Устройство защиты от перенапряжения

/ ЗАЩИТА ОТ ПЕРЕНАПРЯЖЕНИЙ

Защита электронных устройств от перенапряжения

Для защиты радиоэлектронного оборудования традиционно применяют плавкие предохранители. Обычно в них используют тонкие неизолированные проводники калиброванного сечения, рассчитанные на заданный ток перегорания. Наиболее надежно эти приспособления работают в цепях переменного тока повышенного напряжения. С понижением рабочего напряжения эффективность их применения снижается. Обусловлено это тем, что при перегорании тонкой проволоки в цепи переменного тока возникает дуга, распыляющая проводник. Предельным напряжением, при котором может возникнуть такая дуга, считается напряжение 30. 35 B. При низковольтном питании происходит просто плавление проводника. Процесс этот занимает более продолжительное время, что в ряде случаев не спасает современные полупроводниковые приборы от повреждения. Тем не менее, плавкие предохранители и поныне широко используют в низковольтных цепях постоянного тока, там, где от них не требуется повышенное быстродействие. Там, где плавкие предохранители не могут эффективно решить задачу защиты радиоэлектронного оборудования и приборов от токовых перегрузок, их можно с успехом использовать в схемах защиты электронных устройств от перенапряжения. Принцип действия этой защиты прост: при превышении уровня питающего напряжения срабатывает пороговое устройство, устраивающее короткое замыкание в цепи нагрузки, в результате которого проводник предохранителя плавится и разрывает цепь нагрузки. Метод защиты аппаратуры от перенапряжения за счет принудительного пережигания предохранителя, конечно, не является идеальным, но получил достаточно широкое распространение благодаря своей простоте и надежности. При использовании этого метода и выбора оптимального варианта защиты стоит учитывать, насколько быстродействующим должен быть автомат защиты, стоит ли пережигать предохранитель при кратковременных бросках напряжения или ввести элемент задержки срабатывания. Желательно также ввести в схему индикацию факта перегорания предохранителя. Простейшее защитное устройство, позволяющее спасти защищаемую радиоэлектронную схему, показано на рис. 1. При пробое стабилитрона включается тиристор и шунтирует нагрузку, после чего перегорает предохранитель. Тиристор должен быть рассчитан на значительный, хотя и кратковременный ток. В схеме совершенно не допустимо использование суррогатных предохранителей, поскольку в противном случае могут одновременно выйти из строя как защищаемая схема, так и источник питания, и само защитное устройство.

Рис. 1. Простейшая защита от перенапряжения

Рис. 2. Помехозащищенная схема защиты нагрузки от превышения напряжения

Усовершенствованная схема защиты нагрузки от превышения напряжения, дополненная резистором и конденсатором, показана на рис. 2. Резистор ограничивает предельный ток через стабилитрон и управляющий переход тиристора, конденсатор снижает вероятность срабатывания защиты при кратковременных бросках питающего напряжения. Следующее устройство (рис. 3) защитит радиоаппаратуру от выхода из строя при случайной переполюсовке или превышении напряжения питания, что нередко бывает при неисправности генератора в автомобиле. При правильной полярности и номинальном напряжении питания диод VD1 и тиристор VS1 закрыты, и ток через предохранитель FU1 поступает на выход устройства.

Рис. 3. Схема защиты радиоаппаратуры с индикацией аварии

Если полярность обратная, то диод VD1 открывается, и сгорает предохранитель FU1. Лампа EL1 загорается, сигнализируя об аварийном подключении. При правильной полярности, но входном напряжении, превышающем установленный уровень, задаваемый стабилитронами VD2 и VD3 (в данном случае — 16 Б), тиристор VS1 открывается и замыкает цепь накоротко, что вызывает перегорание предохранителя и зажигание аварийной лампы EL1. Предохранитель FU1 должен быть рассчитан на максимальный ток, потребляемый радиоаппаратурой. Элементы ГТЛ-логики обычно работоспособны в узком диапазоне питающих напряжений (4,5. 5,5 B). Если аварийное снижение питающего напряжения не столь опасно для «здоровья» микросхем, то повышение этого напряжения совершенно недопустимо, поскольку может привести к повреждению всех микросхем устройства. На рис. 4 приведена простая и довольно эффективная схема защиты 7777-устройств от перенапряжения. Способ защиты предельно прост: как только питающее напряжение превысит рекомендуемый уровень всего на 5% (т.е. достигнет величины 5,25 Б) сработает пороговое устройство и включится тиристор. Через него начинает протекать ток короткого замыкания, который пережигает плавкий предохранитель FU1. Разумеется, в качестве предохранителя нельзя использовать суррогатные предохранители, поскольку в таком случае может выйти из строя блок питания, защищающий схему тиристор, а затем и защищаемые микросхемы. Недостатком устройства является отсутствие индикации перегорания предохранителя.

Рис. 4. Схема защиты микросхем ТТЛ от перенапряжения

Рис. 5. Схема устройства защиты от перенапряжения, работающего на переменном и постоянном токе

Схема устройства, которое в случае аварии в электросети защитит телевизор, видеомагнитофон, холодильник и т.д. от перенапряжения, приведена на рис. 5 Напряжение срабатывания защиты определяется падением напряжения на составном стабилитроне VD5+VD6 и составляет 270 Б. Конденсаторы С1 и С2 образуют совместно с резистором R1 RC-цепочку, которая препятствует срабатыванию устройства при импульсных выбросах в сети. Схема работает следующим образом. При напряжении в сети до 270 В стабилитроны VD3, VD4 закрыты. Также закрыты и тиристоры VS1, VS2. При действующем напряжении более 270 В открываются стабилитроны VD3, VD4, и на управляющие электроды тиристоров VS1, VS2 поступает открывающее напряжение. В зависимости от полярности полупериода сетевого напряжения ток проходит либо через тиристор VS1, либо через VS2. Когда ток превышает 10 А, срабатывают автоматические выключатели (пробки, плавкие предохранители), отключая электроприборы от электросети. Нагрузка (на рисунке не показана) подключается параллельно тиристорам. Проверить работоспособность устройства можно с помощью ЛАТРа. Устройство работоспособно и на постоянном токе.

Рис. 6. Схема релейного устройства защиты от перенапряжения с самоблокировкой

Устройство защиты от перенапряжения (рис. 6) выгодно отличается от предыдущих тем, что в нем не происходит необратимого повреждения элемента защиты. Вместо этого при напряжении свыше 14,1 В пробивается цепочка стабилитронов VD1 — VD3, включается и самоблокируется тиристор VS1, срабатывает реле К1 и своими контактами отключает цепь нагрузки. Восстановить исходное состояние устройства защиты можно только после вмешательства оператора — для этого следует нажать на кнопку SB1. Устройство также переходит в рабочий ждущий режим после кратковременного отключения источника питания. К числу недостатков данного устройства защиты относится его высокая чувствительность к кратковременным перенапряжениям. Устройство (патент DL-WR 82992), принципиальная схема которого приведена на рис. 7, может применяться для защиты нагрузки от недопустимо высокого выходного напряжения. В нормальных условиях транзистор VT1 работает в режиме, когда напряжение между его коллектором и эмиттером небольшое, и на транзисторе рассеивается небольшая мощность (ток базы определяется резистором R1). Сопротивление стабилитрона VD2 в этом случае большое и тиристор VS1 закрыт.

Рис. 7. Схема полупроводникового реле защиты нагрузки от перенапряжения

При возрастании напряжения на выходе устройства выше определенной величины через стабилитрон начинает протекать ток, который приводит к открыванию тиристора. Транзистор VT1 при этом закрывается, и напряжение на выходе устройства становится близко к нулю. Отключить защиту можно только отключением источника питания. Описанное устройство должно включаться в выходную цепь стабилизаторов так, чтобы сигнал обратной связи подавался из цепи, расположенной за системой защиты. При номинальном выходном напряжении 12 В и токе 1 А в устройстве можно применить транзистор КТ802А, тиристор КУ201А — КУ201К, стабилитрон — Д814Б. Сопротивление резистора R1 должно быть 39 Ом (мощность рассеивания при отсутствии системы автоматики, отключающей стабилизатор от сети, составляет 10 Вт), R2 — 200 Ом, R3 — 1 кОм.

Устройство защиты перенапряжений (УЗИП) — схема подключения

Импульсное перенапряжение (ИП) – это кратковременное, длящееся доли секунд, и резкое повышение (скачок) напряжения, которое опасно для электрической линии и электрического оборудования своим разрушающим воздействием.

Причины появления ИП

Существует две основных причины появления ИП, это природная и технологическая. В первом случае причиной является прямое или косвенное попадание молнии в линию электропередачи (ЛЭП) или в молниезащиту защищаемого здания. Во втором случае скачки напряжения появляются из-за коммутационных перегрузок на силовых трансформаторных подстанциях.

Назначение УЗИП

Чтобы обезопасить электрическую линию, электрическое оборудование и электрические приборы от резких скачков напряжения и опасных электрических токовых импульсов применяют устройства защиты от импульсных перенапряжений (сокращённо УЗИП).

В состав УЗИП входит как минимум один нелинейный элемент. Если их несколько, то внутреннее подключение УЗИП может выполняться между разными фазами, между фазой и заземлением (землёй), а также между нулём и фазой, между нулём и заземлением. Кроме того, подключение нелинейных элементов выполняется и в виде определённой комбинации.

По количеству вводов УЗИП бывают одновводные и двухвводные. Подключение первого вида выполняется параллельно защищаемой электрической цепи. УЗИП второго вида имеют два комплекта выводов – вводные и выводные.

По типу нелинейного элемента делятся на:

● УЗИП коммутирующего типа;

● УЗИП ограничивающего типа;

● УЗИП комбинированного типа.

1. УЗИП коммутирующего типа в нормальном рабочем режиме обладает достаточно высоким значением сопротивления. Но в случае резкого скачка напряжения сопротивление УЗИП резко изменяется до очень низкого значения. УЗИП коммутирующего типа основаны на «разрядниках».
2. УЗИП ограничивающего типа также изначально имеет сопротивление большой величины, но по мере увеличения напряжения в сети и увеличения волны электрического тока, сопротивление постепенно снижается. УЗИП данного типа нередко называют «ограничителями».
3. Комбинированные УЗИП конструктивно состоят из элементов с функцией коммутации и элементов с функцией ограничения, соответственно они способны коммутировать напряжение, ограничивать повышение напряжения, а также способны выполнять эти две функции одновременно.

Классы УЗИП

УЗИП делят на три класса. УЗИП класса 1 применяют для защиты от ИП, вызванных прямым попаданием молнии в молниезащиту или в линию электропередачи. УЗИП класса 1 обычно монтируют внутри вводного распределительного шкафа (ВРЩ) или внутри главного распределительного щита (ГРЩ). УЗИП класса 1 нормируются импульсным электрическим током с формой волны 10/350 мкс. Это наиболее опасное значение импульсного тока.

УЗИП класса 2 применяются в качестве дополнительной защиты от попаданий молнии. Также их применяют, когда нужно выполнить защиту от коммутационных помех и перенапряжений. Монтаж УЗИП класса 2 выполняется после УЗИП класса 1. УЗИП класса 2 нормируется импульсным током с формой волны 8/20 мкс. Конструкция УЗИП класса 2 – это основание (корпус) и специальные сменные модули, имеющие сигнализирующий индикатор. По индикатору можно узнать о состоянии УЗИП. Зелёный цвет индикатора указывает на нормальный режим работы устройства, оранжевый цвет индикации указывает на необходимость замены сменных модулей. Иногда в конструкции УЗИП используется специальный электрический контакт, который дистанционно передаёт сигнал о том, в каком состоянии находится устройство. Это очень удобно для обслуживания УЗИП.

УЗИП класса 1+2 применяются для защиты отдельных жилых зданий. УЗИП данного типа устанавливаются недалеко от электрооборудования. Они используются в качестве последнего барьера, защищаемого оборудование от небольших остаточных перенапряжений. В качестве УЗИП данного класса выпускаются специализированные электрические вилки, розетки и др.

Использование УЗИП всех трёх классов, позволяет построить трехступенчатую защиту от импульсных перенапряжений.

Схемы подключения УЗИП в частном доме

УЗИП подключаются к однофазной сети 220В или к трёхфазной сети 380В. На промышленных объектах наиболее часто применяются трёхфазные УЗИП. Что касается частных домов и бытовой электрической сети, то используется УЗИП на напряжение 220В. Поэтому полная схема, в которой используется УЗИП, должна быть выполнена на такое напряжение и с применением соответствующего типа УЗИП. Вариант схемы подключения и конструктивного исполнения применяемого УЗИП зависит от режима нейтрали.

Если нейтраль N и защитный проводник PE объединены в один общий проводник PEN, то для защиты от ИП применяется самое простое по конструкции УЗИП, которое состоит всего лишь из одного блока. Схема подключения такого УЗИП выполняется в следующем виде: фазный провод, подключаемый на вход УЗИП – выходной провод, подключённый к PEN-проводнику – параллельно подключённое защищаемое электрооборудование или электрические аппараты.

По современным электротехническим требованиям нейтраль электрической сети должна выполняться отдельно от защитного проводника PE. В таком случае используется УЗИП с двумя модулями и отдельными клеммами L, N, PE. Вариант такой схемы подключения выглядит следующим образом: фазный провод подключается на клемму устройства защитного отключения L и шлейфом идёт на защищаемое оборудование. Нулевой проводник подключается на клемму N устройства УЗИП и шлейфом также идёт на оборудование. Клемма PE устройства УЗИП подключается на защитную шину PE. Аналогично заземляется и защищаемое оборудование.

Таким образом, и в первом и во втором случае при возникновении перенапряжений импульсные токи уходят в землю либо по проводнику PEN либо по защитному проводнику PE, не затрагивая защищаемое электрооборудование.

Устройства защиты от перенапряжения в сети

Защита от перенапряжения в сети – очень важное мероприятие, которое позволит не только продлить срок службы электропроводки, но и повысит безопасность при скачках напряжения. Если не защитить линию от перенапряжения. то можно не только вывести из строя всю бытовую технику, но и подвергнуть свое жилье пожару, не говоря уже о собственном здоровье. Далее мы рассмотрим основные причины возникновения перенапряжения, а также устройства, которые позволят уберечь электропроводку от губительных последствий данного явления.

Основные причины возникновения

Чаще всего перенапряжение в сети 220 и 380 Вольт возникает по следующим причинам:

1. Обрыв нулевого провода (на схеме обозначается как N, синего цвета). Предназначение нуля – выровнять ток в фазах и, соответственно, при его обрыве происходит резкий сбой, при котором одни потребители получают меньше необходимых 220 В, а часть больше, вплоть до 380 В. Если в первой случае техника будет просто некорректно работать, то во втором она попросту выйдет из строя, если не установлены устройства защиты.
2. Невнимательность при подсоединении контактов в щите, в результате чего по жилам пойдет перенапряжение — не 220, а 380 В.
3. Возникло импульсное напряжение вследствие попадания грозы в ЛЭП (именно поэтому рекомендуют отключать всю бытовую технику во время грозы, а также делать молниезащиту на участке ).
4. Питание от одной линии с мощным заводом, который в определенный момент может запустить все свое оборудование, создав огромный скачок тока в сети. Происходит редко, но все же отдельные случаи наблюдались.

Наглядный видео пример действия перенапряжения

Как Вы видите, на перегрузку в однофазной и трехфазной сети влияет множество факторов, в том числе и природные. Поэтому домашнюю проводку нужно обязательно защитить, чтобы не стать жертвой несчастного случая.

Устройства для решения проблемы

В современном мире существует множество различных устройств для защиты от перенапряжения в сети, которые несложно подключить своими руками. Изделия могут эффективно справляться не только с перепадами напряжения, но и со сверхтоками, которые также губительно влияют на домашнюю проводку.

Среди наиболее полезных для применения в доме и квартире выделяют:

1. Стабилизатор. Является своего рода предохранителем, который контролирует напряжение в сети и в случае его предельно допустимого отклонения, отключает электричество в доме. К примеру, на своем опыте могут сказать, что стабилизатор не раз спасал нашу бытовую технику от перепадов, вызванных сварочными работами, проходящими вблизи. Устройства имеют диапазон от 150 В и до 240 В (как пример). Как только значение выйдет из данного диапазона, аппарат выключится. В то же время, когда все стабилизируется, устройство защиты снова включится. О том, как подключить стабилизатор напряжения. мы рассказывали в соответствующей статье!
2. Реле. Вы наверняка не раз сталкивались с данными устройствами, которые являются миниатюрной версией стабилизатора. Чаще всего реле напряжения используется для защиты от перенапряжения одного определенного агрегата, к примеру, компьютера. Работает по такой же схеме, как и предыдущий вариант. Может быть представлен в виде электрической вилки (к примеру, ЗУБР), удлинителя и отдельного аппарата (всем известный Барьер), которое крепится на DIN-рейку щита. О том, как выбрать реле напряжения мы рассказывали в отдельной статье.
3. Устройство защитного отключения. Широко применяется для защиты сети в домашних условиях, что вызвано высоким качеством работы и небольшой стоимостью. УЗО должно работать в паре со специальным датчиком ДПН, который будет подавать сигнал на отключение, если обнаружит перенапряжение в сети. Вместо этого можно использовать альтернативный вариант для защиты дома — устройство защиты многофункциональное. О том, как работает УЗМ-51М и как его подключить, мы рассказали в отдельной статье.
4. Источник бесперебойного питания. Опять-таки, на своем опыте подтвержу его эффективность. Более десяти раз ИБП спасал мой компьютер от резкого выключения при срабатывании стабилизатора. «Бесперебойник» имеет небольшую стоимость, поэтому купить такой вариант защиты от перенапряжения при наличии ПК крайне необходимо.
5. УЗИП. От импульсных напряжений (возникают во время грозы и могут вывести технику из строя) можно защититься, установив в доме УЗИП. Данный аппарат является достаточно популярным на сегодняшний день и широко применяется как в быту, так и на производстве. Более подробно о том, что такое УЗИП и как он работает, мы рассказали в отдельной статье, с которой настоятельно рекомендуем ознакомиться. Следует отметить, что УЗИП могут также называть модульными ограничителями перенапряжения (ОПН).

Купив все эти устройства для защиты от перенапряжения в сети 220 и 380 Вольт можно не беспокоиться о том, что пострадает бытовая техника, электропроводка и главное – Ваша жизнь в опасной ситуации.

Видео пример срабатывания ДПН и УЗО

Источники: http://www.studfiles.ru/preview/3189050/, http://aquagroup.ru/articles/ustroystvo-zashchity-perenapryazheniy-uzip-shema-podklyucheniya.html, http://samelectrik.ru/ustrojstva-zashhity-ot-perenapryazheniya-v-seti.html