Методи боротьби та забезпечення роботи електронних пристроїв за підвищеної напруги в мережі

Думаю, не дуже помилюся, якщо скажу, що чимало людей стикалися з виходом електронних пристроїв з ладу через подавання на них підвищеної напруги. Причини бувають різні, але результат майже завжди один — згорає блок живлення. Так само, як є різні причини виникнення таких ситуацій, існують і різні способи боротьби з ними. Про це ми сьогодні й поговоримо.

Нагадую: щоб постійно бути в курсі нових тем у блозі, рекомендую підписатися на мій інстаграм, де я публікуватиму сповіщення про всі нові теми й, можливо, писатиму просто про щось цікаве — посилання на акаунт

Також підписатися на оновлення та нові статті можна в телеграм-каналі — https://t.me/KirichBlog

У цьому випадку під перенапругою я маю на увазі подавання на вхід пристрою напруги, вищої за 242–252 вольти, протягом тривалого часу.

Причин виникнення перенапруг у електричній мережі багато. Найпоширеніші — перехльостування проводів через вітер або сніг, обрив проводів, відгорання нуля, а останнім часом додалася ще принаймні одна — руйнування підстанцій. Звісно, бувають і імпульсні перенапруги, наприклад через грозові розряди, але це вже інша тема й інші способи захисту.

Як зазвичай захищаються? Ну, щонайменше можна встановити реле захисту від перенапруг. Спосіб простий, дієвий і відносно надійний, хоча й має певні недоліки: наприклад, якщо реле вийде з ладу, усі підключені до нього пристрої залишаться без захисту.
Водночас для побутового використання це найпростіший і найдієвіший спосіб, тим паче що в побуті є багато різноманітних споживачів, для яких складно зробити індивідуальний захист.


Ще один варіант — захищати пристрої локально. Деякі виробники побутової техніки таке пропонують. Не буду стверджувати, добре це працює чи погано, але сам факт, що таке є.


І саме про такий варіант захисту я сьогодні й хотів би розповісти та показати його на реальному прикладі.

Загалом у такому способі захисту немає нічого інноваційного. Чому його не вбудовують усюди? Та тому, що в короткостроковій перспективі це щонайменше дорого, а в довгостроковій — невигідно. Перше обмежують самі покупці: такі пристрої просто дорожчі. Друге обмежують виробники, адже простіше відмовити в гарантійному ремонті, ніж робити надійний пристрій.

Що зазвичай роблять для захисту? У найкращому разі встановлюють варистор, який у деяких ситуаціях справді може захистити завдяки пробою, що призводить до перегорання запобіжника. На жаль, такий захист спрацьовує далеко не завжди, є не в усіх пристроях, а крім того, іноді номінальна напруга варистора настільки висока, що він може допомогти лише за імпульсних високовольтних перешкод.



Найчастіше варистор має номінальну напругу 470 вольт, і в деяких ситуаціях він справді допомагає, але такий захист одноразовий. Ось приклад спрацьовування такого захисту.


Ще один варіант — функція OVP у блоках живлення. Знову ж таки, реалізована вона далеко не завжди — радше її частіше немає, ніж є. Як приклад — схема блока живлення на базі мікросхеми від Power Integrations і коло захисту UVP/OVP. Сам виробник при цьому заявляє, що

У вільному перекладі — коли напруга на вході перевищує певне значення, ми блокуємо роботу високовольтного транзистора. А оскільки він розрахований на 700 вольт і через його роботу не виникають стрибки напруги, блок живлення може витримувати високу напругу.



Третій варіант — від початку розрахувати блок живлення на роботу за такої напруги. По суті, усе просто: у мережі ми можемо отримати максимум 380/400 вольт (якщо не брати до уваги виняткові випадки), тож, виготовивши блок живлення на вхідну напругу 400 вольт, ми вже не переймаємося тим, що в нього на вході.
Такий варіант по-своєму зручний, але обходиться дорожче. Крім того, за напруги 220/230 вольт, а тим паче 180–190, блок працює в менш оптимальному режимі, що знижує його ККД. ККД також знижується через використання силових транзисторів на вищу напругу.
Нижче на фото — приклади блоків живлення, для яких заявлено робочий діапазон 100–520 і 80–580 VAC.

Щоправда, є окрема категорія блоків живлення з автоматичним перемиканням 115/230 вольт (були навіть спеціальні мікросхеми керування перемиканням), але широкого поширення вони не набули — обмежилися лише механічним перемикачем.


Оглядів реле напруги досить багато, навіть у мене є штук 5–6 таких оглядів із тестами, а іноді й схемами. Високовольтні блоки живлення застосовують рідко, тому хотів би зупинитися на варіанті захисту на рівні джерела живлення..

Як приклад реалізації захисту від перенапруги на рівні споживача можна розглянути драйвери світлодіодного світильника LRC-60, тим паче що освітлення — саме та сфера, де вихід з ладу джерела живлення помітніший. А оскільки подібні драйвери використовують і в зовнішньому освітленні, груповий захист може бути незручним: якщо він вийде з ладу, ми втратимо всю гілку освітлення, а не один світильник.


У мене виявилося одразу два драйвери, хоча, по суті, це один і той самий драйвер, але один має виконання IP20, а другий — IP66.


Ця версія драйверів оновлена. Три роки тому я робив огляд і драйверів, і блоків живлення цього виробника.


Один блок живлення відтоді живить освітлення на кухні, а доля другого склалася незвичніше: трансформатор пішов під паяльну станцію, а ШІМ-контролер — на ремонт іншого блока живлення :)



Під діапазоном робочої напруги мається на увазі діапазон, у якому драйвер живить навантаження. Водночас зазначено, що драйвер здатен відносно довго витримувати вхідну напругу до 380 вольт.


Оскільки ступінь захисту різний, один драйвер залитий компаундом, а другий — «голий».


Як приклад розглядатиму начинку драйвера з IP20


Ні, я, звісно, людина проста й теоретично міг би розібрати і залитий драйвер, як уже робив в одному з оглядів, але, на мою думку, коли маєш у руках драйвер без заливки, це вже перебір.
До речі, на фото попередня модель, вона теж витримувала на вході 380, але важлива відмінність нової — наявність активного коректора.


Відмінності між драйверами помітні вже на цьому етапі: ліворуч новий, праворуч старий. У нового немає високовольтних конденсаторів.


Щось мене занесло, повернімося до теми статті.
Які елементи визначають, чи витримає джерело живлення високу напругу на вході? Заодно розглянемо це на прикладі цього драйвера.
1. Варистор на вході мережі, звісно, після запобіжника (хоча якось бачив і до нього...). 680 вольт, тобто умовно 475 змінного струму, отже, тут він стоїть для захисту від імпульсних завад. До речі, нагадую: тут на варисторі вказано напругу постійного струму, для змінного вона відповідає амплітудному значенню. А от для варисторів Епкос, наприклад, указують діюче значення.
2. X-конденсатор. Довелося випаяти його, щоб подивитися номінал, точніше — напругу. Тут установлено конденсатор на 440 вольт, і це досить важливо, адже зазвичай у блоках живлення ставлять конденсатори на 250–300 вольт. Таких конденсаторів тут два: до і після синфазного дроселя.
3. Ще один варистор, на 470 вольт. Судячи з хитрої схеми підключення, він тут гасить одиничні імпульси, але на безперервну напругу не впливає.
4. Міжобмотковий Y-конденсатор, як і X-конденсатори, буває різним, а точніше — двох типів: Y1 і Y2. Перший стійкіший до високовольтних імпульсів, але в цьому випадку конденсатор не просто Y1, а ще й розрахований на напругу до 400 вольт.


1, 2. Насправді в деяких ситуаціях безпеку підвищують ще й послідовним з’єднанням. Особливо це стосується Y-конденсаторів, адже від них може залежати життя людини. На фото — пара Y-конденсаторів на 250 вольт, з’єднаних послідовно.
3. Так само роблять і з X-конденсаторами, хоча й значно рідше.
4. У деяких ситуаціях для підвищення безпеки ІІП на вході встановлюють і два запобіжники — відповідно на нульовий і фазний проводи. Хоча іноді два запобіжники ставлять і послідовно, наприклад до варистора й після нього, причому з різними номіналами, але це радше виняток.

У будь-якому разі зайвої безпеки не буває. Іноді люди не замислюються, що фазу й нуль на вході ІІП позначають не просто так, а саме задля безпеки, адже запобіжник встановлюють саме у фазний провід.


Плата керування для компактності виконана у вигляді субмодуля, але загалом тут важливо, який встановлено високовольтний транзистор, адже він також визначає стійкість ІІП до високої напруги на вході. WML08N80M3, 800В, 7А — цілком непогано. І тут хтось, можливо, запитає: чому в усіх ІІП не встановлюють настільки високовольтні транзистори? Відповідь дуже проста: що вищу напругу витримує транзистор, то зазвичай більший опір відкритого каналу він має, а отже, більші падіння напруги й нагрівання та нижчий ККД. Частіше в подібних схемах використовують транзистори на 500–650 вольт.


І, звісно, трохи тестів і наочної демонстрації. Для цього, крім драйвера, мені знадобилося й навантаження — ним будуть дві світлодіодні панелі.


Кожна панель складається з 54 світлодіодів, з’єднаних за схемою 6P9S, тобто загальна напруга становить близько 26–27 вольт. Драйвер розрахований на напругу до 60 вольт, тому панелей дві. Класні панельки, світять яскраво. Ганяв їх навіть без додаткового охолодження — тільки гріються, зарази :)


На двох панелях драйвер видає 52.8 вольта — це визначається самими панелями. Струм близько 900мА, а його вже задає драйвер. Власне, струм і напругу зазначено в назві 60-900.
Панелі підібрав не просто так: хотілося отримати навантаження, близьке до максимальних 54Вт. У мене вийшло близько 47Вт. Звісно, можна було використати електронне навантаження в режимі CV, але так значно менш наочно.


Раз уже драйвер і навантаження на столі, одразу прикинув ККД, а заразом перевірив заяву про наявність коректора потужності.
Щодо ККД важко сказати: у мене вийшло близько 90%, заявлено 92. А от до коефіцієнта потужності питань немає — щось у діапазоні 0.97–1.


Ну і, звісно, випробування на стійкість до високої напруги. Виробник пише про 380–400 вольт, але я не став дріб’язковим і підняв напругу ще майже на 10% (хоча під час знімання підвищував її ще більше). Крім того, перевірив стійкість до короткого замикання на виході.
1. 00:00-00:45 — плавна зміна вхідної напруги.
2. 00:45-1:00 — різка зміна вхідної напруги.
3. 1:00-1:35 — перевірка на КЗ на виході: спочатку короткі замикання, потім тривале.

Заодно перевіряв розмах пульсацій на виході. Заявлено до 2%, насправді вийшло трохи менше. Одна клітинка на екрані осцилографа — це приблизно 5%. Основна пульсація (без урахування ВЧ-шуму) цілком вкладається в це значення.
Під час перевірки з’ясувалося, що після короткого КЗ драйвер одразу відновлює вихід, а після тривалого — приблизно через 10 секунд після усунення КЗ.


У виробника також є подібне відео з демонстрацією, але трохи спрощене. Осцилограма, звісно, має кращий вигляд. Підозрюю, що на осцилографі ввімкнено якісь додаткові фільтри з обмеженням смуги пропускання. У мене стандартне обмеження 20 МГц, а сигнал із шунта знімався також через типове коло С+С.


Якщо не хочеться дивитися відео, основну суть можна передати одним фото: драйвер вимикається приблизно за 303–306 вольт, а вмикається за 290–295 вольт. Минулого разу я скаржився на відсутність гістерезису після спрацювання захисту, а тут його добре видно — за це плюс.


Вище розглянуто, по суті, три основні способи розв’язання проблеми перенапруги в мережі:
1. Вимкнення живлення на рівні групи за допомогою реле напруги
2. Захист у самому пристрої: він не виходить з ладу, а вимикається на час перевищення напруги.
3. Толерантність пристрою до напруги в діапазоні до 380/400 вольт, пристрій продовжує працювати


Особисто мені більше подобається третій варіант, удома використовую перший, але не менш життєздатний і другий — тут усе залежить від сценарію використання. Якщо говорити про захист саме драйверів освітлення, то я б також віддав перевагу другому варіанту: у такому разі під час аварії освітлення продовжить працювати, а це іноді дуже важливо. Хотілося б дізнатися, що ви думаєте з цього приводу.

На сьогодні поки що все, сподіваюся, було корисно.