Устройство подавления сетевых помех в сети питания с переменным напряжением

 

Устройство подавления сетевых помех в сети питания с переменным напряжением предназначено для защиты радиоэлектронного прибора от высоковольтных высокочастотных импульсов помехи, которые изредка появляются в сети питания переменного напряжения и которые могут привести к повреждению и к сбоям в работе радиоэлектронного прибора. Устройство удобно в эксплуатации, так как имеет один или два индикаторных прибора (светодиода), показывающих исправность и неисправность устройства для подавления сетевых помех, что позволяет пользователю заменить его устройством подавления сетевых помех с большей допустимой мощностью рассеивания. Техническим результатом является улучшение удобства эксплуатации. 2 з.п. ф-лы, 1 ил.

Предлагаемое изобретение относится к электротехнике и, в частности, к устройствам защиты радиоэлектронных приборов от перенапряжений в сети питания с переменным напряжением.

Известно, что в сети, по которой к радиоэлектронным приборам поступает напряжение, возникают высокочастотные перенапряжения, превышающие номинальное напряжение сети в 20 и более раз. Эти всплески напряжения, проходя через источник питания радиоэлектронного прибора, могут вывести из строя полупроводниковые приборы и микросхемы или вызвать сбои в работе радиоэлектронных приборов.

Для предотвращения перенапряжений (сетевых помех) применяют специальные схемы с газовыми разрядниками, варисторами, стабилитронами. Но все эти приборы имеют большую межэлектродную емкость, ограничивающую их использование на высоких частотах (В.А.Колосов. Электропитание стационарной радиоэлектронной аппаратуры. - М.: Радио и связь, 1992, с. 111).

Поэтому для защиты радиоэлектронных приборов от высокочастотных перенапряжений в сети питания все больше используют полупроводниковые ограничители напряжения (ограничительные диоды), которые обладают высокочастотными свойствами. Ограничители напряжения пробиваются в случае приложения к ним напряжения, превышающего значение напряжение их пробоя. Устройство для защиты потребителей переменного тока от электрических перегрузок по напряжению (устройство подавления сетевых помех в сети питания с переменным напряжением) с использованием ограничителей напряжения (аналог) описано, например, в Справочнике "Электронные приборы для защиты РЭА от электрических перегрузок", авторы В. П.Черепанов, А.К.Хрулев и И.П.Блудов. - М.: Радио и связь, 1994, с. 42, рис. 10.6. Это устройство защиты радиоэлектронного прибора от кратковременных перенапряжений в сети питания с переменным напряжением (аналог) содержит два ограничителя напряжения, включенные встречно друг другу между проводами сети, по которым поступает переменное напряжение к нагрузке. При выходе из строя одного или двух ограничителей напряжения произойдет перегорание внутренних подводящих проводов ограничителя напряжения. При этом напряжение сети будет поступать на нагрузку, но защиты от перенапряжений не будет.

Известно устройство защиты радиоэлектронного прибора (патент РФ N 2133540 с приоритетом от 26.05.97 г.), которое взято за прототип и содержит два включенных последовательно и встречно друг другу ограничителя напряжения, три светодиода и два резистора. Ограничители напряжений включены между собой проводами сети, по которым поступает напряжение к радиоэлектронному прибору. Два красных светодиода вместе с резисторами образуют последовательную цепочку, которая также включена между проводами сети. Точки соединения ограничителей напряжения и красных светодиодов соединены между собой через зеленый светодиод. Описанное устройство имеет избыточный набор средств индикации (три светодиода), что затрудняет для оператора восприятие сигнала индикации. Кроме того, при появлении перенапряжения и сравнительно "медленном" (миллисекунды) перегорании ограничителя напряжения, находящегося в состоянии пробоя, могут развиться такие токи, которые приведут к повреждению сетевых проводов и/или к отключению сети от радиоэлектронного прибора, если в сети установлен предохранитель, который перегорает от указанных токов.

Таким образом, предложенным изобретением решается техническая задача подавления сетевых помех, улучшения удобства эксплуатации устройства подавления сетевых помех за счет усовершенствованной индикации повреждений в самом устройстве подавления сетевых помех и повышения надежности работы радиоэлектронного прибора за счет исключения повреждений при появлении перенапряжений и недопущения отключения радиоэлектронной аппаратуры при появлении в сети перенапряжения.

Сущность изобретения заключается в том, что устройство подавления сетевых помех в сети питания с переменным напряжением содержит последовательно и встречно соединенные первый и второй ограничители напряжений, последовательно и встречно соединенные первый и второй светодиоды, а также первый и второй резисторы, (далее следуют отличительные признаки) оно также содержит первичный и вторичный стабилитроны, первую и вторую плавкие вставки, диод и третий и четвертый резисторы, причем первый и второй ограничители напряжения подсоединяются соответственно через первую и вторую плавкие вставки к проводам сети, первый и второй резисторы соединены последовательно и подсоединены к проводам сети, первый и второй стабилитроны соединены последовательно и встречно и через третий и четвертый резисторы соответственно подсоединены к проводам сети, точка соединения ограничителей напряжения через первый светодиод подсоединена к точке соединения первого и второго резисторов, точка соединения первого и второго стабилитронов через последовательно и согласованно включенные диод и второй светодиод подсоединена к точке соединения первого и второго резисторов,
полярность вывода первого светодиода, подсоединенного к точке соединения ограничителей напряжения, противоположна полярностям соединенных между собой выводов ограничителей напряжения,
полярности соединенных между собой выводов первого и второго светодиодов одинаковы.

В другом варианте выполнения изобретения в устройстве подавления сетевых помех в сети питания с переменным напряжением первый светодиод имеет зеленый цвет свечения, а второй светодиод имеет красный цвет свечения.

В другом варианте выполнения изобретения в устройстве подавления сетевых помех в сети питания с переменным напряжением первый и второй светодиоды расположены в одном корпусе, причем при одновременном свечении первого и второго светодиодов цвет излучения из указанного корпуса отличается от цветов свечения светодиодов за счет смешения излучений от первого и второго светодиодов.

К проводам сети, к которым подключено устройство подавления сетевых помех, подключается радиоэлектронный прибор, который подлежит защите от сетевых помех в виде высоковольтных высокочастотных импульсов.

Предлагаемое изобретение поясняется чертежом, на котором показано устройство подавления сетевых помех в сети питания с переменным напряжением. Перечень обозначений:
1 - первый проводник сети питания переменного напряжения;
2 - второй проводник сети питания переменного напряжения;
3 - первый ограничитель напряжения;
4 - второй ограничитель напряжения;
5 - первая плавкая вставка;
6 - вторая плавкая вставка;
7 - первый светодиод;
8 - второй светодиод;
9 - первый резистор;
10 - второй резистор;
11 - третий резистор;
12 - четвертый резистор;
13 - первый стабилитрон;
14 - второй стабилитрон;
15 - диод;
16 - радиоэлектронный прибор.

На чертеже показано устройство подавления сетевых помех в сети питания с переменным напряжением. Переменное напряжение питания поступает по проводникам 1 и 2 к радиоэлектронному прибору 16. Ограничитель напряжения 3 включен последовательно с плавкой вставкой 5. Ограничитель напряжения 4 включен последовательно с плавкой вставкой 6. Ограничители напряжения соединены между собой с помощью своих выводов с одинаковой полярностью. Плавкая вставка 5 подсоединена к проводнику 1, а плавкая вставка 6 - к проводнику 2 сети. Резистор 9 соединен с резистором 10, причем резистор 9 подключен к проводнику 1, а резистор 10 - к проводнику 2. Между точкой соединения ограничителей напряжения 3 и 4 и точкой соединения резисторов 9 и 10 подключен светодиод 7, причем светодиод 7 подключен своим выводом, полярность которого противоположна полярностям соединенных между собой выводов ограничителей напряжения 3 и 4. Резистор 11 соединен последовательно со стабилитроном 13, а резистор 12 соединен последовательно со стабилитроном 14. Выводы стабилитронов с одинаковой полярностью соединены. Резистор 11 подключен к проводнику 1 сети, а резистор 12 - к проводнику 2 сети. Светодиод 8 и диод 15 соединены последовательно и согласованно друг с другом. Светодиод 8 подсоединен к точке соединения резисторов 9 и 10 и светодиода 7, причем соединяющиеся выводы светодиодов 7 и 8 имеют одинаковую полярность. На чертеже показано подключение к проводникам 1 и 2 сети радиоэлектронного прибора 16, который защищается от высоковольтных и высокочастотных импульсов, возникающих в сети.

Далее указаны для примера параметры элементов, входящих в описываемое устройство. Для сети 220 В могут применяться ограничители напряжения с пробивным напряжением в 400 В и мощностью рассеивания 1,5 кВт. При такой мощности рассеивания плавкая вставка должна быть рассчитана на перегорание от тока 5 - 10 А. При большей мощности рассеивания ограничителя напряжения плавкая вставка должна быть рассчитана на больший ток. Светодиоды 7 и 8 светятся от тока около 5 мА. Предпочтительно, чтобы светодиод 7 светился зеленым светом, а светодиод 8 - красным светом. Резисторы 9 и 10 имеют сопротивление 40 кОм. Резисторы 11 и 12 имеют сопротивление 10 кОм. Стабилитроны 13 и 14 (например, КС 650А) имеют напряжение стабилизации 150 В, минимальный ток 2,5 мА, а максимальный ток 50 мА. В качестве диода 15 можно использовать диод Д226.

Конечно, если сеть подает энергию с другим напряжением, то элементы устройства соответственно будут выбраны иными. Основные элементы схемы рассчитываются с помощью известных законов электротехники.

Устройство подавления сетевых помех в сети питания с переменным напряжением работает следующим образом.

Когда в сети питания нет высоковольтных импульсов, то при положительной полуволне напряжения на проводнике 1 ток потечет через плавкую вставку 5, ограничитель напряжения 3, светодиод 7 и резистор 10. При положительной полуволне напряжения на проводнике 2 ток потечет через плавкую вставку 6, ограничитель напряжения 4, светодиод 7 и резистор 9. При допустимых напряжениях в сети ток не пойдет по цепочке из двух ограничителей напряжения 3 и 4, так как они включены встречно друг другу. При напряжении полуволны меньше 150 В на проводнике 1 первый стабилитрон 13 открыт, а второй стабилитрон 14 закрыт. При этом практически ток через второй светодиод 8 не идет, так как напряжение в точке соединения светодиодов практически равно сетевому, сопротивление цепочки из плавкой вставки 5, ограничителя напряжения 3 и светодиода 7 практически равно 0, а сопротивление цепочки из резистора 11, первого стабилитрона 13, диода 15 и второго светодиода 8 больше сопротивления третьего резистора 11 (например, 10 кОм). Когда напряжение на втором стабилитроне 14 становится больше 150 В, второй стабилитрон 14 пробивается и поддерживает напряжение около 200 В в точке соединения стабилитронов. Но ток через второй светодиод не пойдет, так как в точке соединения светодиодов напряжение близко к сетевому, то есть больше, чем в точке соединения резисторов 11 и 12, и второй светодиод 8 находится под обратным напряжением. Диод 15 защищает второй светодиод 8 от большого обратного напряжения. Светится только первый светодиод 7 зеленым светом, сигнализируя, что внутренние цепи ограничителей напряжения 3 и 4 не оборваны и не замкнуты накоротко (не перегорели).

Если в сети на проводнике 1 возникает положительный высоковольтный высокочастотный импульс (напряжение которого больше напряжения пробоя ограничителя напряжения, например больше 400 В), то второй ограничитель 4 кратковременно пробивается и идет большой ток по цепи - первая плавкая вставка 5, первый ограничитель напряжения 3, второй ограничитель напряжения 4, вторая плавкая вставка 6. Этот ток создает падение напряжения на внутреннем сопротивлении источника питания и подводящих проводах, при этом напряжение высоковольтного импульса очень быстро снижается до напряжения ограничения ограничителя напряжения 4, т.е., например, до 400 В. Таким образом радиоэлектронный прибор 16 будет защищен и не почувствует действия высоковольтного импульса помехи. После окончания действия импульса и если мощность импульса не превысила допустимую мощность рассеивания ограничителя 4, ограничитель 4 возвратится в свое нормальное состояние. Индикация на светодиодах за счет инерционности зрения не позволит заметить влияние помехи на работу светодиода. Таким же образом будет вести себя устройство при положительном высоковольтном импульсе на проводнике 2.

Если же допустимая мощность рассеивания ограничителя напряжения меньше, чем импульсная мощность помехи, то произойдет разогревание и перегорание ограничителя напряжения (например, второго ограничителя напряжения 4), при этом вначале образуется короткое замыкание внутри ограничителя напряжения 4 и большой ток от сетевого напряжения пройдет через цепочку из плавких вставок и ограничителей напряжения. Затем произойдет перегорание, например, второй плавкой вставки 6. При этом после окончания высоковольтного импульса помехи при положительной полуволне сетевого напряжения на проводнике 1 пойдет ток по первой плавкой вставке 5, первому ограничителю напряжения 3, первому светодиоду 7 и третьему резистору 10, светодиод 7 будет светиться. При положительной полуволне сетевого напряжения на проводнике 2 ток пойдет по четвертому резистору 12, второму стабилитрону 14, диоду 15, второму светодиоду 8 и первому резистору 9. При этом будет светиться второй светодиод. Одновременное свечение обоих светодиодов сигнализирует о неисправности устройства подавления сетевых помех.

Если после перегорания второго ограничителя напряжения 4 перегорит первая плавкая вставка 5, то после окончания высоковольтного импульса помехи при положительной полуволне сетевого напряжения на проводнике 1 пойдет ток по третьему резистору 11, стабилитрону 13, диоду 15, светодиоду 8, второму резистору 10, светодиод 8 будет светиться. При положительной полуволне сетевого напряжения на проводнике 2 пойдет ток по второй плавкой вставке 6, второму ограничителю напряжения 4, первому светодиоду 7 и первому резистору 9, причем будет светиться второй светодиод 8.

Таким образом, будут светиться оба светодиода 7 и 8, что сигнализирует о неисправности устройства подавления сетевых помех.

Таким образом при перегорании первого ограничителя напряжения 3 будут светиться оба светодиода.

Оба светодиода 7 и 8 могут быть расположены в одном корпусе, который содержит фокусирующую полусферу и фокусирующую линзу, имеющую общую геометрическую ось, являющуюся также осью корпуса светодиода, причем оба светодиодных кристалла светодиодов имеют разные цвета свечения и расположены на фокусирующей полусфере симметрично относительно геометрической оси, а при одновременном свечении светодиодов цвет свечения, который видит пользователь, за счет смешения разных цветов свечения отдельных светодиодов отличается от их цветов свечения. Если светодиодные кристаллы имеют цвет свечения зеленый и красный, то при одновременном свечении светодиодов 7 и 8 пользователь увидит оранжевое свечение, что сигнализирует о неисправности устройства для подавления сетевых помех.

Если после действия высоковольтного импульса и перегорания одного из ограничителей напряжения выйдет из строя первый светодиод 7, то светиться будет один второй светодиод 8 (предпочтительно красным светом), что свидетельствует о неисправности устройства подавления сетевых помех.

Такая индикация работы устройства подавления сетевых помех в сети питания с переменным напряжением позволяет пользователю быть уверенным в постоянной защите своего прибора и принимать немедленно меры к замене вышедшего из строя устройства защиты. Достоинством предлагаемого устройства подавления сетевых помех является то, что оно может иметь только один индикаторный прибор - светодиод с двумя светящимися светодиодными кристаллами, при этом цвет свечения светодиода меняется от зеленого (при исправности прибора) до оранжевого или красного (при неисправности прибора).

Предлагаемое устройство промышленно осуществимо, оно может быть изготовлено с применением широко распространенных элементов. Оно не требует разработки и выпуска специальных электрорадиоэлементов. В случае необходимости, изготовление устройства поддается автоматизации.

Конструктивно устройство целесообразно размещать в малогабаритном герметичном корпусе с последующей заливкой радиоэлементов, причем корпус имеет один или два отверстия для светящейся части одного или двух светодиодов и два вывода для подключения к сети питания.

Формула изобретения

1. Устройство подавления сетевых помех в сети питания с переменным напряжением, содержащее последовательно и встречно соединенные первый и второй ограничители напряжения, последовательно и встречно соединенные первый и второй светодиоды, а также первый и второй резисторы, отличающееся тем, что оно содержит первый и второй стабилитроны, первую и вторую плавкие вставки, диод и третий и четвертый резисторы, причем первый и второй ограничители напряжения подсоединяются соответственно через первую и вторую плавкие вставки к проводам сети, первый и второй резисторы соединены последовательно и подсоединены к проводам сети, первый и второй стабилитроны соединены последовательно и встречно и через третий и четвертый резисторы соответственно подсоединены к проводам сети, точка соединения ограничителей напряжения через первый светодиод подсоединена к точке соединения первого и второго резисторов, точка соединения первого и второго стабилитронов через последовательно и согласованно включенные диод и второй светодиод подсоединена к точке соединения первого и второго резисторов, полярность вывода первого светодиода, подсоединенного к точке соединения ограничителей напряжения, противоположна полярностям соединенных между собой выводов ограничителей напряжения, полярности соединенных между собой выводов первого и второго светодиодов одинаковы.

2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что первый светодиод имеет зеленый цвет свечения, а второй светодиод имеет красный цвет свечения.

3. Устройство по п.2, отличающееся тем, что первый и второй светодиоды расположены в одном корпусе, причем при одновременном свечении первого и второго светодиодов цвет излучения из указанного корпуса отличается от цветов свечения светодиодов за счет смешения излучений от первого и второго светодиодов.

РИСУНКИ

Рисунок 1