на входе RO микросхемы (вывод 2) высокий уровень сменится низким.
Подключение установочного входа IN (вывод 11 DD1) к общему проводу питания обуславливает противофазную работу выходного счетчика микросхемы (вывод 10) и усилительного каскада на транзисторе с открытым стоком (вывод 9), поэтому в начальный момент цепь для втекающего тока излучающего диода в оптроне U1 (см. рис. 1) разомкнута, симистор VS1 выключен, нагрузка отключена.
Тактовый генератор в микросхеме DD1 (рис. 3) с выбранными параметрами задающей цепи R4C2 формирует импульсы с частотой примерно 2 кГц, подаваемые на счетчики. Установочные входы (выводы 1, 12—15 DD1) коммутированы так, чтобы обеспечить коэффициент деления тактовой частоты 1228800, поэтому примерно через 5 мин (половина периода выходного сигнала типа меандр) на выводе 10 низкий уровень меняется на высокий, воздействуя на "стоповый" вход ST (вывод 3). Работа всех счетчиков принудительно останавливается несмотря на продолжающуюся генерацию тактовых импульсов. Одновременно открывается внутренний транзистор микросхемы, сток которого подключен к выводу 9, замыкая на общий провод цепь питания излучающего диода в оптроне U1 (см. рис. 1). Поэтому при первом включении защитного устройства в сеть холодильник будет включен с пятиминутной паузой.
Аналогичная пауза будет выдержана при кратковременном (доли секунды) пропадании сетевого напряжения или его уменьшении ниже установленного значения и последующем возрастании до нормальной величины.
Плата таймера (рис. 4) прикреплена короткими отрезками обмоточного провода диаметром 1 мм, которые впаяны в две угловые контактные площадки. Также эти проводники можно подложить под крепежные винты, фиксирующие в
корпусе плату основного блока, или припаять к боковым стенкам корпуса внутри устройства.
Предложенный таймер (см. рис. 3 и 4) может быть использован автономно и в других устройствах, причем вариация параметров частотозадающей цепи R4C2 и выбор варианта коммутации установочных входов (выводы 1, 12—15 DD1) позволяют устанавливать требуемое время задержки от долей
секунды до девяти месяцев [5] со стабильностью не хуже 1 % [3]. При этом используют резистор R4 из серии С2-29 группы ТКС А, конденсатор С2 — К10-17 группы ТКЕ ПЗЗ. Если особой стабильности от таймера не требуется, резисторы могут быть из серии МЛТ или С2-23, конденсаторы — с любой группой ТКЕ. Транзистор VT1 (КТ315В) заменим другим маломощным кремниевым структуры n-p-n, например, КТ3102 с любым буквенным индексом.
Таймерное реле защитного отключения прекрасно дополнит устройство [6]. Там же приведен вариант применения реле, отключающего нагрузку при чрезмерном увеличении сетевого напряжения.
Журнал радио №1-2010
ЛИТЕРАТУРА
1.  Косенко С. Маломощный ИИП на микросхеме VIPeM 7. — Радио, 2009, № 11, с. 22.
2. 6-Pin DIP Zero-Cross Optoisolators Triac Driver Output. — <http://www.kls.cn/pdf/fsc/ moc3083-M.pdf>.
3. Иванов А. Генератор прямоугольных импульсов инфранизкой частоты. — Радио, 1991, №12, с. 32, 33.
4.  Бирюков С. Генератор-делитель частоты КР512ПС10. — Радио, 2000, № 7, с. 51—53.
5.  Бирюков С. Применение микросхемы КР512ПС10. — Радио, 2000, № 8, с. 44.
6.  Косенко С. Автотрансформатор с автоматическим включением. — Радио, 2008, № 9, с. 28, 29.
От редакции. Многие промышленные блоки питания имеют функцию отключения а случае выхода напряжения сети за допустимые пределы. Предложенное в статье устройство можно собрать на основе подобного блока.