Схема устройства для защиты от поражения электрическим током
Статья знакомит читателей с решением проблемы защиты от поражения током человека, если он неосторожно прикоснулся к проводникам или деталям электроаппарата, находящимся под сетевым напряжением. Такое возможно не только на производстве, но ив домашних условиях, особенно в сельской местности. Простое защитное устройство, описанное в статье, поможет повысить электробезопасность.
Электрическая проводка жилых помещений в большинстве случаев выполнена по схеме с “заземленной нейтралью". В такой проводке один сетевой провод называют фазным, а другой — “заземленный" — нейтральным.
Принцип действия системы электрозащиты основан на том, что в нормальном режиме значение тока в фазном проводе точно равно значению тока в нейтральном, т. е. разность этих значений равна нулю. Как только по какой-либо причине эта разность превысит некоторый пороговый уровень, устройство немедленно отключит цепь нагрузки.
Работу защитного устройства иллюстрирует функциональная схема (рис. 1). Сетевое напряжение поступает в нагрузку через замкнутые контакты К1.1 и К1.2 реле К1. На пути к нагрузке сетевые провода пропущены сквозь кольцевой магнитопровод трансформатора тока Ли образуют две идентичные первичные обмотки I и II. Со вторичной обмотки III трансформатора сигнал поступает на вход электронного усилителя тока А1, нагрузкой которого служит обмотка реле К1.
В нормальном режиме работы, когда Іф = Ін, магнитные поля обмоток I и II полностью взаимно компенсируются, в результате чего сигнал на обмотке III трансформатора тока Т1 отсутствует. Если человек, стоящий на проводящей “заземленной” поверхности, коснется фазного провода, то через его тело потечет электрический ток Іт. При этом немедленно нарушится токовый баланс в трансформаторе Т1 и на входе усилителя тока А1 появится электрический сигнал. В результате сработает реле К1 и разомкнет контакты К1.1, К1.2. При чувствительности устройства Іт = Іф - Ін в пределах 10...30 мА и быстродействии срабатывания не более нескольких десятков миллисекунд человек не будет поражен электрическим током.
Конечно такое устройство не сможет защитить человека, если он, оказавшись хорошо изолированным от “земли”, коснется одновременно фазного и нейтрального проводов. Намного более эффективно устройство при трехпроводной схеме сетевой проводки “фаза—"земля"—нейтраль”. По-английски такой вид проводки обозначают MEN (Mains—Earth—Neutral).
Ее применяют в большинстве промышленно развитых стран. При использовании проводки MEN корпусы и все доступные для касания металлические детали бытовых приборов соединяют с “землей”. Заметим, что использовать нейтральный провод в качестве “земляного” НИ В КОЕМ СЛУЧАЕ НЕЛЬЗЯ — в конце концов, это приведет к поражению электрическим током!
Примерно десять лет назад проводку MEN стали постепенно внедрять в практику и в России, появились трехполюсные сетевые вилки и розетки, соответствующие европейскому стандарту и частично совместимые с обычными отечественными двуполюсными. Следует упомянуть, что при проводке MEN цвет проводников стандартизован; фазный провод должен иметь изоляцию красного или коричневого цвета, нейтральный — синего или черного, а “земляной" — зеленого (или зеленого с полосами желтого).
Защитные устройства, работающие на описанном принципе, серийно выпускают и широко используют в ряде зарубежных стран. Общее их название по-английски — Residual Current Devices (RCD), что означает токоразностные устройства. Используют также и название Safety Switch — аварийный выключатель.
Применяют эти устройства в распределительных щитках квартирной или домовой проводки, обычно в цепи розеток, т. е. там, где наиболее вероятно поражение человека электрическим током. Устройства весьма эффективны, и при срабатывании в опасных ситуациях, как правило, люди вообще не чувствуют удара.
Цена таких промышленных защитных устройств довольно высока, однако это — цена безопасности. Их подвергают всесторонним испытаниям для того, чтобы они были способны надежно защитить человеческую жизнь.
Описываемая ниже любительская конструкция конечно же на замену промышленных RCD не претендует. Тем не менее она вполне работоспособна. Эффективность работы устройства будет зависеть в основном от скорости срабатывания исполнительного реле, которое не должно превышать 20 мс.
От описанного в статье В. Павлова ‘‘Автоматический отключатель нагрузки” в “Радио”, 1989, № 11, с. 91 представляемое устройство отличается большим допустимым током нагрузки и повышенным быстродействием. Кроме этого, использованный В. Павловым в качестве датчика своего устройства обычный сетевой трансформатор имеет слишком большую индуктивность первичных обмоток, из-за чего накопленная в нем электромагнитная энергия может стать дополнительной причиной удара электрическим током в момент срабатывания отключателя.
Ответственным элементом устройства (см. схему на рис. 2) является трансформатор тока Т1. В промышленных устройствах используют трансформаторы на кольцевом магнитопроводе из магнитного материала с очень высокой (20 ООО... ...100 ООО) магнитной проницаемостью. Радиолюбителям найти такой магнитопровод довольно сложно. Вместо него подойдет небольшой П- или ID-образный либо кольцевой магнитопровод из пермаллоя или в крайнем случае из трансформаторной стали например, от портативного радиоприемника.
Размеры магнитопровода существенной роли не играют, они отчасти влияют на уровень сигнала на вторичной обмотке, но это легко компенсировать выбором числа витков первичной и вторичной обмоток, а также подборкой нагрузочного резистора.
При использовании пермаллоевого магнитопровода, который имеет довольно высокую магнитную проницаемость, первичные (сетевые) обмотки должны содержать по три витка многожильного монтажного провода сечением не менее 0,75 мм2, а вторичная — примерно 3000 витков провода ПЭВ-10,1. Для магнитопровода из трансформаторной стали число витков вторичной обмотки придется увеличить до 5000—10 000, а диаметр провода — до 0,12—0,15 мм, при этом первичные обмотки должны содержать по 5—10 витков каждая — габариты и масса трансформатора соответственно изменятся.
Вторичная обмотка III трансформатора тока Т1 нагружена резистором R1 и встречно-параллельно включенными кремниевыми диодами VD1 VD2. При идеальном трансформаторе тока (с бесконечно большой индуктивностью вторичной обмотки) напряжение на его вторичной обмотке было бы пропорционально сопротивлению резистора R1 и разности значений тока в первичных. Например, при коэффициенте трансформации 1:1000 и токовой разности 20 мА ток во вторичной обмотке будет равен 20 мкА, а падение напряжения на резисторе R1 сопротивлением 1 кОм было бы равно 20 мВ.
Однако реально индуктивность обмотки III, шунтирующая резистор R1, много меньше. Поэтому при индуктивности 1 Гн и том же токе обмотки 20 мкА на частоте 50 Гц реально максимальное выходное напряжение не сможет превысить 12,6 мВ. Чтобы увеличить напряжение, необходимо иметь как можно большую индуктивность.
Проще всего проблему решить использованием магнитопровода из материала с большой магнитной проницаемостью, поскольку индуктивность обмотки прямо пропорциональна значению этого параметра. Увеличить индуктивность можно также увеличением числа витков обмотки III; при удвоении числа витков индуктивность возрастает вчетверо.
Однако с увеличением числа витков увеличатся и коэффициент трансформации, и сопротивление обмотки. И то, и другое дают негативный эффект. Сохранить коэффициент трансформации на оптимальном уровне 1 1000 нетрудно, достаточно пропорционально изменить число витков первичных обмоток.
При слишком большой разности значений тока в первичных обмотках уровень сигнала во вторичной обмотке может достигнуть порога открывания диодов VD1, VD2. Открываясь, они шунтируют вторичную обмотку и тем самым препятствуют насыщению магнитопровода трансформатора и ограничивают напряжение на резисторе R1 на уровне примерно 0 7 В.
При очень большой токовой разности эффективность работы диод ного ограничителя уменьшается вследствие значительного падения напряжения на омическом сопротивлении провода вторичной обмотки. Поэтому ее сопротивление не должно превышать 30 Ом, что легко обеспечить соответствующим выбором диаметра провода.
Предельно допустимый прямой ток диодов VD1, VD2 равен 100 мА, и при коэффициенте трансформации 1:1000 они не выйдут из строя даже тогда, когда разность значений тока первичных обмоток достигнет 100 А.
Компараторы DA1.1 и DA1.2 нормально работают, если напряжение на их входах и выходах положительно относительно минусового вывода питания микросхемы (выв. 4), но могут выйти из строя при подаче на указанные выводы минусового напряжения более 0,5 В (все значения напряжения, указанные на схеме, измерены относительно минусового вывода диодного моста VD3—VD6).
Делитель R2.R3 совместно с диодами VD1, VD2 ограничивает амплитуду напряжения на входе компаратора на уровне 0,4...0,5 В Кроме того, резисторы R1, R2 вместе с конденсатором С1 образуют фильтр нижних частот первого порядка с частотой среза около 100 Гц, подавляющий высокочастотные помехи и тем самым предотвращающий ложные срабатывания устройства.
Порог срабатывания компаратора DA1.1 определяет напряжение, снимаемое с делителя R4.R5. При указанных на схеме номиналах чувствительность с обмотки III равна 18 мВ. Если реальная чувствительность будет отличаться от этого значения из-за разброса номиналов элементов и параметров трансформатора Т1, ее можно скорректировать подборкой резистора R1.
Открытый коллекторный выход компаратора DA1.1 через резистор R6 подключен к фильтрующему конденсатору С3. Резистор R6 ограничивает ток разрядки конденсатора, защищая выходной транзистор компаратора DA1.1 от токовой перегрузки. Одновременно цепь R6C3 служит еще одним фильтром нижних частот, подавляющим помехи. В нормальном режиме конденсатор заряжен почти до 12 В через резистор R7. При появлении входного сигнала компаратора DA 1.1 конденсатор С3 быстро разряжается через резистор R6 и выход компаратора.
Как только напряжение на конденсаторе С3 уменьшается до 2,8 В, срабатывает компаратор DA1 2 Его порог срабатывания определяют номиналы резисторов делителя R9R10 Диод VD8 и токоограничивающий резистор R8 создают стопроцентную положительную ОС, которая превращает компаратор в разновидность RS-триггера. В момент переключения компаратора DA1.2 напряжение на его выходе скачком меняется от 12 В до почти нулевого. Конденсатор С3 разрядится через резистор R8 и диод VD8 (до 0,5...1 В), что подтвердит изменившееся состояние компаратора DA1.2.
Реле К1 выбрано на рабочее напряжение 24 В с сопротивлением обмотки 680 Ом. В момент переключения компаратора DA1.2 к обмотке реле будет приложено напряжение 30 В с заряженного конденсатора С4 большой емкости. Это обеспечивает ускорение срабатывания реле. Ту же цель преследует и выбор реле с замкнутыми, а не разомкнутыми контактами — срабатывание реле при повышенном напряжении всегда быстрее, чем отпускание.
Разомкнувшиеся при срабатывании реле контакты К1.1, К1.2 обесточивают нагрузку. В этом состоянии устройство защиты останется до тех пор пока оператор не нажмет на кнопку SB1 и оно перейдет в исходное состояние.
Кстати, при начальном включении описываемого устройства из-за того, что конденсатор С3 полностью разряжен, реле сработает и обесточит нагрузку. Поэтому после включения необходимо нажать на кнопку SB1 для приведения устройства в дежурный режим. Если такой порядок включения по какой-либо причине нежелателен, достаточно нижний по схеме вывод конденсатора С3 переключить к верхнему выводу резистора R7.
Срабатывание реле происходит в основном за счет энергии, накопленной конденсатором С4. Для удержания же якоря реле вполне хватает значительно меньшего напряжения. Резистор R12 ограничивает ток через обмотку реле, уменьшая расход энергии. Сопротивление этого резистора должно быть примерно равно сопротивлению обмотки реле.
Блок питания особенностей не имеет. Сетевой трансформатор Т2 мощностью не менее 5 Вт должен быть рассчитан на долговременную работу во включенном состоянии. Вместо диодов VD3—VD6 можно использовать любую диодную сборку серии КЦ405. Компаратор К1401 САЗ можно заменить его полным аналогом — LM393.
При выборе деталей наиболее критичным элементом конструкции скорее всего будет реле. Контакты реле должны выдерживать ток не менее 10 А при коммутируемом напряжении переменного тока 220 В. Сопротивление обмотки реле не должно быть меньше 600 Ом во избежание перегрузки компаратора DA1.2 по выходу. При использовании реле с меньшим сопротивлением обмотки необходимо добавить в устройство транзисторный усилитель тока по схеме, показанной на рис. 3.
В этом случае желательно также увеличить емкость конденсатора С4 до 2200...4700 мкф. Номиналы резисторов здесь указаны для случая, когда использовано реле с сопротивлением обмотки 375 Ом.
Как уже отмечено, чувствительность защитного устройства в значительной степени зависит от параметров трансформатора тока Т1. Его магнитопровод должен быть собран вперекрышку, без зазора. При выполнении обмотки III следует уделить особое внимание целостности эмалевой изоляции провода, отсутствию на нем петель, поскольку замыкание витков может служить причиной резкого уменьшения чувствительности устройства в целом.
Налаживание устройства следует начать с измерения значений напряжения, указанных на схеме. Для тех радиолюбителей, у кого нет цифрового мультиметра, измерение напряжения 12 мВ может оказаться затруднительным—в этом случае придется ограничиться проверкой соответствия номиналов резисторов R4, R5 по схеме на рис. 2.
Для налаживания устройства потребуется проверочный резистор сопротивлением 10 кОм мощностью не менее 5 Вт. Его подключают к точкам А и Б сетевой цепи. Тока, протекающего через этот резистор, должно быть достаточно для срабатывания устройства.
Если же реле не срабатывает, удаляют резистор R1 и временно заменяют резистор R5 переменным сопротивлением 1 кОм. Подстройкой этого резистора добиваются устойчивого срабатывания реле с проверочным резистором в сетевой цепи. После этого заменяют переменный резистор на постоянный того же или несколько меньшего сопротивления.
В заключение напомним, что в силу специфики назначения описанного устройства совершенно необходим самый тщательный подход к его конструированию и изготовлению.
А. Кузнецов, г. Москва.