Aktywny „miękki start” do obciążeń sieciowych, część 1

Czy używaliście kiedyś elektronarzędzia, które przy załączeniu wyrywało się z ręki? A może macie zestaw komputerowy, elektroakustyczny lub inny, który cały chcecie zasilić z jednego gniazda? Może się zdarzyć, że podczas włączania tego zestawu zadziała bezpiecznik automatyczny, co będzie Was zmuszało do pofatygowania się do skrzynki z bezpiecznikami.

Zasilane z sieci narzędzia wyposażone w silnik – pilarki tarczowe, piły tarczowe, szlifierki ręczne, frezarki – mogą wykonać raptowny ruch, gdy podczas rozruchu silnika moment obrotowy obróci narzędziem. Ruch ten może być niebezpieczny. W przypadku piły, wiertarki czy frezarki może on spowodować przemieszczenie się elementu tnącego z pozycji roboczej i uszkodzenie obrabianego elementu.

Podczas załączania można nieraz usłyszeć nieprzyjemne „plaśnięcie” dobiegające z przełącznika lub wtyczki, wskazujące, że element ten został przeciążony dużym prądem rozruchowym.

Wszystkie te problemy rozwiązują układy tzw. „miękkiego startu” – takie jak ten opisany w tym artykule.

Oprócz urządzeń z mocnymi silnikami, dużym prądem rozruchowym charakteryzują się układy zawierające transformatory toroidalne czy zasilacze impulsowe, w których wyprostowane napięcie sieciowe ładuje duży kondensator lub baterię kondensatorów. Ich pojemność stanowi zwarcie w momencie pierwszego załączania zasilania, wywołując ogromny prąd udarowy.

Opisywany układ aktywnego „miękkiego startu” znacznie zmniejsza prądy rozruchowe pobierane z sieci energetycznej, rozwiązując opisane powyżej problemy. Jest przeznaczony do urządzeń, które są załączane i wyłączane wielokrotnie z dużą częstością (jak np. elektronarzędzia), a jego działanie nie pogorszy się, a on sam się nie przegrzeje przy wielokrotnych uruchomieniach, o ile jest używany w swoim dopuszczalnym zakresie.

Układ może być używany z narzędziami silnikowymi o mocy do 750 W oraz do zasilaczy z dużymi pojemnościami.

Dwa sposoby używania

Jednym ze sposobów używania „miękkiego startu” jest podłączenie do niego zasilanego urządzenia i załączenie na stałe jego wyłącznika. Zasilanie będziemy wtedy załączać po stronie sieci. Rozwiązanie to nadaje się, gdy chcemy zasilić z jednego gniazda kilka urządzeń. W takim przypadku proces łagodnego rozruchu rozpoczyna się po załączeniu sieci zasilającej. Po zakończeniu rozruchu układ „miękkiego startu” dostarcza pełne napięcie sieciowe.

Drugą metodą jest zasilenie układu „miękkiego startu” na stałe i włączanie/wyłączanie zasilanego z niego urządzenia jego własnym przełącznikiem. Ta metoda jest odpowiednia do elektronarzędzi.

W obu przypadkach układ „miękkiego startu” wykrywa, kiedy urządzenie jest załączane i wyłączane, monitorując prąd obciążenia. „Miękki start” rozpoczyna się dopiero po wykryciu przepływu prądu. Po wyłączeniu urządzenia przepływ prądu ustaje, a układ jest gotowy do następnego łagodnego rozruchu.

Moc znamionowa 750 W

Przetestowaliśmy układ „miękkiego startu” z różnymi obciążeniami i elektronarzędziami. Stwierdziliśmy, że działa poprawnie z odbiornikami o mocy do 750 W. Przy większej mocy niektóre części nieprzyjemnie się nagrzewały – nie mówiąc o tym, że parametry niektórych elementów układu nie dopuszczają przeciążenia. W przypadku sprzętu takiego jak komputery i wzmacniacze, czasy rozruchu są krótkie. Wtedy można załączać moce znacznie wyższe, sięgające nawet 2,3 kW (prąd 10 A).

Chcąc używać elektronarzędzi o mocy powyżej 750 W warto rozważyć zbudowanie naszego udoskonalonego dwupołówkowego regulatora prędkości obrotowej silnika, wyposażonego w funkcję miękkiego rozruchu (Silicon Chip, kwiecień 2021 r.; www.siliconchip.au/Article/14814). Regulator jest przystosowany do prądu 10 A, a zatem powinien obsłużyć każde elektronarzędzie podłączane do standardowego gniazdka sieciowego. Można go na stałe ustawić na pełną prędkość i korzystać wyłącznie z jego funkcji łagodnego rozruchu.

Prezentacja

Układ aktywnego „miękkiego startu” został umieszczony w zwartej plastikowej obudowie z wejściowym złączem sieciowym IEC z jednej strony i gniazdem do urządzenia z drugiej. Na górze znajdują się trzy wskaźniki neonowe. Jeden sygnalizuje obecność zasilania wejściowego. Drugi pokazuje powolny wzrost napięcia na wyjściu do urządzenia. Trzeci zapala się po zakończeniu fazy miękkiego rozruchu.

Neonówki są bardzo czułe i świecą już przy małym natężeniu prądu, więc nie obrazują w pełni przebiegu „miękkiego startu”. Pomagają jednak zorientować się, co układ robi w danej chwili.

Sposoby „miękkiego startu”

Standardową metodą zredukowania prądu udarowego jest włączenie rezystancji w szereg z linią zasilania, co powoduje ograniczenie maksymalnego prądu. W Silicon Chip opublikowaliśmy dotychczas dwa układy „miękkiego startu” wykorzystujące ten sposób – jeden w kwietniu 2012 roku (www.siliconchip.au/Article/705), a drugi w lipcu 2012 roku (www.siliconchip.au/Article/601). W obu projektach zastosowano termistory o ujemnym współczynniku temperaturowym (NTC).

Element taki działa jak rezystor, który zmniejsza swoją rezystancję, gdy nagrzewa się od przepływającego przez niego prądu. Gdy termistor jest zimny, jego rezystancja jest stosunkowo duża, więc prąd jest ograniczony. W trakcie, gdy termistor się nagrzewa, jego rezystancja spada i pozwala na przepływ większego prądu. W obu układach po pewnym czasie termistor jest zwierany przez styki przekaźnika, dzięki czemu do dołączonego urządzenia doprowadzane jest pełne napięcie zasilania. Ominięcie termistora po zakończeniu „miękkiego startu” zapobiega dalszemu grzaniu się tego elementu i pozwala mu ostygnąć, dzięki czemu jest on gotowy do kolejnego „miękkiego startu”.

Jeśli jednak urządzenie jest załączane wielokrotnie w krótkich odstępach czasu, termistor nie ma czasu na ostygnięcie, więc będzie się utrzymywać jego mała rezystancja. W takich przypadkach układ „miękkiego startu” nie jest zbyt skuteczny.
Inną kwestią jest to, czy termistor NTC przetrwa długotrwałe użytkowanie, pracując z urządzeniem, które przy załączaniu pobiera znaczny prąd. Jeśli zasilanie zostaje załączone w chwili maksimum fali napięcia sieciowego, prąd początkowy może być bardzo wysoki, zwłaszcza jeśli termistor jest nadal gorący. Z czasem może to spowodować degradację parametrów termistora czy nawet jego uszkodzenie.

Układ prezentowany w tym artykule zawiera termistor, jednakże wykorzystuje też sterowanie fazowe napięcia sieciowego. Początkowo do obciążenia przepuszczana jest niewielka część przebiegu. Z biegiem czasu proporcja przebiegu napięcia sieci przyłożonego do obciążenia wzrasta, aż do osiągnięcia pełnego cyklu. Wtedy załącza się styk przekaźnika i obwód „miękkiego startu” zostaje ominięty. Dzięki tym środkom nagrzewanie się termistora jest minimalne, wielokrotne uruchamianie nie stanowi problemu, a cały układ jest bardzo niezawodny.

Sterowanie fazy zawsze rozpoczyna się na początku okresu, gdy napięcie sieci jest bliskie zeru. Stosowany tutaj typ sterowania nazywany jest sterowaniem fazą nadążną, w przeciwieństwie do często stosowanej metody sterowania fazą wiodącą.

Aby przeczytać ten artykuł kup e-wydanie

Kup teraz