Защита источников питания от грозы. Энциклопедия радиоэлектроники и электротехники

Энциклопедия радиоэлектроники и электротехники / Защита аппаратуры от аварийных режимов работы сети

 Комментарии к статье

Для того чтобы обезопасить аппаратуру от наведенных грозовыми разрядами импульсов, подвод электросети к телекоммуникационным и охранным устройствам, а также к системам видеонаблюдения, где она не может быть отключена по условиям эксплуатации, выполняют в соответствии с требованиями и, как правило, используют источники бесперебойного питания со встроенными сетевыми защитными устройствами.

Но что делать тем, кто, например, оставляет на даче включенную аппаратуру, извещающую владельца о проникновении на контролируемую территорию посторонних лиц? Для того чтобы снизить вероятность повреждения охранного устройства при грозе блок его питания нужно дополнить некоторыми элементами, резко ослабляющими импульсы высокого напряжения в сети, которые будем в дальнейшем называть сетевыми помехами.

Эффективность подавления таких помех одними и теми же элементами различна. Отсюда следует первая особенность - защитное устройство должно быть многоступенчатым

Вторая особенность конструирования защитного устройства - необходимость наличия в нем проводника с нулевым потенциалом, "землей". Это условие легко соблюсти в современных квартирах где электропроводка выполнена по трехпроводной схеме ("фаза" (L), "ноль" (N), "защитная земля" (РЕ)). Если питающая электросеть без защитного заземления, то придется либо самостоятельно создать контур заземления, либо смириться с тем. что подавление помех будет недостаточно эффективным. Удовлетворительно, если помехи с фазного провода отводят на нулевой, хорошо - с фазного провода и отдельно с нулевого провода на заземляющий отлично - с фазного провода отдельно на нулевой и на заземляющий, а также с нулевого на заземляющий.

Для ослабления продолжительных мощных помех, порождаемых грозовыми разрядами, в качестве поглотителей энергии импульса применяют вакуумные и газонаполненные разрядники. Как показывает статистика, доля таких помех составляет примерно 20 %. Остальные 80 % приходятся на кратковременные, которые эффективно подавляются параллельными защищаемой цепи конденсаторами и последовательными заградительными элементами - дросселями. Применяют также комбинированный метод, когда мощные помехи ослабляются параллельно включенными поглощающими элементами (ограничителями напряжения), а маломощные - последовательно.

Обобщенные характеристики наиболее распространенных ограничителей напряжения, используемых в защитных устройствах, представлены в таблице:

Газонаполненные разрядники могут быть применены в двух- и трехэлектродном исполнении в зависимости от конструкции защитного устройства - двухпроводной или трехпроводной. По надежности функционирования и максимальному импульсному току такой ограничитель напряжения превосходит все остальные (рис. 1). Это цилиндрический баллон с разрядными электродами в его торцах, наполненный инертным газом. Недостатком разрядника является его меньшее быстродействие по сравнению с другими защитными элементами, что обусловлено необходимостью некоторого интервала времени для ионизации газа.

Рис. 1

Рассмотрим трехэлектродный разрядник Т23-А230Х диаметром 8 и длиной 10 мм. Несмотря на столь малые размеры, этот защитный элемент допускает пиковый разрядный ток в многократных одиночных импульсах 8/20 мкс (фронт/спад) до 20 кА или в течение 1 с выдерживает переменный разрядный ток 10, а частотой 50 Гц. Такая эффективность защиты обеспечена особой конструкцией разрядника, которую иллюстрирует рис 1. В исходном состоянии его сопротивление превышает 10 Ом.

Когда напряжение в разрядном промежутке создает напряженность электрического поля, способную вызвать ионизацию газа, происходит электрический разряд, в результате чего сопротивление разрядника резко снижается. По завершении импульса инертный газ восстанавливает свои изоляционные свойства. Напряжение пробоя разрядного промежутка определяется как размерами и конструкцией электродов, так и свойствами заполняющего газа - составом и давлением. Специальное компаундное покрытие электродов и керамического изолятора между ними активирует их эмиссионную способность. Кольцевая форма центрального электрода позволяет максимально использовать поверхность торцевых электродов 1 и 2, обеспечивая большой разрядный ток без эрозии токонесущих поверхностей.

Чтобы компенсировать запаздывание в срабатывании от помехи с крутым фронтом (1 кВ/мкс и более), разрядники в многоступенчатых защитных устройствах, как правило, дополняют варисторами и защитными диодами, которые отводят на себя часть энергии импульсной помехи в начальный момент ее появления в электрической сети.

Металлооксидный варистор аналогичен симметричному стабилитрону - при превышении некоторого порогового значения прикладываемого напряжения сопротивление элемента резко падает. Классификационное напряжение варистора должно превышать максимальную амплитуду напряжения сети не менее чем на 5 %. Например, максимально допустимому повышению сетевого напряжения 220 В на 20 % (264 В) соответствует амплитуда 374 В. Следовательно, классификационное напряжение варистора должно быть не менее 393 В. Если использовать варистор, как во многих промышленно изготавливаемых защитных устройствах, со стандартным классификационным напряжением 390 В, в силу допускаемой технологической погрешности данного параметра существует риск его повреждения. Поэтому лучше его использовать с несколько большим классификационным напряжением варистор характеризуется также некоторой предельной энергией импульса, которую он может поглотить без разрушения.

Такая характеристика обладает свойством накопления. Это значит, что прибор без ухудшения параметров способен поглотить одиночный импульс с некоторой максимально допустимой энергией или некоторое число импульсов с меньшей энергией. Например, металлооксидный варистор диаметром 20 мм поглощает импульс с максимально допустимой энергией 410 Дж либо 10 импульсов с энергией 40 Дж. После выработки варистором заложенного ресурса его классификационное напряжение несколько увеличится, а затем с каждым последующим импульсом начнет резко снижаться, в результате варистор "выгорит". Поэтому он подлежит замене при малейшем внешнем проявлении деградации (потемнении лакокрасочного покрытия). Необходимость контроля технического состояния вариатора, находящегося внутри закрытого сетевого фильтра, является его недостатком

Защитные диоды (Transient Voltage Suppressor), подобно стабилитронам, крайне быстро становятся проводящими при увеличении приложенного напряжения сверх напряжения открывания. Время реакции такого прибора, особенно безвыводного, составляет всего лишь несколько пикосекунд. Конечно, индуктивность выводов и подводящих проводов снижает быстродействие диода, но тем не менее оно остается самым высоким среди используемых ограничителей напряжения. Существуют как однополярные защитные диоды, так и с симметричной вольт-амперной характеристикой, что позволяет их использовать без дополнительных выпрямляющих диодов в цепях переменного тока. При очень большом токе, в отличие от газонаполненного разрядника, происходящий в защитном диоде электрический пробой становится необратимым. Такой элемент подлежит замене. Промышленно изготавливаемые устройства защиты от высоковольтных импульсов в электросети как в нашей стране, так и за рубежом должны соответствовать требованиям международных стандартов, утверждаемых. Международной электротехнической комиссией (МЭК), и по общепринятой терминологии подразделяются на I, II и III класс защиты.

Устройства I класса предназначены для защиты электросети на вводе в здание перед счетчиком электрической энергии. Основными элементами таких устройств являются вакуумные и газонаполненные разрядники, способные нейтрализовать мощные грозовые разряды до 150 кА в импульсе, что соответствует прямому попаданию молнии с учетом растекания тока по подвергнувшейся электрическому удару поверхности.

Устройства II класса ослабляют импульсные помехи в этажных и цеховых распределительных щитах. Наиболее часто используемый защитный элемент в таких устройствах - варистор.

Устройства III класса предназначены для защиты отдельных устройств с потребляемым током не более 16 А. Выполняют их, как правило, на защитных диодах.

Разумеется, для безопасной эксплуатации радиоаппаратуры пользователь может оборудовать такими устройствами промышленного изготовления распределительную электросеть на даче или в квартире, но реализация такого решения может оказаться затруднительной в финансовом отношении. Гораздо дешевле обойдется самостоятельное изготовление сетевого защитного устройств.

На основе анализа современных представлений о требованиях к устройствам грозозащиты и методов их практической реализации автором разработано многоступенчатое защитное устройство, схема которого показана на рис. 2.

Рис. 2

Устройство подключают к сети с помощью электрической вилки. ХР1 с заземляющим контактом. Плавкие вставки FU1, FU2 рассчитаны на нагрузку до 1 кВт, подключаемую к розетке XS1, их наличие значительно повышает надежность защитного устройства и продлевает ресурс используемых в нем других элементов. Кратковременные помехи, неспособные вызвать срабатывание разрядника F1, будут ослаблены дросселями L2-L4 и поглощены защитным диодом VD1. Значительный вклад в ослабление таких помех вносит также надетый на сетевой кабель ферритовый цилиндр, в результате чего образуется дроссель L1. Окончательно подавляет симметричные кратковременные сетевые помехи конденсатор С1, несимметричные - С2 и С3.

Подавление фронта продолжительных сетевых помех, порождаемых грозовыми разрядами, происходит в первую очередь защитным диодом VD1 и варисторами RU1-RU3. Через 250 нс включившийся разрядник F1 отводит помеху на себя, а сработавшие плавкие вставки FU1, FU2 отключают источник питания аппаратуры от сети до наступления критических последствий.

Рассеиваемая защитными элементами в сетевом фильтре энергия импульсных помех выделяется в виде тепла при этом температура элементов может достигать 200°С и более. Поэтому из соображении пожарной безопасности корпус устройства необходимо изготавливать только из металла. Соединение корпуса с проводом от заземляющего контакта вилки. ХР1 выполняют в непосредственной близости от ввода сетевого кабеля в корпус фильтра. Розетку XS1 соединяют короткими проводами с соответствующими контактными площадками, указанными на чертеже печатной платы устройства (рис. 3).

Рис. 3

Фотография платы показана на рис. 4.

Рис. 4

Печатная плата изготовлена из односторонне фольгированного стеклотекстолита толщиной 1,5 мм. Заземляющий защитные элементы печатный проводник на плате для увеличения площади сечения облущивают припоем, создавая валик высотой 1...1,5 мм. Сетевой кабель используют с проводами сечением не менее 1 мм2. На него надевают ферритовый цилиндр. К18*9х30 мм (показан слева на рис. 4). Такие цилиндры зарубежные производители устанавливают на кабелях для подключения различных устройств к компьютеру.

Дроссели L2 и L3 наматывают проводом ПЭВ-2 диаметром 1 мм каждый на двух сложенных вместе кольцевых магнитопроводах. КП27>15-6мм из пермаллоя МП 140. Намотку выполняют в два полных слоя без межслойной изоляции, автор использовал готовые дроссели, покрытые эмалью в целях влагозащиты. Можно также применить магнитопровод. К28>14-12мм от многообмоточного дросселя в импульсном блоке питания AT компьютера.

Дроссель L4 выполняют на кольце К28-15-10мм из феррита М2000НМ. Острые кромки магнитопровода закругляют надфилем, а затем изолируют лакотканью или фторопластовой лентой. Каждая из обмоток содержит 15 витков провода. ПЭВ-2 диаметром 1 мм, из конструктивных соображений для удобства подключения выводов к печатной плате одну из обмоток наматывают в направлении, противоположном использованному для другой обмотки. В этом случае создаваемые втекающим и вытекающим токами поля в магнитопроводе будут взаимно скомпенсированы и магнитное насыщение тем самым исключено. Правильность исполнения дросселя можно проверить, измерив его индуктивность. В данной конструкции индуктивность каждой обмотки составляет 270 мкГн. Если соединить выходные концы обмоток и измерить входную индуктивность, она не превысит 10 мкГн.

Варисторы RU1-RU3 - SIOV S20K420. их можно заменить другими металлооксидными диаметром 20 мм и классификационным напряжением 420 В. В крайнем случае можно использовать оксидно-цинковые того же диаметра с классификационным напряжением 430 В, маркируемые, например, одним из производителей как MYG20K431. Высоковольтные конденсаторы С1 - С3 - из серии К78-2.

Симметричный защитный диод 1,5КЕ440СА можно заменить двумя такими же однополярными (без индекса СА) или их аналогами. В этом случае защитное устройство целесообразно дополнить индикатором сетевого напряжения и исправности защитных диодов.

Во время эксплуатации устройства необходимо периодически, особенно после грозовых дней, выполнять контроль технического состояния устройства и своевременно заменять элементы выработавшие свой ресурс.

Автор: Косенко С.

Смотрите другие статьи раздела Защита аппаратуры от аварийных режимов работы сети.

Читайте и пишите полезные комментарии к этой статье.

<< Назад

Последние новости науки и техники, новинки электроники:

Ферроэлектрики научились выдерживать более 10 миллиардов циклов перезаписи 11.10.2026

Энергонезависимая память должна не только быстро записывать и сохранять информацию без постоянного питания, но и выдерживать огромное количество циклов перезаписи. Одним из перспективных вариантов такой технологии считаются ферроэлектрические материалы, однако их практическое применение долгое время ограничивалось сравнительно быстрым разрушением. Исследователям удалось установить механизм этого процесса на атомном уровне и предложить способ, который значительно увеличивает срок службы таких материалов. Работу выполнила группа ученых из Университета электронной науки и техники Сианя (Xidian University) совместно с коллегами из Гонконгского университета и Фуданского университета. Особый интерес специалистов вызвали ферроэлектрики со структурой вюрцита, в частности нитрид алюминия-скандия (AlScN). Эти материалы способны сохранять информацию благодаря изменению направления электрической поляризации на атомном уровне и хорошо совместимы с современными технологиями производства микросхем ...>>

Электромобиль VENTRA с системой очистки воздуха 11.10.2026

Даже автомобили без двигателя внутреннего сгорания не являются полностью безвредными для окружающей среды. При движении любой автомобиль изнашивает шины и тормозные элементы, в результате чего в воздух и на дорожное покрытие попадают мельчайшие частицы. Студенты Эйндховенского технологического университета решили обратить внимание именно на этот мало заметный источник загрязнения и создали концептуальный электромобиль VENTRA, способный собирать часть таких загрязняющих веществ непосредственно во время движения. Проект разработала команда TU/ecomotive, которая оснастила VENTRA специальной системой улавливания частиц, образующихся при износе шин и торможении. Авторы концепта считают, что переход на электрическую тягу сам по себе не решает проблему автомобильных выбросов. Более тяжелые электромобили дополнительно нагружают шины, а их электродвигатели способны обеспечивать очень быстрое ускорение, что также может способствовать повышенному износу резины. Собранные около колес частицы си ...>>

Лазерное переключение магнитов 10.10.2026

Технологии хранения данных постоянно стремятся уменьшить размеры элементов памяти и одновременно увеличить скорость записи информации. Один из возможных путей связан с использованием света, который способен переносить энергию с огромной скоростью и воздействовать на очень небольшие области материала. Инженеры Университета Калифорнии в Сан-Диего (UC San Diego) продемонстрировали необычный способ управления магнитным состоянием вещества, при котором внешнее магнитное поле вообще не требуется. В обычных жестких дисках информация записывается в виде последовательности крошечных магнитных областей, соответствующих значениям 1 и 0. Для изменения их состояния обычно необходимо внешнее магнитное поле, однако такой способ требует значительных энергетических затрат и ограничивает скорость записи. Исследователи UC San Diego предложили альтернативу - так называемое оптическое переключение, при котором магнитное состояние изменяется под воздействием лазерного излучения. По оценкам специалистов, ...>>

Случайная новость из Архива Имплантат для подключения мозга к компьютеру 02.08.2020 Группа исследователей из Мичиганского университета разработала новый мозговой имплантат очень малой мощности. Ученые говорят, что их разработка до 90 % энергоэффективнее, чем аналогичные. Специалистам удалось не только снизить требования к источнику питания имплантата, они сделали его очень точным в расчетах электрических сигналов мозга, передающихся нейронами. Открытие может привести к созданию долговременных мозговых имплантатов, которые можно будет применять при лечении неврологических заболеваний, использовать для управления искусственными роботизированными протезами конечностей и другой электроникой. По словам специалистов из Мичиганского университета, сегодня для точной интерпретации сигналов мозга и их дальнейшего использования требуется компьютер, обычно размером больше самого человека. Такая машина потребляет очень много электричества. Снижение требований к источнику питания "на порядок" откроет дверь к разработке компактных интерфейсов "мозг-машина". Для возможности прогнозирования сложных моторных функций на основе нейронной активности, например, взятия предмета рукой, сегодня применяются специальные чрескожные электроды. Они выступают в роли прямого канала передачи данных между мозгом и компьютером. По словам ученых, для эффективной работы может потребоваться наличие 100 таких каналов. При этом они должны обладать возможностью передачи до 20 тыс. электрических сигналов мозга в секунду. Соблюдение этих условий может вернуть человеку возможность управлять своей парализованной рукой или даже, например, почувствовать через искусственный имплантат насколько мягким или твердым является объект, который он держит. Проблема заключается в том, что такой подход небезопасен, поскольку сопровождается рисками инфекции при интеграции электродов в мозг. Кроме того, он не очень практичен за пределами исследовательских лабораторий. К счастью, наука на месте не стоит и ученые уже разработали беспроводные имплантаты на основе интегральных схем, способных считывать и передавать около 16 тыс. электрических сигналов мозга в секунду. Но это ниже требуемого порога требуемой эффективности. Преимущество разработки исследователей из Мичиганского университета состоит в том, что их технология способна сжимать сигналы, передающиеся мозгом. Ученые сосредоточили свое внимание на пиковых сигналах нейронов, пересекающих определенный порог мощности. Это позволило сократить объем данных, которые необходимо обработать компьютеру и в то же время спрогнозировать следующий запуск нейронов. Эксперименты показали, что по сравнению с чрескожными имплантатами новая система обладает точно таким же уровнем точности, но при этом требует обработки всего 1/10 от общего объема электрических сигналов. Другими словами, при обработке всего 2000 сигналов мозга исследователи смогли добиться такой же точности, как при обработке 20 тысяч сигналов. Ученые уверены, что это открытие однажды изменит медицину.

Другие интересные новости:

▪ Кровеносные сосуды проще напечатать

▪ Процессор Samsung Exynos ModAP с LTE-модемом

▪ Экологически чистый катализатор пропилена

▪ Лифт на синтетике

▪ iPad стал на 5 градусов горячее

Лента новостей науки и техники, новинок электроники

Интересные материалы Бесплатной технической библиотеки:

▪ раздел сайта Блоки питания. Подборка статей

▪ статья Жив Курилка. Крылатое выражение

▪ статья Какие морепродукты могут вызвать удушение во время их поедания? Подробный ответ

▪ статья Майоран обыкновенный. Легенды, выращивание, способы применения

▪ статья Жизнь с новой энергией. Энциклопедия радиоэлектроники и электротехники

▪ статья Запутанный маршрут. Секрет фокуса

Оставьте свой комментарий к этой статье:

www.diagram.com.ua
2000-2026