Гаситель комутаційних завад (стр. 1 из 7)
Міністерство освіти і науки України
Смілянський радіотехнікум
Черкаського державного технологічного університету
Дипломний проект
На тему: Гаситель комутаційних завад
Вступ
Загальновідомо, при ввімкненні потужних навантажень в мережу живлення змінного струму виникають сильні комутаційні завади. Чим більший споживаний струм в момент підключення, тим сильніша завада. Наприклад, при підключенні до мережі електродрелі чи компресора ввімкнена лампа розжарювання змінить яскравість свічення на короткий час (мигання). При підключенні потужних індуктивних споживачів електроенергії (двигунів, дроселів, силових трансформаторів) спостерігається, окрім миттєвих провалів значень напруги, ще й миттєве підвищення напруги в мережі, що створюється самоіндукцією. При цьому багато які неінерційні пристрої (електротермометри, терморегулятори, джерела живлення та інші чутливі пристрої) можуть бути пошкоджені. Звичайно, можна було б обійтися стабілізаторами, підключивши їх до інших, вразливих вузлів споживання електроенергії.
Але ж буде легше вберегти вразливі пристрої шляхом обмеження або недопущення впливу на зовнішню мережу самого джерела комутаційних завад. Даний пристрій (назвемо його гасителем комутаційних завад) призначений саме для недопущення створення завад при підключенні потужних споживачів електроенергії. Такий пристрій ніколи не буде зайвим на підприємствах, де працюють потужні термокамери, холодильники, електропечі, двигуни та інші споживачі струму. Не буде зайвим, тому що при роботі точної апаратури неприпустиме спотворення напруги. Отже, даний гаситель виконує також роль стабілізатора, що робить його конкурентоспроможним з дорогими і складними мережевими стабілізаторами, які використовуються в радіотехнічних лабораторіях. Також не завадить дану схему використовувати в домашніх умовах, адже вмикання комп’ютера, телевізора, електрочайника чи автоматизованої корморізки в сільському господарстві не завжди непомітне для користувача, особливо ввечері, коли використовується штучне освітлення, що є неінерційним і видає світловий потік, пропорційний рівню напруги. Таким чином, гаситель завад буде доречним і вдома.
Постає таке питання: а що саме змусило мене розробити і реалізувати на практиці гаситель комутаційних завад і чому саме така схема гасителя, а не інша? І чи не можна взагалі замінити стабілізатором? Відповідь на перше питання суто практичне. Справа в тому, що в лабораторіях, наприклад, де проводяться випробування експериментальних зразків цифрової техніки, в тому числі радіопристрої, при вмиканні кліматичних камер (а ними користуються часто) знижується якість освітлення (лампи моргають), що заважає роботі з кресленнями конструкторам, монтажникам при установці елементів поверхневого монтажу, складальникам одиниць радіотехніки. Щоб уникнути подібних випадків, як тему для дипломного проекту мені було запропоновано саме гаситель комутаційних завад. Відповідь на друге питання дається в контексті легкості відшукання несправностей та надійності пристрою. Якщо порівняти принципові схеми складних стабілізаторів та даного гасителя завад, то можна сказати, що будь-який пристрій тим надійніший, чим менше в ньому додаткових вузлів чи компонентів і чим менше в ньому елементів. Звідси випливає, що при поломці фірмового стабілізатора буде більше клопотів при пошуку несправностей та заміні елементів у важкодоступних місцях схеми. Натомість гаситель завад не важкий у ознайомленні, легше піддається ремонту з огляду на те, що він розташований на єдиній платі. Також застосування даного пристрою доцільне у фінансово-економічному плані, оскільки складається з недорогих і доступних деталей.
гаситель комутаційний завада
Обґрунтування необхідності проектування на основі критичного аналізу існуючих аналогів
Мені було задано питання: а чому не можна було обійтися простішими пристроями для послаблення завад, уже спроектованими, чому потрібно ускладнювати існуючі пристрої? Відповідь була обґрунтованою: тому що випробувані готові пристрої даного роду або не дали бажаного відсотку послаблення завад, або були непрацюючі.Основною причиною тому були помилки у розробках схем керування ввімкенням навантаження.
Першим прототипом, який буде розглянуто, є схема принципова вибрана з журналу [10]. Його схема електрична принципова зображена на рисунку 1.1.
Схема представляє собою схему затримки ввімкнення лампи розжарювання HL1. Силовим елементом являється симістор VS1, який керується сигналом із виходу тригера DD1.2.
Як відомо, при ввімкненні будь-якого навантаження в мережу через баластний опір (у даному випадку це конденсатор C1) спостерігається різкий стибок амплітуди струму, оскільки конденсатор розряджається на навантаження. Для обмеження цієї амплітуди звичайно паралельно конденсатору підключається струмообмежуючий резистор. Але в даній схемі його немає.
Рис
Ще один цікавий момент. По ТУ [2] максимально допустима напруга для мікросхеми DA1 (КР142ЕН5А) складає 15 В. При можливості появи на вході мікросхеми більших величин напруги для її захисту в схемотехніці принято шунтувати вхід стабілітроном. У поданій схемі ймовірність перенапруги вхідного виводу є, а захисного стабілітрона немає.
Керуючий сигнал подається на керуючий електрод симистора VS1 (ТС112 – 16, а не ТС11/2 – 16, як указано автором, оскільки такого типу просто не існує) через резистор R2 з виходу D– тригера DD1.2. В той же час вивід 7 мікросхеми DD1 по схемі з’єднаний з анодом VS1. Це неминуче призводить до виходу з ладу мікросхеми, якщо симистор знаходиться у закритому стані.
Припустимо, автор схеми помилився у нарисі VS1 в замість анода у схемі повинен підключатися катод симистора, то в тоді мікросхема може працювати. Але в такому випадку на керуючий електрод ключового елемента в цій схемі буде подаватися або нульовий потенціал або +5 В – симистор зможе відкриватися лише в одну з напівхвиль мережевої напруги і лампа розжарювання HL1 буде горіти в половину розжарення, що не відповідає задумам автора.
Автором цієї ж схеми була запропонована деяка модифікація схеми керування. У цій модифікації було започатковано індикацію прослідження появи одиничного потенціалу на неінвертуючому виході тригера DD1.2. Індикатором являється світлодіод EL1. При натисканні кнопки SB1 знімався одиничний потенціал зі входів синхронізації D – тригерів мікросхеми DD1. Сама модифікація зображена на рисунку 1.2.
Рис
Резистор R4 у схемі рис. 1.1 повинен за задумом автора забезпечувати затримку роботи мікросхеми DD1 після ввімкнення живлення тумблером SA1. При випробуваннях на змакетованому пристрою по описаній вище схемі затримки роботи мікросхеми вдалося досягти лише після введення в схему додаткового конденсатора на 100 мкФ. Відразу після подачі живлення напруги 9 В на інтегральний стабілізатор DA1 на виході тригера DD1.2 був наявний нульовий потенціал і контрольний світлодіод не світився.
Досягти стійкого свічення цього індикатора після декількох натискань кнопки SB1, а не однократного натискання, вдалося лише після з’єднання входу R тригера DD1.2 зі входом Cтригера DD1.1. Тепер схема керування відповідала первинному задуму автора.
Ще однією помилкою при публікації схеми автором були значення щодо величини струму керування симістором. За довідником [1] струм керування симистором типу ТС122-16 складає 100 мА (мінімальне значення). Якщо номінал резистора R2 у схемі заданий як 3,9 кОм, а напруга живлення схеми 5 В, то струм в колі керуючого переходу не перевищує 1,3 мА. ТС122-16 при такому струмові не відкриється. Враховуючи обмеження по ТУ на максимально допустимий для мікросхеми типу К155ТМ2 (що використана у схемі) вихідний струм у стані логічної одиниці її прямого виходу, неможливо багатократно зменшувати номінал резистора R2.
Як бачимо, автор схеми на рис. 1.1 не макетував схему, тому то вона не придатна для практичного застосування без переробки (рис. 1.2).
На рис. 1.3 приведений ще один можливий аналог розроблюваної схеми.
У ній вузол ввімкнення силового симистора VS1 виконаний на одному D-тригері і узгоджуючому транзисторі VT1. Як бачимо, подана схема наближена до розроблюваної. Проте тут наявні свої недоліки:
1. Параметричний стабілізатор у схемі керування не забезпечує високоякісної фільтрації вхідних спотворень;
2. Схема забезпечує невисокий відсоток нормалізації напруги в мережі при ввімкненні навантаження
3. Відсутність формувача синхроімпульсів може змінювати час затримки ввімкнення навантаження;
4. В описанні до схеми відсутня інформація про необхідність встановлення радіатора на корпус симистора, що призводить до вимоги підключення менших навантажень.
Діод VD3 і VD5 служить для прив’язки моментів нульової напруги в мережі до входу «С» тригера DD1. В ці моменти нульовий потенціал на вході С тригера в ці моменти.
Мікросхема DD1 живиться від накопиченого заряду в конденсаторі C3. Але автор не врахував можливих стрибків напруги при розряді конденсатора, оскільки гасячий резистор, що знижує амплітуду стрибка, відсутній.
Після подачі на схему напруги мережі через тумблер SA1 позитивні напівхвилі обмежуються баластним конденсатором C1, випрямляються однонапівперіодним випрямлячем VD1 – VD2.У баластному вузлі дотримано стандартних технічних рішень – резистор R1 забезпечує розряд баластного конденсатора після вимкнення пристрою, а резистор R2 обмежує струм заряду C1.
Випрямленою напругою мережі діодом VD5 відбувається заряджання конденсатора С3. Одночасно заряджається конденсатор С2, обмежуючись зарядним струмом через резистор R5. Безпосередньо після ввімкнення тумблера SA1 напруга на виході мікросхеми (вивід 1) рівна нулю, тому транзистор VT1 і симистор будуть знаходитись в закритому стані. Імпульси з виходу однонапівперіодного випрямляча, що подаються на вхід «С» тригера DD1 лише підтверджують нульовий потенціал на неінвертуючому виході тригера. Як тільки конденсатори С3 і С2 зарядяться, стрибок напруги на вході «С» тригера підтвердить одиничний потенціал на виході «D». При таких умовах тригер переключиться і в подальшому буде зберігати цей стан. Позитивна напруга з неінвертуючого виходу тригера відкриє транзистор VT1, що, в свою чергу, відкриє симистор VS1.