اتصال کوتاه

.

.

.

هدف از طراحی این مدار آن است که برق شهری طوری به مصرف‌کننده برسد که خط فاز همیشه به اتصال از پیش تعیین‌شده‌ای برسد و چپ و راست وصل کردن دوشاخه‌ی آن به پریز برق، باعث جابجاییِ اتصال فاز در مصرف‌کننده نشود. هدف اولیه از طراحی این مدار، به کارگیری از آن در مدار یک «ترانسفورماتور متغیّر» بود تا کاربر را از خطر برق‌گرفتگی مصون بدارد.

.

شرح مدار

ترانسفورماتورهای متغیّر به دو صورت عادی و یا ارزان‌قیمت ساخته می‌شود. تفاوت این دو نوع در تصویر زیر دیده می‌شود. «ترانس متغیر معمولی» یک ترانسفورماتور با دو پیچش اولیه و ثانویه‌ی جداگانه است (تصویر راست). روشن است که در این نوع ترانس، پیچش‌های اولیه و ثانویه از نظر الکتریکی از هم ایزوله هستند و کارکردن با آن‌ها از حد بالایی از ایمنی برخوردار است.

«ترانس متغیر ارزان‌قیمت» ترانسی است که یک اتصال پیچش اولیه‌ی آن به یک اتصال پیچش ثانویه‌اش وصل است و مانند این است که پیچش های اولیه و ثانویه‌ی ترانس با هم سری بسته شده باشند (تصویر چپ). به این نوع ترانس «ترانسفورماتور ارزان‌قیمت» یا «اتوترانسفورماتور» می‌گویند. در این ترانس‌ها تمام اتصالات در ارتباط مستقیم با برق شبکه قرار دارند و به این علت هیچ ایزولاسیونی در ثانویه‌ی آن وجود ندارد و کار کردن با آن مستلزم احتیاط زیاد است.

.

.

من از یک دست‌دوم‌فروشی یک ترانسفورماتور متغیّر یک کیلوولت‌آمپری خریده بودم که ساختمان آن از نوع اتوترانسفورماتور بود و لازم بود که برای کاربرد امن و بی‌خطر، اتصال مشترک آن (خط صفر ولت) به خط نول برق شهر وصل شود. برای این که هر بار با به برق زدن ترانس مجبور به کنترل صحّت اتصال خط نول و فاز و احتمالاً جابجا کردن دوشاخه‌ی آن نباشیم، مداری طراحی شد که میان پریز برق و دوشاخه‌ی ترانس قرار داده می‌شود. این مدار اتصال سیم‌های برق را به ترتیبی منظم می‌کند که، مستقل از چگونگی اتصال فاز و نول در پریز و چگونگی زدن دوشاخه به آن، خط فاز (و نول) همیشه به نقطه‌ی صحیح در ترانس مرتبط شود. به این صورت، دیگر نیازی به امتحان فاز و احتمالاً جابجا کردن دوشاخه نخواهیم داشت.

.

طرز کار مدار

مدار دارای ورودی برق شهر با سه اتصال A, B, PE و سه خروجی L, N, PE می‌باشد. ورودی‌ها را به صورت زیر تعریف می‌کنیم:

.

.

خط زمین حفاظتی مستقیم از ورودی به خروجی ترانس متصل است.

وقتی که مدار در حالت بیکاری (رله نگرفته) باشد، نقطه‌ی A به L، و نیز نقطه‌ی B به نقطه‌ی N مرتبط است.

یک مدار «منبع تغذیه‌ی خازنی» ولتاژی در حدود 24 ولت روی 30 میلی‌آمپر در اختیار طرح می‌گذارد. رآکتانس یا «مقاومت جریان متناوب» در خازن یک میکروفارادی (به چالش‌های حفاظتی این نوع خازن‌ها دقت کنید) مقدار جریان منبع تغذیه را در حد مورد نیاز ما محدود می‌کند. مقاومت 100 اهمی جریان شارژ این خازن را، هنگام به برق زدن مدار، محدود می‌کند. ولتاژ خروجی خازن را دو دیود یکسو می‌کنند. این ولتاژ، سپس، توسط یک خازن الکترولیت صاف می‌شود و همزمان یک وریستور (VDR) این ولتاژ را از پارازیت‌هایی که به صورت پالس‌های ولتاژی با دامنه‌ی زیاد به مدار می‌رسند، مصون می‌سازد. این ولتاژ یک رله‌ی 24 ولتی با مقاومت بوبین حدود 820 اهم را تغذیه می‌کند. فرمان قطع و وصل این رله از طریق یک ترانزیستور می‌آید.

.

.

محاسبه‌ی منبع تغذیه

جریان مصرفی مدار عملاً به مصرف جریان رله محدود می‌شود، زیرا مصرف افزاره‌های دیگر بسیار ناچیز است. بنابراین، با داشتن مقاومت اهمی بوبین رله (820 اهم) و ولتاژ کار آن (24 ولت)، جریان لازم برای مدار به آسانی از قانون اهم بدست می‌آید:

.

.

به عبارت دیگر، جریان مصرفی رله 30 میلی‌آمپر است. این جریان باید توسط «مقاومت جریان متناوب» یا «رآکتانس» خازن 1 تامین گردد.

حال، با دانستن مقدار ولتاژ و جریان در خروجی منبع تغذیه، مقدار رآکتانس خازن 1 را حساب می‌کنیم. ولتاژی که روی خازن افت می‌کند، تفوت ولتاژ خروجی و ولتاژ برق شبکه است:

.

.

با مشخص شدن رآکتانسِ خازنیِ ضروری مقدار ظرفیت خازن به آسانی حساب می‌شود:

.

.

اما چون در مدار ما یکسوسازی به صورت «یکسوسازی نیم موج» در نظر گرفته شده است و فقط از نیم سیکل‌های مثبت برق استفاده می‌شود، لازم است که ظرفیت خازن را دو برابر مقدار محاسبه شده بگیریم. این مقدار 976 نانوفاراد است که نزدیک‌ترین ظرفیت‌ خازنی استاندارد به مقدار محاسبه شده 1 میکروفاراد می‌باشد. اگر خازنی با این ظرفیت در بازار یافت نشد، می‌توانیم دو عدد خازن 470 نانوفاراد را با هم موازی ببندیم و از آن به عنوان یک خازن استفاده کنیم. در این حالت ظرفیت به دست آمده در حدود 1 میکروفاراد خواهد شد که با توجه به ضریب خطای این نوع خازن‌ها که در حدود 10%± تا 20%± است، مقدار قابل قبولی می‌باشد.

.

.

وظیفه‌ی رله در مدار

رله‌ی به کار رفته در این مدار، وقتی که بگیرد، جای اتصالات خروجی A و B را عوض می‌کند. فرمان عمل رله را ترانزیستور می‌دهد. این ترانزیستور باید فرمان گرفتن رله را وقتی صادر کند که روی اتصال ورودی B یک ولتاژ مثبت قرار گیرد.

در مدار ما اتصال B نقطه‌ی مرجع یا «زمین / ارت / شاسی» است و مبنای همه‌ی اندازه‌گیری‌ها می‌باشد و تمام اندازه‌گیری‌ها نسبت به این نقطه انجام می‌شود.

اتصال B قطعاً به فاز وصل است، اگر بتوان میان اتصال‌های B و PE ولتاژی را اندازه‌گیری نمود. این ولتاژ را ما به کمک یک دیود «یک‌سو» کرده و جریان آن را توسط یک مقاومت 220 کیلواهمی به چیزی در حدود 500 میکروآمپر محدود نموده‌ایم. این جریان برای راه‌اندازی ترانزیستور کفایت می‌کند. سپس اضافه ولتاژ را در این مسیر به کمک یک دیود زینر 5/1 ولتی فرونشانده‌ایم. در نتیجه، روی پایه‌ی «بیس« ترانزیستور هیچگاه ولتاژ از 5/1 ولت و جریان از 0/5 میلی‌آمپر تجاوز نخواهد کرد.

ترانزیستور همواره باید هنگامی فعال شود که ورودی B به فاز برق وصل باشد؛ در پی این وضعیت، رله می‌گیرد و هر دو اتصال خروجی را جابجا می‌کند و خط ورودی فاز B را به اتصال خروجی L وصل می‌کند.

هر گاه در عمل نقطه‌ی B به فاز وصل بشود، روی بیس ترانزیستور فقط یک ولتاژ «یک‌سوشده‌ی نیم موج» 5/1 ولتی قرار خواهد گرفت. این ولتاژ توسط خازن الکترولیت 22 میکروفارادی صاف می‌شود تا از قطع و وصل های مکرر ترانزیستور و در پیِ آن قطع و وصل و لرزش کنتاکت‌های رله جلوگیری شود. یک مقاومت یک مگااهمی روی بیس ترانزیستور، آن را در زمان‌هایی که نقطه‌ی B به خط نول وصل است و هیچ ولتاژی روی آن قرار ندارد، از نویزهای احتمالی و قطع و وصل‌های ناخواسته حفاظت می‌کند.

.

.

.

مخاطرات و توصیه‌های ایمنی

• تنها کاری که این مدار انجام می‌دهد این است که به شما بگوید فاز کجاست! با وجود استفاده از این مدار، باید همواره به یاد داشت که ارتباط بی‌واسطه و مستقیمی بین خط فاز برق شهر و مصرف‌کننده‌ای که به این مدار وصل می‌شود، وجود دارد و هیچ ایزولاسیون حفاظتی از شبکه ی برق شهری توسط این دستگاه ایجاد نمی‌شود. بنابراین، هنگام کار با این مدار و وسیله‌ای که بدان متصل می‌شود، همیشه باید مراقب بروز برق‌گرفتگی بود.
• پس از به برق زدن این دستگاه، تا زمانی که دستگاه چگونگی اتصالات فاز و نول را تشخیص بدهد و رله فرمان بگیرد و کنتاکت‌های آن جذب شوند، ممکن است به طول چند صد میلی‌ثانیه در خروجی مدار فاز و نول در جای صحیح خود نباشند. بنابراین، همیشه اول دستگاه را به برق بزنید و سپس مصرف‌کننده را به آن وصل کنید. همچنین، هیچگاه در حال لمس خروجیِ دستگاه، آن را به برق نزنید.
• خازن 1 در این مدار باید حتماً و بدون چون و چرا از نوع «خازن‌‌های حفاظتی X2» باشد. پیشنهاد می کنم نوشتار لینک مربوطه را با دقت بخوانید.
• چون در همه جای این دستگاه برق 220 ولت در جریان است، باید آن را درون یک محفظه‌ی غیرفلزی و عایق برق نصب کرد، طوری که امکان لمس اجزای مدار وجود نداشته باشد.

.

.

.

مطالب مرتبط:

بررسی مدار شارژر یک چراغ قوه

خازن های ضد اختلال، خازن های حفاظتی

زمین، گراوند، ارت، شاسی

.

.

.