Кириленко В.А.

Детектор тока утечки

Мировые стандарты, действующие в Украине с лета 1999г., устанавливают ряд требований к бытовым электроприборам по обеспечению безопасности человека, пользующегося ими. Одним из них является защита от поражения током.

Существующие устройства, выполня ющие эти функции, требуют наличия между электроприбором и прерывателем питания трехпроводного шнура: третий провод подключается к металлической пластине, расположенной внутри корпуса электроприбора. Конструкция блока защиты, разработанного с применением микросхем детектора утечки тока, позволяет осуществить питание по двухпроводным линиям, что нашло применение прежде всего в т.н. устройствах защитного отключения (УЗО). Так, микросхема К1182СА1 (производитель - НТЦ СИТ г. Брянск) диагностирует состояние сети с помощью датчика, усиливает сигнал и передает его на исполнительное устройство, отключающее сетевое питание от нагрузки. Микросхема содержит (рис. 1) два операционных усилителя, которые служат для усиления (по модулю) сигнала с коэффициентами усиления около 280, поступающего со входов IN+ и IN-. Усиленный сигнал подается на компаратор и далее через линию задержки на вход управляющего тиристора. Питание ИС осуществляется от сети через диодный мост (вход моста AC1, AC2). К сожалению, реальное применение микросхемы показало, что для устойчивой работы микросхемы внутреннего моста не достаточно, поэтому микросхему необходимо запитывать от внешнего моста через выводы 11 и 7. Выпрямленное напряжение подается на вывод NT для питания исполнительного устройства (реле). Для питания операционных усилителей и других внутренних элементов ИС используется внутреннее стабилизированное питание (примерно 13,5 В), формируемое высоковольтным n-p-n-транзистором из опорного напряжения, снимаемого со стабилитрона. Дополнительные опорные напряжения, необходимые для нормальной работы усилителей и компаратора снимаются с внутреннего резистивного делителя. Вывод DELAY служит для подключения емкости, регулирующей задержку включения выходного тиристора. Вывод CL служит для подключения подавляющей емкости для исключения срабатывания тиристора при прохождении помех по сети. Вывод GND - общий для подключения емкостей и реле.

Рисунок 1.

С точки зрения применения микросхемы на практике основные различия в конструкции определяются типами используемых реле. Первая группа схем включения ориентирована на использование реле постоянного тока с нормально-замкнутыми контактами. В этом случае реле подключается между выводами NT и OUT. Наиболее простая схема включения приведена на рис. 2 Здесь управляющая обмотка исполнительного реле при срабатывании тиристора непосредственно питается выпрямленным сетевым напряжением, которое приложено к выводам NT и GND. В случае возникновения утечки тока по фазовому и нейтральному сетевым проводам течет различный ток. Это отслеживается датчиком по асимметрии тока, и сигнал ошибки поступает на входы ИС (выводы 3 и 5) через резистивный делитель на резисторах R3 и R4. Если этот сигнал больше порогового напряжения микросхемы и его длительность не менее 2 мсек (пороговая длительность задается емкостью С3), то включается тиристор и пропускает ток через управляющую обмотку реле; нормально-замкнутые контакты реле размыкаются, и происходит полное отключение нагрузки и самой интегральной схемы от сети питания. Для повторного включения устройства нужно отключить его от сети кнопкой S2. Датчиком защитного устройства служит токочувствительный датчик по асимметрии тока с сердечником из листовых стальных пластин или из ферритового кольца. Сигнал датчика при заданной утечке может быть в пределах 50-200 мВ. Настройка всей схемы производится регулировочным резистором R4. Емкости С2 и С4 необходимы для частичного подавления импульсных помех. Включенное состояние устройства можно индицировать светодиодом D3. Для контроля работоспособности устройства служит кнопка S1, нажатием на которую имитируется утечка по одному из проводников. Одновременно кнопка S1 выполняет функцию отключения нагрузки от сети.

Рисунок 2.

На рис. 3 приведена схема включения ИС К1182СА1 для управления реле постоянного тока на 110 В. Здесь для уменьшения сетевого напряжения служит RC-цепочка на резисторе R5C5. Номиналы подбираются в зависимости от тока управляющей обмотки реле (резистор R6 - токоразрядный). Так как минимальное постоянное напряжение, при котором гарантируются параметры микросхемы, составляет 100 В, то в схеме, приведенной на рис. 4, необходимо, чтобы амплитудное значение переменного напряжения на ИС при закрытом тиристоре было не менее 120-130В.

Рисунок 3.

Рисунок 4.

Проблема использования реле с низковольтной обмоткой решается в схеме, приведенной на рис. 4. Емкость С5 является накопительной и сглаживающей. С помощью стабилитрона D2 на ней формируется напряжение, необходимое для питания низковольтного реле. Емкость заряжается через токоограничивающий резистор R6. Резистор R5 - высокоомный и служит для разряда емкости С5 после отключения защитного устройства в целом от сети. Достоинством вышеприведенных схем является минимальное потребление от сети (собственный ток потребления микросхемы и потребление на питание светодиода). Вместе с тем один недостаток является существенным: если для включения в сеть использовать кнопку S2, то на время нажатия контроллер отключен от сети при замкнутых контактах реле и не выполняет свою функцию. Эта проблема решается исключением кнопки S2 из устройства, а сброс тогда осуществляется простым выниманием вилки блока из розетки, но в этом случае для проведения тестового контроля необходимо дважды вставлять вилку блока в розетку. При использовании реле с нормально разомкнутыми контактами этот недостаток устраняется, но схема защитного устройства несколько усложняется, так как необходимо инвертировать состояние выхода микросхемы и инвертированным сигналом запитывать реле. Для реле постоянного тока схемы управления аналогичны приведенным выше (учитывая инвертирование выходного состояния микросхемы).

Необходимо отметить еще одно достоинство группы схем защитных устройств, использующих реле с нормально разомкнутыми контактами, а именно, возможность использования третьей группы контактов для создания обратной связи по управляющей обмотке реле и создания эффекта ╚защелки╩. На рис. 5 приведена построенная на реле переменного тока схема защитного устройства, которая несколько отличается от вышеприведенных. Дополнительно на примере этой схемы показана возможность реализации схемы защиты от перегрузки по току и объединения двух микросхем К1182СА1. В этой схеме используется еще одна микросхема серии 1182 - ПМ1 (подробнее о применении микросхемы К1182ПМ1 было написано в ╧4 за этот год ), которая в данном случае выполняет функцию управляемого тиристора. КР1182ПМ1 включается последовательно с реле переменного тока в сеть 220 В. При разомкнутых контактах вспомогательного реле КМ2 (разомкнутые выводы С+ и С- микросхемы DA1) при нажатии на кнопку S3 тиристор этой схемы включится и будет пропускать ток через управляющую обмотку реле КМ1. После срабатывания реле сетевое напряжение подается на нагрузку через две пары контактов и замыкает кнопку S3 третьей парой контактов, то есть создается эффект ╚защелки╩. Микросхема DA2 контролирует асимметрию токов в фазовом и нейтральном проводнике (утечку), а микросхема DA3 - перегрузку по току в одном из проводников. При появлении утечки в одном из проводников или перегрузки по току один из тиристоров включится, и реле КМ2 замкнет контактами выводы С+ и С- микросхемы DA1. Поэтому тиристор микросхемы DA1 на следующей полуволне сетевого напряжения не будет включаться, и реле КМ1 отсоединит нагрузку от сети. К достоинству этой схемы защитного устройства следует отнести тот факт, что если при включении защитного устройства будет изначально существовать утечка или перегрузка по току, то на первой же полуволне после замыкания контактов КМ1 произойдет включение тиристора одной из микросхем DA2, DA3 и реле КМ2, которые останутся включенными, пока удерживается кнопка S3 в замкнутом состоянии. Соответственно, на второй полуволне питающая обмотка реле КМ1 будет обесточена выключенным тиристором микросхемы DA1, и контактная группа начнет размыкаться, отключая нагрузку от сети. В последней схеме защитного устройства рекомендуются следующие номиналы внешних элементов: С1 = 0,068 х 630 В; С2 = 1 мкФ х 5 В; С3 = 1 мкФ х 5 В; С4 = 1 мкФ х 5 В; С5 = 1 мкФ х 5 В; С6 = 6,8 нФ х 10 В; С7 = 0,5 мкФ х 5 В; С8 = 10 мкФ х 10 В; С9 = 6,8 нФ х 10 В; R1 = 15 кОм х 0,25 Вт; R2 = 1,3 кОм; R3 = 10 кОм х 0,125 Вт; R4 = 1 кОм; R5 = 4,7 кОм; R6 = 21 Ом; R7 = 33 кОм х 0,25 Вт; R8 = 68 Ом х 0,125 Вт; КМ2 - РГК15. Номиналы элементов, выполняющих аналогичные функции, на предыдущих схемах защитных устройств будут такими же.

Рисунок 5.

Если в защитном устройстве использовать реле постоянного тока на 110-220 В с нормально замкнутыми контактами по схемам включения рис. 3, 4, то возникает следующая проблема: после срабатывания контроллера сетевого питания и включения управляющего тиристора нагрузка отключается от сети. Одновременно пропадает сигнал утечки (или перегрузки) с датчика на входе микросхемы. Поэтому, если при прохождении фазы сетевого питания через нуль ток через управляющую обмотку реле пропадет, то тиристор закроется, и будут созданы условия для возвращения контактов реле в исходное (замкнутое) состояние и подключения нагрузки к сети. Для предотвращения этого нежелательного эффекта существуют следующие возможности. Во-первых, на вход управления тиристором CL (вывод 8) подключен конденсатор С4, который оставляет включенным тиристор некоторое время после прекращения тока по выходу OUT (вывод 9). Для некоторых типов реле этого оказывается достаточно. Дополнительно возможно подключение диода D1 анодом не к выводу OUT (9), а к выводу GND (7), чтобы ток самоиндукции управляющей обмотки реле поддерживал тиристор в открытом состоянии еще некоторое время. И, наконец, последняя действенная мера заключается в подключении к выводам NT (11) и GND (7) последовательной цепочки из конденсатора и резистора, чтобы выпрямленное напряжение при включенном тиристоре не опускалось ниже 5-10 В. Если в защитном устройстве используется реле с нормально замкнутыми контактами и с фиксацией контактных групп после размыкания, то микросхема К1182СА1 выводами AC1, AC2 может подключаться после контактных групп, то есть после срабатывания реле микросхема будет отключаться от сети, что позволяет полностью обесточить все элементы защитного устройства.

Другим примером построения схем УЗО может служить схема, построенная на базе микросхемы IL7101N (производитель НПО ╚Интеграл╩ г. Минск). Микросхема предназначена для контроля линий переменного напряжения 100/200 В на наличие токовых утечек. В случае возникновения утечки в линии микросхемой подается управляющий сигнал, линия закорачивается, срабатывает защита, и напряжение в линии сбрасывается. Структурная схема данной микросхемы приведена на рис. 6, типовая схема включения на рис. 7.

Рисунок 6.

Рисунок 7.

Сопротивление резистора R1 подбирается таким образом, чтобы ограничить ток потребления микросхемы (не более 8 мА), при этом падение напряжения составляет порядка 21 -28 В. Резистор R2 обеспечивает необходимое смещение входного дифференциального каскада. Резистор R3 нагрузочный по входу. Резистор R4 ограничивает ток заряда электролитического конденсатора C4. Резистор R4 и конденсатор электролитический C4 необходимы для поддержания работоспособности микросхемы до полного пережигания плавкого предохранителя. Соответственно подбирается его номинал. Конденсатор электролитический C1 - фильтрующий по питанию (порядка 1- 10 мкФ). Конденсаторы C2, C3 - фильтрующие (не более 1мкф).