В последние годы в связи с удорожанием электроэнергии мы становимся более экономными, используя для освещения вместо ламп накаливания люминесцентные лампы («экономки»), светодиодные лампы, LED-ленты и LED-светильники. Оказывается, можно немножко сэкономить при использовании РЭА, которая включена в сеть и находится в дежурном режиме. Существует даже специально разработанное для этих целей семейство микросхем CAPZero фирмы Power Integrations, которые обеспечивают значительное снижение потерь электроэнергии в фильтрах помехозащиты в дежурном режиме при соблюдении довольно противоречивых современных требований стандартов электробезопасности.
Неотъемлемой частью сетевых импульсных источников питания (ИИП), без которых не обходится в настоящее время ни один телевизор, компьютер и прочая РЭА, питающаяся от сети, являются фильтры помехозащиты (защиты от электромагнитных помех), так называемые, фильтры EMI (Electromagnetic Interference). Схема простейшего сетевого EMI-фильтра показана на рис.1.
Рис. 1
Схема очень проста и знакома каждому радиолюбителю. Поэтому не будем утомлять читателя ее объяснением. Единственное, на что хочу обратить внимание, — это помехоподавляющие конденсаторы С1 и С2. В процессе работы эти конденсаторы многократно перезаряжаются и к моменту выключения сети, а значит, и после выключения могут оставаться заряженными напряжением от 0 приблизительно до 300 В. Если выключение устройства производилось не сетевым выключателем, а выдергиванием сетевой вилки из розетки, то это напряжение будет приложено к штыревым контактам вилки. Если пользователь устройства случайно или умышленно прикоснется к этим контактам, то он может получить весьма неприятный и болезненный электрический удар. Это чревато негативными последствиями, как для детей, так и взрослых-сердечников». Поэтому, в соответствии с требованиями современных стандартов безопасности, помехоподавляющие конденсаторы источников питания нужно разряжать после выключения аппарата в течение времени не более одной секунды. С этой целью в помехоподавляющие цепи вводят разрядные резисторы (см. R2 на рис.2).
Рис. 2
Если устройство с таким фильтром имеет дежурный режим, то за счет тока через разрядный резистор потребление электроэнергии в этом режиме возрастает. Если устройство (например, телевизор, тюнер или DVD-проигрыватель) находится в дежурном режиме длительное время, то потери электроэнергии на разрядном резисторе будут заметными. Для уменьшения этих потерь необходимо отключать разрядные резисторы в дежурном режиме, да и в рабочем режиме тоже, и включать их для разряда помехозащищающих конденсаторов, когда напряжение сети выключено.
Автор этих строк еще в 2000 году создавал и экспериментировал с устройствами, которые обеспечивали разряд конденсаторов EMI-фильтра сначала с использованием реле, а позднее на полевых транзисторах. Они более-менее нормально проработали приблизительно до 2005 года.
Восстанавливать их для старой и изготавливать для новой РЭА автор не стал: хлопотно это, да и цена электроэнергии до последнего времени не требовала столь строгой ее экономии.
Несколько лет назад появились в продаже микросхемы семейства CAPZero компании Power Integrations, которые обеспечивают подключение разрядных резисторов конденсаторов ЕМI-фильтров только в момент выключения. Не приобрести парочку таких микросхем для экспериментов, после поиска решения той же проблемы на дискретных элементах, было бы неестественно.
Типовая схема включения микросхем семейства CAPZero показана на рис.3.
Рис. 3
Микросхемы этого семейства содержат два встречно-последовательно включенных полевых транзистора (MOSFET) и устройство управления. Из их корпуса выведены только выводы стоков (drains) полевых транзисторов D1 и D2. Кроме того, к стокам полевых транзисторов внутри микросхемы подключены входы устройства управления. При наличии переменного напряжения на выводах микросхемы полевые транзисторы закрыты устройством управления, и цепь разрядных резисторов разомкнута. При выключении переменного напряжения сети на выводы D1 и D2 с заряженных помехозащищающих конденсаторов С1 и С2 поступит однополярное напряжение, и устройство управления микросхемы откроет полевые транзисторы, сопротивление каналов этих транзисторов значительно уменьшится. Этим обеспечивается разряд С1 и С2 через резисторы R1 и R2.
Микросхемы семейства микросхем CAPZero изготавливаются в корпусе SO-8 и имеют одинаковое для всех микросхем семейства расположение выводов, которое показано на рис.4.
Рис. 4
Это семейство в настоящее время состоит из 16-ти микросхем. Восемь из них имеют встроенные MOSFET-транзисторы с максимальным рабочим напряжением между выводами D1 и D2 равным 825 В (это MC CAP002DG-CAP009DG), а остальные восемь (САР012DG-CAP029DG) содержат транзисторы с максимальным рабочим напряжением 1000 В между D1 и D2.
Как известно, для защиты устройств от перегрузок при скачках напряжения сети на входе некоторых ИИП перед EMI-фильтром очень часто устанавливают варисторы (MOV — Metal Oxide Varistor). Допустима их установка и в ИИП, на входе которых присутствуют микросхемы семейства CAPZero (рис.5).
Рис. 5
При этом следует помнить, микросхему CAPZero необходимо располагать как можно ближе к варистору. Если варистор стоит после EMI-фильтра, то необходимо использовать микросхему CAPZero с максимальным рабочим напряжением полевых транзисторов (1000 В). Причем производитель рекомендует расположить ее после дросселя поближе к варистору (рис.6).
Рис. 6
Защиту микросхем семейства CAPZero от перегрузки при выбросах напряжения можно осуществлять также, подключив между выводами D1 и D2 конденсатор небольшой емкости (22…47 пФ). Если ИИП работает при температуре окружающей среды более 85°С, емкость этого конденсатора не должна достигать 47 пФ. Использовать внешний конденсатор емкостью более 47 пФ не допустимо.
Подбор микросхем семейства CAPZero и определение суммарного сопротивления разрядных резисторов R1 и R2 можно осуществлять с помощью таблицы по суммарной емкости помехоза-щищающего фильтра. При этом следует учитывать, что допуск для номиналов разрядных резисторов составляет 5%, а для номинальных емкостей — 20%. Кроме того, постоянная времени разрядной цепи должна быть приблизительно равна 0,75 с.
Параметры для подбора микросхем семейства CAPZero и определение суммарного сопротивления разрядных резисторов по суммарной емкости конденсаторов помехозащищающего фильтра приведено в таблице.
Огромное достоинство микросхем семейства CAPZero — это небольшие размеры. Корпус SO-8 с выводами занимает место на плате всего 5×6 мм. Поэтому для этих микросхем всегда найдется место на печатной плате ИИП.
Если радиоэлектронное устройство используется в сутки 4…5 ч, а остальное время находится в дежурном режиме, то экономия электроэнергии в год в зависимости от использования микросхемы семейства CAPZero составит от 0,5 до 3 кВт⋅ч.
Случайно была замечена еще одна особенность, которая иногда также может вполне законно несколько снизить оплату за электроэнергию. Это обусловлено случайным стечением обстоятельств. Так, до установки микросхемы CAP005DG в современный ЖК-телевизор SAMSUNG с диагональю экрана 42″, при работе в дежурном режиме и при выключенных остальных потребителях в доме, диск счетчика медленно вращается. После установки этой МС в этот аппарат, диск замер. Обусловлено это свойством индукционного счетчика электроэнергии не «чувствовать» мощность потребления менее 3 Вт. Тех сотых долей ватта, на которые уменьшилось потребление, случайно оказалось достаточно, чтобы счетчик остановился. В квартирах, оснащенных современными электронными счетчиками, подобное явление не наблюдается.
Более подробную информацию по микросхемам семейства CAPZero можно найти на сайте производителя [1] в англоязычной технической документации [2, 3].
Экономия электроэнергии в одном аппарате, при использовании CAPZero, крайне невелика, но присутствует. Она может быть заметней при использовании микросхем семейства CAPZero в нескольких устройствах. Например, в гостинице, в компьютерном клубе или классе.
В заключение замечу, что микросхемы семейства CAPZero целесообразно использовать также в, так называемых, сетевых фильтрах-удлинителях, которые постоянно включены в сеть.
Ссылки
- http://www.powerint.com/ — сайт фирмы Power Integrations.
- Power Integrations. CAPZero Family. Datasheet -TO («даташит») микросхем семейства CAPZero.
- Power Integrations. Application Note AN-48 -инструкция по применению.
Автор: Игорь Безверхний, г. Киев
Источник: Радиоаматор №4, 2015
