Metody ochrony i zapewnienia działania urządzeń elektronicznych przy podwyższonym napięciu w sieci

Myślę, że niewiele się pomylę, jeśli powiem, że całkiem sporo osób zetknęło się z awarią urządzeń elektronicznych spowodowaną zbyt wysokim napięciem. Przyczyny bywają różne, ale skutek jest niemal zawsze taki sam: zasilacz ulega spaleniu. Skoro przyczyn takiej sytuacji może być wiele, istnieją też różne sposoby, by się przed nią chronić. I właśnie o tym dziś porozmawiamy.

Przypominam, że aby być na bieżąco z nowymi tematami na blogu, warto obserwować mnie na Instagramie. Będę tam publikować powiadomienia o nowych wpisach, a może też pisać po prostu o czymś ciekawym — link do profilu

Można też subskrybować aktualizacje i nowe artykuły na kanale Telegram — https://t.me/KirichBlog

Przez przepięcie rozumiem w tym przypadku napięcie na wejściu urządzenia przekraczające 242-252 V przez dłuższy czas.

Przyczyn przepięć w sieci elektrycznej jest wiele. Do najczęstszych należą zetknięcie się przewodów na skutek wiatru lub śniegu, zerwanie przewodów, przepalenie przewodu neutralnego, a ostatnio doszła jeszcze co najmniej jedna przyczyna: zniszczenie podstacji. Występują oczywiście także przepięcia impulsowe, na przykład spowodowane wyładowaniami atmosferycznymi, ale to już inny temat i inne metody ochrony.

Jak zwykle się przed tym chronimy? Można przynajmniej zamontować przekaźnik napięciowy. To proste, skuteczne i stosunkowo niezawodne rozwiązanie, choć ma pewne wady. Na przykład w razie awarii przekaźnika bez ochrony pozostaną wszystkie podłączone do niego urządzenia.
W zastosowaniach domowych jest to najprostsze i najskuteczniejsze rozwiązanie, zwłaszcza że w domu mamy wiele różnych odbiorników, którym trudno zapewnić indywidualną ochronę.


Innym rozwiązaniem jest lokalna ochrona urządzeń. Niektórzy producenci sprzętu AGD oferują takie rozwiązanie. Nie będę oceniać, czy działa dobrze, czy źle — ważne, że jest dostępne.


I właśnie o takim sposobie ochrony chciałbym dziś opowiedzieć i pokazać go na konkretnym przykładzie.

Nie ma w tym sposobie ochrony nic innowacyjnego. Dlaczego więc nie stosuje się go wszędzie? Bo w krótkiej perspektywie jest to co najmniej kosztowne, a w dłuższej — nieopłacalne. Pierwsze ograniczenie wynika z decyzji samych klientów: takie urządzenia są po prostu droższe. Drugie narzucają producenci, którym łatwiej odmówić uznania gwarancji, niż zaprojektować niezawodne urządzenie.

Co zwykle robi się w ramach ochrony? W najlepszym razie montuje się warystor, który w niektórych sytuacjach może rzeczywiście ochronić urządzenie, ulegając przebiciu i w konsekwencji przepalając bezpiecznik. Niestety, takie zabezpieczenie nie zawsze zadziała, nie ma go we wszystkich urządzeniach, a poza tym czasem napięcie znamionowe warystora jest tak wysokie, że może on pomóc tylko przy impulsowych zakłóceniach o wysokim napięciu.



Najczęściej warystor ma napięcie znamionowe 470 V i w niektórych sytuacjach rzeczywiście pomaga, ale jest to zabezpieczenie jednorazowe. Oto przykład jego zadziałania.


Innym rozwiązaniem jest funkcja OVP w zasilaczach. Również jej nie zawsze się używa — częściej jej nie ma, niż jest. Jako przykład można podać schemat zasilacza opartego na układzie firmy Power Integrations z obwodem zabezpieczającym UVP/OVP. Producent twierdzi przy tym, że

Mówiąc w uproszczeniu: gdy napięcie wejściowe przekroczy określoną wartość, blokujemy pracę tranzystora wysokonapięciowego. Ponieważ jest przystosowany do napięcia 700 V, a podczas pracy nie występują skoki napięcia, zasilacz może wytrzymać wysokie napięcie.



Trzecim rozwiązaniem jest zaprojektowanie zasilacza od początku do pracy przy takim napięciu. W zasadzie sprawa jest prosta: w sieci możemy mieć maksymalnie 380/400 V (pomijając nietypowe sytuacje), więc jeśli zbudujemy zasilacz na napięcie wejściowe 400 V, nie będzie miało znaczenia, jakie napięcie pojawi się na jego wejściu.
To rozwiązanie jest pod pewnymi względami wygodne, ale droższe. Ponadto przy napięciu 220/230 V, a tym bardziej przy 180-190 V, zasilacz pracuje w mniej optymalnym trybie, co obniża jego sprawność. Sprawność spada również z powodu zastosowania tranzystorów mocy na wyższe napięcie.
Poniżej przykłady zasilaczy, dla których deklarowany zakres pracy wynosi 100-520 i 80-580 VAC.

Istnieje też osobna kategoria zasilaczy z automatycznym przełączaniem 115/230 V (były nawet specjalne układy sterujące przełączaniem), ale nie zdobyły one większej popularności i zwykle ograniczały się do mechanicznego przełącznika.


Recenzji przekaźników napięciowych jest całkiem sporo. Sam mam na koncie jakieś 5-6 takich testów, czasem również ze schematami. Zasilacze wysokonapięciowe są rzadko stosowane, dlatego chciałbym skupić się na ochronie na poziomie samego źródła zasilania..

Jako przykład ochrony przed przepięciem po stronie odbiornika można podać sterowniki oprawy LED LRC-60. Oświetlenie to zresztą właśnie ta dziedzina, w której awaria zasilacza jest szczególnie odczuwalna. A ponieważ podobne sterowniki stosuje się również w oświetleniu ulicznym, zabezpieczenie grupowe może być niewygodne: w razie jego awarii tracimy całą gałąź oświetlenia, a nie tylko jedną oprawę.


Mam od razu dwa sterowniki, choć w zasadzie to ten sam model, tylko jeden ma stopień ochrony IP20, a drugi IP66.


To zaktualizowana wersja sterowników. Trzy lata temu recenzowałem zarówno sterowniki, jak i zasilacze tego producenta.


Jeden zasilacz od tamtej pory zasila oświetlenie w kuchni, a losy drugiego potoczyły się ciekawiej: transformator trafił do stacji lutowniczej, a sterownik PWM posłużył do naprawy innego zasilacza :)



Zakres napięcia roboczego oznacza przedział, w którym sterownik zasila obciążenie. Podano jednak również, że sterownik może przez stosunkowo długi czas wytrzymać napięcie wejściowe do 380 V.


Ze względu na różny stopień ochrony jeden sterownik jest zalany masą zalewową, a drugi jest „goły”.


Jako przykład omówię wnętrze sterownika w wersji IP20.


No, oczywiście jestem prostym człowiekiem i mógłbym rozebrać również zalany sterownik, tak jak zrobiłem to już w jednej z recenzji, ale moim zdaniem mając pod ręką sterownik bez zalewy, byłaby to już przesada.
Przy okazji: na zdjęciu jest poprzedni model. On również wytrzymywał na wejściu 380 V, ale istotną różnicą w nowym jest aktywny układ korekcji współczynnika mocy.


Już na tym etapie widać różnice między sterownikami: po lewej nowy, po prawej stary. W nowym nie ma kondensatorów wysokonapięciowych.


Trochę mnie poniosło, wróćmy do tematu artykułu.
Które elementy decydują o tym, czy źródło zasilania wytrzyma wysokie napięcie na wejściu? Przyjrzyjmy się temu na przykładzie tego sterownika.
1. Warystor na wejściu sieciowym, oczywiście za bezpiecznikiem (choć kiedyś spotkałem go też przed bezpiecznikiem...). Ma wartość 680 V, czyli umownie 475 V napięcia przemiennego, a więc służy tu do ochrony przed zakłóceniami impulsowymi. Przypominam, że na tym warystorze podano napięcie stałe; dla napięcia przemiennego odpowiada ono wartości szczytowej. Na przykład w przypadku warystorów Epcos podaje się wartość skuteczną.
2. Kondensator X. Musiałem go wylutować, żeby sprawdzić jego wartość, a dokładniej napięcie znamionowe. Tutaj zastosowano kondensator na 440 V, co jest dość istotne, bo w zasilaczach zwykle montuje się kondensatory na 250-300 V. Są tu dwa takie kondensatory: przed dławikiem skompensowanym i za nim.
3. Kolejny warystor, na 470 V. Sądząc po nietypowym sposobie podłączenia, służy tu do tłumienia pojedynczych impulsów, ale nie wpływa na napięcie działające w sposób ciągły.
4. Międzyuzwojeniowe kondensatory Y, podobnie jak kondensatory X, występują w różnych wariantach, a dokładniej — w dwóch typach: Y1 i Y2. Pierwszy jest bardziej odporny na impulsy wysokiego napięcia, ale w tym przypadku kondensator nie tylko jest typu Y1, lecz także jest przystosowany do napięcia do 400 V.


1, 2. W niektórych sytuacjach bezpieczeństwo zwiększa się także przez połączenie szeregowe. Dotyczy to zwłaszcza kondensatorów Y, ponieważ od nich może zależeć ludzkie życie. Na zdjęciu para kondensatorów Y na 250 V połączonych szeregowo.
3. Podobnie postępuje się z kondensatorami X, choć znacznie rzadziej.
4. W niektórych sytuacjach, aby zwiększyć bezpieczeństwo zasilacza impulsowego, na wejściu montuje się także dwa bezpieczniki — odpowiednio na przewodzie neutralnym i fazowym. Czasem dwa bezpieczniki montuje się szeregowo, na przykład przed warystorem i za nim, przy czym mają różne wartości znamionowe, ale to raczej wyjątek.

W każdym razie bezpieczeństwa nigdy za wiele. Czasem ludzie nie zdają sobie sprawy, że oznaczenia przewodu fazowego i neutralnego na wejściu zasilacza impulsowego nie są przypadkowe — chodzi właśnie o bezpieczeństwo, bo bezpiecznik montuje się na przewodzie fazowym.


Dla zachowania kompaktowych wymiarów płytka sterująca ma postać submodułu, ale najważniejsze jest tu to, jaki zastosowano tranzystor wysokonapięciowy, bo on również wpływa na odporność zasilacza impulsowego na wysokie napięcie wejściowe. WML08N80M3, 800 V, 7 A — całkiem nieźle. Ktoś może zapytać, dlaczego we wszystkich zasilaczach impulsowych nie stosuje się tak wysokonapięciowych tranzystorów? Odpowiedź jest bardzo prosta: im wyższe napięcie znamionowe tranzystora, tym zwykle większa rezystancja otwartego kanału, a co za tym idzie — większy spadek napięcia, więcej ciepła i niższa sprawność. W podobnych układach częściej stosuje się tranzystory na 500–650 V.


I oczywiście kilka testów oraz praktyczna demonstracja. Oprócz sterownika potrzebne było mi do tego obciążenie, którym będą dwie panele LED.


Każdy panel składa się z 54 diod LED połączonych w układzie 6P9S, czyli napięcie całkowite wynosi około 26–27 V. Sterownik obsługuje napięcie do 60 V, dlatego używam dwóch paneli. Świetne panele, świecą jasno. Testowałem je nawet bez dodatkowego chłodzenia, tylko strasznie się grzeją :)


Przy dwóch panelach sterownik podaje 52,8 V — wartość ta zależy od samych paneli. Prąd wynosi około 900 mA, a to już zależy od sterownika. Zresztą prąd i napięcie podano w oznaczeniu 60-900.
Panele dobrałem nieprzypadkowo: chciałem uzyskać obciążenie zbliżone do maksymalnych 54 W. Wyszło mi około 47 W. Oczywiście można było użyć obciążenia elektronicznego pracującego w trybie CV, ale efekt byłby znacznie mniej czytelny.


Skoro sterownik i obciążenie leżały już na stole, od razu oszacowałem sprawność, a przy okazji sprawdziłem deklarowaną obecność korektora współczynnika mocy.
Trudno powiedzieć, jak jest ze sprawnością — wyszło mi około 90%, podczas gdy deklarowana wartość to 92%. Za to co do współczynnika mocy nie ma wątpliwości: wynosi mniej więcej 0,97–1.


No i oczywiście test odporności na wysokie napięcie. Producent podaje 380–400 V, ale nie zamierzałem się ograniczać i podniosłem napięcie o prawie 10% ponad tę wartość (podczas nagrywania zwiększyłem je jeszcze bardziej). Sprawdziłem też odporność na zwarcie na wyjściu.
1. 00:00-00:45 — płynna zmiana napięcia wejściowego.
2. 00:45-1:00 — gwałtowna zmiana napięcia wejściowego.
3. 1:00-1:35 — test zwarcia na wyjściu: najpierw krótkie, potem długotrwałe.

Przy okazji sprawdzałem amplitudę tętnień na wyjściu. Deklarowana wartość to do 2%, w rzeczywistości wyszło nieco mniej. Jedna działka na ekranie oscyloskopu odpowiada mniej więcej 5%, a główne tętnienia (bez uwzględnienia szumu wysokiej częstotliwości) mieszczą się w tej wartości.
W trakcie testów okazało się, że po krótkim zwarciu sterownik natychmiast przywraca napięcie na wyjściu, a po długotrwałym — mniej więcej 10 sekund po usunięciu zwarcia.


Producent ma też podobny film demonstracyjny, ale w nieco uproszczonej formie. Przebieg na oscyloskopie wygląda oczywiście ładniej. Podejrzewam, że w oscyloskopie włączono jakieś dodatkowe filtry ograniczające pasmo przenoszenia. U mnie standardowe ograniczenie wynosi 20 MHz, a sygnał z bocznika był pobierany przez typowy układ RC.


Jeśli nie chcecie oglądać filmu, jego główny przekaz można ująć na jednym zdjęciu: sterownik wyłącza się przy napięciu około 303–306 V, a włącza przy 290–295 V. Ostatnio narzekałem na brak histerezy po zadziałaniu zabezpieczenia. Tutaj widać ją wyraźnie, więc plus.


Omówiliśmy w zasadzie trzy podstawowe sposoby rozwiązania problemu przepięć w sieci:
1. Odłączenie zasilania na poziomie grupy za pomocą przekaźnika napięciowego
2. Zabezpieczenie w samym urządzeniu — urządzenie nie ulega uszkodzeniu, ale wyłącza się na czas występowania zbyt wysokiego napięcia.
3. Odporność urządzenia na napięcie w zakresie do 380/400 V — urządzenie nadal działa


Osobiście najbardziej podoba mi się trzecie rozwiązanie. W domu korzystam z pierwszego, ale drugie też jest jak najbardziej sensowne — wszystko zależy od scenariusza użytkowania. Jeśli chodzi konkretnie o zabezpieczenie sterowników oświetlenia, wybrałbym również drugie rozwiązanie. W takim przypadku podczas awarii oświetlenie będzie nadal działać, a czasem jest to bardzo ważne. Chętnie poznam Wasze zdanie na ten temat.

Na dziś to już wszystko. Mam nadzieję, że było przydatne.