Предлагаемое электронное реле автоматически отключит потребителей электроэнергии от сети, если напряжение в ней стало ниже 180 В или выше 250 В, и подключит их обратно после восстановления нормального напряжения. При самостоятельной сборке оно обойдётся значительно дешевле аналогов промышленного изготовления.
Схема реле контроля напряжения показана на рис. 1. Через диод VD1 положительные полупериоды сетевого напряжения поступают на два делителя напряжения, причём верхнее плечо каждого из них составлено из трёх резисторов (R1-R3 и R8-R10), соединённых последовательно. Это нужно для того, чтобы падение напряжения на каждом из резисторов не превысило допустимого для них значения даже при аварийном повышении напряжения в сети до 400 В (например, при обрыве нулевого провода на его вводе в дом).
Рис. 1. Схема реле контроля напряжения
Делитель на резисторах R1-R4 использован в узле обнаружения выхода сетевого напряжения за нижний допустимый предел, который устанавливают подстроечным резистором R4. Делитель на резисторах R8-R11 работает в узле контроля верхнего предела сетевого напряжения, устанавливаемого подстроечным резистором R11.
Интегральные параллельные стабилизаторы напряжения TL431CZ (DA1 и DA2) использованы здесь не по прямому назначению. Они служат пороговыми устройствами. Если напряжение, поданное на управляющий электрод такого стабилизатора, меньше внутреннего образцового напряжения 2,5 В, то его участок анод-катод закрыт, а если больше - открыт.
Поскольку на управляющие электроды стабилизаторов в рассматриваемом случае поступают через диод VD1 только положительные полупериоды сетевого напряжения, то постоянное напряжение на катодах стабилизаторов будет примерно равно напряжению питания при амплитуде пульсаций меньше порога, и уменьшается до 2 В, когда она больше порога.
Хочу сразу отметить, что обычным мультиметром измерить амплитуду пульсирующего напряжения на управляющих электродах стабилизаторов нельзя. Поэтому для регулировки порогов приходится подавать на вход устройства сетевое напряжение через лабораторный регулируемый автотрансформатор (ЛАТР). Поочерёдно устанавливая с его помощью это напряжение равным нижнему (обычно 180 В) и верхнему (обычно 250 В) допустимым пределам, находят такие положения движков подстроечных резисторов (соответственно R4 и R11), при которых на выводах 8 и 9 логического элемента DD1.4 начинают появляться импульсы. В полностью собранном устройстве регулировку можно производить и без контроля появления импульсов по гашению светодиода HL1.
В исходном состоянии, когда напряжение сети в норме, на управляющем входе стабилизатора DA2 напряжение не превышает 2,5 В. Поэтому на катоде DA2 и на выводе 8 элемента DD1.4 действует высокий логический уровень напряжения. При этом на катоде стабилизатора DA1 и на входах элемента DD1.2 напряжение ниже порога переключения последнего благодаря сглаживающему действию конденсатора C3. На выходе элемента DD1.2 и на выводе 9 элемента DD1.4 уровень напряжения высокий. Значит, на выходе элемента DD1.4 уровень низкий и транзистор VT1 закрыт.
Конденсаторы C1 и C2 заряжаются через резистор R7. Приблизительно через 5 с после начала их зарядки напряжение на входах элемента DD1.1 достигает порога его переключения. Это приводит к установке на его выходе низкого уровня, а на выходе элемента DD1.3 - высокого. Через резистор R13, светодиод HL1, излучающий диод оптрона U1 течёт ток. Фотосимистор оптрона, открываясь в каждом полупериоде сетевого напряжения, открывает и симистор VS1. Потребители подключены к сети. Светодиод HL1, сигнализируя об этом, включён.
При напряжении в сети выше 250 В периодически открывается стабилизатор DA2. В этот момент на выводе 8 элемента DD1.4 появляется низкий логический уровень. На выходе этого элемента он проинвертирован и открывает транзистор VT1. Конденсаторы C1 и C2 быстро разряжаются через резистор R5 и открытый транзистор. Это приводит к установке низкого уровня на выходе элемента DD1.3 и прекращению тока в цепи светодиода HL1 и излучающего диода оптрона U1. Теперь светодиод HL1 погашен, а оптосимистор оптрона и симистор VS1 больше не открываются. Потребители отключены от сети.
Как только сетевое напряжение возвратится в допустимые пределы, стабилизатор DA2 закроется. Это приведёт к закрыванию транзистора VT1, и приблизительно через 5 с потребители будут подключены к сети.
При сетевом напряжении ниже 180 В прекратит открываться стабилизатор DA1. Конденсатор C3 зарядится до напряжения питания, что переключит элемент DD1.2 в состояние с низким уровнем на выходе. Поскольку таким же будет уровень на выводе 8 элемента DD1.4, на выходе этого элемента он станет высоким. Это откроет транзистор VT1 и, как уже было описано, приведёт к отключению потребителей от сети.
Симистор BT138-600 (VS1) рассчитан на ток до 12 А. При коммутации нагрузки мощностью до 150 Вт он практически не нагревается. Но если мощность больше, ему обязательно нужен теплоотвод. Поэтому симистор размещён на краю печатной платы для возможности уста новки теплоотвода.
В состав описываемого реле контроля напряжения входит источник питания его электронных узлов, схема которого изображена на рис. 2. Конденсатор C4 гасит избыток сетевого напряжения, резисторы R18 и R20 ограничивают ток его первоначальной зарядки, диодный мост VD2 выпрямляет ток. Резисторы R16, R17 и R19 служат для разрядки конденсатора C4 после выключения питания. Их - три, по причине, описанной ранее.
Рис. 2. Схема источника питания электронных узлов
Транзисторы VT2, VT3 и параллельный стабилизатор TL431CZ (DA3), который здесь использован по своему прямому назначению, обеспечивая постоянную нагрузку моста VD2-VD5, поддерживают на входе интегрального стабилизатора DA4 напряжение 13 В. Его точное значение устанавливают подстроечным резистором R21. Напряжение 9 В с выхода стабилизатора питает электронное реле.
Работа этого источника питания проверена при сетевом напряжении от 100 до 270 В. Подать на него более высокое напряжение мне не позволил имеющийся ЛАТР.
Печатная плата (рис. 3) изготовлена методом термопереноса рисунка печатных проводников на медное покрытие фольгированного с одной стороны текстолита. На её свободную от фольги сторону тем же методом нанесены позиционные обозначения элементов и пояснительные надписи.
Рис. 3. Печатная плата
Расположение деталей на печатной плате показано на рис. 4. Конденсатор C4 - плёночный на постоянное напряжение 630 В. Но с учётом возможности значительного повышения напряжения в сети лучше использовать конденсатор не менее чем на 1000 В постоянного или 400 В переменного напряжения. Резисторы R5, R14, R15, R18 и R20 - МЛТ или подобные указанной на схеме мощности, остальные конденсаторы и постоянные резисторы - типоразмера 1206 для поверхностного монтажа. Подстроечные резисторы - 3296. На плате предусмотрены крепёжные отверстия для теплоотвода транзистора VT3. Тип теплоотвода - HS 205-30, размеры - 30x33,5x12,5 мм.
Рис. 4. Расположение деталей на печатной плате
Транзистор IRLML0030TR можно заменить другим маломощным полевым n-канальным с изолированным затвором. Вместо диодов FR207 подойдут любые выпрямительные с допустимым обратным напряжением не менее 600 В. Светодиод HL1 - любой, желательно зелёного свечения.
Поскольку найденное при налаживании устройства положение движков подстроенных резисторов в процессе эксплуатации может быть случайно изменено, я рекомендую после налаживания заменить каждый из этих резисторов парой постоянных. Суммарное сопротивление каждой пары должно быть равно введённому сопротивлению заменяемого подстроечного резистора.
Самодельное реле контроля напряжения не имеет, естественно, никаких сертификатов соответствия предъявляемым к таким устройствам требованиям. Поэтому его недопустимо устанавливать в подъездных электрических шкафах, общедомовых вводно-распределительных устройствах и других подобных местах. Но для собственного дома, гаража, дачи, квартиры оно вполне подойдёт. В связи с тем, что все его детали имеют гальваническую связь с электросетью, при налаживании и эксплуатации этого реле следует соблюдать осторожность и не прикасаться руками и инструментом с неизолированными ручками к деталям и печатным проводникам, пока оно не отключено от сети.
Автор: А. Гусев, г. Муром Владимирской обл.