Производство и распределение по квартирам электрической энергии в осуществляется трехфазным током. Трехфазная система, изобретенная и разработанная русским электротехником Доливо-Добровольским обеспечивает наиболее выгодные условия передачи электрической энергии по проводам. Трехфазная система – это три одинаковых по частоте и амплитуде переменных тока, сдвинутых относительно друг друга на 1/3 периода (120°). Таким образом, в наши дома поступает трехфазный ток по четырем проводам – три фазы и «нуль» и далее этот ток делится по квартирам – в каждую квартиру подводится одна из фаз и общий «нуль» так, чтобы распределение нагрузки было примерно симметричным.
Так бывает в идеале, мы имеем 220В в розетке. Но это только в идеале, в реальности же за счет нестабильности напряжения, и «перекоса» фаз 220В в розетке бывает редко. Более того, в случае возникновения различных аварий, обрыва нулевого провода, посещения вашего подъезда пьяными электриками, попутавшими фазу с нулем, пролетания молнии рядом с ЛЭП и всяческих происков чубайса & соплеменников сетевое напряжение может весьма радикально отличаться от допустимого: от 0 до 380В. Надо ли говорить, что электроприборы подобным происшествиям совершенно не радуются.

ГОСТ 13109-87 «Электрическая энергия. Требования к качеству электрической энергии в сетях общего назначения» гласит:

• 95% времени каждых суток значения показателей качества электроэнергии не должны выходить за пределы нормальных значений. 
• Нормальными считаются значения, когда напряжение отклоняется на 5% от номинального, т. е. от 209 до 233 В.
• Значение напряжения в послеаварийном режиме не должно превышать колебания в пределах 10% от номинального на срок переходного периода – несколько секунд.

Также, сей ГОСТ гласит что-то о том, что «несоблюдение стандарта преследуется по закону», однако, законы и их исполнение в нашей стране – тема отдельная.

В случае повышенного напряжения осветительные лампы начинают светить очень ярко, как днем, но недолго, включенные в розетку трансформаторные блоки питания начинают сначала угрожающе гудеть, затем дымиться, и, возможно, если дома в этот момент никого не окажется, или дело будет происходить глубокой ночью, то красная машина с мигалкой может приехать даже раньше электриков. Импульсные блоки питания переносят повышенное напряжение гораздо лучше трансформаторных, но, увы, они бояться напряжения пониженного, которое может убить, например, блок питания компьютера (ну а умирающий БП, если не повезет, может потянуть за собой и все остальные внутренности).

Все вышесказанное, увы, не пустые страшилки. Лично в моей квартире подобное случалось три раза: один раз была авария на подстанции и два раза выгорал «ноль». Во всех трех случаях напряжение было повышенным, около 360В. Что удивило, так это то, что при этом даже сгорели такие ультранадежные детали, как предохранители – один в видеомагнитофоне и один в сетевом адаптере (последний правда сгорел уже после того, как оплавился сам адаптер). Остальные предохранители, естественно, не сработали. Компьютер, кстати, не пострадал во всех трех случаях, однако, в «пилоте» с громким бабахом взорвался терморезистор. Также, неоднократно слышал о подобных происшествиях у знакомых. После чтения форумов и распросов электриков выяснилось, что эффективных промышленных устройств защиты от таких вещей не существует – устройства УЗО часто дают ложные срабатывания. Устройства УЗМ, о которых узнал совсем недавно, не позволяют задавать задержку между нормализацией напряжения и включением нагрузки – в случае частых импульсных помех электричество будет включаться и выключаться. Все это и подтолкнуло к созданию устройства защиты всей домашней электроники от электрических аварий.

Разработанное устройство обладает следующими возможностями:

• Обесточивание всей квартиры в случае, если сетевое напряжение выходит за допустимые границы. Диапазон допустимых значений можно изменить в любой момент.
• В случае аварии устройство отключает не только нагрузку, но и самого себя, переходя на автономное питание от аккумуляторной батареи (АКБ). Далее оно с заданной периодичностью подключается к сети и проверяет напряжение. Если напряжение нормализовалось и не выходит за пределы нормы в течение указанного времени, то подача электропитания возобновляется.
• Устройство само отслеживает состояние АКБ как в «свободном» состоянии, так и под нагрузкой. Если напряжение на АКБ упало ниже указанного значения, то АКБ будет автоматически поставлена на зарядку. Если перед этим АКБ не была разряжена до конца, то предварительно она будет разряжена, до 4.0В для уменьшения «эффекта памяти».
• На жидкокристаллическом экране отображаются текущее время, напряжение в сети, частота сетевого напряжения и температура. По измеренной частоте напряжения можно судить о наличии импульсных помех в сети. Четырьмя светодиодами индицируется состояние устройства.
• Возможно просмотреть следующую статистическую информацию: максимальное и минимальное напряжение в сети и в какое время суток оно было. Максимальная и минимальная частота и соответствующие времена суток. Максимальная и минимальная температура и соответствующие времена суток. Информация о последних десяти случившихся авариях: в какое время начались и закончились, какое напряжение было в сети в начале аварии, сколько дней назад была авария. Напряжение на АКБ в «свободном» состоянии и под нагрузкой (напряжение под нагрузкой измеряется один раз в сутки), сколько раз заряжалась АКБ, сколько дней назад она заряжалась в последний раз.
• Возможность настройки всех перечисленных параметров, а также точной подстройки хода часов (точность хода до 0.01 сек/сутки) и указания длительности зарядки АКБ. Возможность зарядить АКБ в любой момент.

Принципиальная схема устройства

Сетевое напряжение поступает на понижающий трансформатор, имеющий две вторичные обмотки по 9В каждая. Эти обмотки подключаются в выводам T1.1, T1.2 и T2.1, T2.2 соответственно. От первой обмотки питается схема, со второй снимается напряжение по которому оценивается значение напряжения в сети. Выпрямленное мостом B2 через сглаживающий конденсатор C3 и делитель R4, R5 это напряжение поступает на вход АЦП МК. Напряжение с первой обмотки также выпрямляется и поступает на вход стабилизатора +5В на микросхеме IC2, питает стабилизатор тока заряда АКБ G1 на микросхеме IC1, а также питает реле К1. Резистор R2 я подобрал так, чтобы реле К1 срабатывало, но потребляло при этом минимальный ток. Это позволило сэконосить 20..30мА потребляемого тока и значительно уменьшить нагрев реле. В случае наличия напряжения в сети это реле подключает питание схемы на вывод стабилизатора, а вывод АКБ подключается на схему управления зарядкой/разрядом. В случае же отстутствия напряжения реле подключает вывод АКБ на питание схемы. Электролитические конденсаторы C5, C6 емкостью по 4700мФ сглаживают пульсации сетевого напряжения и его «проседание» при переключениях электромагнитного реле. Через делитель на резисторах R21, R20 напряжение с АКБ подается для контроля на АЦП МК. Транзистор VT2, управляемый пином PC2 МК замыкают АКБ на разряжающий резистор R14, в этом случае загорается светодиод LED1. Транзисторы VT1 и VT3, управляемые пином PC3 управляют зарядкой АКБ, подключая к ней стабилизатор тока на IC1, и зажигая индицирующий светодиод LED2. Диод D1 служит для предотвращения протекания тока от АКБ через IC1 в случае питания устройства от батареи. Ток зарядки АКБ задается резистором R3, и вычисляется по следующей формуле: Iзар = 1.25В/R3.

Со второй вторичной обмотки трансформатора через резисторы R8 и R9 переменное напряжение поступает на входы компаратора AIN0 и AIN1 МК, для измерения частоты сетевого напряжения. Результаты отображаются на двустрочном экране DIS1, подстроечным резистором R12 задается контрастность – резистор подбирается так, чтобы дисплей показывал максимально четко как при питании от сети, так и от АКБ. Для управления схемой служит клавиатура из четырех кнопок S1 – S4, использующими общую шину данных с экраном. К выводу PD5 МК подключен цифровой термодатчик IC4 DS18B20. Этот датчик можно оставить в корпусе, чтобы отображать температуру внутри устройства, а можно вывести наружу для измерения комнатной температуры. Транзисторы VT4 и VT5 управляют двумя реле, соответственно, включающими питание самой схемы и питание нагрузки. Эти реле 5и-вольтовые и подключаются к выводам R. SELF – R и R. EXTERNAL – R соответственно. Последнее реле, в свою очередь включает магнитный пускатель, вынесенный из корпуса и управляющий электроснабжением всей квартиры. 5-вольтовые реле я также подключил через резисторы по 33 Ома (на схеме и плате их нет), что сократило потребляемый ток каждого реле примерно на треть и значительно уменьшило нагрев устройства. Транзистор VT6 подключает подсветку LCD-экрана. Джампер JP1 используется загрузчиком кода, для загрузчика же используются выводы RX и TX. Загрузчик использовался при зарзаботке и отладки устройства и в финале для повышения надежности был убран.

Несколько слов об измерении сетевого напряжения: АЦП микроконтролера измеряет мгновенные значения, интерес же представляет среднеквадратическое значение. Для его оценки часто ставят сглаживающий электролитический конденсатор, который заряжается до амплитудного значения, и, измеряя таким образом амплитуду, пересчитывают ее (делением на корень квадратный из двух) в величину действующего напряжения. Недостатки этого метода заключается в том, что 1) с годами электролит в конденсаторе будет высыхать, его емкость меняться, а показания «плыть» 2) конденсатор будет сглаживать выбросы напряжения. Метод, не имеющий этих недостатков, состоит в том, чтобы при измерении возводить мгновенные значения в квадрат и после усреднения вычислять квадратный корень. Однако, этот метод потребует относительно больших вычислительных ресурсов МК. Я использовал альтернативный метод – электролитического конденсатора не ставил вообще, и вычислял просто среднее значение за четное число полупериодов. Т.к. Диодный мост B2 выпрямляет напряжение, отображая отрицательную часть синусойды в положительную область, то среднее значение уже не будет нулем, а будет прямопропорционально амплитуде (а значит, и величине действующего напряжения), в чем можно убедиться взятием соответствующего интеграла.

Ниже показан внешний вид плат.

Микроконтроллерная часть

Трансформаторно-релейная часть

Расположение в корпусе

Внешний вид устройства (без лицевой панели)

Тут я вывел еще кнопку в параллель контактам реле, включающих питание схемы, это для того, чтобы можно было включить устройство в случае полного разряда АКБ.
Работа с устройством осуществляется с помощью клавиатуры и ЖК экрана. На главном экране отображаются текущее время, температура, частота и величина сетевого напряжения. В случае выхода напряжения в сети за допустимые пределы, схема п ереходит на автономное питание, вместо значения частоты пишется слово «АВАРИЯ!», а в качестве напряжения выводится последнее измеренное значение напряжения сети.
Нажатие клавиши Enter на главном экране при аварии заставит устройство подключить схему к сети и немедленно проверить сетевеое напряжение (не дожидаясь, когда пройдет соответствующее время).

Клавишами Up и Down можно перемещаться по главному меню: это экраны общей статистики, статистики аварий, настроек времени, защиты и контроля за АКБ.

Клавишей Esc мы можем вернуться с любого из этих экранов на главный экран, а клавишей Enter – перейти к соответствующему экрану.

В подменю статистики четыре экрана:

На первых трех показываются минимальные (слева) и максимальные значения напряжения, частоты и температуры в первой строке, и времена суток, в которые эти значения были зафиксированы, во второй строке. На экране статистики АКБ показывается напряжение на АКБ без нагнузки (U), напряжение под нагрузкой (Uн), время, прошедшее с момента последней зарядки АКБ в днях (t), и общее количество циколв зарядки АКБ (n). Переключение между экранами – Up/Down, а Esc – выход на главный экран статистики.

На всех этих экранах длительное удерживание клавиши Enter приведет к появлению диалога сброса статистики. В этом (и других) диалоговых экранах клавишами Up/Down меняется выбор, Enter – подтверждение выбора, а Esc – отмена. Сбрасывать статистику можно независимо в каждом экране.

Следующий пункт главного меню – экран статистики аварий. Тут показываются последние 10 случившихся аварий. Самая последняя авария имеет номер 1, самая давняя авария – номер 10. Для каждой аварии показываются времена ее начала и завершения (если она завершена), напряжение в сети в момент начала аварии (U) и сколько дней назад эта авария произошла. Перемещение между экранами аварий клавишами Up/Down.

Экран настроек часов.

Тут можно изменить значение часов и минут, округлить счетчик секунд к ближайшей минуте, а также настроить величину и знак корректировки времени. Клавишей Enter осуществляется переход между часами, минутами, секундами, знаком и величиной коррекции. Кавишами Up/Down – изменение величины и коррекция секунд (если количество секунд меньше 30, то они сбрасываются в ноль, иначе, они все равно сбрасываются в ноль, но с прибавлением одной минуты). Величина «Коррекция» – это количество сотых долей секунд, которые будут отниматься/прибавляться в течении каждых суток (равномерно).

Экраны настроек защиты.

Тут вводятся минимально- и максимально-допустимые значения сетевого напряжения (Uмин и Uмакс) соответственно, а также время, через которое будут производиться повторы подключения устройства к сети и измерения сетевого напряжения в случае аварии (t повтор) и время, в течение которого сетевое напряжение будет непрерывно проверяться перед тем, как подать напряжение на нагрузку (t контр.). Переход между вводимыми значениями – клавишами Enter, Esc – возврат в главное меню, Up/Down – изменение.

И наконец, экраны настроек параметров обслуживания АКБ.

Тут задаются два значения порога напряжения – на «хлостом ходу» и под нагрузкой – U пор.хх и U пор.нг, случае снижения напряжения на АКБ ниже которых, начнется автоматическая зарядка АКБ. Напряжение на АКБ под нагрузкой измеряется один раз в сутки, а также после прекращения аварии (т. к. после питания схемы от АКБ во время аварии последняя могла разрядиться). Значение t зарядки – время зарядки АКБ в часах. Если сфокусировать курсор на слове [зарядить] и нажать Up или Down, то отобразится либо запрос на немедленную зарядку:

либо, экран с информацией о процессе зарядки, показывающий время зарядки, общий прогресс и напряжение на АКБ.
Ну и после того, как все параметры были настроены, их стоит сохранить в энергонезависимой памяти МК. Сделать это можно длительным удержанием клавиши Enter находясь в главном экране. После подтверждения запроса

все настройки (а так же, вся информация о статистике) будут сохранены. Сохранение также автоматически производится раз в сутки.

Схема и разводка печатных плат (Eagle+SprintLayout), а также прошивка (для кварца на 11.0592 МГц) с исходниками доступны для скачивания с домашней страницы проекта.

Коментарии (9)

2  Написал (а) Igor, в 08:08 12.06.2009 Мне тож понравилось, UPS своими руками Уведомить админа

4  Написал (а) andrey, в 18:45 19.06.2009 Титанический труд, даже не верится что можно столько напихать в один МК, автору респект. Уведомить админа

Только зарегистрированные пользователи могут оставлять коментарии.
Пожалуйста зарегистрируйтесь или войдите в ваш аккаунт.