Сетевой фильтр с защитой от перенапряжения и индикацией подключения фазы

Автор: Bear2011
Опубликовано 21.08.2014
Создано при помощи КотоРед.
Участник Конкурса "Поздравь Кота по-человечески 2014"

Первым делом хочу поздравить уважаемого Кота и пожелать ему хорошего (электро)питания
Заняться разработкой сетевого фильтра меня заставила лень – надоели сбои в работе контроллеров уличных светофоров. Доказывать что-либо работникам энергетической компании затруднительно, в большинстве своем и бесполезно, только зря потеряешь время. Собственно это даже не разработка, а компиляция материалов и различных схем, которых существует огромное количество. Большинство схемных решений мной взято уже готовыми – я лишь объединил их в попытке создать приемлемый для себя вариант. Сразу же отказался от микроконтроллерных систем – чем сложнее устройство, тем больше вероятность его выхода из строя, а если учесть количество светофоров, то можно получить обратный вариант – только вместо контроллеров пришлось бы чинить «контроллер для контроля электропитания», да и руководству излишние расходы не понравятся. Точно также отказался от защиты на аналоговых элементах, в связи с трудоемкостью их настройки ввиду разбросов параметров. В общем, взяв на вооружение известный принцип Оккама «сущность не стоит преумножать без необходимости» создал свой вариант, который и хочу представить в несколько переработанном виде, чтобы можно было использовать в быту. Надежность и долговечность самой защиты обеспечивается пассивными мерами (применение элементов с запасом по напряжению и току), а также некоторыми простыми схемотехническими решениями, которые давно известны, но не всегда используются (особенно в дешевых китайских поделках). Также хорошо известно, что эффективность защиты во многом зависит от качества заземления, поэтому было решено добавить в схему индикатор подключения фазы, который одновременно позволяет судить о исправности заземления.
Схема устройства
Устройство выполнено многоступенчатым для повышения характеристик
Предохранители F1,F2 и разрядник F3 обеспечивают защиту от повышенного напряжения или высоковольтных выбросов большой длительности. Кратковременные импульсы не способные вызвать срабатывание разрядника поглощаются варисторами VR1-VR3 и защитными диодами VD3, VD4

Фильтр сетевых помех выполнен двухкаскадным для большей эффективности. Катушки L1.1 – L1.2 и конденсаторы С1-С4 обеспечивают фильтрацию самых высокочастотных помех, а L2 и остальные конденсаторы, помех частотой ниже 200 кГц. Диаметр провода ля намотки катушек зависит от максимального тока (суммы токов) всех потребителей, которые будут подключены к данному устройству. Большинство сетевых фильтров рассчитаны на максимальную нагрузку 1 кВт, я рассчитывал исходя именно из этой цифры. При желании диаметр провода можно пересчитать под любую нагрузку по формуле
d=1.13√(I/j)
Где:
D – диаметр провода, мм;
I – максимальный действующий ток, А;
J – максимальная допустимая плотность тока А/мм2 (В данном случае можно принять любую из интервала 6-10 А/мм2)
Катушки L1 выполнены нихромовым проводом и одновременно играют роль токоограничительных резисторов. Это позволяет продлить жизнь варисторам и улучшить их работу при подавление крактовременных импульсов. Эти импульсы варисторы «пропускают через себя» ток при этом может достигать сотни ампер. Конечно токоограничительные резисторы не панацея и рекомендации заменять варисторы при малейшем внешнем проявлении деградации (потемнении) справедливы, но часто ли рядовой пользователь заглядывает внутрь, тем более в высоковольтную часть? Я думаю, большинство сталкивалось с «валенками» в радиаторах и вентиляторах компьютера. А уж лезть в высоковольтные цепи многие просто побояться.
Устройство собрано на печатной плате из фольгированного стеклотекстолита толщиной 1.5…2 мм. При разработке печатной платы специально не «мельчил» и не ставил целью добиться минимальных размеров. На печатной плате со стороны деталей установлена перегородка из двухстороннего стеклотекстолита которая играет роль экрана между каскадами фильтра
Катушки L1.1 – L1.2 имеют индуктивность около 160 мкГн и выполнены на кольце 28*16*7.5 из феррита М2000НМ и имеют по 12 витков нихромового провода диаметром 0.85-1 мм. Намотка ведется с небольшим шагом для уменьшения межвитковой емкости. Катушки наматываются на противополжоных сторонах кольца с зазором между выводами 3-5 мм. Так как нихром плохо паяется, на печатной плате предусмотрена возможность крепления выводов при помощи винтов М3. Катушки желательно устанавливать на плату через теплоизолирующую прокладку. Индуктивность катушек L2.1 – L2.2 700 мкГн. Они выполнены на кольце из пермаллоя марки МП140 КП36*25*7.5 и содержат по 70 витков провода ПЭВ диаметром 0.85-1 мм. Намотка также выполняется на противоположных сторонах кольца виток к витку. Желательно убедиться в минимальном разбросе индуктивностей обеих катушек (симметричности) для обеспечения максимальной эффективности при подавлении синфазных помех.
Разрядник – трехэлектродный Т83-А420 можно заменить двумя двухэлектродными с напряжением срабатывания 420-430В (на печатной плате предусмотрена подобная замена). Варисторы S20K420 можно заменить любыми с рассеиваемой энергией 60-150 Дж и классификационным напряжением 420-430В. Симметричный защитный диод 1.5КЕ440СА можно заменить двумя такими же однополярными (без индекса СА). Двухцветный светодиод – любой с общим катодом (я использовал из отжившего пишущего CD-RW), следует только подобрать резисторы R1,R2 для обеспечения номинального тока. Его также можно заменить на два обычных, только индикация исправности заземления становиться не очень удобной.
Подключение к сети нужно осуществлять проводами соответствующего сечения (в зависимости от нагрузки). Ну а чтобы окончательно перекрыть путь помехам на сетевой провод возле самого фильтра желательно поставить ферритовый цилиндр, например снятый с интерфейсного кабеля старого ЭЛТ монитора. У себя в продаже я не нашел, а резать USB-кабель не хотелось
Так как рассеиваемая элементами в сетевом фильтре энергия импульсных помех выделяется в виде тепла температура некоторых элементов может достигать 200 градусов. Поэтому фильтр лучше поместить в корпус из негорючих материалов, а еще лучше – в металлический это создаст дополнительную экранировку.

Файлы:
Плата в lay6

Все вопросы в Форум.