Важной частью бесперебойного источника питания, быстродействующего дискретного стабилизатора сетевого напряжения или устройства защиты от аварийного отклонения напряжения сети является узел контроля напряжения сети или компаратор сетевого напряжения (КСН). Видимая, на первый взгляд, простота проблемы обманчива. Сложность в том, что на входе КСН присутствует переменное или пульсирующее напряжение, а выходной сигнал КСН должен быть непрерывным.

Использовать в данном случае для сглаживания различные RC- и LС-фильтры нельзя, так как они вносят существенную задержку реакции КСН на изменение напряжения сети. Следовательно, КСН должен сравнивать входное напряжение с образцовым периодически, синхронно с частотой сети и помнить результат предыдущего сравнения до момента последующего. Так как сетевое напряжение синусоидальное и обычно имеет малый коэффициент гармоник (<6%), то контролировать можно амплитудное значение сетевого напряжения и по нему судить о величине действующего значения напряжения. В качестве детектора амплитудного значения напряжения можно использовать так называемый пиковый детектор [3]. Недостатком использования пикового детектора является то, что его необходимо сбрасывать каждый раз перед новым измерением.

Более функционально простое устройство можно построить на перезапускаемом одновибраторе со схемой контроля превышения уровня сетевого напряжения. В данном случае схему можно собрать на цифровых микросхемах, в частности на КМОП схемах. Этот выбор не случаен, так как параметры переключения КМОП схем обладают исключительно высокой температурной стабильностью [1]: колебания температуры среды в пределах от -55 до +125° С изменяют отдельные участки передаточной характеристики не более чем на 5%. Следует ожидать, что в диапазоне температур от +15 до +35° С (что свойственно для жилых помещений) передаточные характеристики будут изменяться не более чем на 0,6%, что гораздо лучше необходимых 1...2%. К тому же КМОП схемы имеют исключительно малое энергопотребление, что может оказаться важным при использовании КСН в следящих устройствах.

(нажмите для увеличения)

В схеме (рис.1) на вход INPUT подается исследуемое, предварительно выпрямленное, напряжение сети. В случае необходимости гальванической развязки напряжение сети подается через разделительный трансформатор. С помощью делителя, состоящего из подстроечного резистора R1 и резисторов R2, R3, КСН настраивают на определенный порог срабатывания. Номиналы резисторов делителя указаны для случая, когда +UP=5 В, а амплитуда напряжения на входе INPUT равна 17 В (~12 В действующее). Конденсатор С1 служит для фильтрации коротких импульсных помех, проникающих из сети. Диод VD1 ограничивает выходное напряжение делителя на уровне +UP. На первых трех инверторах DD1 и резисторах R4, R5 собран триггер Шмитта, который срабатывает при достижении сетевым напряжением уровня срабатывания Us1.

Перезапускаемый одновибратор (ПО) состоит из КС-цепочки R6, С2 и триггера Шмитта, собранного на остальных трех инверторах и резисторах R7, R9. Резистор R8 необходим для получения гистерезиса срабатывания всего устройства. Под +UP подразумевается напряжения питания КМОП схемы 3...15 В.

На рис.2 показаны временные диаграммы для схемы КСН, изображенной на рис. 1. Пока амплитуда сетевого напряжения не достигла порога срабатывания Uc1 триггера Шмитта, на его выходе (вывод 6 DD1) присутствует высокий логический уровень (ЛУ). На выходе OUTPUT КСН (вывод 8 DD1) присутствует низкий ЛУ, сигнализирующий о том, что сетевое напряжение ниже заданного уровня.

Как только амплитуда сетевого напряжения превысит порог срабатывания Uc1 триггера Шмитта, на его выходе (вывод 6 DD1) появятся импульсы низкого ЛУ, синхронные с частотой сети. Эти импульсы через диод VD1 поступают на вход ПО. Постоянная времени RC-цепочки R6С2 выбрана такой, чтобы на выходе ПО сохранялся непрерывный высокий уровень, пока на его вход поступают запускающие импульсы с выхода триггера Шмитта. Следовательно, на выходе OUTPUT КСН будет присутствовать высокий ЛУ, пока напряжение сети выше заданного уровня.

На рис.3 изображена упрощенная схема КСН на меньшем количестве инверторов. Отличие данной схемы от схемы КСН, приведенной на рис.1, в том, что в ней не традиционно включена RС-цепочка R6С2.

(нажмите для увеличения)

Описанные выше КСН (назовем их КСН первого вида) наиболее эффективны при контроле повышения напряжения сети выше заданного уровня. При пропадании напряжения сети данная схема формирует сигнал понижения уровня сети с задержкой времени 7...10 мс, обусловленной постоянной времени заряда RC-цепочки ПО.

Частично избавиться от указанной задержки при контроле понижения напряжения сети ниже заданного уровня позволяет КСН второго вида, работающий по принципу измерения длительности паузы DT, когда мгновенное напряжение полусинусоиды на входе INPUT меньше Uc (рис.4).

Амплитуда Ua измеряемого напряжения сети определяет интервал DT согласно выражению

DT=arcsin(Uc/Ua)/πf.

Нелинейностью кривой измеряемого напряжения в интервале времени DT=10° можно пренебречь [2]. Если DT=10°, то Ua=11Uc, и задержка срабатывания КСН при понижении напряжения сети равна примерно 0,6 мс.

Схема КСН, работающего по указанному принципу, изображена на рис.5, а временные диаграммы - на рис.6.

(нажмите для увеличения)

С помощью входного делителя R1, R2, R3 добиваются необходимого соотношения Ua и Uc. Так как Uc в нашем случае равно напряжению переключения КМОП схемы, равному UP/2, то для получения задержки <0,6 мс необходимо выбрать Ua=5,5UP.

Диод VD1 ограничивает выходное напряжение делителя на уровне +UP. Напряжение с выхода делителя поступает на вход компаратора, представляющего собой триггер Шмитта, собранного на первых двух инверторах DD1. Компаратор необходим для формирования импульсов высокого ЛУ при превышении уровня полусинусоиды порога Uc. Высокий ЛУ на выходе компаратора через диод VD2 поступает на вход первого ПО, собранного на третьем и четвертом инверторах DD1, на резисторах R7, R9, R10 и конденсаторе С2.

Подстроечным резистором R1 добиваются непрерывного сигнала высокого ЛУ на выходе ПО при напряжении сети, выше заданного. При снижении напряжения сети на выходе первого ПО появляются импульсы низкого ЛУ, которые через диод VD3 поступают на вход второго ПО, собранного на пятом и шестом инверторах DDI, резисторах R6, R11, R12 и конденсаторе С3. Из этих импульсов на выходе OUTPUT КСН второй ПО формирует непрерывный низкий ЛУ, сигнализирующий о том, что напряжение сети ниже заданного уровня или вообще отсутствует. Резистор R8 служит для получения необходимого гистерезиса характеристики переключения КСН. Из временной диаграммы (рис.6) видно, что при повышении напряжения сети высокий ЛУ на выходе КСН второго вида формируется с опозданием примерно на 10 мс.

При повторении схемотехнических решений следует учитывать, что из-за некоторого разброса параметров переключения КМОП схем, возможно, потребуется уточнение номинала резистора R6 RC-цепочек. Для получения гистерезиса характеристик переключения КСН необходимо уточнить номинал резистора R8, стоящего в цепи положительной обратной связи.

Автор: В. Я. Володин