УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЗАЩИТЫ БЫТОВЫХ ПРИБОРОВ ОТ НЕНОРМИРОВАННОГО НАПРЯЖЕНИЯ В СЕТЯХ ПЕРЕМЕННОГО ТОКА И КОРОТКОГО ЗАМЫКАНИЯ Российский патент 2008 года по МПК H02H3/20 

Устройство предназначено для защиты бытовых приборов, таких как теле-, видео-, аудиоаппаратура, бытовые холодильники, морозильные камеры и компьютерное оборудование от ненормированных скачков напряжения в сетях переменного тока как в сторону понижения, так и в сторону повышения и предотвращения пожара из-за режима короткого замыкания, возникающего в неисправных приборах.

По функциональному назначению известно подобное устройство «Блок защитный сетевой «БЗС», имеющий сертификат соответствия №РОСС RU.ME61.B03230 от 11.05.2006, производимый ЗАО НВП «Болид» (www.bolid.rn), состоящее из корпуса, в котором размещена плата с двумя предохранителями, высокочастотным фильтром и светодиодным индикатором. В качестве исполнительных элементов применяются два предохранителя. Для защиты оборудования при повышении сетевого напряжения используются плавкие предохранители, которые перегорают при повышении напряжения в течение длительного времени.

Недостатком этого устройства является то, что данное устройство защищает оборудование только от импульсных помех длительностью 8/20 мкс и не защищает при понижении и повышении сетевого напряжения. Кроме этого, недостатком является использование для защиты плавких предохранителей, которые не защищают оборудование от резких повышений напряжения. Плавким предохранителям требуется время до нескольких секунд, чтобы они перегорели, за это время перегорает защищаемое оборудование.

Еще один недостаток - каждый раз необходимо менять предохранители после выполнения функции защиты. Для этого потребителю необходимо все время иметь запас предохранителей.

Наиболее близким к заявляемому является «Устройство для защиты потребителя от ненормированного напряжения в сетях переменного тока» по патенту №96121543/28 от 06.10.1998, содержащее пороговый элемент и подключенный к нему исполнительный орган, который является защитным устройством и состоит из силового симистора, управляющий электрод которого соединен с анодом через диодный мост с полевым транзистором.

Недостатками этого устройства являются отсутствие защиты от режима короткого замыкания и отсутствие гистерезиса как на верхнем пределе напряжения, так и на нижнем пределе напряжения. Отсутствие гистерезиса при длительном нахождении сетевого напряжения на границе верхнего или нижнего предела приводит к частым включениям-выключениям подключенного оборудования, причем это включение-выключение подключенного оборудования будет происходить до тех пор, пока сетевое напряжение не изменится существенно, а частое включение-выключение оборудования губительно для него.

В случае короткого замыкания в бытовых приборах из-за возникшей неисправности напряжение в сети не меняется, т.е. данное устройство не отключит неисправный прибор от сети, а большой ток режима короткого замыкания приводит к возгоранию элементов бытового прибора, не рассчитанного на большой ток, вследствие этого возникает пожар.

Техническим результатом заявляемого является повышение надежности работы устройства в более широком диапазоне сетевого напряжения; не только защитное отключение подключенного оборудования при ненормированных скачках напряжения, но и предотвращение пожара из-за режима короткого замыкания, возникающего в неисправных приборах; предотвращение частых включений/выключений бытовых приборов, когда сетевое напряжение длительно находится на границе верхнего или нижнего пределов, используя заложенное свойство гистерезиса.

Преимуществами заявляемого также являются:

- использование современной элементной базы в качестве переключающего элемента;

- то, что включение/выключение подключенного оборудования производится в момент перехода питающего напряжения сети через ноль, что обеспечивает устранение помех;

- повышение надежности из-за использования гальванической развязки при помощи оптронов в управляющих цепях;

- наличие 10-секундной паузы перед включением теле-, видео-, аудиоаппаратуры и 5-минутной задержки перед включением бытовых холодильников и морозильных камер;

- устройство может находиться при входном напряжении ˜500 В сколько угодно долго, а элементы схемы рассчитаны на ˜800 В.

Вышеуказанный технический результат достигается в «Устройстве для защиты бытовых приборов от ненормированного напряжения в сетях переменного тока и короткого замыкания», которое содержит микропроцессор, узел формирования аналогового сигнала, пропорционального входному диапазону сетевого напряжения, узел формирования импульса в момент перехода сетевого напряжения через ноль, пороговый элемент с узлом формирования последовательности импульсов при повышении тока на пороговом элементе выше допустимого и узел управления исполнительным элементом, связанные с микропроцессором, узел формирования стабилизированного напряжения, предназначенный для питания всех вышеперечисленных узлов и микропроцессора, светодиод и звуковой генератор, связанные с микропроцессором, исполнительный элемент, состоящий из диодного моста и мощного полевого транзистора, служащий для включения/выключения бытовых приборов от сети переменного тока и связанный с микропроцессором через узел управления и блок розеток для подключения бытовых приборов, связанный с исполнительным элементом и сетевым напряжением переменного тока через пороговый элемент.

Гальванически развязанный на оптронах узел формирования импульса в момент перехода сетевого напряжения через ноль после включения устройства в сеть переменного тока постоянно вырабатывает импульсы с периодом следования 20 мс. Формирование каждого импульса происходит в момент перехода переменного сетевого напряжения через ноль. Эти импульсы используются микропроцессором для включения или защитного выключения нагрузки. Этим обеспечивается устранение помех при переключениях и отсутствие постоянной составляющей на нагрузке.

Гальванически развязанный на оптронах узел формирования последовательности импульсов при повышении тока на пороговом элементе позволяет отличить режим короткого замыкания от переходного процесса, который возникает в момент включения. Повышение тока скачком при переходном процессе в момент включения бытовых приборов может длиться несколько десятков миллисекунд, а в режиме короткого замыкания - неограниченно долго, пока не сгорит прибор или сетевой шнур прибора. На выходе узла импульсы формируются при повышении тока на пороговом элементе более 3 ампер и с периодом следования 20 мс. Микропроцессор, отсчитывая количество этих периодов в течение определенного времени, может определить: режим короткого замыкания или переходной процесс. Предельное значение порогового тока в процессе производства устройства можно увеличить исходя из того, что к устройству может быть подключено оборудование с большим потреблением тока по сети, например мощные производственные вентиляторы.

Узел формирования аналогового сигнала, пропорционального входному диапазону сетевого напряжения, выполнен на постоянном и переменном резисторах с возможностью подстройки. Узел предназначен для определения верхнего, 254 В, или нижнего, 181 В, пределов напряжения микропроцессором. Особенностью заявляемого устройства является то, что в процессе определения верхнего и нижнего пределов напряжения в сети используется свойство гистерезиса для предотвращения частых включений/выключений бытовых приборов, когда сетевое напряжение длительно находится на границе верхнего или нижнего пределов. Для верхнего и нижнего пределов значение гистерезиса равно 9 В. При достижении сетевого напряжения верхнего предела 254 В микропроцессор отключает нагрузку и продолжает отслеживать состояние сетевого напряжения и обратное включение происходит только при достижении 245 В. При достижении сетевого напряжения нижнего предела 181 В микропроцессор отключает нагрузку и продолжает отслеживать состояние сетевого напряжения и обратное включение происходит только при достижении 190 В. После того, как напряжение в сети переменного тока приходит в норму, микропроцессор включает нагрузку только через 10 секунд для защиты теле-, видео-, аудиоаппаратуры и через 5 минут для защиты бытовых холодильников и морозильных камер. 10-секундная пауза позволяет восстановиться узлам подключенных электронных приборов и исключает пагубное действие от эффекта умножения напряжения. Пятиминутная задержка связана с режимом работы компрессора холодильника или морозильной камеры. Во всех случаях защитное выключение происходит быстро в течение 20 мс.

Исполнительным элементом является включенный в диагональ диодного моста мощный полевой транзистор, который обеспечивает меньшее прямое падение напряжения и меньшее тепловыделение по сравнению с симисторами и тиристорами. Кроме этого, полевой транзистор требует значительно меньшей мощности по цепи управления. Дополнительно за счет переключения полевого транзистора при нулевом напряжении на стоке устраняется эффект динамической входной емкости, что еще более облегчает требования к цепи управления, а также устраняется уровень электрических помех в процессе включения или защитного выключения бытовых приборов от сети.

Узел формирования стабилизированного напряжения предназначен для питания всех вышеперечисленных узлов и микропроцессора 5-вольтовым напряжением, а также формирования 12-вольтового напряжения для узла управления исполнительным элементом.

Узел управления исполнительным элементом под управлением микропроцессора формирует управляющий сигнал, амплитудой 12В для включения и защитного выключения исполнительного элемента в момент перехода через ноль сетевого напряжения.

Функциями микропроцессора являются управление всеми описанными выше процессами, а также управление светодиодом и звуковым генератором для сопровождения соответствующих процессов.

На чертеже представлена блок-схема устройства для защиты бытовых приборов от ненормированного напряжения в сетях переменного тока и короткого замыкания, где 1 - блок розеток для подключения бытовых приборов, 2 - узел формирования импульса в момент перехода сетевого напряжения через ноль, 3 - пороговый элемент, 4 - узел формирования последовательности импульсов при повышении тока на пороговом элементе выше допустимого, 5 - узел формирования аналогового сигнала, пропорционального входному диапазону сетевого напряжения, 6 - узел формирования стабилизированного напряжения, 7 - микропроцессор, 8 - светодиод, 9 - звуковой генератор, 10 - узел управления исполнительным элементом, 11 - исполнительный элемент.

Устройство работает следующим образом. В блок розеток подключаются бытовые приборы. Само устройство подключается к сети переменного тока. После этого загорится светодиод и определяется уровень сетевого напряжения переменного тока и величина тока на пороговом элементе. В случае, если сетевое напряжение и ток нагрузки на пороговом элементе находятся в норме, микропроцессор устройства начинает отсчитывать 10 секунд, в течение этого времени происходит непрерывный контроль уровня сетевого напряжения и тока на пороговом элементе. По истечении 10 секунд происходит подача сетевого напряжения на подключенные бытовые приборы при помощи исполнительного элемента, светодиод гаснет.

В случае повышения сетевого напряжения более 254 В моментально отключаются все подключенные сетевые приборы. Светодиод устройства начнет мигать неравномерно: это означает, что подключенные бытовые приборы выключены по причине повышения сетевого напряжения. Подключение бытовых приборов произойдет только в случае, если напряжение в сети станет меньше 245 В и микропроцессор отсчитает 10 секунд.

В случае понижения сетевого напряжения менее 181 В моментально отключаются все подключенные сетевые приборы. Светодиод устройства начнет мигать равномерно с частотой 2 раза в секунду: это означает, что подключенные бытовые приборы выключены по причине понижения сетевого напряжения. Подключение бытовых приборов произойдет только в случае, если напряжение в сети станет больше 190 В и микропроцессор отсчитает 10 секунд.

Появление звукового сигнала (громкое равномерное «пиканье») означает наличие режима короткого замыкания в одном из подключенных бытовых приборов. Светодиод в этом случае не горит. Бытовые приборы все отключаются. Этот режим можно прекратить только отключением неисправного бытового прибора от блока розеток устройства.

Использование: для защиты бытовых приборов от ненормированных скачков напряжения в сетях переменного тока. Техническим результатом является повышение надежности работы. Устройство содержит микропроцессор, узел формирования аналогового сигнала, пропорционального входному диапазону сетевого напряжения, узел формирования импульса в момент перехода сетевого напряжения через ноль, пороговый элемент с узлом формирования последовательности импульсов при повышении тока на пороговом элементе выше допустимого и узел управления исполнительным элементом, связанные с микропроцессором, узел формирования стабилизированного напряжения, предназначенный для питания всех вышеперечисленных узлов и микропроцессора, светодиод и звуковой генератор, связанные с микропроцессором, исполнительный элемент, служащий для включения/выключения бытовых приборов от сети переменного тока и связанный с микропроцессором через узел управления и блок розеток для подключения бытовых приборов, связанный с исполнительным элементом и сетевым напряжением переменного тока через пороговый элемент. 6 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Устройство для защиты бытовых приборов от ненормированного напряжения в сетях переменного тока и короткого замыкания, содержащее микропроцессор, узел формирования аналогового сигнала, пропорционального входному диапазону сетевого напряжения, узел формирования импульса в момент перехода сетевого напряжения через ноль, пороговый элемент с узлом формирования последовательности импульсов при повышении тока на пороговом элементе выше допустимого и узел управления исполнительным элементом, связанные с микропроцессором, узел формирования стабилизированного напряжения, предназначенный для питания всех вышеперечисленных узлов и микропроцессора, светодиод и звуковой генератор, связанные с микропроцессором, исполнительный элемент, состоящий из диодного моста и мощного полевого транзистора, служащий для включения/выключения бытовых приборов от сети переменного тока и связанный с микропроцессором через узел управления, и блок розеток для подключения бытовых приборов, связанный с исполнительным элементом и сетевым напряжением переменного тока через пороговый элемент.2. Устройство для защиты бытовых приборов от ненормированного напряжения в сетях переменного тока и короткого замыкания по п.1, отличающееся тем, что имеет гальванически развязанный на оптронах узел формирования импульса в момент перехода сетевого напряжения через ноль, обеспечивающий устранение помех при переключении.3. Устройство для защиты бытовых приборов от ненормированного напряжения в сетях переменного тока и короткого замыкания по п.1, отличающееся тем, что имеет гальванически развязанный на оптронах узел формирования последовательности импульсов при повышении тока на пороговом элементе для достоверного определения режима короткого замыкания в отличие от переходного процесса, который возникает в момент включения.4. Устройство для защиты бытовых приборов от ненормированного напряжения в сетях переменного тока и короткого замыкания по п.1, отличающееся тем, что узел формирования аналогового сигнала, пропорционального входному диапазону сетевого напряжения, выполнен для возможности определения верхнего и нижнего пределов напряжения микропроцессором.5. Устройство для защиты бытовых приборов от ненормированного напряжения в сетях переменного тока и короткого замыкания по п.1, отличающееся тем, что для определения верхнего и нижнего пределов напряжения в сети применено свойство гистерезиса для предотвращения частых включений/выключений бытовых приборов, когда сетевое напряжение длительно находится на границе верхнего или нижнего пределов.6. Устройство для защиты бытовых приборов от ненормированного напряжения в сетях переменного тока и короткого замыкания по п.1, отличающееся тем, что исполнительным элементом является включенный в диагональ диодного моста мощный полевой транзистор, который обеспечивает меньшее прямое падение напряжения и меньшее тепловыделение.7. Устройство для защиты бытовых приборов от ненормированного напряжения в сетях переменного тока и короткого замыкания по п.1, отличающееся тем, что каждое включение нагрузки происходит после 10-секундной паузы, в течение которой происходит восстановление узлов подключенных электронных приборов и исключается пагубное действие от эффекта умножения напряжения.