Для надёжной защиты ценной бытовой аппаратуры от повышенного напряжения в сети требуется быстродействующее устройство, которое можно подключить к любой сетевой розетке. Если напряжение в сети относительно стабильно, а перенапряжения случаются редко, и только в аварийных ситуациях, то задача стабилизации напряжения перед таким устройством не ставится. Его можно выполнить по простейшей схеме с минимальным собственным потреблением тока от электросети. Органов управления у него не должно быть много. Они не должны быть доступными детям и неквалифицированным пользователям, которые могут по неосторожности или неопытности нарушить регулировку.
Современные дома всё более насыщаются электронной аппаратурой, в большинстве случаев требующей больших расходов на восстановление после отказа. Чаще всего её повреждение - следствие чрезмерного повышения напряжения в электросети. Оно бывает вызвано различными авариями, неравномерной нагрузкой фаз и грозовыми явлениями. Применять стабилизатор напряжения сети для питания аппаратуры, имеющей свои стабилизированные блоки питания (что характерно для всей современной электронной аппаратуры), совершенно нецелесообразно. К тому же для всех дешёвых стабилизаторов сетевого напряжения характерно время реакции на его изменение не менее трёх-четырёх полупериодов синусоиды. За это время чувствительные к перенапряжению полупроводниковые компоненты электронных приборов вполне могут быть повреждены. Широко известные и массово производимые реле напряжения предназначены, главным образом, для установки в щиток электропитания и, имея ещё большее время реакции, плохо защищают электронную аппаратуру. К тому же при срабатывании они обесточивают всю квартиру или иное помещение.
Основа предлагаемого устройства - автоматический предохранитель ST101E или BK-1-10. Такие обычно устанавливают в сетевых удлинителях, разветвителях, источниках бесперебойного питания и другой аппаратуре. Этот предохранитель содержит биметаллическую пластину, изгибающуюся при нагреве текущим через неё током и нажимающую на контактную пружину, разрывающую электрическую цепь. Для возврата сработавшего предохранителя в замкнутое состояние нужно нажать на имеющуюся на нём кнопку.
К этому предохранителю я добавил самодельный электромагнит, срабатывающий при превышении мгновенным напряжением в сети максимального допустимого значения и нажимающий на контактную пружину автоматического выключателя. Чтобы вернуть его в исходное состояние, нужно нажать на кнопку. Нужно сказать, что способность автоматического выключателя разрывать цепь при превышении номинального для него тока полностью сохранена. В результате получен расцепитель с внешним управлением, отличающийся наличием токовой защиты и высоким быстродействием.
Рис. 1. Схема управления электромагнитом
Схема управления электромагнитом изображена на рис. 1. На подстроечном резисторе R1 выделяются вершины выпрямленной диодным мостом VD1 сетевой синусоиды, превышающие сумму напряжений стабилизации стабилитронов VD2-VD5 и прямых падений напряжения на светодиоде HL1 и диодах выпрямительного моста. Как только напряжение, снимаемое с движка подстроечного резистора, превысит пороговое напряжение симметричного динистора VS1, последний открывается и формирует импульс, открывающий мощный симистор VS2. Обмотка электромагнита оказывается напрямую подключена к сети, в результате чего он срабатывает. Его якорь через толкатель нажимает на контактную пружину автоматического предохранителя QS1. Обмотка электромагнита YA1 и розетка XS1 с подключённым к ней потребителем электроэнергии оказываются обесточенными.
Тип подстроечного резистора R1 - CA9V. Перемещая его движок, регулируют напряжение срабатывания устройства. Конденсатор C1 сглаживает кратковременные случайные выбросы напряжения, предотвращая ложные срабатывания, в том числе в момент подключения устройства к сети.
Эскиз сборки автоматического выключателя QS1 с электромагнитом YA1 показан на рис. 2.
Рис. 2. Эскиз сборки автоматического выключателя QS1 с электромагнитом YA1
Здесь обозначено:
1 - заклёпка;
2 - статор электромагнита;
3 - щёчки каркаса обмотки;
4 - якорь электромагнита;
5 - толкатель;
6 - стержни-магнитопроводы;
7 - обмотка электромагнита;
8 - диэлектрическая прокладка;
9 - кнопка возврата;
10 - втулка с резьбой;
11 - корпус предохранителя;
12 - крышка корпуса;
13 - подвижный контакт;
14 - неподвижный контакт;
15 - стеклотекстолитовая шторка;
16 - вывод.
Его изготовление начинайте с разборки автоматического выключателя. Для этого высверлите расклёпанные части трёх обычно пластмассовых, но иногда алюминиевых заклёпок, стягивающих корпус 11 с крышкой 12. Одна из заклёпок находится между выводами 16, а две другие - по углам правой (по рис. 3) части корпуса 11. Ещё две алюминиевые заклёпки 1, фиксирующие выводы 16 предохранителя, трогать не следует. Затем с помощью ножа раздвиньте корпус 11 и его крышку 12 и аккуратно снимите её.
Найдите на биметаллической пружине подвижного контакта 13 точку, показанную крестом на рис. 3, и строго под ней просверлите в корпусе 11 отверстие. В него должен легко входить толкатель 5, сделанный из отрезка толстой капроновой рыболовной лески или струны для теннисной ракетки. При срабатывании электромагнита толкатель раздвигает подвижный и неподвижный контакты, размыкая цепь. В образовавшуюся щель не показанная на эскизе пружина вводит шторку 15, предотвращющую замыкание контактов после обесточивания обмотки 7 электромагнита. Одновременно кнопка 9 выдвигается наружу - это сигнализирует о срабатывании.
Рис. 3. Автоматический выключатель
Завершив доработку, крышку 12 автоматического выключателя можно установить на место, вставив остатки пластмассовых заклёпок в оставшиеся от них отверстия корпуса 11. Если заклёпки были алюминиевыми, нужно вставить в отверстия аналогичные заклёпки подходящей длины и диаметра и расклепать их. Если желательно оставить предохранитель разборным, вместо заклёпок можно применить винты М2,5 с гайками.
Якорь 4 и статор 2 электромагнита изготовлены из отожжённой стальной тарной ленты 20x1 мм. При их сочленении зазоры между боковыми плоскостями должны быть минимальными. Стержни-магнитопроводы 6 - отрезки мягкой стальной проволоки диаметром 5 мм. Они вставлены на клею в отверстия стеклотекстолитовых щёчек 3 и расчеканены в них. Для изоляции от обмотки 7 стержни 6 покрыты двумя слоями лака. Обмотка намотана проводом ПЭВ-2 диаметром 0,1 мм до заполнения каркаса. Её сопротивление постоянному току - около 50 Ом.
Внешний вид статора электромагнита с обмоткой показан на рис. 4. Электромагнит в сборе с автоматическим выключателем изображён на рис. 5. Лента из лакоткани, наклеенная на наружные поверхности якоря и статора, предотвращает выпадение якоря.
Рис. 4. Внешний вид статора электромагнита с обмоткой
Рис. 5. Электромагнит в сборе с автоматическим выключателем
Рис. 6. Устройство собрано в корпусе розетки с выключателем
Устройство собрано в корпусе розетки с выключателем (рис. 6), включаемой в обычную сетевую розетку. Выключатель удалён, а оставшееся от него окно закрыто пластиковой пластиной. Рядом с ней просверлено отверстие для светодиода HL1. Слева видна фирменная наклейка, под которой имеется отверстие для доступа к подстроечному резистору R1. Внутри корпуса удалены все мешающие перегородки и выступы. Кнопка 9 (см. рис. 2) выведена в нижней части корпуса. Помещённая внутри него плата электронного узла имеет размеры 50x30 мм. Размещение элементов на ней показано на рис. 7. Их монтаж - проводной. Конденсатор C1 припаян непосредственно к контактам розетки XS1.
Рис. 7. Размещение элементов на плате электронного узла
Для налаживания устройства нужен лабораторный автотрансформатор (ЛАТР). Однако можно обойтись и без него, используя силовой трансформатор мощностью около 300 Вт от лампового телевизора. Соединяя одну или несколько его вторичных обмоток последовательно синфазно с первичной, можно получить переменное напряжение до 250...255 В, что соответствует максимальному по ГОСТ напряжению в сети. Большее пороговое напряжение устанавливать не рекомендуется.
Перед началом налаживания движок подстроечного резистора R1 установите в нижнее по схеме положение. Затем подайте на вход устройства (вилку XP1) заранее установленное напряжение, равное желаемому пороговому. Медленно вращайте движок подстроечного резистора до момента срабатывания электромагнита YA1 и автоматического предохранителя QS1. На этом налаживание можно считать законченным.
Рис. 8. Стенд для проверки быстродействия изготовленного устройства
Для проверки быстродействия изготовленного устройства я собрал стенд по изображённой на рис. 8 схеме. Конденсаторы C1-C3 в нём полиэтилентерефталатные К73-11 (CL20) или аналогичные. Вольтметр PV1 должен быть цифровым с входным сопротивлением не менее 5 МОм. В качестве батареи GB1 использовались два или три литиевых аккумулятора.
Вилка XP1 устройства защиты была вставлена в розетку XS1 стенда, а розетка XS1 устройства оставлена свободной. Прежде чем включить вилку XP1 стенда в сеть, движок подстроечного резистора R1 устройства был установлен в нижнее по схеме положение, а конденсаторы С1-С3 стенда разряжены с помощью временно наложенной на их выводы перемычки.
Замкнув выключатель SA1 и вставив вилку XP1 стенда в сетевую розетку, я медленно вращал движок подстроечно-го резистора до срабатывания устройства и замечал первое после срабатывания показание вольтметра PV1. Оно равно напряжению, до которого зарядились через резистор R4 конденсаторы С1-С3 за время протекания тока через резистор R1, т. е. с момента открывания симистоpаVS1 до момента размыкания контактов автоматического выключателя QS1. Предположив, что напряжение на конденсаторах UC нарастает линейно, я подсчитал время срабатывания защиты tср в секундах по формуле
tср = R4·C·UC/Uбат
где C - суммарная ёмкость конденсаторов C1-C3, Ф; UC - напряжение на конденсаторах сразу после срабатывания защиты, В; Uбат - напряжение батареи GB1, В. Сопротивление резистора R4 подставляют в формулу в омах. Получено усреднённое за несколько измерений значение времени срабатывания 3 мс.
Такое высокое быстродействие объясняется отсутствием холостого хода и малым (1...2 мм) рабочим ходом якоря электромагнита. Кроме того, его воздействие на размыкающиеся контакты - ударное благодаря многократной перегрузке обмотки электромагнита, на которую поступает напряжение, близкое к амплитудному значению сетевого. Она выдерживает этот режим лишь по причине его кратковременности.
Примечание.При длительном отсутствии срабатываний разделённые минимальным зазором поверхности статора и якоря электромагнита могут загрязниться или покрыться ржавчиной. По этой причине в аварийной ситуации якорь может заклинить и отключения не произойдёт. В результате оставшаяся надолго под током обмотка электромагнита перегреется и сгорит. Поэтому последовательно с ней нужно включить термопредохранитель, прижатый к обмотке.
Автор: А. Васильев, г. Санкт-Петербург