Введение
При включении в сеть бытовых электроприборов на экране телевизоров и мониторов компьютеров иногда просматриваются импульсные помехи, снижающие качество и устойчивость изображения.
Импульсные помехи, возникающие в момент замыкания контактов пусковых реле или выключателей электродвигателей, амплитудой в несколько тысяч вольт, при пятикратным пусковым токе длительностью в несколько миллисекунд, беспрепятственно проникают в цепи питания радиоэлектронной аппаратуры, выводя их из строя. Входные фильтры бытовой радиоэлектроники не всегда могут защитить электронные компоненты радиоаппаратуры.
В продаже имеются специальные ограничители, оснащенные схемой защиты от импульсных помех, но и они не всегда успешно защищают бытовую радиоэлектронику от проникновения импульсных помех и перенапряжений.
Желательно создать препятствие для выхода импульсных перенапряжений из бытовых электроприборов, оснащенных мощными электродвигателями. При пониженном, в момент запуска электродвигателя, сетевом напряжении пусковой ток нагрузки снизится до рабочего состояния, что предотвратит возникновение радиопомех и перенапряжений в электросети.
Убавить пусковой ток можно несколькими методами: понизить мощность нагрузки, уменьшить напряжение на контактах пускового реле в момент размыкания, или выполнить начальный разгон оборотов электродвигателя током меньше пускового, перевести его из статического в динамический режим — уровень помех будет незначительным.
Анализ технического задания
Назначение и общие характеристики устройства
Устройство защиты от помех пусковых токов предназначено для уменьшения воздействия импульсных помех на радиоаппаратуру.
Характеристики устройства:
- напряжение электросети, В___________________ 190…230;
- мощность нагрузки, Вт___________________________1000;
- время пуска, мс________________________________5…30;
- потребляемая мощность, Вт________________________10;
- уровень помех, %__________________________________5;
- амплитуда помех максимальная, В___________________50;
- напряжение на нагрузке, В____________________210…220.
Требования по устойчивости к внешним воздействиям
Условия эксплуатации для устройства защиты от помех пусковых токов:
- рабочая температура_______________0…+30 °С;
- влажность__________________________60-70%;
- частота воздействующих вибраций_______50 Гц;
- вероятность безотказной работы____не менее 0,9.
Требования к надежности
Время наработки на отказ должно быть не менее 10 000 ч.
Анализ схемы электрической принципиальной
Схема состоит из входного и выходного сетевых фильтров, состоящих из LC-цепей, ограничителя импульсных перенапряжений на светодиоде HL2, программируемом таймере пуска электродвигателя DA1 и ключевом регуляторе тока на тиристоре VS1. Устройство работает в автоматическом режиме.
Таймер включается только в момент появления нагрузки на выводах ХЗ, Х4. Падение сетевого напряжения на диодном мосте VD1 включит в работу трансформатор Т1, выпрямленное диодным мостом VD2 вторичное напряжение поступит через ограничительный резистор R 4 на питание таймера DA1.Стабилитрон VD3 поддерживает напряжение на уровне 13 В.
Для сглаживания пульсаций выпрямленного напряжения установлен конденсатор С5, светодиод HL1 указывают на наличие питающего напряжения.
Питание цепей оптопары U1 выполнено нестабилизированным напряжением непосредственно с диодного моста VD2.
Работой всего устройства управляет программируемый таймер на микросхеме DA1 типа NE555P, назначение его: генерирование прямоугольных импульсов управления ключевым устройством на тиристоре VS1, включение устройства с задержкой времени от начала замыкания контактов пускового реле нагрузки и подача напряжения по экспоненте с повышением до номинального значения, стабилизация напряжения на нагрузке. Резистором R15 устанавливается при необходимости скважность импульса, а R12 — время задержки включения.
Генератор прямоугольных импульсов, созданный на таймере DA1, выдает прямоугольные импульсы с изменяемой скважностью в зависимости от номиналов RC-цепи: R14, R15, С8.
Конденсатор С7, подключенный к выводу 4 DA1 — сброса таймера, позволяет через 5…30 мс поднять напряжение на нагрузке, через ключевой транзисторVT1, по экспоненте, до номинального значения, управляя через тиристорную оптопару U1, углом отпирания силового тиристора VS1. Плавный рост напряжения от нулевого до максимального значения устраняет возможность создания на контактах пускового реле нагрузки электро-дуги с последующими радиопомехами и перенапряжениями в электросети.
В то же время происходит сброс напряжения на выходе 3 DA1 в нулевое состояние, независимо от состояния других выходов.
Повышение напряжения ошибки, созданной при повышении входного сетевого напряжения на вторичной обмотке трансформатора Т1, приводит к открытию транзистора VT2 — обратной связи, напряжение на выводе 5 DA1 — модификации схемы таймера уменьшается, что повлияет на скважность. Частота импульсов на выходе 3 DA1 возрастет из-за уменьшения время паузы в цикле импульсного напряжения генератора.
Напряжение на нагрузке несколько снизится, что компенсирует повышение входного сетевого напряжения.
Провалы сетевого напряжения длительностью менее 5 мс не повлияют на работу цепей стабилизации.
Для создания начального напряжения в цепях нагрузки транзистор VT1 — ключевого регулятора напряжения, открывает тиристор VS1 не с нулевого уровня, а с большего значения, определяемого значением сопротивления резистором R9 — смещения напряжения базы.
В силовой цепи питания нагрузки установлен сетевой фильтр, состоящий из индуктивностей L1, L2 и конденсаторов С1, С2, СЗ, С6 для ограничения импульсных помех преобразования от проникновения в сеть, их частичного гашения и снятия импульсных перенапряжений. Фильтр нагрузки представляет собой трансформатор Т2 со встречно- параллельными обмотками и конденсатором Сб. Предохранители FU1, FU2 защищают линию электросети от случайных коротких замыканий в нагрузке. Конденсатор С4 устраняет помехи от переключений диодов моста VD1.
Резистор R1 параллельной цепи сетевого диодного моста VD1 облегчает переключение тиристора VS1 под нагрузкой.
Ограничение импульсных перенапряжений происходит при разрядке импульсной помехи через двух полярный светодиод HL2 на резистор R16. Лабораторные исследования показали, что импульсные перенапряжения величиной в 1500…2000 В, длительностью несколько миллисекунд, снижаются в 30…40 раз, при использовании такой защиты.