Контроль и индикация параметров источников питания

Контроль наличия трехфазного напряжения может быть осуществлен при помощи индикатора по схеме на рис. 1.1. Он содержит в каждой фазе токоограничительный резистор (R1 — R3) [1.1]. На выходе резисторов звездой включены слаботочные газоразрядные источники света — неоновые лампы. Если одна из фаз отключится, например, А, погаснут индикаторы HL1 и HL3, поскольку падения напряжения на горящем индикаторе HL2 будет недостаточно для инициирования разряда в последовательно соединенных индикаторах HL1 и HL3.

Рис. 1.1. Схема индикатора наличия напряжения в трехфазной сети

Для определения «фазы» традиционно используют индикаторные отвертки с индикаторами, выполненными на неоновых лампах. Такое устройство содержит неоновую лампу и последовательно включенный токоограничивающий резистор с сопротивлением не менее 0,5 МОм. При подключении индикаторной отвертки к «фазовому» проводу через этот резистор, неоновую лампу и тело человека протекает ток, достаточный для неяркого свечения неоновой лампы.
Подобные индикаторы позволяют контролировать наличие напряжений, превышающих напряжение зажигания неоновой лампы, т.е. 60...90 В и не могут быть использованы для определения полярности в цепях постоянного тока.
В последние годы появилась альтернатива индикаторам «фазы» на неоновых лампах. Один из них — на основе жидкокристаллического индикатора (ЖКИ) [1.2, 1.3].
В качестве индикатора «фазы» В. Харьяков применил в индикаторной отвертке вместо неоновой лампы жидкокристаллический индикатор ИЖКЦ2-4/3 от электронных часов [1.2]. Это устройство удобно при повышенной освещенности, поскольку контраст изображения на жидкокристаллическом индикаторе повышается.
Практическая схема использования ЖКИ приведена на рис. 1.2 [1.3]. Схема индикатора принципиального изменения не претерпела: он, как и ранее, содержит последовательно включенные токоограничивающий резистор R1 и индикатор HG1. При касании сенсорной площадки и подключении щупа Х1 к фазному проводу на ЖКИ появятся произвольные показания. Малогабаритные ЖКИ следует защитить от перегрузки по напряжению симметричным стабилитроном VD1.

Рис. 1.2. Схема индикатора «фазы» на ЖКИ

Рис. 1.3. Схема универсального индикатора «фазы»

Чтобы пользоваться индикатором было удобно как при ярком свете, так и в темноте, в него нужно добавить неоновую лампу (рис. 1.3), включив ее последовательно с ЖКИ [1.3].
В обоих индикаторах применены ограничительные резисторы типа МЛТ или С2-33 с номинальной мощностью не менее 0,5 Вт. Двуханодный стабилитрон допустимо заменить двумя
включенными встречно-последовательно маломощными стабилитронами с напряжением стабилизации 3,3...6,8 В. Неоновая лампа во втором приборе типа ТН-0,2, ТН-0,5, ТН-0,95, МН-6.
Следует отметить, что индикатор с ЖКИ способен работать с гораздо меньшим напряжением, чем индикатор с неоновой лампой.
Второй альтернативой неоновым лампам являются свето-диоды [1.4].
На рис. 1.4 приведена схема индикаторной отвертки, выполненной на полупроводниковом светодиодном индикаторе. При подключении отвертки к «фазе» (и касании пальцем сенсорной площадки отвертки) через ее электрическую цепь на «землю» протекает ток. Он создает падение напряжения на последовательно включенных элементах цепи. На диодном мосте, в диагональ которого включен мостовой релаксационный генератор импульсов, появляется напряжение. Его величины достаточно для возникновения релаксационных колебаний: происходит периодический (с частотой 2...3Гц при 220 В) разряд конденсаторов на светодиод HL1.

Рис. 1.4. Схема индикатора «фазы», полярности и напряжения на светодиодах

Для индикации напряжения постоянного тока или для повышения яркости свечения индикатора HL1 может быть использован выносной щуп, подключаемый к индикаторной отвертке со стороны сенсорной площадки (см. рис. 1.4). При этом могут быть реализованы следующие варианты подключения: при неполном включении штекера в гнездо последовательно с выносным щупом включается диод VD5; при полном включении штекера диод VD5 отключается (шунтируется); в окне заглушки штекера, соответственно, изменяется надпись (с «-» на «-»). Как вариант, в разрыв цепи (точка «а») могут быть включены светодиоды HL2, HL3 (рис. 1 .4 а); в этом случае необходимость в использовании диода VD5 отпадает.
При непосредственном подключении индикаторной отвертки к источнику контролируемого напряжения возможна индикация напряжений от 10 до 300 В и выше при частоте тока до нескольких кГц (определяется частотными свойствами диодов VD1 — VD5).
В качестве диодов VD1 — VD4 могут быть использованы любые низковольтные слаботочные диоды (падение напряжения на элементах моста не превышает 10 6). В качестве диода VD5 может быть использован слаботочный диод (цепочка диодов), предельное обратное напряжение которого в 1,5. ..2 раза превышает максимальную величину контролируемого напряжения. Для контроля высокочастотных цепей (при напряжении до 100 S) используют высокочастотные диоды.
Другие варианты индикаторов «фазы» на светодиодах с визуальной и аудиовизуальной индикацией рассмотрены в книге [1 .5].
Для индикации опасных уровней электрического поля зачастую используют простейшие индикаторы. Описываемые ниже устройства [1.6] могут определять наличие электростатических потенциалов. Эти потенциалы опасны для многих полупроводниковых приборов (микросхем, полевых транзисторов); малейшая искра от статического электричества может вызвать взрыв пылевого или аэрозольного облака. Индикаторы также могут дистанционно определять наличие электрических полей высокой напряженности (высоковольтные и высокочастотные установки, электросиловое высоковольтное оборудование).
Чувствительным элементом всех устройств (рис. 1.5 — 1.10) являются полупроводниковые элементы (полевые транзисторы), электрическое сопротивление которых зависит от напряжения на их управляющем электроде — затворе. При появлении потенциала на управляющем электроде полевого транзистора его сопротивление сток — исток заметно изменяется. Соответственно, изменяется и величина тока, протекающего через полевой транзистор.
Изменение тока через полевой транзистор показывают све-тодиоды. Индикатор (рис. 1.5) содержит три детали: полевой транзистор VT1 — датчик электрического поля; светодиод HL1 — индикатор тока, стабилитрон VD1 — элемент защиты полевого транзистора. Отрезок толстого изолированного провода является антенной. Ее длина 10... 15 см. Чем больше длина антенны — тем выше чувствительность устройства.

Рис. 1.5. Схема индикатора электрического поля со светодиодом

Рис. 1.6. Схема индикатора электрического поля с регулируемой чувствительностью

Индикатор (рис. 1.6) отличается от предыдущего регулировкой чувствительности. Такая новация объясняется тем, что начальный ток через полевой транзистор зависит от начального смещения на его затворе. Для транзисторов даже одной партии изготовления, а, тем более, для транзисторов разных типов, величина начального смещения для обеспечения равного тока через нагрузку заметно отличается. Следовательно, регулируя начальное смещение на затворе транзистора, можно задавать как начальный ток через сопротивление нагрузки (светодиод), так и управлять чувствительностью устройства. Начальный ток через светодиод для схем, приведенных на рис. 1.5 и 1.6 — около 2...ЗмА.
В индикаторе (рис. 1.7) использованы два разноцветных светодиода (метод цветодинамической индикации). В исходном состоянии при отсутствии электрического поля сопротивление канала исток — сток полевого транзистора невелико. Ток преимущественно протекает через индикатор включенного состояния устройства — светодиод HL1 зеленого цвета. Этот светодиод шунтирует цепочку последовательно соединенных светодиодов HL2 и HL3. При росте напряженности электрического поля сопротивление канала исток — сток полевого транзистора возрастает. Происходит плавное или мгновенное отключение светодиода HL1. Ток от источника питания начинает протекать через последовательно включенные светодиоды HL2 и HL3 красного свечения и ограничительный резистор R1. Эти светодиоды могут быть установлены слева и справа относительно индикатора включения — светодиода зеленого свечения HL1.

Рис. 1.7. Схема индикатора электрического поля со цветодинамической индикацией

Повысить чувствительность индикаторов электрического поля можно использованием составных транзисторов (как показано на рис. 1.8, 1.9). Принцип их работы тот же. Максимальный ток через светодиоды не должен превышать 20 мА.
Вместо указанных на схемах можно использовать полевые транзисторы и другого типа (особенно в схемах с регулировкой начального смещения на затворе). Стабилитрон защиты может быть с максимальным напряжением стабилизации 10 6, желательно симметричный. Для упрощения и в ущерб надежности в ряде схем (рис. 1.5, 1.7, 1.8) стабилитрон может быть исключен. В этом случае не допускается касание антенной заряженного предмета во избежание повреждения полевого транзистора, кроме того сама антенна должна быть хорошо изолирована. При этом чувствительность индикатора заметно возрастает. Стабилитрон (рис. 1.9) можно также заменить резистором 10...30 МОм.

Рис. 1.8. Схема индикатора электрического поля с повышенной чувствительностью

Рис. 1.9. Схема цветодинамического индикатора электрического поля с регулируемой чувствительностью

Для звуковой индикации наличия опасного уровня электрического поля предназначен простой прибор, схема которого изображена на рис. 1.10 [1.7]. Индикатор выполнен на основе полевого и биполярного транзисторов (VT1 и VT2). К затвору полевого транзистора VT1 через резистор R1 подключена небольшая антенна — отрезок провода длиной 2...5 см. В цепь нагрузки (эмиттерную цепь биполярного транзистора VT2) включен телефонный капсюль BF1 с сопротивлением постоянному току не ниже 50 Ом.
При приближении антенны устройства к сетевому проводу в телефонном капсюле раздается характерный звук, громкость которого повышается по мере приближения антенны к сетевому проводу.
Для обеспечения безопасной эксплуатации устройства рекомендуется антенну (отрезок провода) заизолировать. При подборе транзисторов (полевого транзистора с меньшим напряжением отсечки)чувствительность устройства возрастает.

Рис. 1.10. Схема индикатора электрического поля с акустической индикацией — искателя сетевой проводки

Рис. 1.11. Схема светодиодного индикатора наличия фаз питающего напряжения

Наличие фаз на проводах питающей сети позволяет контролировать устройство (рис. 1.11), в котором для гашения избыточного напряжения использованы резисторы [1.8]. Схема может быть доработана для индикации трехфазного напряжения при соединении светодиодных индикаторов «звездой» или «треугольником», см. также рис. 1.1.
Индикацию режимов потребления тока в электрических приборах позволяет осуществлять устройство по схеме на рис. 1.12 [1.9]. В цепь нагрузки включена токовая обмотка L1. В исходном состоянии (малый ток нагрузки) контакты К1 разомкнуты, светятся светодиоды HL1 и HL3 зеленого цвета свечения. При увеличении тока нагрузки магнитоуправляемый контакт К1 срабатывает, светодиод HL2 красного свечения включается параллельно цепочке R2 — HL3, шунтируя ее. Светодиод HL3 гаснет.
Простое устройство, индицирующее факт того, что к питающей сети остались подключенными потребители энергии [1.10],
показано на рис. 1.13. Оно содержит трансформаторный датчик тока и индицирующее устройство на неоновой лампе. При протекании тока через низковольтную обмотку трансформатора в повышающей его обмотке наводится напряжение, достаточное для включения тиристора VS1. В результате неоновая лампа начинает светиться. При отключении потребителей энергии лампа гаснет.

Рис. 1.12. Схема устройства для индикации превышения тока в нагрузке

Рис. 1.13. Схема индикатора включенной нагрузки

Диод VD1 Д211 можно заменить на слаботочный диод, например, типа КД102Б.
Устройство легко модифицировать, сделав его чувствительным к силе тока.
Для визуального контроля наличия тока в нагрузке предназначено устройство с повышающим трансформатором (рис. 1.14) [1.11]. Его первичная обмотка включена последовательно с нагрузкой сети. Ко вторичной обмотке Т1 подключен простейший выпрямитель по схеме удвоения напряжения, нагруженный на светодиод HL1. Если ток нагрузки превысит определенный порог
(минимальная мощность нагрузки, при которой становится заметным свечение светодиода — 40 Вт), светодиод начинает неярко светиться. Чем больше ток нагрузки — тем ярче свечение светодиода.
Трансформатор Т1 может быть намотан на ферритовом кольце диаметром 30...40 мм марки 2000НН. Его токовая обмотка содержит 20...25 витков толстого провода (диаметр 1,5 мм). Вторичная обмотка имеет 1500 витков тонкого провода (0,08...0,1 мм). Для уменьшения потерь в схеме выпрямителя использованы германиевые диоды. Светодиод рекомендуется подобрать по максимальной яркости свечения при малом токе.

Рис. 1 .14. Схема устройства для контроля тока в нагрузке

Рис. 1.15. Схема ваттметра переменного тока

Для ориентировочного количественного измерения потребляемой нагрузкой мощности из сети можно применить схему по рис. 1.15 [1.12].
Датчиком тока является проволочный резистор R2. Параллельно ему подключен простейший вольтметр переменного тока с выпрямителем на диодах VD1 и VD2. К его выходу подключен измерительный прибор РА1 — микроамперметр М2003 с током полного отклонения 100 мкА.
Резистор R3 снижает чувствительность головки измерительного прибора до 1 мА. Подстроенным резистором R1 устанавливают стрелку измерительного прибора на реперную (контрольную) отметку, соответствующую, например, мощности в 100...1256г.
Для измерения мощностей порядка 250 (500) Вт сопротивление датчика тока следует уменьшить до 1 (0,5) Ом, соответственно.
Описанный прибор имеет несколько недостатков. Во-первых, его шкала нелинейна. Во-вторых, прибор только косвенным образом реагирует на изменение сетевого напряжения — в нем нет элементов, напрямую фиксирующих это изменение.

Рис. 1.16. Схема ваттметра переменного тока с линейной шкалой

Для измерения тока и мощности (с учетом ограничений, см. выше) в цепи переменного тока может быть использована схема ваттметра [1.13] на основе трансформатора тока, показанная на рис. 1.16. Он представляет собой ферритовое кольцо, сквозь которое пропущен проводник, подающий ток потребителю. Этот проводник является своеобразной первичной (токовой) обмоткой трансформатора. Вторичная обмотка выполнена тонким проводом, равномерно намотанным по ферритовому кольцу до заполнения. Напряжение, снимаемое со вторичной обмотки, выпрямляется диодным мостом и поступает на фильтр и стрелочный измерительный прибор. Чувствительность прибора задает резистор R2. При внутреннем сопротивлении измерительного прибора 520 Ом и токе полного отклонения 500 мкА сопротивление резистора R2 составит примерно 270 кОм.
Шкала прибора — линейная, ее градуируют в единицах тока и мощности, потребляемой нагрузкой.
Первичная обмотка токового трансформатора может содержать и несколько витков провода в тефлоновой изоляции.