Устройства, устраняющие броски токов при подключении мощных усилителей к сети

Рейтинг:  0 / 5

Подробности

Категория: статьи

Опубликовано: 25.03.2017 11:49

Просмотров: 4535

А.Г Зызюк г. Луцк
Проблема обеспечения надежности аппаратуры всегда являлась одной из самых важных. Главным решением проблемы надежности является оптимальный расчет конструкции и соответствующая наладка.

Но и в этом случае всегда остается опасность выхода аппарата из строя в момент включения сетевого питания. Практически полностью исключить подобные негативные последствия призваны рассматриваемые ниже устройства, собранные без каких-либо дефицитных или дорогостоящих комплектующих.
Современные усилители мощности (УМ) звуковой частоты являются аппаратурой с высоким энергопотреблением. В момент включения сетевого питания элементы блока питания УМ подвергаются весьма значительным импульсным токовым перегрузкам (как сейчас нередко говорят - экстратокам). От такой шоковой терапии экстратоками страдают не только традиционные БП с мощным сетевым трансформатором (СТ) и накопительными конденсаторами большой емкости в составе выпрямителя, но и современные сетевые импульсные источники питания. Неприятность заключается еще и в том, что пострадать (выйти из строя) может не только сам БП, но и другие элементы конструкции, работающие совместно с БП.
Рассматриваемая проблема не нова, но решается она несистемно, медленно и неэффективно, а то и вовсе стараются о ней не распространяться. Во всяком случае, в бытовых (да и в подавляющем большинстве многих эстрадных) УМ заводского изготовления этому вопросу, к сожалению, не уделялось достаточного внимания. Рассчитанные (или измеренные) величины экстратоков, по идее, должны не просто озадачивать разработчика-конструктора мощного УМ или БП, они должны привлекать внимание и призывать к мерам, обязательно уменьшающим броски токов. Если разработчику мощных УМ и БП это, к сожалению, безразлично, то ремонтнику, работающему непосредственно с клиентом, повторные ремонты совершенно ни к чему.
Для начала постараемся избавиться от одной проблемы, часто влекущей за собой цепочку других проблем. С этой целью устраним появление опасных экстратоков в первичной обмотке сетевого трансформатора мощного БП или УМ. Многие уверены в том, что экстратоки возникают только в выпрямителях, работающих с оксидными конденсаторами большой емкости (сотни микрофарад при сотнях вольт рабочего напряжения и тысячи - десятки тысяч микрофарад при напряжениях 50...100 В).
Однако экстратоки возникают и при включении в сеть мощной нагрузки индуктивного характера, от обычного 9-амперного ЛАТРа до сварочного трансформатора. При отключении индуктивной нагрузки от электросети (не только тумблером, но и сетевой вилкой) также наблюдается большой всплеск напряжения. Ничего нового в этом нет, но и хорошего - тем более.
Чем быстрее осуществляется коммутация индуктивной нагрузки, тем интенсивнее изнашиваются коммутационные изделия. В слаботочных цепях выбросы напряжения гасят варисторами, а в более мощных цепях используют сапрессоры, способные в импульсе гасить мощность киловаттами! Если сапрессоры не так давно стали широко распространены на наших рынках, то наилучшая (простейшая, но достаточно эффективная) в плане реализации цепь, гасящая (всплески) выбросы напряжения на индуктивном элементе (например, на первичной обмотке сетевого трансформатора), - это резистор, последовательно соединенный с конденсатором. Сопротивление резистора обычно находится в пределах 100...300 Ом (1 ...2 Вт). Емкость конденсатора обычно выбирают в пределах 0,05...0,47 мкФ (в зависимости от параметров СТ). К этому конденсатору предъявляется одно важнейшее требование: максимально допустимая амплитуда переменного напряжения не должна быть меньше 350 В.
Так как вопрос, связанный с выбором и надежностью данных конденсаторов, очень важен, рассмотрим его подробнее. Указанной RC-цепью шунтируют первичную обмотку сетевого трансформатора, что ограничивает выбросы напряжения. Если уменьшаются всплески напряжения на первичной обмотке СТ, то исчезают (или минимизируются) дуговые разряды в сетевых выключателях и контактах реле. На первый взгляд, все предельно просто. Но поищите аналогичные цепочки в промышленных аппаратах бытового назначения, во многих ли аппаратах вы их обнаружите?
Решить проблемы с экстратоками в имеющейся (в том числе и промышленной) конструкции БП или УМ, которая создает проблемы при подключении к электросети 220 В, не только нужно, но и возможно. Главное заключается в том, что сделать это можно, практически не внедряясь в промышленную конструкцию или самостоятельно собранное устройство. Именно такой вариант устранения бросков тока и предлагается ниже.
Но вначале рассмотрим вкратце самые распространенные системы ограничения бросков тока (ОБТ), используемые в бытовой аппаратуре. Самое обычное, максимально упрощенное, решение ОБТ при подключении аппаратуры к электросети - это использование мощного проволочного резистора сопротивлением в несколько ом. Как действенный метод ОБТ такой вариант, по сути, является весьма условным, с весьма ограниченными возможностями применения на практике. Потому данный метод используется преимущественно в импульсных источниках питания, при том рассчитанных на мощность не более 100 Вт. Наличие ограничительного резистора накладывает жесткие ограничения на его сопротивление, кроме того, налицо потери мощности, а значит, и КПД всего БП.
Если в импульсных сетевых БП до 100 Вт (например, в телевизионных импульсных БП типа МП) вполне допустимо устанавливать низкоомные ограничительные резисторы, чем заводы-изготовители и занимаются, то в более мощных преобразователях (свыше 1 кВт) это мероприятие уже проблематично или невозможно. Потребуется либо минимизировать сопротивление резистора ОБТ, либо создавать специальную конструкцию, следящую за окончанием переходных процессов при включении БП в электросеть, и лишь впоследствии, по окончании переходных процессов, блокировать резистор ОБТ, например, путем закорачивания выводов ограничительного резистора дополнительным коммутирующим элементом, который, в свою очередь, управляется специальным узлом. А система ОБТ, состоящая из одного-единственного резистора-ограничителя пусковых токов УМ или БП, можно сказать, в составе более мощных УМ или БП практически не применима, если не предусмотрен вышеописанный алгоритм постепенной минимизации (или) постепенного (ступенчатого) уменьшения сопротивления резистора ОБТ.
К самому резистору ОБР предъявляются противоречивые требования. Для уменьшения бросков тока сопротивление ОБТ, используемое в большинстве промышленных и самодельных конструкций (хотя бы на примере все тех же импульсных БП), далеко от своего оптимального значения. Поэтому процесс ОБТ происходит на уровне экстратоков 30...60 А (для блоков питания мощностью 70...100 Вт). Естественно, номинал ограничительного резистора для ОБТ должен быть в несколько раз больше.
Но увеличение сопротивления резистора ОБТ приводит к резкому снижению КПД. Да и не всегда возможно увеличить сопротивление ОБТ. Устройство может выйти из строя, если, например, тривиально увеличить в несколько раз номинал токоограничительного резистора в импульсном БП. Ключевой мощный транзистор станет перегреваться, поскольку будет работать с пониженным питающим напряжением.
Если рассматривать системы ОБТ на терморезисторах, то они также не лишены серьезных недостатков. Мощные терморезисторы не столь доступны, как обычные проволочные резисторы. Кроме того, они не обеспечивают надежной защиты в случае периодически повторяющихся исчезновений и появлений сетевого напряжения.
Тем не менее, в импульсных БП реализовать частичное ОБТ можно резисторами, которые позволяют в несколько раз ослабить экстратоки. В мощных сетевых трансформаторах такой простейший вариант резисторного ОБТ нереализуем по вполне очевидным причинам. В данном случае придется в обязательном порядке закорачивать резистор ОБТ контактами специально с этой целью используемых коммутирующих элементов.
Наилучшим вариантом коммутации в ОБТ является совместное использование двух компонентов: контактов электромеханического реле и мощного проволочного резистора, выводы которого замыкают контакты данного реле. Несмотря на кажущуюся простоту такого решения, здесь также имеются некоторые важные нюансы.
Первое, что должно быть заложено в алгоритме работы системы ОБТ, реле своими контактами должно замыкать резистор только после окончания переходных процессов в защищаемом (от бросков тока) устройстве. Во-вторых, далеко не второстепенным является вопрос выбора сопротивления ограничительного резистора. При неудачном выборе, например, когда сопротивление этого резистора слишком мало, от наличия системы ОБТ может быть мало проку. При завышенном сопротивлении система ОБТ не позволяет оптимально завершить подготовку защищаемого устройства к работе. Конденсаторы выпрямителя, не успев зарядиться, после замыкания контактов реле создадут бросок тока, что опять же может свести на нет потенциальные возможности системы ОБТ. Подобное относится и к неправильно выбранному времени задержки включения реле, когда его контакты прежде времени будут закорачивать ограничительный резистор.
И, наконец, третий вопрос, из всех перечисленных, наверное, самый важный. Сущность его заключается в том, чтобы схемотехнически обеспечить ускоренное приведение системы ОБТ в исходное состояние. В предлагаемой системе ОБТ, схема которой показана на рисунке, данному вопросу уделено особое внимание.



Конструкция ОБТ собрана исключительно на пассивных элементах и не содержит ни одной дорогостоящей или дефицитной детали. Рассмотрим работу этой схемы.
В момент включения в сеть (тумблер и предохранитель на схеме не показаны) сетевое напряжение подается одновременно как на мощный СТ (Rн), так и на диодный мост VD1 (через элементы R1 и С1). На нагрузку (Rн) сеть подается через токоограничительный резистор R4. Контакты реле К2.1 находятся в это время в разомкнутом состоянии (нормально разомкнуты). Диодный мост VD1 обеспечивает питание обмоток реле К1 и К2 постоянным током. Балластный конденсатор С1 гасит избыток напряжения, а ограничительный резистор R1 ограничивает максимальный ток в цепи ОБТ. Теоретически комплексное сопротивление конденсатора С1 на частоте 50 Гц достаточно велико (в сравнении с сопротивлением резистора R1), поэтому многие пренебрегают установкой таких резисторов в подобных ситуациях. Однако практика показала,
что для повышения надежности конструкции ОБТ в целом ограничительный резистор все-таки лучше применять. В некоторых случаях данный резистор выполняет одновременно и функцию предохранителя.
В момент включения в сеть конденсаторы С2 и СЗ разряжены, поэтому обмотки реле обесточены и контакты обоих реле находятся в указанном на схеме положении. Нормально замкнутые контакты реле К1.1 через резистор R3 замыкают выводы конденсатора СЗ, следовательно, его заряд в данный промежуток времени невозможен, как невозможно в это время и срабатывание реле К2.
Поскольку емкость конденсатора С2 невелика, то вскоре срабатывает реле К1, разрывая цепь шунтирующего резистора R3. Лишь с этого момента начинается заряд конденсатора СЗ. Данный конденсатор и является времязадающим элементом схемы ОБТ, определяющим длительность задержки подключения нагрузки RH к электросети. По прошествии нескольких секунд срабатывает реле К2, замыкая своими контактами резистор R4.
Теперь рассмотрим ситуацию при отключении сетевого напряжения. Поскольку постоянная времени у цепи Cl R2K1 намного меньше, чем у цепи СЗК2, то исчезновение сетевого напряжения даже на непродолжительное время приводит к быстрому обесточиванию обмотки реле К1 и соответствующему (экстренному) подключению параллельно обмотке К2 резистора R3.
Так как сопротивление этого резистора примерно в 20 раз меньше сопротивления обмотки К2, то реле К2 быстро отключается (совсем не так медленно, как в традиционных системах ОБТ, выполненных на одном-единственном реле). Контакты К2.1 разрываются, что приводит систему ОБТ в готовность к повторному подключению к электросети только через ограничительный резистор R4. Резистор R3 служит для ограничения тока через контакты реле К1, что предотвращает быстрый износ контактов, замыкающих конденсатор СЗ. Время задержки подключения RH к сети определяется, главным образом, емкостью конденсатора СЗ, а также параметрами реле.
Именно благодаря применению дополнительного реле К1 удалось весьма простыми схемными решениями реализовать ускоренное выключение реле К2. Конденсатор С2 устраняет аномальную работу реле К1 при наличии пульсаций на выходе диодного мостика. Емкость конденсатора С2 должна быть минимальной, но вполне достаточной для четкого и устойчивого срабатывания реле К1. Без конденсатора С2 схема нормально функционировать не будет.
Чрезмерное увеличение (в несколько раз) емкости С2 будет способствовать затягиванию процесса самовосстановления системы ОБТ. С помощью резистора R2 уменьшают напряжение на конденсаторе С2 и, соответственно, на обмотке реле К1, чем обеспечивают оптимальный режим работы для реле, поскольку сопротивление обмотки реле К1 почти в три раза превышает сопротивление обмотки реле К2.
Следует отметить, что данная схема ОБТ, несмотря на кажущуюся простоту, весьма надежна в работе и достаточно универсальна в применении. Используя совместно различные типы реле, можно менять характеристики схемы в соответствии с параметрами подключаемой нагрузки RH.
Неоспоримым и очень важным достоинством предлагаемой схемы при ее практическом воплощении является автономность, т.е. фактически полная независимость оттого устройства (защищаемого от экстратоков), в которое ее будут устанавливать. Этот факт весьма серьезно расширяет области ее применения на практике.
Детали. Все используемые в конструкции резисторы типа ОМЛТ: R1 - 510 Ом; R2 - 1,5 кОм; R3 - 30 Ом. Тип мощного ограничительного резистора R4 выбирается индивидуально, применительно к конкретной нагрузке RH. Диодный мост VD1 может быть любого типа и исполнения на прямой ток не менее 0,5 А и обратное напряжение не меньше 400 В. Использованному типу моста W08 предпочтение отдано исключительно по причине малых габаритов (да и монтаж системы ОБТ упрощается).
Конденсаторы С2 и СЗ зарубежного производства, 25-вольтные: С2 - 100 мкФ, СЗ - 500...2000 мкФ. Если на обмотке К2 рабочее напряжение не превышает 13... 14 В, то можно устанавливать и конденсаторы на 16В.
О реле, кок о сомом важном и ответственном элементе донной конструкции. Чтобы данная схема безотказно служила многие годы подряд, следует использовать детали надлежащего качества. В первую очередь, это относится к используемым реле, особенно К2. На схеме условно показана лишь одна пара его контактов К2.1. Но одной парой контактов лучше не ограничиваться. Все имеющиеся нормально разомкнутые контакты реле соединяют параллельно.
Никогда не следует всецело доверять надписям на корпусе и слепо верить в справочные характеристики, особенно у бывших в употреблении экземпляров реле. Не помешает удостовериться в том, как поведут себя контакты при работе с предполагаемыми токами. Не будет излишним измерить и переходное сопротивление контактов.
В качестве реле К2 в первой конструкции, собранной по данной схеме, использовалось реле типа РСМ (паспорт РФ4.500.020) с сопротивлением обмотки около 550 Ом и током срабатывания менее 25 мА. Но у этих реле недостаточно надежные контакты и повышенное переходное сопротивление. Поэтому в дальнейшем автор стал применять реле РЭС22 (паспорт РФ4500.131) или РЭС32 (паспорт РФ4.500. 335-01) с сопротивлением обмотки 650 Ом и током срабатывания примерно 20 мА.
Поскольку суммарное переходное сопротивление всех четырех параллельно соединенных контактов реле типа РЭС22 составляет примерно 0,01 ...0,02 Ом, то лучше использовать (из недорогих) реле типа РЭК28 (2УХЛ4. КЩ.569.007 ТУ) с сопротивлением обмотки 600 Ом. Соединив все три контакта параллельно, получаем переходное сопротивление не более 7...8 мОм. По конструкции реле этого типа отличается от РЭС22 или РЭС32, и работать с ним намного удобнее. Механический узел реле типа РЭК28 можно подрегулировать таким образом, чтобы реле срабатывало при меньшем напряжении. Несмотря на то, что по паспорту реле рассчитано на номинальное напряжение 24 В, благодаря имеющейся пружине очень просто перестроить реле так, чтобы оно четко срабатывало при напряжении 14 или даже 13 В.
Поскольку сопротивления обмоток даже у однотипных реле из одной партии значительно отличаются, подбирают экземпляры с наибольшим сопротивлением. При установке в схему двух реле с примерно одинаковым сопротивлением обмоток резистор R2 удаляют. Он нужен только в случае применения реле типа РЭС15 (паспорт РС4.591.001) с сопротивлением обмотки более 1500 Ом. Реле данного типа допустимо применять лишь в позиции К1, где токовая нагрузка на контакты небольшая, в связи с чем и установлен токоограничительный резистор R3. Разряжать конденсатор через контакты такого реле без ограничительного резистора не рекомендуется.
Допустимо применение и других типов реле, в том числе и рассчитанных на более высокие рабочие напряжения. При этом придется использовать конденсаторы С2 и СЗ на соответствующие им рабочие напряжения.
О конденсаторе С1. Это очень важный и ответственный элемент в схеме. Для питания реле он является генератором (ограничителем) тока, поэтому его емкость определяется типами используемых реле. Для всех указанных выше типов реле его емкость равна 0,47...0,68 мкФ, напряжение 630 В. Если в качестве реле применить с током включения 50 мА, то при С1 =0,47 мкФ cxeмa функционировать не будет, емкость необходимо будет увеличить в два раза.
Так как конденсатор С1 призван принимать на себя весь излишек напряжения, то к нему предъявляется несколько специфических требований. От правильного выбора типа данного конденсатора во многом зависит надежность системы ОБТ в целом. Основной параметр, определяющий надежность работы конденсатора С1, - допустимое значение амплитуды напряжения частотой 50 Гц.
Согласно [4], для конденсаторов МБГО, рассчитанных на рабочее напряжение 630 В, допустимая амплитуда (при частоте 50 Гц) равна всего лишь... 125 В! Для МБМ (11раб=1000 В) -всего-навсего 250 В. Отсюда и причины выхода из строя конденсаторов, рассчитанных на напряжение 630 В (постоянного тока!). Народными, поистине, стали К73-17 в роли балластных конденсаторов. А подходят ли они в данной ситуации? 630-вольтные К73-17 рассчитаны на амплитудное напряжение не более 315В. Вывод однозначен: не подходят. К примеру, те же 630-вольтные типа К73-16 допускают уже амплитудное значение 350 В.
Весьма сомнительными параметрами обладают и азиатские малогабаритные конденсаторы. Даже среди более надежных, чем азиатские, таких как МПТ-96 (470 нФх6ЗО В), встречается немало экземпляров с заниженным значением рабочего напряжения. Проверяется сказанное просто, с помощью измерителя напряжения [5].
И когда из нескольких десятков новеньких К73-17 (0,47 мкФх 630 В) обнаруживаем экземпляры, не выдерживающие постоянного напряжения номинальной величины 630 В, то становится более чем очевидно, что амплитудных 311 В им не суждено выдержать.
Преобразователь напряжения [5] с плавной регулировкой напряжения (0...3000 В) и ограничением тока в выходной (измеряемой цепи) позволяет организовывать неразрушающий контроль не только конденсаторов, но и других радиокомпонентов.
А как быть, если мы уже потратились на приобретение К73-17? В этом случае есть два варианта исполнения для повышения надежности. В первом варианте два конденсатора включают последовательно, емкость каждого в два раза больше емкости С1. Каждый из конденсаторов должен быть зашунтирован резистором 100...300 кОм (ОМЛТ-0,5). Второй вариант ("батареи") менее привлекателен, но он позволяет использовать однотипные конденсаторы, устанавливая четыре конденсатора 0,47 мкФ вместо одного. В этом случае нужны два выравнивающих резистора. Таким образом резко повышается надежность работы конденсаторов, поскольку напряжение на каждом конденсаторе составляет лишь половину амплитудного значения.
Конструктивное исполнение данной системы ОБТ может быть произвольным. Когда габариты не имеют принципиального значения, применяют диоды Д226Б, даже резисторы ВС (в качестве R1), а в качестве С2 и СЗ - конденсаторы К50-6. Прекрасно подходят для быстрого навесного монтажа популярные мосты типов КЦ405 и КЦ402 с буквенными индексами А, Б, В, Ж, И. Очень многие имеют в наличии диодные сборки КД205 (от старых телевизоров). На двух таких сборках (с любым буквенным индексом) собирают мост. Если потребляемый системой ОБТ ток не превышает 30 мА, то сопротивление резистора R1 увеличивают до 1 кОм и устанавливают малогабаритные мостики КЦ407. С увеличением тока резистор R1 чрезмерно нагревается, и придется применять более мощный резистор R1.
О выборе токоогроничительного резистора. Как правило, номинал резистора R4 подбирают экспериментально, учитывая мощность нагрузки RH и, естественно, время задержки, определяемое емкостью конденсатора СЗ. От этих факторов зависит нагрев резистора R4. Суть выполнения задачи верного выбора R4 состоит в том, чтобы минимизировать бросок тока при срабатывании реле К2.
При правильном выборе сопротивления резистора R4 значительного броска тока быть не должно. Если же бросок тока присутствует, то необходимо увеличить либо сопротивление резистора R4, либо емкость конденсатора СЗ (обычно не более 2200 мкФ). Может понадобиться совместное увеличение номинала резистора R4 и конденсатора СЗ. Многое определяется характером нагрузки RH. Так, если в качестве последней использован мощный сетевой трансформатор, то задача определяется характером нагрузки на выходе выпрямителя его вторичной обмотки. Огромные броски токасоздают фильтрующие конденсаторы емкостью в несколько десятков тысяч микрофарад.
Налаживание. Какой бы доступной после всего сказанного не казалась данная система ОБТ, за пределами рассмотренных вопросов остался, как минимум, еще один важный аспект. Речь идет о том, в каком номинальном диапазоне рабочих напряжений будет надежно функционировать изготовленная конструкция.
Нередко в уже готовой конструкции ОБТ приходилось увеличивать емкость конденсатора С1, чтобы "опустить" рабочее напряжение в сторону более низких напряжений электросети. Для качественной наладки системы ОБТ необходим ЛАТР.
Примеры практического применения
Без преувеличения будет сказано, что подобным системам ОБТ реклама, по сути, не нужна. Ограничимся лишь несколькими практическими ситуациями, наиболее яркими.
Сконструирован (понадобился год работы!) мощный блок питания (0...50 В на ток 0...10 А). Систему ОБТ первоначально решили не устанавливать, но при включении БП в сеть броски токов были такими, что периодически выключались лампы дневного света. В этом БП срочным образом применили ОБТ.
О звуковых усилителях мощности и говорить не приходится. Здесь системы ОБТ нужны как воздух. Впоследствии стали устанавливать системы данного типа и в импульсные БП, в том числе и телевизионные. Вполне подходящими (несложными) оказались такие конструкции и для мощных осветительных приборов (ламп накаливания).
Если быть объективным, то описанная система собрана фактически из бросовых деталей, а если принять во внимание появление на наших рынках высококачественных, притом и малогабаритных комплектующих зарубежного производства (реле, конденсаторы и диодные мосты), то выходные параметры схемы почти целиком задаются используемыми комплектующими. Так решается задача создания конструкций ОБТ с минимальными массогабаритными показателями, что позволяет расположить схему ОБТ в малогабаритных конструкциях, где мало свободного пространства.
Очень важно, что устройство защиты по питанию отделено от устройства, в которое она устанавливается. Это сильно упрощает задачу установки системы. На данный момент подобными схемами снабжены уже многие конструкции, подключение которых напрямую к сети вызывает значительные броски тока.

Литература
1. Годин А. Стабилизатор переменного напряжения  Радио. - 2005. - №8. - С. 34.
2. Годин А. Повышение надежности работы стабилизатора Радио. - 2005. - №12. - С.48.
3. Озолин М. Усовершенствованный блок управления стабилизатора переменного напряжения Радио. -2006. -№7. -С34.
4.Электрические конденсаторы и конденсаторные установки. - М.: Энергоатомиздат, 1987.
5 Зызюк А. Г. Переносной вариант измерителя икэ.макс  Электрик. - 2002. - №8. - С. 8-10.
6. Бутов А.Л. Узел "мягкого" включения телевизора  Радиоаматор. - 2005. - №7. С. 5-6.
7.Зызюк А. Г. Двухполярный лабораторный блок питания  Радиоаматор. - 2006. - №4. - С.22-25.
PA 1'2007