Chráním, chráníš, chráníme aneb Na co často zapomínáme

Jištění, přepěťové ochrany a elektronické proudové pojistky

Tento příspěvek jsem původně napsal pro web www.honzikovyvlacky.cz. Vzhledem k souvislosti s dalšími příspěvky na www.masinky.info ho zde publikuji v původním znění. Článek vznikl jako reakce na rozhovory s několika železničními modeláři v posledním čase. Nechci se v něm pouštět do složité teorie ochran a jištění v elektronice nebo energetice. Pouze bych rád zmínil několik základních zásad, na které bychom neměli zapomínat. Znalci tento článek jistě přeskočí, někomu však možná pomůže od příštích problémů.

 

Ochrana před úrazem elektrickým proudem

Je to záležitost norem, které předepisují jakými způsoby je nutné zabránit dotyku lidského těla (jeho částí) s nebezpečným elektrickým napětím. Také definují, co to nebezpečné napětí je a to v závislosti od prostředí (vlhkost, teplota atd.). Pro železniční modeláře pouze zjednoduším, že pokud vše nad 24 voltů budou považovat za nebezpečné, nedopustí se chyby.
Jiné předpisy zase stanoví, kdo je oprávněn zasahovat do zařízení, ve kterých se nebezpečné napětí vyskytuje. Pracovníky dělí do několika skupin podle ODBORNÉHO vzdělání a praxe (pozor – i vysokoškolsky vzdělaný člověk může být „osobou neznalou“). Z toho pro nás plyne důležitý závěr: Ten, kdo má příslušné zkoušky, ví, co je oprávněný provádět (např. pouze údržbu, vyrábět přístroje nebo řídit práce či dokonce projektovat nebo vykonávat revize). Kdo nemá potřebné oprávnění, měl by se omezit na používání hotových výrobků a v žádném případě nezasahovat do zdrojů, transformátorů, jističů apod. Pro něj bude pole působnosti až tam, kde ze zapouzdřeného zdroje vychází tzv. bezpečné napětí. Tedy žádné „samo-domo“ transformátory nebo spínané zdroje z PC, dokonce nekryté a ležící na zemi někde pod kolejištěm. Podotýkám, že i pokud si někdo doma sám udělá prodlužovačku, i to je porušením předpisů a v případě úrazu nebo požáru to může být problém (nedbalostní trestný čin, problém s pojišťovnou a pod.). Straším? Možná, ale čert nikdy nespí! A elektrika od čerta občas moc daleko nemá…
Vyhnu se tedy otázkám jištění primárního okruhu zdroje (tj. části pod síťovým napětím). Pouze se zmíním, že i v této části by měla být pojistka a doporučovaná je přepěťová ochrana a filtr proti rušení. Přepěťová ochrana a filtr bývají k dostání i samostatně, dost často jako součást zásuvkových lišt. Primární úlohou je ochrana připojených spotřebičů (často drahé elektroniky) proti indukovanému přepětí za bouřky. I modelová železnice, obsahující velké množství elektronických obvodů, je náchylná na poškození přepětím. Navíc, cena těchto ochran v posledních letech poklesla z několika tisíců na stokoruny. Jen bych se vyhnul používání kdejakých šmejdů za 99,90 korun z různých …landů. Ty většinou nesplňují ani základní požadavky na zásuvky, natož seriózní ochranu. Ve světě existuje několik výrobců, jejichž výrobky jsou vysoce spolehlivé a navíc je k nim doživotní záruka na připojené spotřebiče.
K našim zdrojům: Pokud je zdroj vybaven tavnou pojistkou, často bývá dostupná i pro laika a ten ji při odpojení spotřebiče od sítě také může vyměnit. Na sekundární straně bývají profesionálně vyráběné zdroje většinou jištěné tepelnou nebo elektronickou pojistkou, která se po odstranění zkratu nebo velké zátěže sama vrátí do původního stavu.

Věnujme se tedy oblasti, kterou nám zákon (a zdravý rozum) povoluje. Tou je bezpečné napětí za síťovým transformátorem.

Hned jednu poznámku na úvod – čím menší napětí používáme, tím větší proud obvodem musí téct (pro stejný výkon). Např. žárovkou s příkonem 25 W při napájení 230 V protéká 25/230 A, tedy cca 0,11 A, ale při 12 V napájení je to už 25/12  A a to je přes 2 A. (Samozřejmě, nemůže to být ta samá žárovka.) To uvádím je proto, abychom si uvědomili, že na našem kolejišti tečou významně velké proudy.
A proud ohřívá vodič, kterým protéká. Proto také dělá chybu ten, kdo tvrdí, že „když tam není dvěstědvacet, stačí mi zvonkový drát“. Stačí a nestačí. Když se podívá do svého auta, jaké vodiče vedou ke světlům, ventilátoru apod., nikde tam nenajde zvonkový drát. Silné vodiče se pro 230V používají zejména z důvodů mechanické bezpečnosti a izolačních schopností. U nízkonapěťových rozvodů však musíme jako hlavní parametr brát tekoucí proud!!!
  Z fyziky si možná někdo vzpomene, že výkon se rovná součinu napětí a proudu, neboli odporu a čtverce proudu (P=U*I = R*I²). A odpor vodiče je nepřímo úměrný jeho průřezu (tedy čtverci průměru!). Tedy čím tenčí vodič je, tím více bude topit. A pokud bude topit moc, obklopený papírem, polystyrénem a jinými hořlavinami, nemusíme utrácet za generátory kouře… Samozřejmě, pokud jde o občasné impulzy (typicky elektromagnetický přestavník), krátký impulz nestihne vodič zahřát.
  Pokud by však byl vodič extrémně tenký a dlouhý, vznikne ne něm zbytečně úbytek napětí (je přímo úměrný odporu vodiče, včetně přechodového odporu kontaktů a konektorů) a spínání tak nemusí být spolehlivé. Blíže o dimenzování vodičů a souvisejících otázkám ZDE, něco o zdrojích také ZDE.

Určitě se teď nabízí otázka – zdroj pojistky má, co chce tedy ještě jistit?

Vezměme si jako příklad rozvod elektřiny. Pojistky najdeme v elektrárně, v trafostanici, v každém rozváděči až po náš byt. Zjednodušeně lze říct, že první pojistky v elektrárně brání přetížení generátoru (zdroje). Analogie na našem modelovém kolejišti – pojistka na výstupu zdroje.
Ale proč jsou potom v energetických objektech další pojistky hned v rozváděči, ze kterého vychází vedení na různé světové strany? Tyto pojistky chrání vedení. A postupně všechny další až zase po náš byt.
 Pojistky se dimenzují tak, aby vypnuly dříve, než v případě zkratu dojde k poškození vedení. Takže pokud kabel vedoucí z domácí rozvodné skříňky s pojistkami k zásuvce je dimenzován na 6A, pojistka nesmí být na vyšší proud.
A teď analogie s vláčkem. Pokud máme dostatečně dimenzovaný zdroj (např. je schopen dodávat 5 – 10 A),máme dvě možnosti. Buď musíme všechny rozvody tohoto napětí udělat z dostatečně dimenzovaného vodiče, což je pracné, nebo použít vodiče tenčí a rozvod větvit. V tom případě je však víc než vhodné jednotlivé větve (ty hlavní) jistit samostatně. Výhodou je, že v případě poruchy nevypadne celé kolejiště, ale pouze jedna větev. Těmi větvemi mohou např. být skryté a viditelné kolejiště, nebo nádraží a širá trať a pod., podle uvážení konstruktéra.

Jak a čím jistit

 Nejjednodušší jsou tavné pojistky (nejčastěji je to skleněný váleček o průměru 5 mm a délce 20 mm, ale rozměrů se vyskytuje více). Je důležité vědět, že existují různě rychlé typy. Označení „F“ je fast, tedy rychlé. Ty se používají pro jištění elektroniky a pro ochranu vedení nejsou vhodné.

  Při projíždění vratných smyček vlakem dochází totiž ke krátkodobému zkratu, který se využívá (u DCC) na přepnutí polarity. Pojistka „F“ by zde mohla dělat problémy. Taktéž přepnutí několika výměn ve stejný moment vyvolá krátkodobý nárůst proudu. Proto pro ochranu vedení (a vinutí transformátorů) využíváme zásadně pojistky označené „T“, které mají podstatně delší reakční dobu.
  Velkou nevýhodou tavných pojistek je však jejich nevratnost. V pojistce se přepálí drátek a musí se vyměnit za novou. Když si uvědomíme, jak často dochází v kolejišti k „provozním zkratům“ (vykolejení, jízda proti špatně nastaveným výměnám apod.), asi se poohlédneme po lepším řešení. Tavné pojistky (typu T) bych použil nanejvýš mezi transformátor a booster (u DCC), protože provozní zkraty vyřídí booster, který vypne elektronicky a po odstranění problému opět automaticky zapne. Pojistka tak bude chránit pouze vodiče mezi transformátorem a boosterem. I tak při jejím přepálení budou problémy s výměnou.
Kdysi se používaly i v zdrojích pro modelovou železnici elektromagnetické nebo bimetalové jističe (např. starý transformátor PIKO – předchůdce FZ1, měl vybavovací tlačítko, které bylo nutné stisknout pro znovuzapnutí). Novější FZ1 se již do normálního stavu vracel automaticky. Takovéto jističe se však už v modelářské praxi nepoužívají. Navíc, jsou hodně drahé a špatně dostupné.
Období prudkého rozvoje mikroelektroniky a materiálů pro ni přineslo i množství nových nebo zdokonalení starších typů nelineárních součástek, které nachází uplatnění i v oblasti ochran. Jsou to různé typy termistorů (tepelně závislý odpor, buď s pozitivním – PTC – nebo negativním – NTC – teplotním koeficientem), varistorů (napěťově závislý odpor) nebo transilů (ochranný prvek proti přepětí).

 Dnes se velmi často v obvodech místo tavných pojistek vyskytují tzv. vratné pojistky Polyswitch (anglicky polymeric positive temperature coefficient device – PPTC, též označované jako resetable fuse). Vyrábí se v různých velikostech podle pracovního napětí a vypínacích proudů. Jedná se v podstatě o speciální termistor PTC – relativně malou součástku, která nejčastěji vypadá jako 5 – 15 mm velký keramický kondenzátor. Často bývá též v provedení SMD. Při překročení maximálního proudu dojde ke skokovému zvýšení odporu PPTC a tím ke snížení proudu tekoucího chráněným obvodem. Po odstranění problému se vratná pojistka vrátí do původního stavu.

Velmi užitečné je doplnění takovéto pojistky o indikaci vypnutí. S výhodou lze využít dvoubarevné diody LED. Zelená barva indikuje „vše OK“, červená pak „přetížení“. Zapojení na následujících obrázcích se liší podle toho, jestli se jedná o ochranu v okruhu se střídavým nebo stejnosměrným proudem.

 Ochrana střídavého zdroje – popis činnosti

V klidovém stavu (proudový odběr „pod limitem“) je odpor vratné pojistky RP1 malý (téměř nulový) a proud teče bez omezení. Kladná půlvlna střídavého napětí projde z vývodu transformátoru (č. 7) pojistkou RP1, odporem R1 a diodou D1 (ta chrání LED proti napětí opačné polarity). Obvod indikace se uzavírá přes zelenou (horní) LED na opačný konec vinutí transformátoru. Svítí tedy zelená LED. Při přetížení (zkratu) dojde k propojení svorek X1-1 a X1-2 malým (nulovým) odporem. Přes RP1 poteče proud větší, než je jeho vypínací hodnota, RP1 přejde do vysokoohmového stavu (v podstatě téměř rozpojí obvod, zůstané téct jen minimální, tzv. přídržný proud). Záporná půlvlna napětí z vývodu 7 transformátoru poteče přes spodní – červenou LED, dále přes D1 a R1 a obvod se uzavře přes zkratované výstupní svorky na vývod č. 9 transformátoru. Svítí tedy červená LED.

Potřebné součástky:

RP1 vratná pojistka , pro 3 A vhodný typ PFRA.300
D1 obecně libovolná dioda (např. 1N4148)
R1 omezovací odpor pro LED ( pro napětí trafa 16 V cca 1,5 až 2,7 kΩ)
LD1 dvoubarevná třívývodová LED se společnou anodou (nebo dvě samostatné LED)
T1 bipolární transil – pro popisovanou funkci není nutný, viz dále

(Poznámka: Je možné použít i dvoubarevnou LED se společnou katodou, v tom případě je potřebné zapojit opačně i diodu D1.)

Ochrana stejnosměrného zdroje – popis činnosti

 V klidovém stavu (proudový odběr „pod limitem“) je odpor vratné pojistky RP2 malý (téměř nulový) a proud teče bez omezení. Na svorce X2-2 je plné kladné napětí zdroje, proud teče z tohoto uzlu také přes horní LED (zelená) a odpor R3 do nulového bodu zdroje. Svítí tedy zelená LED. . Při přetížení (zkratu) dojde k propojení svorek X2-1 a X2-2 malým (nulovým) odporem. Přes RP2 poteče proud větší, než je jeho vypínací hodnota, RP2 rozepne – přejde do vysokoohmového stavu. Na svorce X2-2 je napětí blízké nule. Proud z kladného pólu poteče pouze přes R2 a spodní červenou LED, která se rozsvítí. Okruh se uzavírá přes propojené výstupní svorky do bodu 0V.

 

Potřebné součástky:
RP2 vratná pojistka , pro 3 A vhodný typ PFRA.300
R2 a R3 omezovací odpory pro LED ( pro napětí 15V cca 1,5 až 2,7 kΩ)
LED1 dvoubarevná dvouvývodová LED (nebo dvě samostatné LED)
T2 unipolární transil – pro popisovanou funkci není nutný, viz dále

V obou případech doporučuji doplnit proudovou pojistku o ochranu před vyšším napětím. Nestává se to často, ale může dojít k poruše stabilizátoru stejnosměrného napětí, nebo zkratu v transformátoru. Jednoduché doplnění ochranného prvku – transilu na výstupu – zabrání průniku přepětí do dalších elektronických obvodů. Transil má podobnou funkci jako Zenerova dioda – při určitém napětí prudce změní svou vodivost a začne jím protékat relativně vysoký proud. Na rozdíl od Zenerových diod však transil snese krátkodobě podstatně vyšší výkon (typicky víc než 1 kW !!!) a je značně rychlejší. Jedinou podmínkou správné činnosti je pojistka v obvodě před ním, která musí vypnout. A to v našem případě máme splněno. Transily jsou bipolární – pro použití ve střídavých i stejnosměrných obvodech a unipolární – pouze pro stejnosměrné obvody. Unipolární ve stejnosměrných obvodech navíc chrání i proti přepólování zdroje (jako dioda zapojená v závěrném směru). Obvod ochrany se pužitím transilu prodraží o 10 – 15 Kč, ale to skutečně stojí za to. Transil se volí tak, aby jeho spínací napětí bylo blízko nad pracovním napětím zdroje – např. pro 15 V zdroj je vhodný transil 18 V.

Schémy ve formátu *.pdf můžete stahnout ZDE.

(Recenze: Jaroslav Vorlíček (†)  zvýraznění částí textu Jan Hlaváček, www.honzikovyvlacky.cz a autor)

 

image