Стенд для безопасного питания сетевых устройств
В радиолюбительской практике, а также в практике разработчика электроники часто возникает необходимость безопасного включения устройств, имеющих питание от сети переменного тока 220–230 В.
В первую очередь, опасность заключается в том, что некоторые элементы блоков питания или иных преобразователей сетевого напряжения имеют гальваническую связь с сетью. Случайное касание таких элементов приводит к ощутимому и очень неприятному удару током. Также невозможно проводить диагностику этих цепей приборами, у которых вход так или иначе заземлен. Такие приборы могут необратимо выйти из строя. Вторая опасность заключается в большой мощности источника 230 В, из-за чего в случае неисправности блока питания или ошибок в схеме, до того как сработает автомат в электрощите, в блоке питания успевает выделится большое количество энергии, приводящее к взрыву транзисторов, конденсаторов, возникновению электрической дуги. Устранение последствий может занять много времени и потребовать много денег на новые компоненты.
Для гальванической развязки обычно применяют разделительные трансформаторы. Высокая цена таких трансформаторов и их низкая распространенность вынуждает радиолюбителей использовать для этих целей не приспособленные для этого трансформаторы от вышедшей из строя или устаревшей бытовой радиотехники — старых ламповых телевизоров и радиол. Недостаток таких решений состоит в том, что для минимизации емкостной связи между обмотками первичную и вторичную обмотки желательно располагать на разных катушках стержневого магнитопровода, что в распространенных трансформаторах трудноосуществимо. Например, в большинстве таких трансформаторов от распространенных ламповых телевизоров — ТС-180, СТ-310, ТСА-270 — используются две идентичные катушки, на каждой которых намотана только половина сетевой обмотки и половина набора необходимых выходных обмоток, что вынуждает пытаться их комбинировать для получения необходимого напряжения 230 В, что не всегда получается, а если и получается (как, например, с ТС-180 — рисунок 1), то неэффективно используется габаритная мощность трансформатора, которая определяется обмоткой с наименьшим допустимым током (у ТС-180 это обмотка 7–8 на 0,38 А). Можно, например, взять два таких одинаковых трансформатора и использовать половину первичной обмотки одного трансформатора, включенной последовательно с половиной первичной обмоткой другого. Например, как на рисунке 2.
Рисунок 1 — Схема включения трансформатора ТС-180
Рисунок 2 — Другой вариант включения трансформаторов ТС-180
Но и в этом случае габаритная мощность используется не полностью и составляет лишь половину от суммарной мощности обоих трансформаторов. Вторичные обмотки при этом не используются.
Можно пойти другим путем и включить два одинаковых трансформатора последовательно, вторичными обмотками друг к другу. В этом случае сетевое напряжение преобразуется дважды, что дополнительно уменьшает емкостную связь. При этом можно использовать трансформаторы не только стержневой, но и любой другой конструкции. Габаритная мощность также используется лишь наполовину от суммарной мощности обоих трансформаторов, но с этим фактом придется смириться.
Мне показалось наиболее удобным использовать унифицированные трансформаторы типа ТН-127/220. Эти трансформаторы имеют первичную обмотку со множеством отводов, представляющих определенный интерес, а также стандартные накальные обмотки на 6,3 В, которые у всех трансформаторов семейства различаются только допустимым током, что облегчает стыковку этих трансформаторов между собой даже если они разных типов. Кроме того, эти трансформаторы достаточно легко достать по приемлемой цене. Они не пользуются спросом у любителей лампового звука. Также, трансформаторы представляют собой очень добротно выполненную конструкцию, во всеклиматическом исполнении — герметично залитую эпоксидной смолой. Они не гудят и не вибрируют, не требуют подтяжки стягивающих гаек.
Схема обмоток трансформатора одинакова у всех и отличается только токами первичной и вторичных обмоток.
Рисунок 3 — Схема подключения обмоток унифицированных трансформаторов ТН-127/220
Напряжение на отводах первичных обмоток трансформаторов на 127/220 В составляют:
между выводами 1 и 1а, 4 и 4а — 3,2 В;
между выводами 1 и 1 б, 4 и 4 б — 6,3 В;
между выводами 1 и 2, 4 и 5 — 110 В;
между выводами 1 и 3, 4 и 6 — 127 В.
При использовании трансформаторов на 127 В необходимо:
соединить выводы 1 и 4, а также 3 и 6;
подать напряжение 127 В на выводы 1 и 3.
При использовании трансформаторов на 220 В необходимо:
В настоящее время номинальным сетевым напряжением является напряжение 230 В. Для этого необходимо:
Также первичную обмотку трансформатора можно скоммутировать на 110 В, что может пригодиться при питании аппаратуры японского производства. Для этого необходимо:
соединить выводы 1 и 4, а также 2 и 5;
подать напряжение 110 В на выводы 1 и 2.
Итого, производя только коммутацию отводов на 110 и 17 В можно получить следующий ряд входных/выходных напряжений: 110, 127, 220, 237, 254 В.
Если использовать отводы с индексами, а и б можно дополнительно уменьшить каждое напряжение на 3,2, 6,3, 9,5 и 12,6 В (для 110 и 127 В — только на 3,2 и 6,3).
Получается большое количество комбинаций, позволяющих ступенчато регулировать выходное напряжение в районе номинального для исследования поведения питаемого устройства.
Поскольку такой трансформатор стоит как на первичной, так и на вторичной стороне, количество комбинаций становится еще больше.
Но и это еще не все возможности для регулировки выходного напряжения. Есть еще промежуточные напряжения вторичных обмоток 6,3 В. Их можно включать как последовательно синфазно, так и последовательно противофазно с выходным напряжением. Таким образом, ступенчато добавлять или убавлять 6,3, 12,6, 19, 25,2 В. Но при этом приносится в жертву дополнительная гальваническая развязка второго трансформатора.
В итоге мы получаем кроме функции гальванической развязки еще и функцию регулировки выходного напряжения по типу ЛАТРа. Следует отметить, что приведенные напряжения ступеней весьма условные, поскольку они зависят как от текущего напряжения в сети, которое может гулять местами в широких пределах, так и от текущей коммутации отводов на 110 и 17 В. Поэтому для контроля реального напряжения на выходе все же необходим вольтметр.
Для ограничения выходного тока традиционно используют лампы накаливания. При коротком замыкании или неисправности в схеме весь ток идет на накал спирали лампы, предотвращая крупные повреждения на плате исследуемого устройства. Применяя лампы разной мощности — от 25 до 300 Вт, можно менять величину тока. По яркости накала спирали лампы можно судить о потреблении тока в реальном времени, не отвлекаясь на показания измерительного прибора.
На основе вышесказанного родилась схема стенда. В качестве разделительных трансформаторов использованы ТН-61–127/220–50 на 190 Вт и ТН-60–127/220–50 на 152 Вт. Соответственно, номинальная проходная мощность стенда порядка 150 Вт.
Рисунок 4 — Схема стенда
Сетевое напряжение через предохранители и выключатель S1 поступает на два переключателя S2 и S3. S2 переключает входное напряжение грубо — 110, 127, 220, 237 и 254 В. S3 коммутирует отводы, а и б и переключает напряжение более мелкими шагами — плюс 3, 6, 9, 12 В. Поскольку эти отводы уменьшают коэффициент трансформации, напряжение увеличивается, цифры со знаком плюс. Светодиод H1 индицирует входное напряжение, диод VD1 его защищает от пробоя отрицательной полуволной. Выходные обмотки первого трансформатора непосредственно подключаются к выходным обмоткам второго. Также напряжение с них идет на выходные клеммы для подключения какой-нибудь нагрузки типа накалов ламп. Выходные обмотки второго трансформатора коммутируются переключателями S4 и S5 по такой же логике, за исключением того, что отводы, а и б теперь уменьшают коэффициент трансформации, поэтому переключение мелкими шагами идет со знаком минус — минус 3, 6, 9, 12 В.
После переключателей напряжение одним концом приходит на S7, с его помощью можно подключить обмотки 6,3 В синфазно или противофазно. Переключателем S9 выбирается их количество — 0, 1, 2, 3 или 4. Другим концом напряжение поступает на лампы ограничения тока — основную и дополнительную. Тумблером S8 параллельно основной лампе подключается дополнительная, тумблером S6 все лампы шунтируются и ток ограничивается только плавкими предохранителями.
В некоторых случаях (для отладки ламповых конструкций) может понадобится постоянный ток вместо переменного, для этого смонтирован простейший выпрямитель на диодном мосте VD2 и емкостном фильтре C1 — C3 (220 мкФ х 450 В). Переключателем S10 можно выбрать вид тока.
Для контроля напряжения и тока используется простейшая схема на S11, R6, R9, VD4 — VD6 и PA1. В положении переключателя S11, показанном на схеме контролируется ток. Он проходит через диодный мост, выход которого шунтируется низкоомным резистором R9, измеренное значение тока отображается измерительной головкой PA1. В другом положении переключателя диодный мост включается параллельно нагрузке через резистор R6 и измерительная головка показывает уже напряжение. Головка шунтируется двумя диодами для защиты от перенапряжений. В обоих случаях ток проходит через диодный мост, что позволяет проводить измерения как на постоянном так и на переменном токе. Вместо устаревшего контроля по стрелочному индикатору можно воспользоваться готовыми цифровыми приборами китайского производства.
Светодиод H4 индицирует наличие выходного напряжения.
При питании от напряжения 230 В стенд позволяет выдавать напряжение переменного тока примерно от 68 до 300 В и напряжение постоянного тока от 90 до 410 В. Следует отметить о необходимости соблюдать осторожность при пользовании переключателем S2 чтобы случайно не поставить его в положение 110 или 127 В при питании от большего напряжения. При повторении конструкции не лишним будет предусмотреть стопор, предотвращающий случайное переключение его в эти положения. Также не следует длительно держать этот переключатель в положении 220 В если у вас в сети напряжение 230 В или выше, повышенный ток ХХ будет впустую греть трансформаторы.
Стенд смонтирован на металлическом шасси подходящего размера. Все детали установлены на верхней крышке. Трансформаторы, лампы, клеммы, розетка и измерительная головка установлены снаружи. Тумблеры, переключатели и остальные детали установлены внутри. В качестве переключателей использованы одинаковые переключатели типа ПМ на 5 положений и на 2 или 4 направления. Можно использовать и любые другие, главное чтобы они пропускали ток до 2 А и могли коммутировать напряжение до 300 В. То же самое требование относится и к тумблерам. Отлично подходят ТП1–2. Лампы ограничения тока вкручиваются в патроны наружного монтажа. В комплекте к стенду имеется набор ламп различной мощности — 25, 40, 60, 100, 150, 200 и 300 Вт. Выходные клеммы продублированы на розетку. Постоянные резисторы необходимо использовать выводные, мощностью не менее 0,5 Вт. Резистор R9 подбирается по месту, в зависимости от примененной измерительной головки путем параллельного соединения нескольких резисторов. Диодные мосты должны быть на ток не менее 2 А и обратное напряжение не менее 600 В.
Получившийся стенд оказался весьма удобен в эксплуатации.
