[recovery mode] Методы борьбы и обеспечения работы электронных устройств при повышенном напряжении в сети
Думаю не сильно ошибусь, если скажу что довольно большое количество людей сталкивались с выходом электронных устройств из строя в результате попадания повышенного напряжения. Происходит это из-за разных причин, но результат почти всегда один, выгорает источник питания.
Так же как бывают разные причины возникновения подобного, существуют и разные методы борьбы с этим и вот об этом мы сегодня и поговорим.
Под перенапряжением, в данном случае, я подразумеваю попадание на вход устройства напряжения выше чем 242–252 вольта на длительное время.
Причин возникновения перенапряжений в электрической сети много, из наиболее распространенных — перехлест проводов из-за ветра или снега, обрыв проводов, отгорание нуля, ну и в последнее время добавилась еще как минимум одна, разрушение подстанций.
Есть конечно и импульсные перенапряжения, например из-за грозовых разрядов, но это уже другая тема и другие методы защиты.
Чем обычно защищаются. Ну как минимум можно поставить реле защиты от перенапряжений, способ простой, действенный, относительно надежный, хотя и имеющий определенные недостатки, например в случае выхода реле из строя без защиты останутся все подключенные к нему устройства.
Варианты реле защиты от перенапряжения
Как еще один вариант решения, защищать устройства локально и некоторые производители бытовой техники такое предлагают. Не буду утверждать плохо оно работает или хорошо, сам факт что это есть.
Производители бытовой техники также не отстают
И вот как раз о таком варианте защиты я бы и хотел сегодня рассказать и показать на реальном примере.
Вообще ничего инновационного в подобном способе защиты нет, почему не встраивают его везде? Да потом что это как минимум дорого в ближней перспективе и невыгодно в дальней. Собственно первое ограничивают сами покупатели, такие устройства банально дороже, а второе ограничивают производители, так как проще отказать в гарантии чем делать надежное устройство.
Что обычно делают для защиты. Как максимум, поставят варистор, который в некоторых ситуациях может действительно защитить за счет самопробоя и как следствие — выжигания предохранителя. Увы, подобный вариант защиты срабатывает далеко не всегда, не во всех устройства он есть, а кроме того иногда номинал варистора настолько высокий, что он может помочь только при импульсных высоковольтных помехах.
Чаще всего варистор имеет номинал 470 вольт и в некоторых ситуациях он действительно помогает, но защита это одноразовая.
Варисторная защита по входу
Еще один вариант решения, функция OVP в блоках питания, опять же, реализована далеко не всегда, даже скорее чаще ее нет, чем она есть. Как пример схема блока питания на базе чипа от Power Integrations и цепь защиты UVP/OVP. Сам производитель при этом заявляет что
When the MOSFET is off, the rectified DC high voltage surge capability is increased to the voltage rating of the MOSFET (700 V), due to the absence of the reflected voltage and leakage spikes on the drain.
В вольном переводе — когда напряжение на входе выше определенного, то мы блокируем работу высоковольтного транзистора, а так как он на 700 вольт, и отсутствуют всплески напряжения из-за работы, то блок питания может выдержать высокое напряжение.
Цепь OVP
Третьим вариантом решения является случай, когда блок питания просто изначально рассчитывают на работу при таком напряжении. По сути всё просто, в сети мы можем получить максимум 380/400 вольт (исключая неординарные случаи), а значит изготовив блок питания под входное напряжение 400 вольт нам становится всё равно что там у него на входе.
Такой вариант по своему удобен, но выходит дороже, а кроме того при напряжении 220/230 вольт и тем более при 180–190 работает в менее оптимальном режиме, что снижает его КПД, также КПД снижается за счет более высоковольтных силовых транзисторов.
Ниже на фото примеры блоков питания для которых декларируется рабочий диапазон 100–520 и 80–580 VAC.
Правда есть отдельная категория с автоматическим переключением 115/230 вольт, но такие блоки питания широкого распространения не получили, ограничиваясь лишь механическим переключателем.
Промышленные ИИП с широким диапазоном питания
Обзоров реле напряжения довольно много, высоковольтные блоки питания применяются редко, потому хотел бы остановиться на варианта защиты на уровне источника питания…
В качестве примера реализации защиты от перенапряжения на уровне потребителя можно рассмотреть драйверы светодиодного светильника LRC-60, тем более что освещение это как раз та сфера, где выход из строя источника питания более заметен. А так как подобные драйверы применяются и в уличном освещении, то групповая защита может быть неудобной, ведь в случае выходя ее из строя мы теряем всю ветку освещения, а не один светильник.
Драйверов у меня оказалось сразу два, хотя по сути это один и тот же драйвер, но у одного исполнение IP66, у другого IP20.
Под диапазоном рабочего напряжения подразумевается тот диапазон, в котором драйвер питает нагрузку, но при этом указывается что драйвер способен относительно долго выдерживать входное напряжение до 380 вольт.
Так как степень защиты разная, то соответственно один драйвер залит компаундом, второй «голый».
Вверху IP66, внизу IP20
В качестве примера я буду рассматривать начинку драйвера с IP20
Не, я конечно человек простой и в принципе мог разобрать и залитый драйвер, как делал уже в одном из обзоров, но по моему имея в руках драйвер без заливки, это уже перебор.
Кстати, на фото предыдущая модель, она также выдерживала на входе 380, но важное отличие новой — наличие активного корректора.
Что-то меня занесло, давайте вернемся к теме статьи.
Какие элементы определяют, выдержит ли источник питания высокое напряжение на входе и заодно посмотрим на примере этого драйвера.
Варистор по входу сети, естественно после предохранителя (хотя как-то встречал и до…), 680 вольт, соответственно условно на 475 переменного, значит здесь он стоит для защиты от импульсных помех. Кстати, напоминаю, что здесь на варисторе указано напряжение по постоянному току, для переменного это эквивалентно амплитудному, но например для варисторов Epcos указывают действующее.
Х-конденсатор, пришлось выпаять чтобы посмотреть номинал, а если точнее, напряжение. Здесь стоит на 400 вольт и это довольно важно, потому как обычно в блоках питания ставят на 250–300 вольт. Таких конденсаторов здесь два, до и после синфазного дросселя.
Еще один варистор, на 470 вольт, судя по хитрой схеме включения он здесь для гашения одиночных импульсов, но при этом на непрерывно действующее напряжение он влияние не оказывает.
Межобмоточный Y-конденсатор, также как и X-конденсаторы бывают разными, а если говорить точнее, двух типов, Y1 и Y2, первый более устойчив к высоковольтным импульсам, но в данном случае конденсатор не просто Y1, а и с напряжением до 400 вольт.
Критически важные элементы драйвера
1, 2. На самом деле в некоторых ситуациях безопасность увеличивают еще и последовательным включением, особенно это касается Y-конденсаторов, так как от них может зависеть жизнь человека. На фото пары Y-конденсаторов на 250 вольт включенные последовательно.
3. Также поступают и с Х-конденсаторами, хотя и значительно реже.
4. В некоторых ситуациях для повышения безопасности ИИП ставят и два предохранителя по входу, соответственно по нулю и фазе, хотя иногда два предохранителя ставят и последовательно, например до варистора и после, причем с разным номиналом, но это скорее исключение.
В любом случае безопасность лишней не бывает, иногда люди не задумываются что фаза и ноль на входе ИИП маркируются не просто так, а именно для безопасности, так как предохранитель ставят именно по фазному проводу.
Плата управления, в целях компактности, в виде субмодуля, но вообще здесь суть в том, какой стоит высоковольтный транзистор, потому как он также определяет устойчивость ИИП к высокому напряжению на входе. WML08N80M3, 800В, 7А, весьма неплохо и здесь кто-то возможно спросит, а почему во всех ИИП не ставят настолько высоковольтные транзисторы? Ответ предельно прост, чем транзистор более высоковольтный, тем обычно он имеет выше сопротивление открытого канала, соответственно выше падение, нагрев и снижение КПД. Чаще при подобной схемотехнике используют транзисторы на 500–650 вольт.
И конечно немножко тестов и наглядной демонстрации, для чего кроме драйвера мне понадобилась и нагрузка, в качестве которой будут выступать две светодиодные панели.
Каждая панель состоит из 54 светодиодов, включенных по схеме 6P9S, т.е. общее напряжение около 26–27 вольт, драйвер до 60 вольт, потому панелей две.
На двух панелях драйвер выдает 52.8 вольта, это определяется самими панелями, ток около 900 мА, а вот это уже определяет драйвер, собственно ток и напряжение обозначены в названии 60–900.
Панели были подобраны не просто так, хотелось получить нагрузку близкую к максимальным 54Вт, у меня вышло около 47Вт. Конечно можно было использовать электронную нагрузку работающую в режиме CV, но это гораздо менее наглядно.
Раз уж драйвер и нагрузка на столе, сходу прикинул КПД, а заодно проверил заявление о наличии корректора мощности.
Ну по поводу КПД сложно сказать, у меня получилось что-то около 90%, заявлено 92, а вот насчет коэффициента мощности без вопросов, что-то в диапазоне 0.97–1.
Ну и конечно испытание устойчивости к высокому напряжению, производитель пишет насчет 380–400 вольт, но я не стал мелочиться и завысил напряжение еще почти на 10% (хотя когда снимал, повышал еще выше), а кроме того проверил устойчивость к короткому замыканию на выходе.
00:00–00:45 — Плавное изменение входного напряжения.
00:45–1:00 — Резкое изменение входного напряжения.
1:00–1:35 — Проверка на КЗ по выходу, сначала короткие, потом длительное.
Попутно проверял размах пульсаций по выходу, заявляется до 2%, в реальности получилось чуть меньше. Одна клетка на экране осциллографа это примерно 5% (измерялось на резисторе 1 Ом), основная пульсация (без учета ВЧ шума), вполне вписывается в 2%.
В процессе выяснилось, что после короткого КЗ драйвер восстанавливает выход сразу, после длительного примерно через 10 секунд после устранения КЗ.
Если смотреть видео не хочется, то основной смысл можно передать в одном фото: отключается драйвер примерно при 303–306 вольт, нормально переносит выше чем 430 и включается при снижении до 290–295 вольт.
Выше рассмотрены по сути три варианта решения проблемы перенапряжения в сети:
Отключение питания на групповом уровне при помощи реле напряжения
Локальная защита в самом устройстве, не выходит из строя, но отключается на время превышения напряжения.
Толерантность устройства к напряжению до 380/400 вольт, устройство продолжает работать.
Лично мне больше нравится третий вариант, дома использую первый, но не менее жизнеспособен и второй, здесь всё зависит от сценария использования. Если говорить о защите именно драйверов для освещения, то я бы предпочел также второй вариант, в таком случае при ЧП освещение продолжит работать, иногда это весьма важно. Хотелось бы узнать, что вы думаете по этому поводу.
