Устройства и элементы защиты аппаратуры и человека

Достаточно серьезную опасность для аппаратуры представляет подача на нее питающего напряжения противоположной полярности. В большинстве случаев это приводит к выходу из строя электролитических конденсаторов, полупроводниковых приборов и микросхем. Чаще всего поврежденные таким путем устройства восстановлению не подлежат.
Для того чтобы защитить аппаратуру от подобных ситуаций применяют простые и надежные схемы защиты, основные из которых показаны ниже на рис. 3.1 — 3.4.
Для защиты нагрузки от напряжения обратной полярности довольно часто параллельно нагрузке включают диод VD1, рассчитанный на большой прямой ток (рис. 3.1), а последовательно с нагрузкой включают предохранитель FU1. При переполюсовке напряжения питания прямой ток через диод пережжет плавкий предохранитель или, в крайнем случае, диоды выпрямителя. Сама нагрузка подвергнется воздействию напряжения обратной полярности величиной примерно 700 мВ (прямое падение напряжения на диоде VD1) и в результате останется целой.

Рис. 3.1. Диодно-параллельная защита нагрузки от переполюсовки

Разновидностью этого способа защиты является использование вместо диода мощного стабилитрона VD1 (рис. 3.2). Напряжение стабилизации стабилитрона должно несколько превышать напряжение питания устройства. Стабилитрон одновременно защитит нагрузку как от переполюсовки, так и от перенапряжения.
Другой разновидностью диодной защиты нагрузки от неверной полярности подключения питания являются схемы на рис. 3.3

Рис. 3.2. Стабилитронно-параллельная защита нагрузки от пере-полюсовки и перенапряженияи 3.4.

С их помощью без перегрузки по току для источников питания можно защитить радиоэлектронную схему.

Рис. 3.3. Диодно-последовательная защита нагрузки от переполюсовки

Рис. 3.4. Мостовая схема защита нагрузки от переполюсовки

Однако они имеют одну неприятную особенность: на первой из них теряется 0,7 В «прямого» напряжения на диоде, на второй — вдвое больше. Кроме того, при использовании этих схем после стабилизаторов коэффициент стабилизации заметно снижается.
Достоинством схемы (рис. 3.4) является то, что при подключении источника питания можно не заботиться о полярности его подключения.
Наиболее совершенной для защиты от переполюсовки при напряжении источника питания до 15 б стоит считать схему Р. Пиза [3.1]. В схеме использован полевой транзистор, имеющий малое падение напряжения на канале в открытом состоянии. В качестве такого транзистора могут быть использованы /WO/7-транзисторы с индуцированным каналом с обогащением, например, IRF510, IRF511, IRF512, IRF513 или более современные.

Рис. 3.5. Защита нагрузки от переполюсовки на полевом транзисторе

Рис. 3.6. Схема светозвукового индикатора отключения нагрузки

Второй проблемой при взаимодействии источника питания и нагрузки является работа источника питания без нагрузки. Для ряда современных устройств, например, импульсных блоков питания, работа без нагрузки зачастую недопустима. Не допускается эксплуатация без нагрузки и феррорезонансных стабилизаторов напряжения.
Достаточно часто телевизоры и иную аппаратуру питают от сети через промежуточные феррорезонансные стабилизаторы. При отключении телевизора иногда стабилизатор отключить забывают, он работает без нагрузки и быстро может выйти из строя.
Для предотвращения подобных ситуаций Ю. Прокопцев [3.2] разработал устройство, позволяющее косвенным образом защитить стабилизатор (рис. 3.6). При отключении телевизора от сети включается схема индикации работы стабилизатора без нагрузки, напоминая звуковым сигналом о необходимости обесточить оборудование.
Датчиком тока нагрузки служат цепочки диодов VD1 — VD6. При включении нагрузки открывается транзистор VT1,
шунтирующий цепь управления транзистором VT2. Реле К1 МКУ-48 обесточено. При отключении нагрузки транзистор VT1 закрывается, транзистор VT2 — открывается. Реле К1 оказывается подключенным к сети переменного тока через диод VD7. Реле используется не по своему основному назначению, хотя легко было предусмотреть и эту функцию, а именно простого отключения стабилизатора. При протекании через его обмотку пульсирующего тока реле издает громкий треск, привлекающий внимание и сигнализирующий о том, что стабилизатор следует отключить.
В защитном устройстве также предусмотрен визуальный контроль наличия напряжения на реле — это индикатор HL1 на неоновой лампе ТН-0,3 или ИНС-1. Порог зажигания лампы регулируют резистором R4.
Следующее устройство (рис.3.7) предназначено для автоматического отключения усилителя звуковой частоты при срабатывании автостопа магнитофона или электропроигрывателя [3.3].
Аппарат с автостопом следует подключить к розетке XS1. В одну из ее цепей включены диоды VD1 — VD4, на которых при включенном в сеть аппарате происходит падение напряжения с уровнем, достаточным для зажигания светодиода оптопары U1, в результате чего на инверсном входе микросхемы DA1 образуется уровень логического «О". На выходе микросхемы DA1 напряжение повышается, что приводит к срабатыванию реле К1. Контактами К1.1 и К1.2 усилитель включается в сеть.
После срабатывания автостопа напряжение на диодах VD1 — VD4 пропадает, что приводит к выключению реле. Нагрузка, подключенная к розетке XS2, отключается от сети.
Узел датчика тока можно выполнить на кольце из феррита (рис. 3.7 вверху справа). Этот вариант более приемлемый для использования совместно с аппаратурой, имеющей дежурный режим, потому что в отличие от предыдущего варианта датчик имеет изменяемый порог срабатывания, который можно регулировать резистором R10. Устройство на оптопаре срабатывает при нагрузке в несколько милливатт, что не во всех случаях удобно.
Магнитопроводом трансформатора Т1 служит кольцо из феррита М2000НМ типоразмера К20х10х6. Обмотка I содержит 25 витков провода ПЭВ-2 0,51 мм, обмотка II — 100 витков провода

Рис. 3.7. Схема устройства для автоматического отключения аппаратуры

ПЭВ-2 0,17 мм. Реле К1 типа РЭН-29, РЭС-22, РЭС-32 или МКУ-48 с рабочим напряжением 24 В. Микросхему DA1 К157УД4А можно заменить на К140УД6, К140УД7, К544УД1А.
Новые разновидности микросхем фирмы MAXIM — MAX5900/ МАХ5901 — предназначены для «горячего» (Hot-Swap) включения/отключения нагрузки [3.4]. Обычно подобные схемные решения используют в современных компьютерах для подключения-отключения винчестера или иных устройств без отключения питания компьютера.
Микросхемы способны работать при выходном напряжении до 100... 120 В, причем применявшееся ранее сопротивление R1 (которое включалось последовательно с нагрузкой и служило для контроля тока) более не обязательно — его роль выполняет канал полевого транзистора — токового ключа (рис. 3.8). Падение напряжения на открытом ключе в этом случае минимально (доли вольта).
Для применения в устройствах защиты человека от поражения электрическим током (а это возможно при нарушениях изоляции в электрических установках, приборах и питающих проводниках, расположенных после устройства защиты и находящихся под напряжением сети переменного тока до 230 В) предназначена микросхема К1182СА1 [3.5]. Данная микросхема диагностирует состояние сети с помощью датчика, усиливает сигнал и передает его на исполнительное устройство, отключающее нагрузку от сети.

Рис. З.8. Включение микросхемы для «горячего» подключения/отключения нагрузки

Микросхема К1182СА1 содержит два операционных усилителя, которые служат для усиления (по модулю) примерно в 280 раз сигнала, поступающего со входов +IN и -IN (выводы 3 и 5 микросхемы, соответственно). Усиленный сигнал подается на компаратор и далее через линию задержки на вход управляющего тиристора. Питание микросхемы осуществляется от сети через диодный мост (выводы 13 и 15 микросхемы). Выпрямленное напряжение подается на вывод 11 (+V) питания исполнительного устройства (реле). Для питания операционных усилителей и других элементов микросхемы используется внутреннее стабилизированное напряжение (примерно 13,56). Дополнительные опорные напряжения, необходимые для нормальной работы усилителей и компаратора, задаются внутренним резистивным делителем. Вход DLY (вывод 1) служит для подключения конденсатора, определяющего задержку включения выходного тиристора (при С=6000...8000 пФ задержка составляет 2 мс). Ко входу CL (вывод 8) подключается фильтрующий конденсатор для исключения срабатывания тиристора при прохождении помех по сети. Вывод 7 (GND) — общий для подключения конденсаторов и реле.
На базе микросхемы К1182СА1 разработан блок защиты (рис. 3.9) с использованием реле постоянного тока с нормально замкнутыми контактами. В этом случае реле подключается между выводами микросхемы 11 (+V) и 9 (OUT). В случае возникновения утечки по фазовому и нейтральному проводам течет различный ток. Эта асимметрия отслеживается датчиком, и сигнал ошибки поступает на выводы 3 и 5 — входы микросхемы. Если напряжение ошибки больше порогового, то включается тиристор и начинает пропускать ток через управляющую обмотку реле. Контакты реле размыкаются, и нагрузка отключается от сети. Для повторного включения устройства нужно сначала отключить его от сети нажатием кнопки S2.

Рис. 3.9. Схема устройства защиты от поражения электрическим током на микросхеме К1182СА1

Токочувствительный датчик Т1 имеет кольцевой сердечник из электротехнической стали или феррита. Сигнал датчика при заданной утечке должен быть в пределах 50...200 мВ. Настройку всей схемы выполняют регулировочным резистором R4. Включенное состояние устройства индицируется светодиодом HL1. Для контроля работоспособности используется кнопка S1, нажатием на которую имитируется утечка по одному из проводников. При этом должно сработать исполнительное устройство.
В схеме (рис. 3.9) применено высоковольтное реле постоянного тока. Если необходимо использовать более низковольтное реле, то можно применить схему, показанную в правой части этого же рисунка, в которой конденсатор С5 является накопительным и сглаживающим. С помощью стабилитрона VD3 формируется напряжение, необходимое для питания обмотки реле.

Основные параметры микросхемы:

Минимальное напряжение сети — 80 Б Максимальное напряжение сети —276 В Выпрямленное напряжение (на выводе +V) — 390 В Выпрямленный ток (на выводе +V) — 300 /и/А Выходной ток — 300 мА Рассеиваемая мощность при +70°С — 1 Вт
Температура окружающей среды-----40...+70°С
Допустимое значение статического потенциала — 500 В