Значит так. Хочу предохранитель на DIN-рейку с индикацией состояния, как на заглавной картинке 🙂 Ну что ж, берём и делаем!

Первое: зачем это надо. Сейчас в силовых щитках частенько оказывается оборудование, хоть и относящееся к «силе», но само по себе маломощное: всякие контроллеры «умного дома», регистраторы, модемы, маршрутизаторы, точки доступа и пр. И если последние из перечисленных чаще имеют свой собственный блок питания, то первые чаще его не имеют. Есть вход 12В и всё. Обычно рядышком устанавливают БП на DIN-рейку и на этом успокаиваются. И забывают что всякий сетевой прибор может выйти из строя, коротнуть, загореться… и надо бы нашу сеть защищать от подобных выкрутасов.

Да, нормальные БП имеют встроенный предохранитель. Но, во-первых, понять нормальный ли он можно только получив его в руки. Во-вторых, если предохранитель и есть, он обычно внутри. Т.е. для замены надо снять БП с рейки и разобрать. И хорошо если предохранитель стоит в держателе, а то бывают и припаянные!

Конечно, можно использовать обычный автомат. Но обсуждаемые приборы маломощные, значит нужен автомат малого номинала, а они есть не у каждого производителя и уж точно не у каждого поставщика. Что мы делаем в такой ситуации? Правильно! Берём в руки любимый рашпиль!

А раз уж мы делаем свой собственный аппарат, значит мы можем снабдить его кое-какими ништяками, о которых и пойдёт речь в статье.

По предохранителям на рейку есть хорошие решения. Например, клемма с предохранителем, есть даже с ндикацией состояния предохранителя. Мне они очень нравятся своей компактностью. Но есть и недостаток, точнее особенность, которая в ряде случаев может обернуться недостатком. Клеммы скрыты под пластроном. Т.е. для замены предохранителя нужен электрик 80-го уровня 🙂 Да чтобы просто взглянуть на индикатор, надо открыть пластрон! Да, на целевом устройстве может быть лампочка «питание», но это зависит от доброй воли производителя устройства. К тому же погасшая лампочка не свидетельствует однозначно о сгоревшем предохранителе.

Значит делаем предохранитель с индикацией! В корпусе автомата. Чтобы индикатор был виден всегда, а предохранитель легко менялся. В качестве индикатора используем светодиод.

Для начала пара слов о схемотехнике включения светодиода в сеть 220 (230) вольт.

Последовательная цепь резистор — светодиод — это обычный делитель напряжения. Резистор имеет большое сопротивление (десятки кОм), на нём «высаживается» основное напряжение. Светодиод в прямом направлении имеет низкое сопротивление и ему достаются его законные 2 вольта. Но! У нас же переменный ток. Т.е. часть времени ток течёт в направлении L→N, а часть наоборот N←L. Что произойдёт во время обратной полуволны? Светодиод закроется, его сопротивление возрастёт до сотен или тысяч кОм и на него придётся основное падение напряжения. И он сгорит т.к. светодиод способен выдержать обратное напряжение вольт 5.

Как этого избежать? Поставить встречно-параллельно диод (или ещё один светодиод), который зашунтирует обратную полуволну. И обратное напряжение на светодиоде не превысит падение напряжения на диоде.

В принципе, Схема 1 уже рабочая. При живом предохранителе будет светиться индикатор, при сгорании предохранителя индикатор погаснет. Все бы хорошо, только эргономика таких показаний не на высоте. У нас в щитке может стоять десяток приборов с индикаторами. Насколько скоро мы заметим что погас один? А ведь это какая-никакая авария! Одного взгляда на щиток (даже через тонированную дверцу) должно хватать чтобы понять что что-то не в порядке.

Т.е. нужна индикация сгоревшего предохранителя! Что ж, надо так надо, берём и делаем:

Если предохранитель цел, он шунтирует цепь индикатора и светодиоду не достаётся напряжения от слова «совсем». Когда предохранитель сгорит, ток потечёт через нашу цепь и мы увидим красный огонёк.

Однако, эта схема имеет ещё более существенные недостатки, чем первая. Во-первых, погасший индикатор не обязательно означает наличие предохранителя: может быть просто «электричество кончилось». Во-вторых, наша цепь замыкается через нагрузку. Значит, если отключили потребителя (кнопкой или кабель отсоединили), индикатор погаснет. Опять неопределённость!

А что если попробовать совместить эти две схемы?

Та-ак, интересненько… Если предохранитель жив, то во время обратной полуволны ток потечёт так:

И зажжётся зелёный светодиод. Прямая полуволна «сольётся» через защитный диод. Красный не горит т.к. зашунтирован предохранителем.

А что будет когда сгорит предохранитель? Ток прямой полуволны потечёт так:

и засветится красный индикатор. А во время обратной полуволны будет по-прежнему гореть зелёный, путь тока в обход предохранителя, думаю, понятен.

Таким образом, индикатор даёт полную информацию о цепи: зелёный — всё хорошо, красный — сгорел предохранитель, не светится — кончилось электричество.

Такая схема вполне рабочая и применяется (с некоторыми дополнительными наворотами) даже в профессиональном оборудования типа такого. Но и она неидеальна!

Чтобы было понятно, начертим эквивалентную схему, выкинув мешающие восприятию элементы. Во-первых, предохранитель — он же уже сгорел 🙂 И пары светодиод-диод т.к. они являются как бы маленькими сопротивлениями. Вот что получилось:

 

Делитель напряжения! Если плечи одинаковы, он поделит сетевое напряжение пополам. Т.е. на выходе L out у нас окажется половинка фазы.

При сгорании предохранителя на выходе устройства остаётся опасное напряжение!

В этом, как бы, ничего страшного нет. Сопротивление балласта достаточно высокое, так что ток, который может возникнуть при замыкании  L out на N (или PE), не превысит 10-20 мА. Т.е. никого не убьёт, хотя ощутимо «дёрнет». И это если везунчику доведётся схватиться за L out. А подобные устройства не предполагают наличия открытых токоведущих частей. Все подводки делаются нормальными вилками/розетками, да и прибор-потребитель вряд ли кто-то будет держать в стойке без кожуха.

Но у нас-то щиток! Клеммы доступны и до них (теоретически) можно дотянуться. А если проводок открутить от потребителя и бросить в шитке, он может славно поискрить и попутно пожечь что-нибудь нежное. А вынутый предохранитель создаёт иллюзию безопасности.

Чтобы такого не случилось, необходимо надёжно развязать L in и L out. Подумав что самая лучшая на сегодня развязка — оптическая, я полез искать что-нибудь на тему оптронов. Но как-то с ходу ничего подходящего не углядел. Зато в разделе «Твердотельные реле» сразу нашлось. Раньше я думал что высоковольтные ТТР — это суровые устройства на медной пластине, способные прокачать огромные токи и предназначенные исключительно для замены обычных (электромагнитных) реле. Ан нет! Оказалось что есть маленькие маломощные, но довольно-таки высоковольтные.

Вот попалась такая модель: К293КП7. Документацию можно посмотреть здесь и здесь. Мне подойдёт с любой буквой, но в руки попала «В», самая высоковольтная. Коммутируемое (выходное) переменное напряжение ±350 В, ток до 60 мА. На входе ток всего 5…25 мА и напряжение пара вольт — как для обычного светодиода. Микросхема имеет два независимых канала. И всё это в 8-ногом корпусе DIP.

Родилась такая схема:

Фишка реле К293КП7 в том что оно нормально замкнутое, т.е. выход замкнут при напряжения тока на входе. А при появлении напряжения реле размыкается. А это именно то что мне нужно! Когда сгорает предохранитель, пропадает напряжение на входе, выходной транзистор открывается и загорается красный индикатор.

Дополнительным бонусом данной схемы является то, что здесь можно использовать 3-ногий 2-цветный светодиод. В предыдущей схеме тоже можно, но там при сгорании предохранителя будут светиться оба кристалла, что в теории должно давать жёлтый цвет. Только в реальности, даже для светодиода с матовым колпачком мы будем видеть две светящихся точки и кучу разноцветных бликов по поверхности колпачка. Редкое пор… редкая дрянь, надо сказать 🙂 А может, мне просто не попадались нормальные светодиоды.

У меня же будет светиться либо зелёный, либо красный кристалл. Объяснение этому феномену можно почерпнуть из предыдущей статьи.

И ещё три особенности данной схемы.

Во-первых, балластный резистор я заменил цепочкой конденсатор-резистор. Конденсаторное питание позволяет устранить нагрев балласта. А резистор нужен чтобы снизить токи заряда-разряда конденсатора. Без него эти токи могут быть весьма лютыми, выжигая всё на своём пути и заставляя деградировать сам конденсатор. Разумеется, данный приём можно использовать и для всех предыдущих схем.

Второе: светодиоды реле я питаю не постоянным напряжением, как положено, а пульсирующим. Это приводит к тому, что выходной транзистор ненадолго, но открывается. Это происходит потому что конструкторы К293КП7 очень постарались и предприняли специальные меры чтобы реле открывалось/закрывалось как можно быстрее, следуя за управляющим сигналом. А у меня получился этакий колхозный ШИМ. В результате на фоне зелёного света всё-таки есть очень тусклая красная точечка. Это совсем не мешает считыванию состояния прибора, но как-то оно не элитно. Надо подумать куда воткнуть маленький конденсатор чтобы загрубить быстродействие реле.

И третье касается практических соображений по использованию устройства. Я недаром показал клеммы сдвоенными и «размножил» нейтраль. Двойные клеммы по входу позволяют «шлейфовать» по несколько таких устройств. Двойные клеммы по выходу позволят подключить на одно устройство пару потребителей. А наличие нейтрали как сверху, так и снизу сделает подключение потребителя простым и очевидным: лучше «воткнуться» обоими проводами прямо в устройство, чем искать по щитку куда бы присунуть 🙂 нейтраль.

Ну что, цели ясны, задачи определены, за работу, товарищи! В смысле, от теории переходим к практике. Сначала спаял схему на макетке. После непродолжительных мытарств (связанных с тем что я всё время забывал что реле-то нормально замкнутое!) оно взлетело!

Ну-ка, сымитируем отгоревший предохранитель….

Поёт как надо! 🙂

Для сборки макета я использовал недавно добытый корпус одинарной ширины на DIN-рейку. Собираем схему (тут я немножко схалтурил, не стал ставить «второй этаж» клемм, в итоге нейтраль у меня есть и сверху, и снизу, но по одной точке). Во фронтальной панели корпуса сверлим отверстия (ступенчатое сверло — вещь!) и вклеиваем светодиод и держатель предохранителя.

 

Всё собираем и бегом испытывать!

Так, предохранитель цел, свет зелёный, на выходе есть напряжение.

Предохранитель сдох, свет красный, напряжение на выходе отсутствует! Всё как договаривались 🙂

Кое-какие выводы:

1. Я могу сам себя поздравить с первым самостоятельно придуманным устройством в области силовой электроники 🙂 Надо бы его как-то назвать… Пусть будет ПИ-101 (Предохранитель с Индикатором, серия 100, модель 1).
2. О необходимости небольшой доработки схемы сказал чуть выше.
3. Надо бы проверить поведение/живучесть устройства в реальных условиях: наличие в сети импульсных помех, пониженное и повышенное напряжение.
4. Продающиеся у нас держатели предохранителей — полная дрянь! Надо поискать нормальных поставщиков.
5. Целый модуль для предохранителя — довольно расточительно! Хотелось бы иметь устройство покомпактнее. Нужны корпуса, скажем, на 2/3 модуля и хорошие узкие держатели предохранителей.