Защитные устройства для сетевых адаптеров

В статье предлагаются устройства для защиты от повышенного напряжения различных маломощных устройств, питающихся от сети переменного тока 220 В, которые включены в электрическую розетку постоянно или большую часть времени.

Защитные устройства предназначены для работы с элек­тронными часами, многофункциональными телефонными ап­паратами, источниками питания антенных усилителей, устрой­ствами сигнализации, видеонаблюдения, устройствами беспро­водной связи, зарядными устройствами и т.п. устройствами.

Длительное нахождение того или иного аппарата во вклю­ченном состоянии повышает вероятность его поломки как из- за коротких бросков сетевого напряжения длительностью в до­ли-единицы секунд, так и из-за продолжительных, например, когда из-за сильного ветра, неаккуратности электромонтёров или из-за старения электросетей и оборудования в сетевой ро­зетке вместо -220 В появляется напряжение -300…420 В. Ра­ботающие в таких условиях сетевые адаптеры могут не толь­ко выйти из строя, но и стать причиной пожара.

Устройство, понижающее напряжение на адаптере

Устройство, принципиальная схема которого вместе с узлом выпрямителя ИП показана на рис.1, предназначено для защиты устройств с линейными трансформаторными источниками питания от сетевых перенапряже­ний. Алгоритм работы устройства следующий: когда действующее значение и, соответст­венно, амплитуда сете­вого напряжения повы­шаются выше допусти­мого, силовой ключ на полевом транзисторе отключает первичную обмотку понижающего трансформатора от се­тевого напряжения. Особенностью конст­рукции является то, что, если защищаемый источник питания ра­ботает на относитель­но слаботочную нагруз­ку, например электронные часы, телефонный аппарат, то они будут продолжать работать, поскольку трансформатор источника питания при сетевом перенапряжении будет продолжать получать часть сетевого напряжения. Защитное устройство состоит из двух узлов: узел контроля выходного напряжения трансформато­ра, собранный на R2, R3, VD6-VD10, HL1, U1 и высоковольт­ного силового ключа, собранного на VT1, VS1, VD1-VD4, R1, R4, R5, R6, С1-С4. Элементы FU1, Т1, L1, L2, VD11-VD14, С9 относятся к защищаемому источнику питания.

Рис. 1

Узел контроля напряжения работает следующим образом: если напряжение в сети не превышает нормы, то стабили­трон VD10 закрыт, светодиод оптрона VU1 не светится. По­скольку в каждой полуволне выпрямленного сетевого напря­жения на затвор полевого транзистора через резистор R4 поступает открывающее напряжение, VT1 открыт, на первич­ную обмотку сетевого трансформатора поступает полное на­пряжение питания, из которого вычитается прямое напря­жение падения на диодах VD1-VD4 около 2 В и пороговое напряжение открывания полевого транзистора -3…6 В.

Если напряжение в сети увеличивается, то увеличивает­ся и амплитуда напряжения на вторичной обмотке сетевого трансформатора, что приводит к открыванию стабилитрона VD10, начинает светить светодиод оптрона, фототранзистор оптрона открывается протекающим через управляющий эле­ктрод током, открывается маломощный тиристор VS1. Откры­тый тиристор шунтирует затвор-исток полевого транзистора, VT1 закрывается, и питание первичной обмотки трансфор­матора Т1 отсекается. Эти процессы повторяются в каждой полуволне сетевого напряжения.

При номинальном действующем напряжении сети 220 В переменного тока амплитуда напряжения составит 310 В, ес­ли устройство настроено на защиту от напряжения выше 250 В, то защитное устройство будет отсекать питание транс­форматора при достижении амплитудой около 352 В. Таким образом, питание защищаемого ИП не прекращается полно­стью, что делает большинство других защитных устройств, а снижается поступающая на трансформатор мощность, при этом форма напряжения переменного тока на вторичной обмотке трансформатора искажается и в зависимости от величины пе­ренапряжения и тока нагрузки может принять примерно та­кой же вид, как показано на осциллограмме рис.2.

Рис. 2

Предохранитель, аналогичный FU1, должен быть в каж­дом устройстве, питаемом от сети 220 В/50 Гц. Дроссели L1, L2 снижают уровень поступающих на трансформатор се­тевых, кроме того, при работе ИП в режиме ограничения мощности эти дроссели несколько снижают уровень со­здаваемых защитным узлом проникающих в сеть помех, хотя при аварийной ситуации в питающей сети это не­принципиально.

Поскольку при модернизации ИП напряжение на вы­ходе его выпрямителя будет понижено примерно на 3%, то основной выпрямитель ИП (диоды VD11-VD14) можно заменить диодами Шоттки, что на 1…2 В увеличит на­пряжение на конденсаторе фильтра выпрямленного на­пряжения С9. Конденсаторы С5-С8 необходимы для пре­дотвращения пробоя диодов Шоттки, чувствительных к пре­вышению величины обратного напряжения. Конденсаторы С1-С4 — помехоподавляющие. Резисторы R2, R3 уменьшают ток через мостовой выпрямитель VD6-VD9, а также, умень­шают величину экстратока при пробое изоляции оптрона, на­пример, во время грозы или при прогорании участка платы под оптроном, что по разным причинам иногда случается. Свечение светодиода HL1 при работе узлов защиты почти незаметно, он начинает ярко светиться при питании ИП по­вышенным напряжением в случае, если узел защиты не ра­ботает, например, «пробит» VT1. Стабилитрон VD5 при нор­мальной работе устройства никакого влияния на работу по­левого транзистора VT1 не оказывает, поскольку пороговое напряжение открывания полевого транзистора в несколько раз больше пробивного напряжения изоляции затвора, но за­щищает ПТ, например, при прикосновении к выводу его за­твора отвёрткой и в других нештатных ситуациях.

К недостаткам устройства можно отнести то, что при ра­боте в штатном режиме оно искажает форму сетевого напря­жения, из-за того, что каждая полуволна сетевого напряже­ния на трансформатор нагрузки подается со «ступенькой», составляющей 3..6 В, в зависимости от типа примененного транзистора VT1.

При работе этого защитного узла с ма­ломощными источниками питания, мощностью менее 10 Вт, резистор R1 желательно установить меньшего номинала — 20…47 кОм. При монтаже полевого транзистора не забывай­те, что он чувствителен к повреждению статическим элект­ричеством.

Устройство с отключением адаптера

На рис.3 показана принципиальная схема устройства, ко­торое полностью отключает подключенную к нему нагрузку в случае аномально повышенного напряжения сети. Это простое миниатюрное устройство предназначено для работы совместно с электронными аппаратами, источник питания ко­торых построен по обычной схеме с сетевым понижающим трансформатором работающим на частоте 50 Гц. Также его можно применить для защиты ламп накаливания мощностью до 25 Вт, например, используемых в дежурном освещении коридоров, подсобных помещениях. Возможно применение этого устройства с домашними ёлочными гирляндами на ми­ниатюрных лампах накаливания.

Рис. 3

Если напряжение сети переменного тока не превышает 250…280 В, ток через варистор RU1 отсутствует или очень мал, конденсаторы С2, С3 разряжены, транзисторы VT1, VT2 закрыты. Благодаря протеканию тока через сопротивление подключенной нагрузки, нагрузочный резистор R2, резистор R3 и конденсатор С1 маломощный высоковольтный симистор VS1 открывается в начале каждой полуволны сетевого на­пряжения (при напряжении около 15 В), на нагрузку посту­пает напряжение питания. При повышенном сетевом напря­жении, когда амплитуда напряжения сети переменного тока превышает классификационное напряжение варистора RU1, варистор открывается. При этом накопительные конденсато­ры С2, С3 быстро заряжаются, транзисторы VT1, VT2 от­крываются и шунтируют выводы управляющего электрода и первого анода VS1.

Симистор перестаёт отрываться, нагрузка будет обесто­чена до тех пор, пока напряжение сети не придёт в норму. Последовательно включенные диод Шоттки VD1 и резистор R1 устраняют несимметричность открывания симистора в за­висимости от полярности полуволны сетевого напряжения. Резистор R5 ограничивает максимальный ток через варис­тор. При напряжении в сети равном 350…420 В через под­ключенную нагрузку, резистор R3, конденсатор С1 и откры­тые транзисторы может протекать переменный ток величи­ной до 10 мА, с учётом падения напряжения на маломощ­ной подключенной нагрузке. Даже тока 2…5 мА может ока­заться достаточно для сохранения полной или частичной ра­ботоспособности нагрузки при повышенном напряжении сети, например, электронных часов, собранных на КМОП-микросхемах, например, серии К176, и некоторых других устройств, не критичных к пониженному напряжению питания, имеющих в источниках питания понижающие трансформаторы с малым током «холостого хода».

Плавкий предохранитель FU1 должен быть установлен вне зависимости от того, имеется ли такой предохранитель в схе­ме защищаемого устройства.

Безошибочно изготовленное из исправных деталей уст­ройство начинает работать сразу. Подбором сопротивления резистора R1 устанавливают симметричность подаваемого на нагрузку напряжения переменного тока.

Для экспресс проверки конструкции при отсутствии регу­лируемого автотрансформатора можно подключить к выходу устройства лампу накаливания мощностью 8…25 В на напря­жение 220…245 В. После чего замкнуть выводы варистора RU1 между собой или подключить параллельно RU1 варис­тор на меньшее напряжение, например, типа FNR-07K241, лампа накаливания должна погаснуть. Если потребуется под­нять напряжение срабатывания устройства примерно на 10…12 В, то можно последовательно с варистором RU1 вклю­чить два маломощных стабилитрона, включенных встречно­последовательно, например, 1N4746A, BZV55C-18, TZMC-18. Нежелательно применять экземпляры таких стабилитронов, выпущенные до 1990-х годов.

При встраивании этого защитного устройства в модерни­зируемую конструкцию, желательно последовательно с пер­вичной обмоткой понижающего трансформатора включить ре­зистор сопротивлением примерно равным сопротивлению пер­вичной обмотки трансформатора по постоянному току, для маломощных сетевых адаптеров это обычно 100…600 Ом. Мощность этого резистора 1…2 Вт. Такое решение практи­чески исключает повреждение первичной обмотки понижаю­щего трансформатора при нормальном напряжении питания и даже иногда позволяет кратковременно (несколько се­кунд) выдерживать скачки напряжения сети до 400…450 В без повреждения понижающего трансформатора. Если уст­ройство будет эксплуатироваться только для защиты мало­мощных ламп накаливания, то R1 и VD1 (рис.3) можно не устанавливать. Также можно их не устанавливать, если ос­новная вторичная обмотка понижающего трансформатора под­ключена не к диодному выпрямителю, а к лампам накалива­ния, нагревательному элементу (электронож, электровыжигатель, миниатюрный низковольтный электропаяльник).

Все детали этой конструкции установлены на монтажной плате размерами 50×40 мм (см. рис.4). Монтаж навесной, при разработке печатной платы для этого устройства рас­стояние между дорожками и контактными площадками с боль­шой разностью потенциалов должно быть не менее 5 мм. Это уменьшит вероятность самовозгорания материала монтаж­ной платы из-за старения, повышенной влажности, негатив­ного воздействия микроорганизмов.

Рис. 4

В этом устройстве питающее напряжение также подает­ся на трансформатор со «ступенькой» величиной около 15 В.

Обе конструкции рассчитаны на максимальное действую­щее напряжение сети 420 В переменного тока, но кратковре­менно могут работать при напряжении сети до 450 В. Описан­ные выше устройства не предназначены для защиты устройств с импульсными сетевыми источниками питания, например, за­рядных устройств носимой мобильной аппаратуры, DVD-плее­ров, источников питания внешних жёстких дисков и т.п.

Детали

Дроссели могут быть малогабаритные промышленного из­готовления или самодельные индуктивностью от 33 мкГн, рас­считанные на соответствующий ток. Резисторы типа МЛТ, РПМ, С1-4, С1-14, С2-23. Под мощными резисторами жела­тельно просверлить вентиляционные отверстия диаметром 4 мм. Варистор FNR-07K391 можно заменить, например, FNR-10К391, MYG10-391.

Неполярные высоковольтные конденсаторы керамические импортные малогабаритные на рабочее напряжение от 1500 В или аналогичные отечественные. Конденсатор на 0,1 мкФ 630 В плёночный типа К73-17, К73-24 или аналог на рабо­чее напряжение постоянного тока не менее 630 В или пе­ременного не менее 275 В. Остальные неполярные конден­саторы малогабаритные плёночные на рабочее напряжение от 50 В. Оксидные конденсаторы типа К50-35, К50-68 или им­портные.

Диоды 1N4006 можно заменить 1N4005, 1N4007, 1N4937, КД243Д, Е, Ж, КД258Г или другими на соответствующий на­грузке ток и рабочее напряжение не менее 600 В. Диоды Шоттки SR360 можно заменить аналогичными по парамет­рам MBRD360, MBR360. Диоды 1SS244 можно заменить ди­одами КД102А, КД102Б, КД243Б, КД247А, 1N4003, UF4003, 1N4934, MUR120. Вместо диода Шоттки 1N5817 подойдёт 1N5818, 1N5819, SB120.

Вместо транзистора 2SC815 подойдут любые из серий 2SC1815, SS9014, КТ312, КТ315, КТ3102, КТ6111, КТ645. Вместо транзистора 2SA733 подойдут любые из SS9015, ВС558, КТ361, КТ3107, КТ6112. Желательно установить би­полярные транзисторы с одинаковым или близким коэффи­циентом передачи тока базы. Мощный n-канальный высо­ковольтный полевой транзистор КП707В2 можно заменить КП707В1, КП707Е1, IRFPE30, SSP3N80, BUZ80, BUZ80A, MTP3N60, IRF822. При работе с трансформаторами, ток в первичной обмотке которых при максимальной нагрузке пре­вышает 0,2 А, полевой транзистор надо установить на неболь­шой теплоотвод. Цоколевка некоторых из элементов устройства приведена на рис.5.

Рис. 5

Вместо тиристора КУ112А подойдёт КУ112АМ. Оптрон LTV817 можно заменить PC817 или аналогичным. Стабили­трон КС518 можно заменить аналогичным 1N4746A, TZMC-18. Тип используемого на месте VD10 стабилитрона зави­сит от выходного напряжения на вторичной обмотке транс­форматора при минимальном токе нагрузки и от того, на ка­кое максимальное напряжение сети будет настроен защит­ный узел. Вместо стабилитрона КС515Г можно применить 1N4744A. В качестве показательного примера защитный узел, собранный по схеме рис.1, работает с трансформатором про­мышленного изготовления типа ТП20-1. По параметрам ему близок известный трансформатор ТВК-110ЛМ. На месте Т1 мо­жет быть практически любой силовой трансформатор с выход­ным напряжением на одной из вторичных обмоток 5…40 В. При необходимости, диоды VD11-VD14 и конденсатор С9 ус­танавливают на большее рабочее напряжение.

Автор: Андрей Бутов, с. Курба, Ярославской обл.