1.1 Входной сетевой фильтр
Во время работы устройств с питанием от электросети, из этой самой сети по мимо электропитания, по проводам может поступать помеха. Это может быть синфазная, наведённая одновременно на фазу и на ноль, помеха от грозовых разрядов, от искрения троллейбусных проводов и прочих источников. А может быть и противофазная от щёток электроприборов, импульсных источников питания и т.д.
Для недопущения проникновения этих помех в цепи питаемого устройства, на входе таковых устанавливается сетевой фильтр, который в значительной степени ослабляет уровень этих помех.
Этот же фильтр выполняет и обратную функцию – не пускает помехи от питаемого устройства в сеть. Помехи эти могут поступать например от импульсных источников питания, щёток электромоторов, симисторных регуляторов и прочих узлов.
На рисунке 1 показан фильтр синфазной помехи реализованный на дросселе с двумя обмотками подключенными к сети одной стороной, например началом (обозначено точкой).
При таком включении ЭДС помехи(Еп) в верхней обмотке формирует ток IдифL, а в нижней IдифN, которые наводят ЭДС в связанных катушках, причём эти ЭДС получаются встречно включенными с ЭДС помехи, тем самым значительно её подавляя.
Если же одну из обмоток перевернуть, то получится эффективный фильтр противофазных помех, когда ЭДС самоиндукции гасит ЭДС синфазной помехи.
Добавив к таким дросселям конденсаторы на землю от линий питания, и между линиями. При использовании обоих типов дросселей, можно получить эффективные фильтры как внешних помех от сети, так и помех от устройства в сеть. Что то типа вот этого, рис. 2
1.2 Элементы токовой защиты.
С целью защиты как устройства от критического повреждения, так и пользователей от пожара, в устройства с электропитанием вводится защита от превышения тока потребляемого от сети устройством, или в схеме питания устройства таким образом может быть защищена часть схемы.
- Есть несколько способов токовой защиты, самый простой из которых это использование плавкого предохранителя – устройства, в котором находится проводник который при превышении тока перегревается и физически перегорает. Тем самым оставляя защищаемую схему без электропитания.
Ниже на рисунке 3 приведены некоторые типы предохранителей. Конструкция их заметно может отличаться, в зависимости от напряжений, токов, скорости срабатывания, условий эксплуатации и монтажа.
Основные параметры предохранителей это ток срабатывания в Амперах и максимальное разъединяемое напряжение, т.е. то напряжение которое возникает на его выводах в момент разрыва, перегорания предохранителя.
Эти параметры указываются на корпусе элемента.
Так же бывает важным и время срабатывания, есть так называемы «быстрые» предохранителе, с уменьшенным временем срабатывания, выглядят они как показано на рис 4.
Стоит отметить что плавкие предохранители относятся к медленно срабатывающим устройствам, и являются последним препятствием на пути больших проблем.
- Вместо предохранителей, часто можно встретить утончение токоведущих проводников на печатной плате, которое выполняет роль плавкого предохранителя, так же само перегорая при превышении тока в цепи.
- Для защиты, в основном маломощных цепей, иногда применяют не предохранитель, а так называемые FUSE резисторы. Они так же как и предохранители, сгорают при превышении установочной мощности, и при этом ограничивают броски тока, например в импульсных источниках питания. Вот, R77 сопротивлением 100 Ом, например в схеме электронного модуля стиральных машин Zanussi, рис.5
Если происходит пробой ключа в ШИМ контроллере, или коротыш в сетевом конденсаторе C31, то возникший большой ток приводит к резкому увеличению тепловой мощности на резисторе, который от этого сгорает.
Ранее приведённые специальные элементы токовой защиты, как и схемные решения, срабатывают один раз и затем требуется ремонт устройства. Но есть и многоразовые защитные элементы и схемные решения. К ним относятся самовосстанавливающиеся предохранители, защитные выключатели и схемные решения с термисторами.
- Самовосстанавливающиеся предохранители построены на основе PTC термисторов выполненных из полимера с вкраплением графита, сопротивление которых резко возрастает при достижении определённой температуры, обычно около 120 °С. При превышении установленного значения максимального тока, из-за внутреннего разогрева, сопротивление предохранителя начинает расти. Это приводит к увеличению падения напряжения и соответственно выделяемой мощности, которая ещё сильнее нагревает предохранитель. Так процесс нарастает лавинно, график на рис. 6
Такие предохранители выпускаются в выводном исполнении и для поверхностного монтажа.
Стоит отметить, что количество срабатываний таких приборов ограничено, и с каждым таким событием сопротивление в рабочем состоянии будет расти, что рано или поздно потребует замены предохранителя, т.к. он начнёт отключать нагрузку при номинальном токе. К тому же параметры предохранителя «плывут» со временем, что то же начинает приводить к поломкам из за неисправности цепей токовой защиты.
С такой проблемой массово столкнулись в некоторых моделях роботов пылесосов, где устройство могло поработать какое то время, а потом просто встать, как будто из него выдернули аккумулятор, и так до тех пор пока хотя бы на секунду не подключишь к зарядке…
- Так же встречаются контактные многоразовые предохранители, которые отключают цепь при нагреве от протекающего тока или от внешнего нагрева.
- Помимо этого есть схемы с применением PTC термисторов, которые включены в цепь питания, и при превышении тока просто разогреваются и ограничивают ток в защищаемой цепи, как RK1 вот на этой схеме рис.7
Такое схемное решение позволяет при превышении тока из за повреждения какого либо из элементов, на практике защитить от разрушения другие. Особенно интересно получается схема защиты от скачков напряжения с варисторами, но это позже.
- Отдельно стоит отметить схему плавного пуска, плавного заряда конденсаторов, которая выполнена так же как и токовая защита на основе терморезисторов с положительным ТКС, только применяются терморезисторы с отрицательным ТКС (NTC). При этом в начальный момент времени, пока термистор холодный, его сопротивление велико и заметно ограничивает например ток заряда сетевых конденсаторов. Затем, по мере нагрева от протекающего через термистор тока, он нагревается и его сопротивление снижается, до уровня мало ограничивающего протекание тока. Таким образом обеспечивается мягкая зарядка конденсаторов, без риска пробития диодного моста.
1.3 Элементы защиты от перенапряжения.
С целью защиты устройств от повреждения из-за превышения величины питающего сетевого напряжения, или части схемы устройства от превышения напряжений формируемых источником питания при его поломке, в схемы как самих источников вводятся элементы защиты от перенапряжения.
К таковым зачастую относятся варисторы, супрессоры, стабилитроны, разрядники и целые защитные схемы, например на симисторах.
Разрядники– газонаполненные или вакуумные приборы, которые под действием высокого напряжения пробиваются и принимают на себя энергию импульса перенапряжения. Обычно применяются для снятия статики и наводок от грозового разряда.
Иногда разрядники выполняются в виде рисунка проводников на печатной плате, как на этом рисунке:
Варистор – это резистор с сопротивлением зависящим от приложенного к нему напряжения. При достижении напряжением на его выводах, определённого значения, называется характеристическое напряжение, сопротивление варистора начинает резко снижаться, и в его цепи начинает протекать ток, стремительно увеличивающийся с ростом напряжения. Что в конечном итоге приводит к перегоранию элементов токовой защиты.
Варисторы могут применяться как с предохранителями, так и с терморезисторами, или даже всё это вместе, и тогда работа схемы будет завесить от скорости нарастания напряжения выше допустимого. На рисунке 10 показано типовое применение варистора, рассмотрим работу схемы:
При медленном росте напряжения варистор начинает проводить ток на пиках полупериодов когда их амплитуда достигает 470В, что по мере роста увеличивает ток от сети, который проходит через PTC терморезистор R23 и разогревает его, с последующим ростом его сопротивления, что далее приведёт к тому, что на сопротивлении R23 станет падать больше напряжения и тем самым напряжение на выходе не превысит предельный уровень.
Если же входное напряжение быстро переваливает за характеристическое у варистора, то термистор нагреться не успеет, и через варистор станет протекать ток больший чем ток сработки предохранителя F1, и предохранитель перегорает, размыкая цепь питания.
Несколько раз, в практике ремонта, создавал для питания слаботочной части электроплит схему многоразовой защиты от скачков и постоянно завышенного напряжения. Результат оказался положительным - устройства многократно выдерживали перепады напряжения и на ремонт более не попадали. Подробней можно почитать вот тут:
Супресоры, TVS диоды – по факту представляют собой стабилитроны, с повышенной импульсной мощностью. Бывают однонаправленные и двунаправленные. Последние, по ВАХ, очень похожи на варисторы, только с более крутой областью пробоя, и со значительно большим быстродействием. К тому же обладают многократно меньшей собственной ёмкостью, что позволяет их использовать как в силовых цепях, так и в сигнальных. Атак же в качестве демпферов в ИИП, как VD3 рис.12.
1.4 Выходные фильтры питания.
После выпрямления и стабилизации, в питающем напряжении, зачастую присутствуют пульсации которые требуется минимизировать. Для этого используют выходные фильтры питания.
В большинстве случаев они представлены просто конденсаторными фильтрами, рис 13. В которых есть электролитические конденсаторы большой ёмкости C8, фильтрующие низкочастотные пульсации. И малой ёмкости C4, но с малым индуктивным сопротивлением – керамические или плёночные, для фильтрации ВЧ составляющих пульсаций.
Но когда требуется меньший уровень пульсаций или большая мощность, применяются LC фильтры, как на рис.14 C9L2C11: