Очень часто аппаратура выходит из строя в момент включения её в сеть. Происходит это из-за импульсных бросков тока в блоке питания с мощным сетевым трансформатором и сглаживающими пульсации конденсаторами большой емкости. Присуще это негативное явление и современным импульсным блокам питания. Очень большие броски тока получаются при включении в сеть индуктивной нагрузки (действительно в первоначальный момент еще не действует э.д.с. самоиндукции и ток определяется омическим сопротивлением обмотки). Обычный метод уменьшения бросков тока - это установка мощных низкоомных сопротивлений. При этом необходимо определить оптимальную величину сопротивлений, сделать устройство слежения за переходными процессами, возникающими при включении устройства в сеть, затем блокировать ограничительный резистор. С одной стороны ограничительный резистор должен быть высокоомным (для уменьшения бросков тока), а с другой стороны импульсный блок питания может выйти из строя (из-за пониженного напряжения на ключевом транзисторе этого блока питания). Существует ещё один метод уменьшения бросков тока. Для этого необходимо ставить терморезисторы, но они, как правило, маломощные. Кроме этого они не обеспечивают защиты блока питания при периодически повторяющихся ПРОПАДАНИИ и ПОЯВЛЕНИИ сетевого напряжения. Вывод – необходимо устройство, обеспечивающее быстрое приведение в исходное состояние системы ограничения бросков тока. Устройство должно быть автономным, т.е. независимость от защищаемого устройства. Это позволит встроить его в любое любительское или промышленное изделие. Существует много устройств для «плавного» пуска нагрузки в электросети, однако большинство из них не способны быстро возвратиться к исходному состоянию. Когда напряжение сети исчезает и быстро вновь появляется – то оказывается, что устройство не обладает быстрым самовозвратом. Как правило, в подобных устройствах используются электромагнитные реле или тиристоры. Реле требуют большую мощность управляющих сигналов и имеют низкое быстродействие. Тиристоры плохо работают с нагрузкой, потребляемый ток которых сравним с током удержания тиристора. Кроме этого тиристоры создают помехи (если момент включения не совпадает с моментом перехода сетевого напряжения через нуль). Мощные полевые транзисторы позволяют устранить эти недостатки. На рис. 1. представлена принципиальная электрическая схема устройства для «плавного» пуска нагрузки в электросеть с использованием мощных полевых транзисторов причем сами полевые транзисторы работают как стабилизатор тока (низкоомные резисторы не требуются). Питается устройство от сети переменного тока (от одной из фаз). Выпрямитель VD1 питается через конденсатор С1, емкостное сопротивление которого ограничивает величину потребляемого тока. Резистор R1 разряжает конденсатор С1 после отключения от сетевого напряжения, а дроссель L1 ограничивает зарядный ток конденсатора С1. В [1] рассмотрена задача ограничения броска зарядного тока конденсаторов: вывод необходимо ставить малогабаритный высокочастотный дроссель. Важным дополнительным преимуществом применения дросселя является ослабления высокочастотных помех, проникающих из сети. Использование низкоомного токоограничительного резистора приводило к его обрыву. Стабилитрон VD2 ограничивает напряжение питания уровнем в 15В. Максимальный ток стабилизации этого стабилитрона 500мА. Если необходимо питать устройство от другого напряжения, то нужно пересчитать величину конденсатора С1. Цепочка R4C4VD4 служит для установки RS- триггера (DD1.2,DD1.3) в исходное состояние в случае первоначального запуска и последующих пропаданий напряжения сети. Диод VD4 служит для быстрой разрядки конденсатора С4. В момент включения устройства (а также при пропадании напряжения сети) на выводе 8 логического элемента DD1.2 появляется уровень нулевого напряжения. Для логического элемента «2И-НЕ» приоритетный сигнал - уровень нуля. Особенностью RS-триггера является то, что он срабатывает от первого нулевого импульса, а на остальные не реагирует. Интегрирующая цепь R2C3VD3 создает временную задержку на включение, порядка 3 сек. В первоначальный момент заряд конденсатора С3 идет через резистор R2, от выпрямителя VD1. В случае пропадания сетевого напряжения диод VD3 быстро разряжает конденсатор С3. Таким образом, через 3 сек. на выходе логического элемента DD1.1 появляется уровень нуля. Итак, в исходный момент на выводе 8 DD1.2 уровень нуля, а на выводе 13 DD1.3 уровень единицы. Такому состоянию входных сигналов RS-триггера соответствует то, что на выводе 10 будет уровень единицы, транзистор VT1 открыт. Светодиод оптрона U1 светит и открывает свой фототранзистор. Этот фототранзистор подключает резистор R10 параллельно резистору R11, в результате чего выходное напряжение стабилизатора VR1 снижается до уровня установленного резистором R11. Электронный ключ открыт, и напряжение сети поступает на нагрузку через транзисторы VT2,VT3, но ток нагрузки будет ограничен. После заряда конденсатора С4 на выводе 8 DD1.2 присутствует уровень единицы. Единичные сигналы на обоих входах RS-триггера соответствуют режиму хранения информации триггера. Через 3 секунды на выводе 13 DD1.3 появляется уровень нуля, триггер переворачивается и подает низкий уровень на транзистор VT1. Транзистор закрывается, и светодиод микросхемы U1 гаснет, а, следовательно, закрывается фототранзистор. Резистор R11 отключается от резистора R10, выходное напряжение стабилизатора VR1 увеличивается, каналы транзисторов VT2,VT3 полностью открываются (напряжение сети без ограничения тока поступает на нагрузку). В случае кратковременного пропадания сети на конденсаторе С4 сформируется уровень нуля, триггер вернется в первоначальное состояние и подаст высокий уровень на транзистор VT1 а, следовательно, включит резистор R11 параллельно резистору R10. Выходное напряжение стабилизатора VR1 уменьшится, в результате чего произойдет ограничение тока нагрузки транзисторами VT2,VT3, так как уменьшится управляющее напряжение (между затвором и истоком). По истечению выдержки времени в 3 сек. триггер перевернется и транзисторы VT2,VT3 полностью откроются. Временную задержку можно изменить путем изменения постоянной времени интегрирующей цепи R2C3. В правой части рис.1 представлена принципиальная схема электронного ключа на полевых транзисторах с оптической развязкой цепей управления и силовой. Работает электронный ключ следующим образом. Учтем, что защитные диоды полевых транзисторов включены катодом к стоку. В исходном состоянии каналы полевых транзисторов закрыты (нет питания). Пусть положительная полуволна сетевого напряжения присутствует на выводе N. Ток проходит через резистор R12, стабилитрон VD7, защитный диод полевого транзистора VT2, фаза А. На стабилитроне VD7 возникает падение напряжения в 12В и через диод VD6 заряжается конденсатор С5. При отрицательной полуволне сетевого напряжения на выводе N устройство не получает питания, так как защитный диод полевого транзистора VT2 закрыт. Транзисторы VT2,VT3 открыты и нагрузка получает питание. Ток нагрузки проходит через открытый канал транзистора VT2, открытый канал транзистора VT3 и его защитный диод (для случая- на фазе А положительная полуволна сетевого напряжения). При отрицательной полуволне на фазе А ток нагрузки проходит через открытый канал транзистора VT2 и его открытый защитный диод, открытый канал транзистора VT3 (защитный диод закрыт). Рассмотрим, как получает питание устройство при открытых каналах транзисторов VT2,VT3. Пусть на фазе А действует положительная полуволна. Ток проходит через открытый канал транзистора VT2(защитный диод закрыт), стабилитрон VD7 (падение напряжение на нем 0,7В), резистор R12, вывод N. На фазе А действует отрицательная полуволна. Ток проходит через открытый канал транзистора VT2 и его открытый защитный диод, стабилитрон VD7 (падение на нем 12В), резистор R12, вывод N. При использовании устройства совместно с индуктивной нагрузкой, между стоками транзисторов VT2-VT3 необходимо установить диод 1,5КЕ400СА, защищающий их от всплесков напряжения, возникающих на индуктивной нагрузке при её коммутации. Светодиод VD5 осуществляет индикацию работы силового ключа. Если ключ ограничивает ток нагрузки, то светодиод светит тускло, а без ограничения ярко. Печатная плата устройства имеет размер 122мм *41мм и представлена на рис.2. Устройство проверено в работе, причем сетевое напряжение изменялось в диапазоне от 120В до 270В. Если такой широкий диапазон не нужен, то емкость конденсатора С1 можно уменьшить вдвое. Транзисторы VT2,VT3 выбирают исходя из величины рабочего тока установки, и их необходимо ставить на радиаторы. Например, транзистор IRFP37N50A имеет максимальный ток 37А, максимальное напряжение исток-сток 500В. Соединительные провода к затвору и истоку транзисторов делают в виде витой пары. Для лучшего охлаждения радиаторов силовых транзисторов их можно обдувать воздухом вентилятора от компьютера, который запитать от конденсатора С6.
1. Уменьшение пульсаций в блоке питания с емкостным
балластом. Схемотехника №6, 2005г., с.16-18.
