Содержание

1. Варианты: глобально
2. Батарея и мощность
3. Что будет на выходе?
4. Делаем инвертор сами
> Обсуждение

Инвертор 12V/220V вещь на хозяйстве нужная. Иногда просто необходимая: сеть, допустим, пропала, а телефон разряжен и в холодильнике мясо. Спрос определяет предложение: за готовые модели на 1кВт и более, от которых можно запитывать любые электроприборы, придется выложить где-то от $150. Возможно, более $300. Однако сделать преобразователь напряжения своими руками в наше время дело доступное каждому, кто умеет паять: собрать его из готового набора компонент обойдется втрое-вчетверо дешевле + немного работы и металла из подручного хлама. Если есть зарядное устройство для автомобильных аккумуляторных батарей (АКБ), можно уложиться вообще в 300-500 руб. А если имеются еще и начальные радиолюбительские навыки, то, порывшись в загашниках, вполне возможно сделать инвертор 12V DC/220V AC 50Hz на 500-1200 Вт вовсе даром. Рассмотрим возможные варианты.

Варианты: глобально

Преобразователь напряжения 12-220 В для питания нагрузки до 1000 Вт и более в целом можно сделать самостоятельно такими способами (в порядке повышения затрат):

1. Оформить в корпус с теплоотводом готовый блок с Avito, Ebay или AliExpress. Ищется по запросу «inverter 220» или «inverter 12/220»; можно сразу добавить требуемую мощность. Обойдется прим. вдвое дешевле такого же заводского. Электротехнических навыков не нужно, но – см. ниже;
2. Собрать такой же из набора: печатная плата + «россыпь» компонент. Приобретается там же, но к запросу добавляется diy, что значит под самосборку. Цена еще прим. в 1,5 раза ниже. Нужны начальные навыки в радиоэлектронике: умение паять пользоваться мультиметром, знание разводок (распиновок) выводов активных элементов или умение их искать, правил включения в схему полярных компонент (диодов, электролитических конденсаторов) и умение определять, на какой ток какого сечения нужны провода;
3. Приспособить под инвертор компьютерный источник бесперебойного питания (ИБП, UPS). Исправный ИБП б/у без штатной АКБ можно найти за 300-500 руб. Навыков не нужно никаких – к ИБП просто подключается авто АКБ. Но заряжать ее придется отдельно, также см. ниже;
4. Выбрать способ преобразования, схему (см. далее) сообразно своим потребностям и наличию деталей, рассчитать и собрать полностью самостоятельно. Возможно совсем даром, но кроме начальных электронных навыков понадобится умение пользоваться некоторыми специальными измерительными приборами (тоже см. далее) и производить простейшие инженерные расчеты.

Из готового модуля

Способы сборки по пп. 1 и 2 на самом деле не такие уж простые. Корпуса готовых заводских инверторов служат одновременно и теплоотводами для мощных транзисторных ключей внутри. Если брать «полуфабрикат» или «россыпь», то корпуса к ним не будет: при теперешней себестоимости электроники, ручного труда и цветных металлов разница в ценах объясняется как раз отсутствием второго и, возможно, третьего. Т.е., радиатор для мощных ключей придется делать самому или искать готовый алюминиевый. Его толщина в месте установки ключей должна быть от 4 мм, а площади на каждый ключ должно приходиться от 50 кв. см. на каждый кВт отдаваемой мощности; с обдувом от компьютерного вентилятора-кулера на 12 В 110-130 мА – от 30 кв. см*кВт*ключ.

Готовые модули инверторов напряжения 12/220 В

Напр., в наборе (модуле) 2 ключа (их видно, они торчат из платы, см. слева на рис.); модули с ключами на радиаторе (справа на рис.) стоят дороже и рассчитаны на определенную, как правило, не очень большую мощность. Кулера нет, мощность нужна 1,5 кВт. Значит, нужен радиатор от 150 кв. см. Кроме него еще установочные комплекты для ключей: изолирующие теплопроводящие прокладки и фурнитура под крепежные винты – изолирующие чашечки и шайбы. Если модуль с теплозащитой (между ключами будет торчать еще какая-то фитюлька – термодатчик), то немного термопасты для приклеивания его к радиатору. Провода – само собой, см. далее.

Из ИБП (UPS)

Инвертор 12В DC/220 В AC 50 Гц, к которому можно подключать любые приборы в пределах допустимой мощности, делается из компьютерного ИБП совсем просто: штатные провода к «своей» АКБ заменяются длинными с зажимами под клеммы авто АКБ. Сечение проводов рассчитывается исходя из допустимой плотности тока 20-25 А/кв. мм, см. также далее. Но вот из-за нештатной батареи могут возникнуть проблемы – с нею же, а она дороже и нужнее преобразователя.

В ИБП применяются тоже свинцово-кислотные АКБ. Это на сегодня единственно широко доступный вторичный химический источник электропитания, способный регулярно отдавать большие токи (экстратоки), не «убиваясь» полностью за 10-15 циклов заряд-разряд. В авиации используются серебряно-цинковые АКБ, которые еще мощнее, но они чудовищно дороги, в широкий оборот не выпускаются, а их ресурс по бытовым меркам ничтожен – ок. 150 циклов.

Разряд кислотных АКБ четко отслеживается по напряжению на банку, и контроллер ИБП не даст «чужой» батарее разрядиться сверх меры. Но в штатных АКБ ИБП электролит гелевый, а в автоаккумуляторах жидкий. Режимы заряда в том и другом случае существенно отличаются: сквозь гель нельзя пропускать такие токи, как сквозь жидкость, а в жидком электролите при слишком малом токе заряда подвижность ионов будем мала и они не все вернутся на свои места в электродах. В результате ИБП будет хронически недозаряжать авто АКБ, она скоро засульфатируется и придет в полную негодность. Поэтому в комплект к инвертору на ИБП нужно зарядное устройство для аккумуляторов. Сделать его своими руками можно, но это уже другая тема.

Батарея и мощность

От АКБ зависит и пригодность преобразователя для той или иной цели. Повышающий инвертор напряжения не берет энергию для потребителей из «темной материи» Вселенной, черных дыр, духа святого или откуда-то еще просто так. Только – из АКБ. А от нее он возьмет мощность, отдаваемую потребителям, деленную на КПД самого преобразователя.

Если вы увидите на корпусе фирменного инвертора «6800W» или более – верьте глазам своим. Современная электроника позволяет поместить в объеме сигаретной пачки устройства и помощнее. Но, допустим, нам нужна мощность в нагрузке 1000 Вт, а в распоряжении есть обычный автоаккумулятор на 12 В 60 А/ч. Типовое значение КПД инвертора – 0,8. Значит, от батареи он возьмет ок. 100 А. На такой ток нужны и провода сечением от 5 кв. мм (см. выше), но не это тут главное.

Автолюбители знают: гонял стартер 20 мин – покупай новый аккумулятор. Правда, в новых машинах есть ограничители времени его работы, так что, возможно, и не знают. И точно не все знают, что стартер легковушки, раскрутившись, берет ток ок. 75 А (в течение 0,1-0,2 с при запуске – до 600 А). Простейший расчет – и выходит, что, если в инверторе нет автоматики, ограничивающей разряд батареи, то наша за 15 мин сядет полностью. Так что выбирайте или конструируйте свой преобразователь с учетом возможностей наличной АКБ.

Примечание: из этого следует огромное преимущество преобразователей 12/220 в на основе компьютерных ИБП – их контроллер не даст полностью посадить батарею.

Ресурс кислотных АКБ заметно не уменьшается, если они разряжаются 2-х часовым током (12 А для 60 А/ч, 24 А для 120 А/ч и 42 А для 210 А/ч). С учетом КПД преобразования это дает допустимую долговременную мощность нагрузки в прим. 120 Вт, 230 Вт и 400 Вт соотв. Для 10 мин. нагрузки (напр., для запитки электроинструмента) она может быть увеличена в 2,5 раза, но после этого АБК должна отдохнуть не менее 20 мин.

В целом итог получается не совсем уж плохой. Из обычного бытового электроинструмента только болгарка может брать 1000-1300 Вт. Остальные, как правило, обходятся мощностью до 400 Вт, а шуруповерты до 250 Вт. Холодильник от АКБ 12 В 60 А/ч через инвертор проработает 1,5-5 час; вполне достаточно, чтобы принять необходимые меры. Поэтому делать преобразователь на 1кВт для батареи 60 А/ч смысл имеет.

Что будет на выходе?

Преобразователи напряжения ради уменьшения массогабаритов устройства за редкими исключениями (см. далее) работают на повышенных частотах от сотен Гц до единиц и десятков кГц. Ток такой частоты не примет никакой потребитель, а потери его энергии в обычной проводке будут огромны. Поэтому инверторы 12-200 строятся под выходное напряжение след. видов:

• Постоянное выпрямленное 220 В (220V AC). Пригодны для питания телефонных зарядок, большинства источников питания (ИП) планшетов, ламп накаливания, люминесцентных экономок и светодиодных. На мощность от 150-250 Вт отлично подойдут для ручного электроинструмента: потребляемая им мощность на постоянном токе немного снижается, а крутящий момент возрастает. Непригодны для импульсных блоков питания (ИБП) телевизоров, компьютеров, ноутбуков, микроволновок и т.п. мощностью более 40-50 Вт: в таких обязательно есть т. наз. пусковой узел, для нормальной работы которого сетевое напряжение должно периодически проходить через ноль. Непригодны и опасны для приборов с силовыми трансформаторами на железе и электромоторами переменного тока: стационарного электроинструмента, холодильников, кондиционеров, большей части Hi-Fi аудио, кухонных комбайнов, некоторых пылесосов, кофеварок, кофемолок и микроволновок (для последних – из-за наличия мотора вращения стола).
• Модифицированное синусоидальное (см. далее) – пригодны для любых потребителей, кроме Hi-Fi аудио с ИБП, прочих устройств с ИБП от 40-50 Вт (см. выше) и, часто локальных охранных систем, домашних метеостанций и т.п. с чувствительными аналоговыми датчиками.
• Чистое синусоидальное – пригодны без ограничений, кроме как по мощности, для любых потребителей электроэнергии.

Синус или псевдосинус?

С целью повышения экономичности преобразование напряжения осуществляется не только на повышенных частотах, но и разнополярными импульсами. Однако запитывать очень многие приборы-потребители последовательностью разнополярных прямоугольных импульсов (т. наз. меандром) нельзя: большие выбросы на фронтах меандра при хоть чуть-чуть реактивной нагрузке приведут к большим потерям энергии и могут вызвать неисправность потребителя. Однако проектировать преобразователь на синусодальный ток тоже нельзя – КПД не превысит прим. 0,6.

Преобразование постоянного напряжения в модифицированную и чистую синусоиду

Тихая, но существенная в данной отрасли революция произошла, когда специально для инверторов напряжения были разработаны микросхемы, формирующие т. наз. модифицированную синусоиду (слева на рис.), хотя правильнее было бы назвать ее псевдо-, мета-, квази- и т.п. синусоидой. Форма тока модифицированной синусоиды ступенчатая, а фронты импульсов затянуты (фронтов меандра на экране электронно-лучевого осциллографа часто вообще не видно). Благодаря этому потребители с трансформаторами на железе или заметной реактивностью (асинхронными электромоторами) «понимают» псевдосинусоиду «как настоящую» и работают как ни в чем не бывало; Hi-Fi аудио с сетевым трансформатором на железе запитывать модифицированной синусоидой можно. Кроме того, модифицированную синусоиду возможно достаточно простыми способами сгладить до «почти настоящей», отличия которой от чистой на осциллографе на глаз еле заметны; преобразователи типа «Чистый синус» стоят ненамного дороже обычных, справа на рис.

Однако приборы с капризными аналоговыми узлами и ИБП запускать от модифицированной синусоиды нежелательно. Последние – крайне нежелательно. Дело в том, что средняя площадка модифицированной синусоиды не чистый ноль напряжения. Узел запуска ИБП от модифицированной синусоиды срабатывает нечетко и весь ИБП может не выйти из режима запуска в рабочий. Пользователь это видит сначала как безобразные глюки, а потом из девайса идет дым, как в анекдоте. Поэтому приборы в ИБП нужно запитывать от инверторов типа Чистый Синус.

Делаем инвертор сами

Итак, пока ясно, что лучше всего делать инвертор на выход в 220 В 50 Гц, хотя и о выходе AC мы тоже еще вспомним. В первом случае для контроля частоты понадобится частотомер: нормы на колебания частоты сети электропитания – 48-53 Гц. Особенно чувствительны к ее отклонениям электромоторы переменного тока: при выходе частоты питающего напряжения до пределы допуска они греются и «уходят» от номинальных оборотов. Последнее очень опасно для холодильников и кондиционеров, могут неустранимо выйти из строя вследствие разгерметизации. Но покупать, арендовать или выпрашивать на время точный и многофункциональный электронный частотомер нет нужны – нам его точность ни к чему. Вполне подойдет или электромеханический резонансный частотомер (поз. 1 на рис.), или стрелочный любой системы, поз. 2:

Приборы для контроля частоты сети электропитания

Стоят тот и другой недорого, продаются в интернете, а в больших городах в электротехнических спецмагазинах. Старый резонансный частотомер можно найти на на железном базаре, а тот или другой после наладки инвертора очень даже подойдут для контроля частоты сети в доме – счетчик на подключение их к сети не реагирует.

50 Гц от компьютера

В большинстве случаев питание 220 В 50 Гц требуется потребителям не особо мощным, до 250-350 Вт. Тогда основой преобразователя 12/220 В 50 Гц может послужить ИБП от старого компьютера – если, конечно, такой валяется в хламе или кто-то продает по дешевке. Отдаваемая в нагрузку мощность будет прим. 0,7 от номинальной ИБП. Напр., если на его корпусе значится «250W», то приборы до 150-170 Вт можно подключать безбоязненно. Нужно больше – надо сначала проверить на нагрузке из ламп накаливания. Выдержал 2 часа – такую мощность способен отдавать и долговременно. Как сделать инвертор 12V DC/220V AC 50Hz из компьютерного блока питания, см. видео ниже.

Видео: простой преобразователь 12-220 из компьютерного БП

Ключи

Допустим, компьютерного ИБП нет или нужна мощность побольше. Тогда важное значение приобретает выбор ключевых элементов: они должны коммутировать большие токи с наименьшими потерями на переключение, быть надежными и доступными по цене. В этом отношении биполярные транзисторы и тиристоры в данной сфере применения уверенно уходят в прошлое.

Вторая революция в инверторном деле связана с появлением мощных полевых транзисторов («полевиков») т. наз. вертикальной структуры. Впрочем, они перевернули всю технику электропитания маломощных устройств: найти в «бытовухе» трансформатор на железе становится все труднее.

Лучшие из мощных полевиков для преобразователей напряжения – с изолированным затвором и индуцированным каналом (MOSFET), напр. IFR3205, слева на рис.:

Мощные транзисторы для преобразователей напряжения

Благодаря ничтожной мощности переключения КПД инвертора с выходом DC на таких транзисторах может достигать 0,95, а с выходом AC 50 Гц 0,85-0,87. Аналоги MOSFET со встроенным каналом, напр. IFRZ44, дают КПД пониже, но стоят гораздо дешевле. Пара тех или других позволяет довести мощность в нагрузке до прим. 600 Вт; те и другие без проблем запараллеливаются (справа на рис.), что позволяет строить инверторы на мощность до 3 кВт.

Примечание: мощность потерь переключения ключей со встроенным каналом при работе на существенно реактивную нагрузку (напр., асинхронный электродвигатель) может достигать 1,5 Вт на ключ. Ключи с индуцированным каналом от этого недостатка свободны.

TL494

Третий элемент, который позволил довести преобразователи напряжения до теперешнего состояния – специализированная микросхема TL494 и ее аналоги. Все они представляют собой контроллер широтно-импульсной модуляции (ШИМ), формирующий на выходах сигнал модифицированной синусоиды. Выходы разнополярные, что позволяет управлять парами ключей. Опорная частота преобразования задается одной RC цепью, параметры которой можно менять в широких пределах.

Когда хватит постоянки

Круг потребителей тока 220 В DC ограничен, но как раз у них потребность в автономном электропитании возникает не только в аварийных ситуациях. Напр., при работе электроинструментом на выезде либо в дальнем углу своего же участка. Или присутствует всегда, скажем, у дежурного освещения входа в дом, прихожей, коридора, придомовой территории от солнечной батареи, днем подзаряжающей АКБ. Третий типичный случай – зарядка телефона на ходу от прикуривателя. Здесь мощность на выходе нужна совсем маленькая, так что инвертор может быть выполнен всего на 1 транзисторе по схеме релаксационного генератора, см. след. ролик.

Видео: повышающий преобразователь на одном транзисторе

Уже для питания 2-3 светодиодных лампочек нужна мощность побольше. КПД блокинг-генераторов при попытке «выжать» ее резко падает, и приходится переходить на схемы с отдельными времязадающими элементами или полной внутренней индуктивной обратной связью, они наиболее экономичны и содержат наименьшее количество компонент. В первом случае для коммутации одного ключа используется ЭДС самоиндукции одной из обмоток трансформатора совместно с времязадающей цепью. Во втором частотозадающим элементом является сам повышающий трансформатор за счет его собственной постоянной времени; ее величина определяется преимущественно явлением самоиндукции. Поэтому те и другие инверторы иногда называют преобразователями на самоиндукции. Их КПД, как правило, не выше 0,6-0,65, но, во-первых, схема проста и наладки не требует. Во-вторых, напряжение на выходе скорее трапецеидальное, чем меандр; «требовательные» потребители «понимают» его как модифицированную синусоиду. Недостаток – полевые ключи в таких преобразователях практически неприменимы, т.к. часто выходят из строя от бросков напряжения на первичной обмотке при коммутации.

Пример схемы с внешними времязадающими элементами дан на поз. 1 рис.:

Схемы простых преобразователей напряжения 12-200 В

Ошибочно выбранный магнитопровод трансформатора маломощного преобразователя напряжения

Автору конструкции не удалось выжать из нее более 11 Вт, но судя по всему, он перепутал феррит с карбонильным железом. Во всяком случае, броневой (чашечный) магнитопровод на его же фото (см. рис. справа) никак не ферритовый. Больше он похож на старый карбонильный, окислившийся снаружи от времени, см. рис. справа. Трансформатор для этого инвертора лучше намотать на ферритовом кольце с площадью сечения по ферриту 0,7-1,2 кв. см. Первичная обмотка тогда должна содержать 7 витков провода диаметром по меди 0,6-0,8 мм, а вторичная 57-58 витков провода 0,3-0,32 мм. Это под выпрямление с удвоением, см. далее. Под «чистые» 220 В – 230-235 витков провода 0,2-0,25. В таком случае этот инвертор при замене КТ814 на КТ818 отдаст мощность до 25-30 Вт, чего достаточно для 3-4 светодиодных ламп. При замене КТ814 на КТ626 мощность в нагрузке будет ок. 15 Вт, но КПД повысится. В обоих случаях радиатор ключа – от 50 кв. см.

На поз. 2 дана схема «допотопного» преобразователя 12-220 с отдельными обмотками обратной связи. Не такая уж она архаичная. Во-первых, выходное напряжение под нагрузкой – трапеция с округленными переломами без выбросов. Это даже лучше, чем модифицированная синусоида. Во-вторых, этот преобразователь может быть без каких-либо переделок в схеме выполнен на мощность до 300-350 Вт и частоту 50 Гц, тогда выпрямитель не нужен, надо только поставить VT1 и VT2 на радиаторы от 250 кв. см. каждый. В-третьих, он бережет АКБ: при перегрузке частота преобразования падает, отдаваемая мощность уменьшается, а если нагрузить еще больше, генерация срывается. Т.е., чтобы избежать переразряда батареи, не требуется никакой автоматики.

Порядок расчета данного инвертора дан в скане на рис.:

Ключевые величины в нем – частота преобразования и рабочая индукция в магнитопроводе. Частоту преобразования выбирают исходя из материала наличного сердечника и требуемой мощности:

Такая «всеядность» феррита объясняется тем, что петля его гистерезиса прямоугольная и рабочая индукция равна индукции насыщения. Уменьшение по сравнению с типовыми расчетных значений индукции в стальных магнитопроводах вызвано резким ростом потерь на коммутацию несинусоидальных токов при ее возрастании. Поэтому с сердечника силового трансформатора старого телевизора-«гроба» на 270 Вт в этом преобразователе на 50 Гц удастся снять не более 100-120 Вт. Но – на безрыбье и рак рыба.

Примечание: если в наличии есть стальной магнитопровод заведомо завышенного сечения, не выжимайте из него мощность! Пусть лучше индукция будет меньше – КПД преобразователя возрастет, а форма выходного напряжения улучшится.

Выпрямление

Выпрямлять выходное напряжение этих инверторов лучше по схеме с параллельным удвоением напряжения (поз. 3 на рис. со схемами): компоненты для нее обойдутся дешевле, а потери мощности на несинусоидальном токе будут меньше, чем в мостовой. Конденсаторы нужно брать «силовые», рассчитанные на большую реактивную мощность (с обозначениями PE или W). Если поставить «звуковые» без этих букв, они могут просто взорваться.

50 гц? Это очень просто!

Простой инвертор на 50 Гц (поз. 4 рис. выше со схемами) интересная конструкция. У некоторых видов типовых трансформаторов питания собственная постоянная времени близка к 10 мс, т.е. половине периода 50 Гц. Подкорректировав ее времязадающими резисторами, которые будут одновременно и ограничителями тока управления ключей, можно получить на выходе сразу сглаженный меандр 50 Гц без сложных схем формирования. Подойдут трансформаторы ТП, ТПП, ТН на 50-120 Вт, но не всякие. Возможно, придется изменить номиналы резисторов и/или включить параллельно им конденсаторы на 1-22 нФ. Если частота преобразования все равно далеко от 50 Гц, разбирать и перематывать трансформатор бесполезно: склеенный ферромагнитным клеем магнитопровод распушится, и параметры трансформатора резко ухудшатся.

Этот инвертор – дачный преобразователь выходного дня. Аккумулятор машины он не посадит по тем же причинам, что и предыдущий. Но его хватит на освещение домика с верандой светодиодными лампами и телевизор или вибрационный насос в скважине. Частота преобразования налаженного инвертора при изменениях тока нагрузки от 0 до максимального не выходит за пределы технормы для сетей электропитания.

Разводят обмотки исходного трансформатора так. В типовых трансформаторах питания по четному числу вторичных обмоток на 12 или 6 В. Две из них «откладываются», а остальные распаиваются параллельно в группы из равного числа обмоток в каждой. Далее группы соединяются последовательно так, чтобы получились 2 полуобмотки на 12 В каждая, это будет низковольная (первичная) обмотка со средней точкой. Из оставшихся низковольных обмоток одна соединяется последовательно с сетевой на 220 В, это будет повышающая обмотка. Добавка к ней нужна, т.к. падение напряжения на ключах из биполярных составных транзисторах совместно с его потерями в трансформаторе может достигать 2,5-3 В, и выходное напряжение окажется заниженным. Дополнительная обмотка доведет его до нормы.

DC от микросхемы

КПД описанных преобразователей не превышает 0,8, а частота в зависимости от тока нагрузки заметно плавает. Предельная мощность нагрузки менее 400 Вт, так что пришла пора вспомнить о современных схемных решениях.

Схема простого преобразователя 12 В DC/ 220 В DC на 500-600 Вт дана на рис.:

Схема преобразователя 12-220 В DC 1000 Вт

Основное его назначение – питание ручного электроинструмента. К качеству подводимого напряжения такая нагрузка не требовательна, поэтому ключи взяты подешевле; подойдут также IFRZ46, 48. Трансформатор мотается на феррите сечением 2-2,5 кв. см; подойдет сердечник силового трансформатора от компьютерного ИБП. Первичная обмотка – 2х5 витков жгута из 5-6 обмоточных проводов диаметром по меди 0,7-0,8 мм (см. ниже); вторичная – 80 витков такого же провода. Налаживание не требуется, но контроля разряда батареи нет, так что в процессе работы нужно прицепить к ее клеммам мультиметр и не забывать на него поглядывать (то же касается и всех прочих самодельных инверторов напряжения). Если напряжение упало до 10,8 В (1,8 В на банку) – стоп, выключаемся! Упало до1,75 В на банку (10,5 В вся батарея) – это уже пошла сульфатация!

Как мотать трансформатор на кольце

На качественные характеристики инвертора, в частности, на его КПД, довольно сильно влияет поле рассеяния его трансформатора. Принципиальное решение для его уменьшения давно известно: первичную обмотку, «накачивающую» магнитопровод энергией, размещают вплотную к нему; вторичные над ней по убыванию их мощности. Но техника такое дело, что теоретические принципы в конкретных конструкциях иной раз приходится выворачивать наизнанку. Один из законов Мэрфи гласит прим. так: если железка ну вот все равно не хочет работать как надо, попробуй сделать в ней все наоборот. В полной мере это относится к трансформатору повышенной частоты на ферритовом кольцевом магнитопроводе с обмотками из относительно толстого жесткого провода. Мотают трансформатор преобразователя напряжения на ферритовом кольце так:

• Изолируют магнитопровод и с помощью намоточного челнока наматывают на него вторичную повышающую обмотку, укладывая витки как можно плотнее, поз. 1 на рис.:

Намотка трансформатора преобрзователя напряжения на ферритовом кольце

• Плотно обтягивают «вторичку» скотчем, поз 2.
• Готовят 2 одинаковых жгута проводов для первичной обмотки: наматывают количество витков половины низковольтной обмотки тонким негодным проводом, снимают его, замеряют длину, отрезают нужное количество отрезков обмоточного провода с запасом и собирают их в жгуты.
• Дополнительно изолируют вторичную обмотку до получения относительно ровной поверхности.
• Мотают «первичку» 2-мя жгутами сразу, располагая провода жгутов лентой и равномерно распределяя витки по сердечнику, поз. 3.
• Вызванивают концы жгутов и соединяют начало одного с концом другого, это будет средняя точка обмотки.

Примечание: на электрических принципиальных схемах начала обмоток, если это имеет значение, обозначаются точкой.

50 Гц сглаженные

Модифицированная синусоида от ШИМ-контроллера не единственный способ получить на выходе инвертора 50 Гц, пригодные для подключения любых бытовых потребителей электричества, да и ту не мешало бы еще «пригладить». Простейший из них – старый добрый трансформатор на железе, он хорошо «гладит» за счет своей электрической инерции. Правда, найти магнитопровод на более чем 500 Вт становится все труднее. Включается такой разделительный трансформатор на низковольный выход инвертора, а к его повышающей обмотке подключается нагрузка. По этой схеме, кстати, построено большинство компьютерных ИБП, так что они для такой цели вполне подходят. Если же мотать трансформатор самому, то рассчитывается он аналогично силовому, но со след. особенностями:

• Первоначально определенная величина рабочей индукции делится на 1,1 и применяется во всех дальнейших расчетах. Так нужно, чтобы учесть т. наз. коэффициент формы несинусоидального напряжения Кф; у синусоиды Кф=1.
• Повышающая обмотка рассчитывается сначала как сетевая на 220 В для заданной мощности (или определенной по параметрам магнитопровода и величине рабочей индукции). Затем найденное количество ее витков умножается на 1,08 для мощности до 150 Вт, на 1,05 для мощностей 150-400 Вт и на 1,02 для мощностей 400-1300 Вт.
• Половина низковольтной обмотки рассчитывается как вторичная на напряжение 14,5 В под ключи биполярные или со встроенным каналом и на 13,2 В для ключей с индуцированным каналом.

Примеры схемных решений преобразователей 12-200 В 50 Гц с разделительным трансформатором даны на рис.:

Схемы преобразователей напряжения 12-220 В 50 Гц на 500-1000 Вт

На той, что слева, ключами управляет задающий генератор на т. наз. «мягком» мультивибраторе, он уже генерирует меандр в заваленными фронтами и сглаженными переломами, так что дополнительных мер сглаживания не требуется. Нестабильность частоты мягкого мультивибратора выше, чем обычного, поэтому для ее подстройки нужен потенциометр P. С ключами на КТ827 можно снять мощность до 200 Вт (радиаторы – от 200 кв. см без обдува). Ключи на КП904 из старого хлама или IRFZ44 позволяют увеличить ее до 350 Вт; одинарные на IRF3205 до 600 Вт, а спаренные на них же до 1000 Вт.

Инвертор 12-220 В 50 Гц с задающим генератором на TL494 (справа на рис.) частоту держит железно во всех мыслимых немыслимых условиях эксплуатации. Для более эффективного сглаживания псевдосинусоиды используется явление т. наз. безразличного резонанса, при котором фазовые соотношения токов и напряжений в колебательном контуре становятся такими же, как при остром резонансе, но их амплитуды заметно не увеличиваются. Технически это решается просто: к повышающей обмотке подключают сглаживающий конденсатор, значение емкости которого подбирают по наилучшей форме тока (не напряжения!) под нагрузкой. Для контроля формы тока в цепь нагрузки на мощность 0,03-0,1 от номинальной включают резистор на 0,1-0,5 Ом, к которому и подключают осциллограф с закрытым входом. Сглаживающая емкость не уменьшает КПД инвертора, но пользоваться для настройки компьютерными программами симуляции НЧ осциллографа нельзя, т.к. вход звуковой карты, которая в них используется, не рассчитан на амплитуду в 220х1,4 = 310 В! Ключи и мощности такие же, как в пред. случае.

Более совершенная схема преобразователя 12-200 В 50 Гц дана на рис.:

Схема усовершенствованногопреобразователя 12-200 В 50 Гц

В ней используются сложные составные ключи. Для улучшения качества выходного напряжения в ней используется тот факт, что эмиттер планарно-эпитаксиальных биполярных транзисторов легирован много сильнее базы и коллектора. Когда TL494 подаст закрывающий потенциал, напр., на базу VT3, ток его коллектора прекратится, но за счет рассасывания объемного заряда эмиттера он замедлит запирание T1 и выбросы напряжения от ЭДС самоиндукции Tr поглотятся цепями L1 и R11C5; они же больше «наклонят» фронты. Выходная мощность инвертора определяется габаритной мощностью Tr, но не более 600 Вт, т.к. использовать в данной схеме парные мощные ключи нельзя – разброс величины заряда затвора MOSFET транзисторов довольно значительный и переключение ключей будет нечетким, отчего форма выходного напряжения может даже ухудшиться.

Дроссель L1 это 5-6 витков провода диаметром от 2,4 мм по меди, намотанных на отрезок ферритового стержня диаметром 8-10 м и длиной 30-40 мм с шагом 3,5-4 мм. Магнитопровод дросселя не должен быть замкнут! Налаживание схемы дело довольно кропотливое и требующее немалого опыта: нужно подобрать L1, R11 и C5 по наилучшей форме выходного тока под нагрузкой, как в пред. случае. Зато и Hi-Fi, запитанное от этого преобразователя, остается «хайфаем» на самый взыскательный слух.

А нельзя ли без трансформатора?

Уже обмоточный провод для мощного трансформатора на 50 Гц влетит в копеечку. Более-менее доступны магнитопроводы от «гробовых» трансформаторов до 270 Вт габаритных, но в инверторе из такого более 120-150 Вт не выжмешь, а КПД будет в лучшем случае 0,7, т.к. «гробовые» магнитопроводы навиты из толстой ленты, потери на вихревые токи в которой при несинусоилальном напряжении на обмотках большие. Найти магнитопровод ШЛ из тонкой ленты, способный отдать более 350 Вт при индукции 0,7 Тл вообще проблематично, обойдется он дорого, а весь преобразователь получится огромным и неподъемным. Трансформаторы ИБП не рассчитаны на частую работу в длительном режиме – они греются и магнитопроводы их в инверторах довольно скоро деградируют – магнитные свойства сильно ухудшаются, мощность преобразователя падает. Есть ли выход?

Да, и такое решение нередко применяется в фирменных преобразователях. Это – электрический мост из ключей на высоковольтных силовых полевых транзисторах с напряжением пробоя от 400 В и током стока более 5 А. Подойдут из первичных цепей компьютерных ИБП, а из старого хлама – КП904 и т.п.

Мост запитывается постоянкой 220 В DC от несложного инвертора 12-220 с выпрямлением. Плечи моста открываются парами наперекрест поочередно, и ток в нагрузке, включенной в диагональ моста, меняет направление; цепи управления всех ключей гальванически разделены. В промышленных конструкциях ключи управляются от спец. ИМС с развязкой оптопарами, но в любительских условиях то и другое можно заменить дополнительным маломощным инвертором 12 В DC – 12 В 50 Гц, работающим на маленький трансформатор на железе, см. рис. Магнитопровод для него можно взять от китайского базарного маломощного трансформатора питания. За счет его электрической инерции качество выходного напряжения получается даже лучше, чем модифицированная синусоида.

Схема получения 220 В 50 Гц от преобразователя напряжения без мощного трансформатора на железе

Содержание

1. Что такое smd
2. Самый простой
3. Простой из резистора
4. Регулятор для паяльника
5. Импульсные
6. Мини и микро на резисторах
7. Индукционные
8. В заключение
> Обсуждение

Собрать паяльник своими руками домашних (и не только) мастеров побуждают прежде всего экономические соображения. Простой паяльник на 220 В для обычных мелких спаечных работ лучше, конечно, купить. Однако и его возможно доработать, не разбирая, чтобы продлить жизнь жала. Но вот «топор» на 150-200 Вт, которым можно паять металлические водопроводные трубы, стоит уже не 4,25, а вдесятеро больше. И не советских рублей, а вечнозеленых условных единиц. Та же проблема возникает, если паять нужно вне доступности электросети от автомобильных 12 В или карманного литий-ионного аккумулятора. Как самостоятельно сделать паяльник на такие случаи, и не только на такие, рассматривается в сегодняшней публикации.

Что такое smd

Sub Micro Devises, сверхминиатюрные устройства. Наглядно можно увидеть smd, открыв мобильный телефон, смартфон, планшет или компьютер. По технологии smd малюсенькие (возможно, меньше среза спички) компоненты без проволочных выводов монтируются пайкой на контактные площадки, по терминологии smd называемые полигонами. Полигон может быть с тепловым барьером, предотвращающим растекание тепла по дорожкам печатной платы. Тут опасность не только и не столько в возможности отслоения дорожек – от нагрева может порваться пистон, соединяющий слои монтажа, что приведет устройство в полную негодность.

Паяльник для smd должен быть не только микромощным, до 10 Вт. Запас тепла в его жале не должен превышать того, который может выдержать паяемая деталь. Но долгая пайка слишком холодным паяльником еще более опасна: припой все не плавится, но деталюшка-то греется. А на режим пайки существенно влияет наружная температура, и тем больше, чем меньше мощность паяльника. Поэтому паяльники для smd выполняются либо с ограничением времени и/или величины теплоотдачи при пайке, либо в оперативной, на протяжении текущей технологической операции, регулировкой температуры жала. Причем держать ее нужно на 30-40 градусов выше температуры плавления припоя с точностью буквально до 5-10 градусов; это т. наз. допустимый температурный гистерезис жала. Этому очень мешает тепловая инерция самого паяльника, и основная задача при конструировании такового – добиться его возможно меньшей постоянной времени по теплу, см. далее.

Сделать паяльник в домашних условиях возможно для любой из указанных целей. В т.ч. и мощный для пайки стального либо медного водопровода, и достаточно точный мини для smd.

Примечание: вообще-то в паяльнике жало это рабочая (залуживаемая) часть его стержня. Но, поскольку стержни бывают и другие разные, будем для ясности считать весь стержень жалом. Если рабочая часть паяльника насаживается на стержень, она называется наконечником. Примем, что наконечник со стержнем это тоже жало.

Самый простой

Пока не будем вдаваться в сложности. Допустим, нам нужен обычный паяльник на 220В без затей. Идем выбирать и видим, разница в ценах достигает 10 и более раз. Разбираемся – почему. Первое: нагреватель, нихромовый или керамический. Последний (не «альтернативный»!) практически вечен, но, если паяльник уронить на твердый пол, может расколоться. Жало паяльников на керамике обязательно несменное – значит, надо покупать новый. А нихромовый нагреватель, если паяльник не забывать включенным на ночь, служит более 10 лет; при эпизодическом пользовании – свыше 20. И в крайнем случае его можно перемотать.

Разница в цене сократилась теперь до 3-4 раз, в чем еще дело? В жале. Никелированное из меди со специальными присадками мало растворяется припоем и очень медленно пригорает в обойме паяльника, но стоит дорого. Латунное или бронзовое хуже греется, и паять им smd нельзя – температурный гистерезис никак не удается вогнать в норму вследствие много худшей, чем у меди, теплопроводности материала. Красномедное жало и съедается припоем, и довольно быстро распухает от окиси меди, но зато дешевле.

Примечание: жало из электротехнической меди (отрезок обмоточного провода) для обычного паяльника непригодно – быстро растворяется и обгорает. Однако для smd такое жало самое то, его теплопроводность максимально возможная, а тепловая инерция и гистерезис минимальны. Правда, менять его придется часто, но жало-то со спичку или меньше.

С обгоранием и распуханием красномедного жала можно бороться просто аккуратностью: окончив работу и дав паяльнику остыть, жало вынимают, обколачивают от окисла, постукивая о край стола, а канал обоймы паяльника продувают. С растворением припоем хуже: часто подтачивать жало неудобно и оно быстро срабатывается.

Сделать жало для паяльника из обычной красной меди в разы более стойким к действию расплавленного припоя можно, не заточив его рабочий конец, а проковав до нужной формы. Холодная медь отлично куется обычным слесарным молотком на наковальне настольных тисков. У автора этой статьи в древнем советском ЭПЦН-25 кованое жало сидит уже более 20 лет, хотя в работе этот паяльник бывает если не каждый день, то уж точно каждую неделю.

Простой из резистора

Расчет

Самый простой паяльник можно сделать из проволочного резистора, это готовый нихромовый нагреватель. Рассчитать его также несложно: при рассеивании номинальной мощности в свободном пространстве проволочные резисторы греются до 210-250 градусов. С теплоотводом в виде жала «проволочник» держит долговременную перегрузку по мощности в 1,5-2 раза; температура жала при этом будет не ниже 300 градусов. Ее можно повысить до 400, дав перегрузку по мощности в 2,5-3 раза, но тогда после 1-1,5 час работы паяльнику нужно будет давать остыть.

Рассчитывают необходимое сопротивление резистора по формуле: R = (U^2)/(kP), где:

R – искомое сопротивление;

U – рабочее напряжение;

P – требуемая мощность;

k – указанный выше коэффициент перегрузки по мощности.

Напр., нужен паяльник на 220 В 100 Вт для пайки медных труб. Теплоотдача большая, поэтому берем k = 3. 220^2 = 48400. kP = 3*100 = 300. R = 48400/300 = 161,3… Ом. Берем резистор на 100 Вт 150 или 180 Ом, т.к. «проволочников» на 160 Ом не бывает, этот номинал из ряда на 5% допуск, а «проволочники» не точнее 10%.

Обратный случай: есть резистор на мощность p, какой мощности из него можно сделать паяльник? От какого напряжения его запитывать? Вспоминаем: P = U^2/R. Берем P = 2 p. U^2 = PR. Берем из этой величины квадратный корень, получаем рабочее напряжение. Напр., есть резистор 15 Вт 10 Ом. Мощность паяльника выходит до 30 Вт. Берем квадратный корень из 300 (30 Вт*10 Ом), получаем 17 В. От 12 В такой паяльник разовьет 14,4 Вт, можно паять мелочь легкоплавким припоем. От 24 В. От 24 В – 57,6 Вт. Перегрузка по мощности почти в 6 раз, но изредка и недолго спаять этим паяльником что-то большое возможно.

Изготовление

Изготовление паяльника из резистора

Как сделать паяльник из резистора, показано на рис. выше:

• Подбираем подходящий резистор (поз. 1, см. также далее).
• Готовим детали жала и крепеж к нему. Под кольцевую пружину надфилем выбирается канавка на стержне. Под болт (винт) и наконечник делаются резьбовые глухие отверстия, поз. 2.
• Собираем стержень с наконечником в жало, поз.3.
• Закрепляем жало в резисторе-нагревателе болтом (винтом) с широкой шайбой, поз. 4.
• Крепим нагреватель с жалом к подходящей рукоятке любым удобным способом, поз. 5-7. Одно условие: термостойкость рукоятки не ниже 140 градусов, до такой температуры могут нагреваться выводы резистора.

Тонкости и нюансы

Описанный выше паяльник из резисторов на 5-20 Вт делали многие (в т.ч. и автор во дни пионерской молодости) и, попробовав, убеждались – работать им всерьез нельзя. Греется невыносимо долго, и паяет только мелочь тычком – слой керамики мешает теплопередаче от нихромовой спирали в жало. Именно поэтому нагреватели фабричных паяльников мотаются на слюдяные оправки – теплопроводность слюды на порядки выше. К сожалению, свернуть слюду в трубочку дома невозможно, да и мотать нихром 0,02-0,2 мм дело тоже не для каждого.

Но вот с паяльниками от 100 Вт (резисторы от 35-50 Вт) дело другое. Тепловой барьер из керамики в них относительно тоньше, слева на рис., а запас тепла в массивном жале на порядок больше, т.к. его объем растет по кубу размеров. Качественно пропаять стык медных труб 1/2″ 200 Вт паяльником из резистора вполне возможно. Особенно, если жало не сборное, а цельное кованое.

Проволочные резисторы, пригодные и непригодные для изготовления паяльников

Примечание: проволочные резисторы выпускаются на мощность рассеяния до 160 Вт.

Только для паяльника надо искать резисторы старых типов ПЭ или ПЭВ (в центре на рис., в производстве до сих пор). Их изоляция остеклованная, выдерживает многократный нагрев до светло-красного без потери свойств, только темнеет, остывая. Керамика внутри чистая. А вот резисторы С5-35В (справа на рис.) крашеные, внутри тоже. Снять краску в канале полностью невозможно – керамика пористая. При нагреве краска обугливается и жало прикипает намертво.

Регулятор для паяльника

Регулятор напряжения, тока и мощности паяльника на микросхеме TC43200

Пример с низковольтным паяльником из резистора приведен выше не зря. Резистор ПЭ (ПЭВ) из хлама или с железного базара чаще всего оказывается неподходящего номинала под наличное напряжение. В таком случае нужно делать регулятор мощности для паяльника. В наши дни это гораздо проще даже людям, имеющим об электронике самое смутное представление. Идеальный вариант – купить у китайцев (ну, Али Экспресс, а то как же) готовый универсальный регулятор напряжения и тока TC43200, см. рис. справа; стоит он недорого. Допустимое входное напряжение 5-36 В; выходное – 3-27 В при токе до 5 А. Напряжение и ток выставляются отдельно. Поэтому можно не только выставить нужное напряжение, но и регулировать мощность паяльника. Есть, напр., инструмент на 12 В 60 Вт, а сейчас нужно 25 Вт. Выставляем ток в 2,1 А, на паяльник пойдет 25,2 Вт и ни милливаттом больше.

Примечание: для использования с паяльником штатные многооборотные регуляторы TC43200 лучше заменить обычными потенциометрами с градуированными шкалами.

Импульсные

Многие предпочитают импульсные паяльники: они лучше подходят для микросхем и др. мелкой электроники (кроме smd, но см. и далее). В ждущем режиме жало импульсного паяльника или холодное, или немного подогревается. Паяют, нажав на кнопку пуска. Жало при этом быстро, за доли-единицы с, греется до рабочей температуры. Контролировать пайку очень удобно: растекся припой, выдавил из капли флюс – отпустил кнопку, жало так же быстро остыло. Нужно только успеть его убрать, чтобы не припаялось туда же. Опасность сжечь компонент, имея некоторый опыт, минимальна.

Типы и схемы

Импульсный разогрев жала паяльника возможен несколькими способами в зависимости от рода работы и требований к эргономике рабочего места. В любительских условиях, или мелкому ИП-одиночке импульсный паяльник удобнее и доступнее будет сделать по одной из след. схем:

1. С токоведущим жалом под током промышленной частоты;
2. С изолированным жалом и форсированным его разогревом;
3. С токоведущим жалом под током высокой частоты.

Электрические принципиальные схемы импульсных паяльников указанных типов приведены на рис: поз. 1 – с токоведущим жалом промышленной частоты; поз. 2 – с форсированным подогревом изолированного жала; поз. 3 и 4 – с токоведущим жалом высокой частоты. Далее мы разберем их особенности, достоинства, недостатки и способы реализации в домашних условиях.

Электрические принципиальные схемы импульсных паяльников

50/60 Гц

Схема импульсного паяльника с жалом под током промышленной частоты наиболее проста, но это не единственное ее достоинство, и не главное. Потенциал на жале такого паяльника не превышает долей вольта, поэтому он безопасен для самых нежных микросхем. Пока не появились индукционные паяльники системы METCAL (см. далее), именно импульсниками промышленной частоты работала значительная часть монтажников на производстве электроники. Недостатки – громозкость, значительный вес и, как следствие, плохая эргономика: на смене длинее 4 час. работники уставали и начинали ошибаться. Но в любительском обиходе импульсных паяльников промышленной частоты до сих пор много: Зубр, Сигма (Sigma), Светозар и др.

Устройство импульсного паяльника на 50/60 Гц показано на поз. 1 и 2 рис. Видимо, ради экономии на издержках производства изготовители чаще всего применяют в них трансформаторы на сердечниках (магнитопроводах) типа П (поз 2), но это далеко не оптимальный вариант: чтобы паяльник паял как ЭПЦН-25, мощность трансформатора нужна 60-65 Вт. Вследствие большого поля рассеяния трансформатор на П-сердечнике в режиме КЗ сильно греется, а время разогрева жала доходит до 2-4 с.

Устройство импульсного паяльника промышленной частоты и его доработка под трансформатор на Ш-образном сердечнике

Если П-сердечник заменить на ШЛ от 40 Вт с вторичной обмоткой из медной шины (поз. 3 и 4), то паяльник выдерживает часовую работу с интенсивностью 7-8 паек в минуту без недопустимого перегрева. Для работы в режиме периодических кратковременных КЗ число витков первичной обмотки увеличивают на 10-15% против расчетного. Данное исполнение выгодно и тем, что жало (медная проволока диаметром 1,2-2 мм) можно крепить непосредственно к выводам вторичной обмотки (поз. 5). Поскольку ее напряжение доли вольта, это еще увеличивает экономичность паяльника и удлиняет время его работы до перегрева.

С форсированным подогревом

Схема паяльника с форсированным подогревом особых пояснений не требует. В дежурном режиме нагреватель работает на четверти номинальной мощности, а при нажатии на пуск в него выбрасывается накопленная в батарее конденсаторов энергия. Отключая/подключая к батарее емкости, можно довольно грубо, но в допустимых пределах дозировать количество выделяемого жалом тепла. Достоинство – полное отсутствие наведенного потенциала на жале, если оно заземлено. Недостаток – на имеющихся в широкой продаже конденсаторах схема реализуема лишь для резисторных мини-паяльников, см. далее. Применяется в основном для эпизодических работ на не насыщенных компонентами платах гибридной сборки, smd + обычный печатный монтаж в сквозные пистоны.

На высокой частоте

Импульсные паяльники на повышенной или высокой частоте (десятки или сотни кГц) весьма экономичны: тепловая мощность на жале почти равна паспортной электрической инвертора (см. ниже). Также они компактны и легки, а их инверторы пригодны для питания резисторных мини-паяльников постоянного нагрева с изолированным жалом, см. далее. Нагрев жала до рабочей температуры – за доли с. В качестве регулятора мощности без доработок применим любой тиристорный регулятор напряжения 220 В. Могут быть запитаны постоянным напряжением 220 В.

Примечание: на мощность свыше ок. 50 Вт ВЧ импульсный паяльник делать не стоит. Хотя, напр. компьютерные ИПБ бывают мощностью до 350 Вт и более, но жало на такую мощность сделать практически невозможно – или не прогреется до рабочей температуры, или само расплавится.

Серьезный недостаток – на рабочих частотах сказывается влияние собственной индуктивности жала и вторичной обмотки. Из-за этого на жале на время более 1 мс может возникать наведенный потенциал свыше 50 В, что опасно для компонент КМОП (КМДП, CMOS). Также существенный недостаток – оператор облучается потоком мощности электромагнитного поля (ЭМП). Работать импульсным ВЧ паяльником мощностью 25-50 Вт можно не более часа в день, а до 25 Вт – не более 4-х час, но не более 1,5 час кряду.

Самый простой способ схемной реализации инвертора импульсного ВЧ паяльника на 25-30 Вт для обычных спаечных работ – на основе сетевого адаптера галогеновой лампы на 12 вольт, см. поз. 3 рис. со схемами. Трансформатор можно намотать на сердечнике из 2-х сложенных вместе колец К24х12х6 из феррита с магнитной проницаемостью u не ниже 2000, или на Ш-образном магнитопроводе из такого же феррита сечением не менее 0,7 кв. см. Обмотка 1 – 250-260 витков эмалированного провода диаметром 0,35-0,5 мм, обмотки 2 и 3 – по 5-6 витков такого же провода. Обмотка 4 – 2 витка в параллель провода диаметром от 2 мм (на кольце) или оплетки от телевизионного коаксиального кабеля (поз. 3а), также запараллеленных.

Примечание: если паяльник более чем на 15 Вт, то транзисторы MJE13003 лучше заменить на MJE130nn, где nn>03, и поставить из на радиаторы площадью от 20 кв. см.

Вариант инвертора для паяльника до 16 Вт может быть выполнен на базе импульсного пускового устройства (ИПУ) для ЛДС или начинки перегоревшей лампочки-экономки соотв. мощности (не бейте колбу, там пары ртути!) Доработку иллюстрирует поз. 4 на рис. со схемами. То, что выделено зеленым, может быть различно в ИПУ разных моделей, но нам оно все равно. Нам нужно удалить пусковые элементы лампы (выделено красным на поз. 4а) и замкнуть накоротко точки А-А. Получим схему поз. 4б. В ней параллельно фазосдвигающему дросселю L5 подключается трансформатор на одном таком же кольце, как в пред. случае или на Ш-образном феррите от 0,5 кв. см (поз. 4в). Первичная обмотка – 120 витков провода диаметром 0,4-0,7; вторичная – 2 витка провода D>2 мм. Жало (поз. 4г) из такого же провода. Готовое устройство компактно (поз. 4д) и может быть помещено в удобный корпус.

Мини и микро на резисторах

Паяльник с нагревательным элементом на основе металлопленочного резистора МЛТ конструктивно аналогичен паяльнику из проволочного резистора, но выполняется на мощность до 10-12 Вт. Резистор работает с перегрузкой по мощности в 6-12 раз, т.к., во-первых, теплоотвод через относительно толстое (но абсолютно более тонкое) жало больше. Во-вторых, резисторы МЛТ физически в разы меньше ПЭ и ПЭВ. Отношение их поверхности к объему соотв. увеличивается и теплоотдача в окружающую среду относительно растет. Поэтому паяльники на резисторах МЛТ делаются только в вариантах мини и микро: при попытке увеличить мощность маленький резистор сгорает. Хотя МЛТ для спецприменения выпускаются на мощность до 10 Вт, своими силами реально сделать только паяльник на МЛТ-2 для мелких дискретных компонент (россыпи) и небольших микросхем, см. напр. видео ниже:

Видео: микро-паяльник на резисторах

Примечание: цепочка резисторов МЛТ может быть также использована в качестве нагревателя автономного аккумуляторного паяльника для обычных спаечных работ, см. след. ролик:

Видео: аккумуляторный мини-паяльник

Гораздо интереснее сделать мини паяльник из резистора МЛТ-0,5 для smd. Керамическая трубочка – корпус МЛТ-0,5 – очень тонкая и почти не препятствует теплопередаче на жало, но не пропустит тепловой импульс в момент касания полигона, отчего частенько сгорают компоненты smd. Подобрав жало (что требует довольно значительного опыта), smd таким паяльником можно не спеша паять, непрерывно контролируя в микроскоп процесс.

Процесс изготовления такого паяльника показан на рис. Мощность – 6 Вт. Нагрев либо непрерывный от инвертора из описанных выше, либо (лучше) с форсироваанным подогревом постоянным током от ИП на 12 В.

Как сделать мини-паяльник для микросхем из резистора МЛТ-0,5

Примечание: как сделать усовершенствованный вариант такого паяльника с более широким диапазоном применения, подробно описано здесь – oldoctober.com/ru/soldering_iron/

Индукционные

Индукционный паяльник на сегодняшний день вершина технических достижений в области пайки металлов эвтектическими припоями. В сущности, паяльник с индукционным нагревом это миниатюрная индукционная печь: ВЧ ЭМП катушки-индуктора поглощается металлом жала, которое при этом греется вихревыми токами Фуко. Изготовить своими руками индукционный паяльник не так уж сложно, если есть в распоряжении источник токов ВЧ, напр. компьютерный импульсный блок питания, см. напр. сюжет

Видео: индукционный паяльник

Однако качественно-экономические показатели индукционных паяльников для обычных спаечных работ невысоки, чего не скажешь об их вредном влиянии на здоровье. Фактически единственное их преимущество – прикипевшее к обойме в корпусе жало можно выдирать, на опасаясь порвать нагреватель.

Гораздо больший интерес представляют индукционные мини-паяльники системы METCAL. Их внедрение на производстве электроники позволило уменьшить процент брака из-за ошибок монтажников в 10000 раз (!) и удлинить рабочую смену до нормальной, причем работники расходились после нее бодрыми и дееспособными во всех прочих отношениях.

Устройство паяльника типа METCAL показано слева вверху на рис. Изюминка – в ферроникелевом покрытии жала. Паяльник питается ВЧ точно выдержанной частоты 470 кГц. Толщина покрытия выбрана такой, что на данной частоте вследствие поверхностного эффекта (скин-эффекта) токи Фуко сосредотачивались только в покрытии, которое сильно греется и передает тепло в жало. Самое жало оказывается заэкранированным от ЭМП и наведенные потенциалы на нем не возникают.

Устройство индукционных паяльников для микросхем

Когда покрытие прогреется до точки Кюри, выше которой по температуре ферромагнитные свойства покрытия исчезают, оно поглощает энергию ЭМП гораздо слабее, но ВЧ в медь все равно не пускает, т.к. электрическую проводимость сохраняет. Остыв ниже точки Кюри само по себе или вследствие оттока тепла на пайку, покрытие вновь начинает интенсивно поглощать ЭМП и подогревает жало. Таким образом, жало держит температуру, равную точке Кюри покрытия с точностью буквально до градуса. Тепловой гистерезис жала при этом ничтожен, т.к. определяется тепловой инерцией тонкого покрытия.

Во избежание вредного влияния на людей паяльники выпускаются с несменными жалами, наглухо закрепленными в картридже коаксиальной конструкции, по которому и подводится к катушке ВЧ. Картридж вставляется в ручку паяльника – держатель с коаксиальным разъемом. Картриджи выпускаются типов 500, 600 и 700, что соответствует точке Кюри покрытия в градусах Фаренгейта (260, 315 и 370 градусов Цельсия). Основной рабочий картридж – 600; 500-м паяют особо мелкие smd, а 700-м крупные smd и россыпь.

Примечание: чтобы перевести градусы Фаренгейта в Цельсия, нужно от фаренгейтов отнять 32, умножить остаток на 5 и поделить на 9. Если надо наоборот, к цельсиям добавляем 32, результат множим на 9 и делим на 5.

Все замечательно в паяльниках METCAL, кроме цены картриджа: за «(название фирмы) новый, хороший» – от $40. «Альтернативные» в полтора раза дешевле, но вырабатываются вдвое быстрее. Сделать самому жало METCAL нереально: покрытие наносится напылением в вакууме; гальваническое при температуре Кюри мгновенно отслаивается. Посаженная на медь тонкостенная трубка не обеспечит абсолютного теплового контакта, без чего METCAL превращается просто в плохой паяльник. Тем не менее, сделать самому почти полный аналог паяльника METCAL, причем со сменным жалом, хоть и трудно, но возможно.

Индукционный для smd

Устройство самодельного индукционного паяльника для микросхем и smd, по рабочим качествам аналогичного METCAL, показано справа на рис. Когда-то похожие паяльники применялись на спецпроизводстве, но METCAL их полностью вытеснили благодаря лучшей технологичности и большей рентабельности. Однако для себя такой паяльник сделать можно.

Его секрет – в соотношении плеч наружной части жала и выступающего из катушки внутрь хвостовика. Если оно такое, как показано на рис. (приблизительно), а хвостовик покрыт теплоизоляцией, то тепловой фокус жала не выйдет за пределы обмотки. Хвостовик будет, конечно, горячее кончика жала, но их температуры будут меняться синхронно (теоретически термогистерезис нулевой). Раз настроив автоматику с помощью дополнительной термопары, измеряющей температуру кончика жала, дальше можно паять спокойно.

Роль точки Кюри играет таймер. Сигналом от терморегулятора на подогрев он обнуляется, напр., открыванием ключа, шунтирующего накопительную емкость. Запускается таймер сигналом, свидетельствующим о фактическом начале работы инвертора: напряжение с дополнительной обмотки трансформатора из 1-2 витков выпрямляется и разблокирует таймер. Если паяльником долго не паяют, таймер спустя 7 с выключит инвертор, пока жало не остынет и терморегулятор не выдаст новый сигнал на подогрев. Суть здесь в том, что термогистерезис жала пропорционален отношению времен выключенного и включенного нагрева жала O/I, а средняя мощность на жале обратному I/O. До градуса такая система температуру жала не держит, но +/–25 Цельсия при рабочей жала 330 обеспечивает.

В заключение

Так какой же паяльник делать? Мощный из проволочного резистора однозначно стоит: расходов на него всего ничего, есть не просит, а выручить может основательно.

Стоит также сделать, чтобы был на хозяйстве, простой паяльник для smd из резистора МЛТ. Кремниевая электроника выдохлась, она в тупике. Квантовая уже на подходе, и вдали явственно замаячила графеновая. Напрямую с нами та и другая не сопрягаются, как компьютер через экран, мышку и клавиатуру или смартик/планшетка через экран и сенсоры. Поэтому кремниевое обрамление в устройствах будущего останется, но исключительно smd, а теперешняя россыпь покажется чем-то вроде радиоламп. И не думайте, что это фантастика: всего 30-40 лет тому назад ни один фантаст до смартфона не додумался. Хотя первые образцы мобильников тогда уже были. А утюг или пылесос «с мозгами» тогдашним мечтателям и в дурном сне в голову не пришли бы.

Ну, а для мастера-умельца вывод из этого прост: нужно учиться паять и smd. А что касается импульсного паяльника, то это уж кому как понравится.

Содержание

1. Состав и термины
2. Зачем нужна зарядка
3. Как работает АКБ
4. Требования к зарядке
5. Как не нужно!
6. Защита
7. ПИ или ИБП?
8. ИП
9. О тиристорном выпрямлении
10. На современной базе
> Обсуждение

Помните старую комедию «Берегись автомобиля»? «С плохим аккумулятором – разве это жизнь?» Чтобы аккумулятор вел себя всегда хорошо, держать его все время подключенным к бортовой сети нельзя, нужен периодический подзаряд от автономного зарядного устройства, особенно в зимнее время; почему – см. далее. Сделать зарядное устройство для автомобильного аккумулятора своими руками возможно, владея начальными приемами электромонтажных работ. Обойдется самодельная автозарядка из купленных вразброс комплектующих дешевле фирменной; случай для современной электроники, надо сказать, нетипичный. Это во-первых. Во-вторых, изготовление автозарядки своими руками – хорошая переходная ступень от элементарных электроцепей типа выключатель – лампочка к серьезной электронике. В отличие от «пионерских» поделок на столе оно сразу даст навыки работы с достаточно большими токами и механического оформления конструкции. В настоящем материале рассказывается, как правильно сделать зарядное устройство для автоаккумулятора.

Состав и термины

Автозарядка состоит из первичного источника электропитания для собственно зарядного устройства, которое обеспечивает заданный режим заряда аккумуляторной батареи, и схем защиты ее от разного рода нештатных ситуаций. Схемотехнически эти узлы могут быть в той или иной степени объединены. Далее для краткости употребляются след. сокращения:

• АКБ – аккумуляторная батарея.
• ПИ – первичный источник питания.
• ИП – любой другой источник питания.
• УЗ – устройство защиты.
• ТЗ – защита по току.
• ЗН – защита от перенапряжения.

Зачем нужна зарядка

Свинцово-кислотные аккумуляторы отличаются «дубовостью», эксплуатационной выносливостью, отчего и держатся нерушимо в автотранспорте. Причина – простота электрохимических процессов в свинцово-кислотной АКБ. Для контроля за ее текущим состоянием в большинстве случаев достаточно знать величину напряжения всей батареи без разбивки по банкам. Но перезаряд свинцово-кислотной АКБ может вызвать вскипание электролита в ней. На ходу автомобиля это очень опасно, поэтому в бортсети АКБ хронически недозаряжается. Постоянный недозаряд приводит к преждевременной сульфатации пластин и снижению ресурса АКБ. Ситуация усугубляется в холодное время года, даже если гараж или место стоянки отапливается, т.к. до комнатной температуры их не греют. Если же в перерывах между поездками дозаряжать АКБ по максимуму, сколько она способна принять энергии при данной наружной температуре, то «акумыч» проживет хорошо и долго даже в суровых условиях. Дозаряд АКБ как раз и обеспечивает зарядное устройство для аккумулятора, но это еще не все. Правильно построенное зарядное устройство дает также десульфатирующий эффект. Если зимой ежесуточно на ночь снимать АКБ и ставить на дозаряд, она выдерживает количество циклов заряд-разряд в 1,5-2 раза против прописанного в ТУ в расчете на типовой режим эксплуатации. Также зарядка с десульфатацией иногда способна спасти АКБ, «убитую», напр., при попытках завести машину на холоде. И, наконец, емкость неиспользуемой АКБ за месяц падает на 15-30% вследствие саморазряда. Если же на это время поставить АКБ на содержание под током от зарядки (см. далее), то аккумулятор будет всегда свежим. И, между прочим, постановка неиспользуемой АКБ на содержание также уменьшает сульфатацию пластин.

Как работает АКБ

Свинцовые АКБ заряжают током, равным току их 10-часового разряда: 6 А для АКБ на 60 А/ч, 9 А для 90 А/ч, 12 А для 120 А/ч. Больший ток вызовет перегрев и, возможно, вскипание электролита, отчего ресурс батареи резко снижается вплоть до полной негодности. Меньший зарядный ток ресурс АКБ практически не увеличивает, но удлиняет время заряда.

Зарядный ток в АКБ течет обратно рабочему. Важнейшее условие при этом – напряжение на АКБ не должно превысить 2,7 В на банку (8,1 В для 6 В АКБ, 16,2 В для 12 В АКБ, 27 В для 24 В АКБ), иначе начнется химическое разложение электролита, пластин, и АКБ закипит даже при небольшом зарядном токе. Чтобы полностью исключить закипание, допустимое напряжение заряда ограничивают 2,6 В на банку (7,8 В, 15,6 В, 26 В соотв.); при этом недозаряд по энергии составит менее 5% и усиления сульфатации не будет.

Если отключить полностью заряженную АКБ от ЗУ, дать ей остыть и померить напряжение без нагрузки, увидим 2,4 В на банку (6,8 В, 14,4 В, 24 В). В работе при разряде напряжение АКБ плавно падает до 1,8 В на банку (5,4 В, 10,8 В, 21,6 В), после чего батарея считается полностью разряженной. На самом деле в ней остается ок. 25% «закачанной» при заряде энергии, и способы «высосать» ее в экстренной ситуации до последнего эрга есть, но АКБ после этого придется сдать на утилизацию. Выбрасывать нельзя, там свинец.

Температурная зависимость напряжения полностью заряженной АКБ существенна. Если дать заряд на АКБ, еще не остывшую от экстратока разряда (стартер в момент пуска берет до 600 А, а крутящий до 75 А), то напряжение на ней может резко прыгнуть, т.к. отклик свинцового аккумулятора током потребления на скачок приложенного напряжения сильно, по меркам электроники, затянут, до десятков мс. Получим саморазогрев и вскипание электролита на борту. Поэтому в бортсети машины напряжение на АКБ ограничивают 2,35 В на банку (7,05 В, 14,1 В, 23,5 В), что и вызывает хронический недозаряд.

При заряде от внешнего ЗУ напряжение на АКБ ограничивают величиной 2,4 В на банку (6,8 В, 14,4 В, 24 В), т.к. «наливать энергии по горлышко», до 2,6 В на банку, рискованно – АКБ при заряде греется и может уйти в саморазогрев. Полностью АКБ дозаряжают и предохраняют от саморазряда т. наз. током содержания, равным 0,5-1 тока 100-часового разряда (0,3-0,6 А, 0,45-0,9 А и 0,6-1,2 А для АКБ на 60 А/ч, 90 А/ч и 120 А/ч соотв.); напряжение на батарее при этом не должно превысить 2,6 В на банку. Практически для этого в ЗУ ставят защиту от перенапряжения на 15,6 В для 12 В АКБ, 7,8 В и 26 В для 6 В и 24 В АКБ. Если она сработала, АКБ приняла энергии, сколько может, и дальше ее заряжать нельзя.

Требования к зарядке

Исходя из условий эксплуатации индивидуального автотранспорта и указанных условий режима заряда АКБ, требования к ЗУ для автоаккумулятора вырисовываются такие:

• Самодельное ЗУ для автоаккумулятора должно быть автономным, не требующим присмотра и контроля тока/напряжения заряда, т.к. АКБ будет ставиться на заряд преимущественно на ночь;
• ПИ ЗУ должен обеспечивать стабильное напряжение 14,4 В, допустимо, в случае, когда на УЗ есть падение напряжения, 15,6 В;
• УЗ должно обеспечивать необратимое отключение АКБ от ЗУ как при превышении тока заряда, так и при повышении напряжения на АКБ свыше 15,6 В. Необратимое значит, что УЗ должно быть самоблокирующимся, т.е. для сброса его в исходное состояние нужно будет выключить и снова включить ИП;
• Также УЗ должно обеспечивать защиту от переполюсовки, т.е. неправильного, в обратной полярности, подключения АКБ. При соблюдении условий по п. 3 защита от переполюсовки обеспечивается автоматически.

О переполюсовке

В случае переполюсовки АКБ возможны 2 случая: АКБ исправна недозаряжена либо глубоко разряжена и/или «доходная», истощенная, в значительной степени выработавшая ресурс, или же на заряд неправильно подключают полностью заряженную батарею. В первом случае (исправна недозаряжена) ток заряда увеличивается сверх номинального. Во втором перед этим на короткое время «прыгнет» напряжение АКБ сверх заданного ИП, а потом сразу «шарахнет» экстраток и АКБ вскипит. В последней ситуации, чтобы спасти АКБ от непоправимой порчи, ее нужно успеть отключить по перенапряжению.

Как не нужно!

Поговорим вначале и типичных ошибках конструирования самодельных ЗУ для свинцовых АКБ. Первую иллюстрируют поз. вверху. Подключение непосредственно к бытовой электросети (слева) обсуждения не стоит. Это не ошибка, это грубейшее и опасное нарушение ПТБ. Ошибка – в ограничении тока заряда емкостным балластом. Дорогой, кстати, это способ по сегодняшним меркам: одна только батарея масляно-бумажных конденсаторов на 32 мкФ 350 В (на меньшее напряжение нельзя) стоит больше, чем хорошая фирменная зарядка.

Неправильно и нерационально построенные схемы зарядных устройств для автомобильных аккумуляторов

Но главное – в сети появляется реактивная нагрузка. Если в вашем электросчетчике есть индикатор реактивности (светодиод «Возврат»), то при включении этих зарядок в сеть он вспыхнет. Управление современным электрохозяйством невозможно без компьютеров, а «обратка» сбивает электронику с толку даже до отключений по ложной аварии. Поэтому теперешние электрики к реактивке беспощадны. Ну, а вдруг обнаружится, что ее источник неграмотный или излишне хитроумный потребитель, то… не будем на ночь глядя.

Схема внизу, если на считать того же емкостного балласта, разработана квалифицированно, это ЗУ защитит АКБ, образно говоря, и от Тунгусского метеорита; (с подробным ее описанием можно познакомиться здесь: http://ydoma.info/avtomobil-zaryadnoe-ustrojstvo-dlya-avtomobilnogo-akkumulyatora.html). Но, при всем уважении к безусловно знающему свое дело автору, строить так сложно (и дорого) ЗУ для свинцовых АКБ все равно что назначать командовать взводом опытных закаленных солдат нянечку из детсадика. Свинцовому аккумулятору для хорошей жизни нужно немногое. Чем мы далее и займемся.

Защита

УЗ для АКБ что броня для танка, так что с него и начнем. УЗ для самодельного ЗУ АКБ желательно делать, разумеется, попроще. Далее, УЗ также желательно строить автономным, чтобы через него можно было подключать АКБ к любому ЗУ, схема которого вам приглянется, или которое у вас уже есть. И последнее, УЗ должно срабатывать как можно четче и быстрее, для возможности использования его в схемах заряда современных аккумуляторов с герметичными банками.

Малоэффективные схемы защиты автоаккумуляторов

Простейшая защита от переполюсовки диодами Шоттки (слева на рис.) не спасет от экстратока перезаряда или при неправильном подключении исправной недозаряженной АКБ. Разве что путем сгорания недешевой диодной сборки. Если аккумулятор «новый, хороший», то, пока руки не дойдут до «нового, хорошего» ЗУ, может выручить интегрированная защита по схеме справа; ее можно встроить в уже имеющийся самодельный лабораторный ИП.

В данной схеме используются медленный отклик АКБ на скачок напряжения и гистерезис реле: их ток (и напряжение) отпускания в 2,5-4 раза меньше тока/напряжения срабатывания. Любое ЗУ АКБ включают только с подключенной АКБ. Реле – переменного тока на напряжение срабатывания 24 В и ток через контакты от 6 (9, 12) А. При включении ЗУ реле срабатывает, контакты его замыкаются, пошел заряд. Напряжение на выходе трансформатора падает ниже 24 В, но на выходе ЗУ остается 14,4 В, выставленных заранее под нагрузкой R3 в схеме стабилизации напряжения. Реле пока держит, но, вдруг пошел экстраток, первичное напряжение просядет больше, реле отпустит и цепь заряда разорвется.

Недостатки у этого ЗУ серьезные. Во-первых, нет защиты от скачка напряжения по выходу от переполюсовки истощенной АКБ. Во-вторых, нет самоблокировки: от экстратока реле будет хлопать и хлопать, пока контакты не обгорят. В-третьих, нечеткое срабатывание: любое реле по недонапряжению на обмотке отпускает с дребезгом контактов. Поэтому пытаться ввести в эту схему регулировку тока срабатывания бессмысленно. И, наконец, реле и трансформатор Т1 должны быть подобраны друг к другу, т.е. повторяемость данного устройства близка к нулевой.

Схема УЗ, полностью соответствующая указанным выше требованиям, дана на рис.:

Простая схема защиты аккумулятора автомобиля от перезаряда, перенапряжения и переполюсовки

Ток заряда течет через нормально замкнутые контакты реле K1, что намного уменьшает вероятность их обгорания. Обмотка K1 подключена по логической схеме диодного «или» к модулю защиты от экстратока (R1, VT1, VD1), модулю защиты от перенапряжения (R2, R3, R4, VT2, VD2) и цепи самоблокировки K1.2, VD3; порог срабатывания K1 по перенапряжению устанавливается R3. Недостаток у этого УЗ всего один, его нужно налаживать с использованием балластной нагрузки и мультиметра:

• Выпаивают (или пока не запаивают) K1, VD2 и VD3.
• Вместо обмотки K1 включают мультиметр, установленный на измерение напряжения 20 В.
• Вместо АКБ подключают резистор не менее чем на 25 Вт сопротивлением 2,4 Ом для тока заряда 6 А, 1,6 Ом на ток заряда 9 А и 1,2 Ом на ток 12 А; его можно накрутить из той же проволоки, что и R1.
• Подают на вход напряжение 15,6 В от ЗУ. Мультиметр покажет напряжение (токовая защита сработала), т.к. сопротивление R1 выбрано с небольшим избытком.
• Уменьшают немного напряжение ЗУ, пока мультиметр не покажет 0. Записывают полученное значение выходного напряжения ЗУ. Альтернатива – неизменное напряжение ЗУ и трудоемкая подгонка R1.
• VT1 выпаивают, K1 и VD2 запаивают на место, движок R3 ставят в крайнее нижнее по схеме положение.
• Напряжение ЗУ увеличивают, пока на нагрузке не окажется 15,6 В.
• Плавно вращают движок R3 до срабатывания K1.
• Уменьшают напряжение ЗУ до записанного ранее значения.
• Впаивают на место VT1 и VD3 – схема готова к финальным испытаниям.
• Через амперметр подключают исправную недозаряженную АКБ; к ней – мультиметр, установленный на напряжение.
• Пробный заряд проводят с непрерывным контролем. Когда мультиметр покажет 14,4 В на АКБ, засекают ток содержания. Скорее всего он будет в норме для данной АКБ (см. выше); желательно, чтобы ближе к нижнему пределу.
• Если ток содержания великоват, еще немного уменьшают напряжение ЗУ.

Примечание: чтобы не резать много раз нихром для R1 – его удельное сопротивление 1 Ом*м/кв. мм. Т.е., 1 м нихромовой проволоки сечением 1 кв. мм имеет сопротивление 1 Ом.

ПИ или ИБП?

В наши дни компьютерный импульсный блок питания (ИБП) может оказаться доступнее трансформатора на железе; вдруг он просто в хламе валяется. ИБП часто переделывают в лабораторные БП, но, вообще говоря, это плохой вариант. Выходное напряжение по каналу +12 В удается задрать максимум до 16-17 В, чего для конструкторско-исследовательских целей маловато. А уровень импульсных помех на выходе тогда, мягко говоря, великоват. Как налаживать УМЗЧ с собственными шумами в –66 дБ (что еще очень скромненько), если по питанию «шерсти прет» на –44 дБ или хуже того? Но вот зарядка для аккумулятора автомобиля на 60 А/ч из ИБП получается отличная, и отдельную защиту городить не надо, все уже есть. Переделывают ИБП в авто ЗУ в целом след. образом:

1. Удаляют выходные провода кроме желтых (+12 В), черных (общий, масса, GND) и зеленого провода логического включения PC ON;
2. Провод PC ON закорачивают на массу (соединяют с любым из черных);
3. Ставят механический выключатель сети, если нет штатного сзади;
4. По схеме или руководствуясь собственным опытом, ищут в обвязке стабилизатора +12 В резистор в цепи обратной связи Rcs;
5. Заменяют его потенциометром на 10 кОм Rн;
6. Вращая движок Rн, устанавливают в канале +12 В напряжение +14,4 В;
7. Замеряют полученное значение Rн и вместо Rcs впаивают постоянный резистор ближайшего номинала из стандартного ряда, допуск на разброс до 2%;
8. По возможности встраивают в ИБП универсальный указатель напряжения и тока (см. далее) для контроля заряда, питание его – от цепи заряда или +5 В (красный провод);
9. Сводят желтые и черные провода в отдельные жгуты, надежно присоединяют к ним токовые шланги с зажимами для подключения к АКБ – зарядка готова!

Примечание: подробно два варианта переделки ИБП в ЗУ АКБ можете посмотреть на видео ниже.

Видео: примеры переделки компьютерных БП в ЗУ для АКБ

ИП

Если лишнего ИБП под рукой нет, то для ИП ЗУ нужно искать трансформатор на железе, его собственная постоянная времени (электрическая инерция) больше таковой АКБ, что очень хорошо по безопасности пользования. «Лепить» самодельный ИБП ни в коем случае не надо, его постоянная времени по выходу на 2 порядка меньше, чем у АКБ. Самодельный ИБП для ЗУ без сложных встроенных схем защиты способен стать причиной разного рода нештатных ситуаций. Помните – кипение электролита это туман и брызги крепкой ядовитой кислоты! А если АКБ с герметичными банками, то возможен и ее взрыв!

ИП ЗУ состоит из понижающего трансформатора и выпрямителя. Сглаживающий фильтр для зарядки АКБ не нужен. Трансформатор ИП ЗУ рекомендуют искать силовой с накальными обмотками от старых ламповых телевизоров – ТС-130, ТС-180, ТС-220, ТС-270. По мощности они годятся с избытком, но, во-первых, от влаги никак не защищены, в гараже могут и не перезимовать. Во-вторых, специалисты по вторичным металлам прекрасно знают, сколько выручки дает ТС, и найти их становится все труднее.

Понижающие трансформаторы типов ТП и ТПП

Если нет желания и/или возможности рассчитать и намотать трансформатор самому, для ИП ЗУ лучше будет купить трансформатор ТП или ТПП, они дешевле, чем ИБП б/у. Мощность – от 50 Вт, ее указывают последние 2 цифры в обозначении типономинала, напр. ТПП 36-220-80. 3 цифры в середине – рабочее напряжение первичной обмотки, а первые 2 или 3 кодируют количество и напряжение вторичных обмоток, оно 6,3 или 12,6 В на обмотку. Предпочтение следует отдавать трансформаторам в паровлагозащищенном исполнении («зеленым», слева на рис.), они способны неограниченно долгое время работать в атмосфере с влажностью 100% и примесями химически агрессивных паров. Трансформатор с обмотками на каркасе из плавкого пластика (справа) – вариант на самый крайний случай. Такие не рассчитаны на эксплуатацию в условиях ЗУ: работу свыше 50% времени использования на полной мощности с систематическими перегрузками по току. Вдруг берете такой, его мощность нужна от 120 Вт.

Примечание: ТП и ТПП лучше брать на одно первичное напряжение 220 В, такие при прочих равных условиях на 10-15% дешевле.

Типовые схемы соединения обмоток ТП и ТПП на 12,6 В под выпрямление мостом или двухполупериодное со средней точкой даны на рис. слева и справа:

Схемы соединения обмоток типовых трансформаторов питания

У конкретного экземпляра они могут отличаться, т.к. производители вправе произвольно менять разводку выводов по ТУ заказчика. Остатки идут в продажу, а выпуск особо популярного типономинала может быть продолжен для рынка. Поэтому, приобретая ТП или ТПП, сверяйтесь со спецификацией к нему; если ее нет, придется вызванивать обмотки. Общие правила разводки выводов и соединения обмоток ТП/ТПП такие:

1. Сетевые (первичные) обмотки выводятся на первые номера.
2. Межобмоточные экраны выводятся на последние номера.
3. Для соединения обмоток в параллель нечетные выводы соединяются с нечетными; четные – с четными.
4. Для последовательного соединения обмоток нечетные выводы соединяются с четными.

Примечание: выводы экранов (15 и 16) можно комбинировать как угодно, т.к. межобмоточные экраны не являются короткозамкнутыми витками.

Вариант подешевле – присмотреть на железном базаре старый накальный трансформатор ТН; система обозначений аналогична ТП/ТПП. «Кладоискатели» до ТНов не охочи: возни с разборкой много, медяшки мало. Типовая схема включения ТН для ЗУ дана на врезке в центре рис. Переключать, для повышения выходного напряжения, нижний по схеме диод с вывода 15 на 16 нельзя, нарушится симметрия обмоток!

Выпрямитель Шоттки

Выходные напряжения на схемах выше даны для входного (сетевого) 220 В. Если оно упадет, пойдет недозаряд. Вместе с тем, поскольку АКБ на заряд от внешнего ЗУ ставят холодной, остается некоторый запас на увеличение напряжения заряда; его возможно использовать полностью, если ЗУ с защитой. В таком случае выпрямитель нужно делать со средней точкой на сборке диодов Шоттки – выходное напряжение увеличится прим. на 0,6 В.

Современные диоды Шоттки с платиновым барьером для использования в ЗУ АКБ вполне пригодны, см. спецификацию на рис.:

Спецификация на сборку диодов Шоттки для выпрямителя зарядного устройства автоаккумулятора

Кроме того, на сборку из пары диодов Шоттки нужен радиатор от 50 кв. см, а каждому обычному, с p-n переходом, на ток до 10 А – от 100 кв. см. Брать сборки Шоттки нужно с максимальным обратным напряжением от 35 В и пиковым прямым током от 30 А, т.к. в схеме выпрямителя со средней точкой соотв. величины достигают 1,7 амплитудного значения напряжения вторичной обмотки и 2,4 выпрямленного тока (31 В и 24 А при 12,6 В и 10 А; начальный пиковый ток заряда полностью разряженной АКБ на 60 А/ч – 10 А).

О тиристорном выпрямлении

Область применения управляемых тиристорных выпрямителей ограничена из-за создаваемых ими больших коммутационных помех на выпрямленном напряжении. Но в ЗУ эти помехи не помеха, АКБ погасит. Зато по прочим свойствам тиристорные выпрямители для заряда АКБ не просто подходят, но подходят идеально.

Дело в том, что после тиристорного выпрямления без сглаживания зарядный ток на АКБ подается короткими импульсами с обрезанным фронтом увеличенной (но не чрезмерно) амплитуды. Как следствие, зарядка для авто аккумулятора с тиристорным выпрямителем дает десульфатирующий эффект без каких-либо дополнительных премудростей. И, что тоже важно, вероятность ухода АКБ в саморазогрев при заряде от тиристорного ЗУ на порядок меньше: ненужная электрохимия успевает рассосаться в промежутках между импульсами. Еще плюс такой же, как у диодов Шоттки: радиатор для пары тиристоров нужен той же площади, что для сборки Шоттки.

Простоты ради тиристорные ЗУ часто строят по схеме однополупериодного выпрямления, см. рис.:

Тиристорные зарядные устройства для автоаккумуляторов с однополупериодным выпрямлением

Нижняя схема самая дешевая, т.к. для управления силовым тиристором вместо маломощного тиристора используется его аналог на транзисторах, он вдвое-втрое дешевле. Схема справа вверху самая дорогая из-за совсем недешевого промышленного тиристора Т122-25, к которому нужен еще и антишумовой фильтр C1T1C2. В остальном эти ЗУ равноценны.

Недостаток у однополупериодных тиристорных ЗУ один, но фатальный – то самое однополупериодное выпрямление. Половина первичных полуволн тока пропадает. Чтобы не затягивать заряд вдвое, приходится соотв. увеличивать амплитуду зарядного импульса. Она выходит за допустимые пределы, и преимущества тиристорного выпрямления сводятся на нет. Наоборот, однополупериодное тиристорное ЗУ опаснее для АКБ, чем диодное.

Схемы ЗУ для автоаккумуляторов с двухполупериодным тиристорным выпрямлением сохраняют все его достоинства и лишены указанного выше недостатка. Но подход к построению тиристорного выпрямителя нужен соответственный. Напр., схема слева на рис. – типично любительская. Выпрямитель сделан аналогично диодному мосту, что вдвое увеличивает падение напряжения на нем и требует пары совсем ненужных довольно дорогих компонент. Коммутационные помехи от такого ЗУ сильные, и нужно мотать нетиповой трансформатор.

Схемы тиристорных зарядных устройств для автоаккумуляторов с двухполупериодным выпрямлением

Близка к оптимальной для тиристорных схема известной автозарядки Amperus, справа на рис. Ее авторы позаботились и о хорошей антишумовой развязке цепей управления, что позволяет использовать Amperus в квартире. Единственный небольшой недостаток – ток и напряжение заряда взаимозависимы, т.к. выставляются совместно резистором на 1 кОм. Поэтому использовать Amperus желательно с УЗ (см. выше).

На современной базе

Очень хорошее простое и недорогое зарядное устройство для аккумулятора автомобиля может быть построено на основе универсального преобразователя DC/DC TC43200; он представляет собой импульсный тиристорный преобразователь напряжения с раздельными независимыми регулировками ограничения по току и величине стабилизированного выходного напряжения, слева на рис. TC43200 можно купить на том же Али Экспресс, а по расходам сравнительно со схемами на россыпи – отдельных дискретных компонентах, и радиаторами к ним, для ЗУ на TC43200 там же можно приобрести универсальный указатель тока/напряжения (в центре) и не требующий радиатора диодный мост на 10 А, напр. KBPC5010. Все вместе выйдет дешевле.

Простое недорогое зарядное устройство для аккумулятора автомобиля на преобразователе напряжения TC43200

Схема ЗУ АКБ на TC43200 дана справа. Входное напряжение – от 18 В; емкость C1 достаточна 220 мкФ. Налаживание предельно простое:

• Включаем ЗУ без нагрузки;
• Регулятором напряжения выставляем 5 В на выходе;
• Замыкаем выход накоротко;
• Регулятором тока выставляем нужный ток заряда, до 10 А;
• Раскорачиваем выход (нагрузка не нужна);
• Регулятором напряжения устанавливаем на нем 14,4 В или 15,6 В для использования со схемой защиты.

Недостатки TC43200 невелики и легко устранимы – радиаторы маловаты, а встроенной аварийной защиты нет. Длительной работы в режиме КЗ TC43200 не выдержит и АКБ от вскипания не спасет. Поэтому ЗУ на TC43200 требуется отдельное защитное устройство наподобие описанного выше.

Содержание

1. О компьютерных расчетах
2. Что это и зачем?
3. Какой нужен динамик?
4. Структура системы
5. Оформление
6. Автосабвуферы
7. Проще просто не бывает
8. Тоже просто
9. Мощный 6-й порядок
10. 4-й порядок
11. Электроника
12. Как рассчитать сабвуфер?
> Обсуждение

В этой статье мы посмотрим, как сделать сабвуфер своими руками, не вникая в недра электроакустики, не прибегая к сложным расчетам и тонким измерениям, хотя кое-какие проделать все равно придется. «Без особых сложностей» не значит «тяп-ляп на кирпич, гони, бабка, могарыч». В наши дни на домашнем компьютере можно моделировать очень сложные акустические системы (АС); ссылку на описание этого процесса см. в конце. Но работа с готовым устройством по наитию дает то, чего не получишь никаким прочтением и просмотром – интуитивное понимание сути процесса. В науке и технике открытия на кончике пера совершаются редко; чаще всего исследователь, набравшись опыта, «нутром» начинает понимать, что там к чему, и уж тогда ищет математику, подходящую для описания явления и вывода расчетных инженерных формул. Многие великие с юмором и удовольствием вспоминали свои первые неудачные опыты. Александр Белл, напр., катушки для своего первого телефона пытался поначалу мотать голым проводом: он, музыкант по образованию, просто не знал еще, что проволоку под током нужно изолировать. Но телефон Белл все-таки изобрел.

О компьютерных расчетах

Не думайте, что JBL SpeakerShop или др. программа расчета акустики выдаст вам единственно возможный самый-самый правильный вариант. Компьютерные программы пишутся по устоявшимся проверенным алгоритмам, но нетривиальные решения невозможны только в богословии. «Все знают, что так делать нельзя. Находится болван, который этого не знает. Он-то и делает изобретение» – Томас Альва Эдисон.

SpeakerShop появился не так давно, разработано это приложение весьма основательно и то, что пользуются им очень активно, безусловный плюс как разработчикам, так и любителям. Но чем-то теперешняя ситуация с ним похожа на историю с первыми фотошопами. Кто юзал еще винду 3.11, помните? – тогда по обработке картинок просто с ума сходили. А потом оказалось – чтобы сделать хороший снимок, нужно все-таки уметь фотографировать.

Что это и зачем?

Сабвуфер (попросту – саб) в дословном переводе звучит курьезно: подгавкиватель. Реально же это басовый (низкочастотный, НЧ) динамик, воспроизводящий частоты ниже прим. 150 Гц, в специальном акустическом оформлении, ящике (коробе) достаточно сложного устройства. Сабвуферы применяются и в быту, в напольных высококлассных АС и недорогих настольных, встроенные и в автомобилях, см. рис. Если получится сделать сабвуфер, верно воспроизводящий басы, можно смело браться за любую АС, т.к. воспроизведение НЧ, пожалуй, самый жирный из китов, на которых стоит вся электроакустика.

Сабвуферы разного класса в доме и автомобиле

Компактное НЧ-звено АС сделать много труднее чем СЧ и ВЧ (средне- и высокочастотные) во-первых, из-за акустического короткого замыкания, когда звуковые волны от фронтальной и тыльной излучающих поверхностей динамика (головки громкоговорителя, ГГ) гасят друг друга: длины волн НЧ – метры, и без надлежащего акустического оформления ГГ ничто не мешает им тут же сойтись в противофазе. Во-вторых, спектр искажений звука на НЧ тянется далеко в лучше всего слышимую область СЧ. В сущности любая широкополосная АС есть НЧ-звено, в которое встроены СЧ и ВЧ излучатели. Но к сабу уже с точки зрения эргономики предъявляется дополнительное требование: сабвуфер для дома должен быть как можно компактнее.

Примечание: все виды акустического оформления НЧ ГГ можно разделить на 2 больших класса – одни гасят излучение с тыла динамика, вторые переворачивают его по фазе на 180 градусов (оборачивают фазу) и переизлучают с фронта. Сабвуфер, в зависимости от свойств ГГ (см. далее) и требуемого вида его амплитудно-частотной характеристики (АЧХ) может быть построен по схеме того или иного класса.

Направление на звуки ниже 150 Гц человек различает очень плохо, поэтому в обычной жилой комнате саб можно поставить в общем где угодно. СЧ-ВЧ АС (сателлиты) акустики с сабвуфером получаются очень компактными; их расположение в комнате возможно подобрать оптимальным для данного помещения. Современное жилье избытком площади и хорошей собственной акустикой, мягко говоря, не отличается, и «приткнуть» в нем правильно хотя бы пару хороших широкополосных колонок возможно отнюдь не всегда. Поэтому изготовление сабвуфера самостоятельно позволяет не только сэкономить весьма солидную сумму денег, но и получить все-таки чистый, верный звук в этой вот хрущевке, брежневке или современном новострое. Особенно эффективен сабвуфер в системах полнообъемного звука, т.к. ставить 5-7 колонок на полную полосу каждая это уж чересчур и для самых «навороченных» пользователей.

Басы

Воспроизведение басов сложно не только технически. Узенький в общем-то НЧ участок всего спектра звуковых волн неоднороден по своему психофизиологическому воздействию и разделяется на 3 области. Чтобы правильно подобрать басовый динамик и сделать короб для сабвуфера своими руками, нужно знать их границы и значение:

• Верхний бас (UpperBass) – 80-(150…200) Гц.
• Средний бас или мидбас (MidBass) – 40-80 Гц.
• Глубокий бас или подбас (SubBass) – ниже 40 Гц.

Верха

Технически воспроизведение верхних басов сложностей не представляет, но, во-первых, спектр искажений звука на верхнем басе тянется в хорошо слышимые СЧ дальше всего. Во-вторых, самый специализированный басовый динамик по верхам воспроизводит частоты до 500-1000 Гц. «Просочившиеся» к нему после расфильтровки «хвостики» СЧ будут излучаться из одной точки и подпортят стереоэффект либо эффект объемности. Чтобы исключить акустическое слияние (акустическую связь) стереоканалов по СЧ в сабвуфере электрической расфильтровкой, нужны фильтры с крутизной спада АЧХ в полосе непропускания 40 дБ на октаву и более. Однако сохранить при этом линейной фазочастотную характеристику (ФЧХ) фильтра очень трудно и современными цифровыми методами, а нелинейность ФЧХ вызывает искажения, плохо различимые непосредственно на слух, но резко ухудшающие субъективное восприятие звука; Hi-Fi отнюдь не сводится только к формальным параметрам. Поэтому хороший сабвуфер должен делать еще и акустическую расфильтровку на верхних басах, подавляя паразитное СЧ излучение динамика до его выхода наружу.

Середина

На мидбасах главная задача при создании сабвуфера – обеспечить в минимальном объеме ящика наивысшую отдачу ГГ, заданную форму АЧХ и ее максимальную равномерность (гладкость). АЧХ, в сторону низших частот близкая к прямоугольной, дает мощный, но жестковатый бас; АЧХ, равномерно падающая – чистый и прозрачный, но слабее. Выбор той или иной зависит от характера прослушиваемого: рокерам нужен звук «злее», а для классики нежнее. В том и другом случае большие провалы и всплески на АЧХ портят субъективное восприятие при формально одинаковых техпараметрах звука.

Глубина

Подбас определяющее влияние на тембр (окраску) звука музыкальных инструментов имеет только для духовых органов в специально для них построенных залах. Сильные подбасовые компоненты характерны для звуков природных и техногенных катаклизмов, сильных взрывов и голосов отдельных видов животных (львиный рык). Свыше 90% людей подбасы или вовсе не слышат, или слышат невнятно. Напр., если принципиально различные по своему характеру звуки тропического урагана и ядерного взрыва отфильтровать от всего, кроме подбасов, то по ним вряд ли кто разберет, что там на самом деле творится. Поэтому домашний сабвуфер почти всегда оптимизируют на мидбас, а остаток подбаса, какой получится, маскирует собственные шумы помещения. Для чего он, кстати, весьма пригоден и чем очень полезен.

Подбас в машине

Эффект маскировки шумов особенно необходим в тесном и зашумленной салоне автомобиля, поэтому автосабвуферы оптимизируются на подбас. Иногда ради этого любители Hi-Fi на скорости отдают сабу весь багажник, ставя туда 15”-18” динамики-монстры на 150-250 Вт пиковой мощности, см. рис. Однако вполне приличный сабвуфер в машину можно сделать и не жертвуя полезным объемом в кузове, см. далее.

Мощный сабвуфер в автомобиле

Примечание: пиковую мощность динамика часто отождествляют с шумовой, что неверно. На пиковой мощности звук искажен, но еще внятен, т.е. различим по смыслу. Шумовая мощность определяется как такая, на которой динамик может работать определенное время (обычно 20 мин.), не перегорая и не повреждаясь механически. Звук при этом чаще всего бессвязный хрип, отчего такая мощность и названа шумовой. Но в некоторых видах акустического оформления шумовая мощность динамика может оказаться ниже пиковой, см. далее.

Какой нужен динамик?

Полный расчет акустического оформления производится по т. наз. параметрам Тиля-Смолла (ПТС). Поскольку мы решили потратить время и труд на настройку саба, нам из них понадобится только полная добротность головки на ее собственной резонансной частоте Qts, т.к. именно по ней выбирается оптимальный вариант акустического оформления. В зависимости от величины Qts динамики делятся на 4 группы:

• Qts<0,5 – «безразличные» сверхнизкодобротные. Очень дорогие, очень низкая отдача, но способны воспроизводить подбасы вплоть до 20-15 Гц. Настройка сабвуфера с такими без звукомерной камеры и специальной измерительной техники невозможна, т.к. резонансный пик не выражен.
• 0,5<Qts<0,7 – низкодобротные. В подходящем оформлении воспроизводят НЧ до 30-25 Гц. Дороги, отдача мала. Промерить параметры дома возможно, но не настроить сабвуфер с такими: оптимальным оказывается оформление либо не подлежащее настройке, либо требующее для нее помещения в звукомерную камеру. В комнатах объемом менее 80-90 куб. м сабвуфер на низкодобротном динамике преимуществ перед среднедобротным не имеет, кроме «счастья» для соседей.
• 0,7<Qts<1 – среднедобротные. По сочетанию всех параметров, в т.ч. ценовых, оптимальны для домашнего сабвуфера, оптимизированного на мидбас.
• Qts>1 – высокодобротные. Высокая отдача, низкая цена, жесткий звук в неоптимальном оформлении. Трудно получить гладкую АЧХ. Компактны, выпускаются диаметром (в меньшую сторону) до 6” (155 мм). Оптимальны для сабвуфера настольного или к телевизору (не к домашнему кинотеатру!).

Измерения

В спецификациях производителя на динамики Qts может быть обозначена как Qп или просто Q, но присутствует там далеко не всегда, а в общедоступных базах данных вроде WinISD полно ошибок. Поэтому нам скорее всего придется определять значение Qts в домашних условиях.

Подготовка

Прежде всего выбираем и готовим для акустических измерений комнату. В ней должно быть как можно больше штор, гардин, ковров на полу и стенах, мягкой мебели. Жесткие горизонтальные поверхности (стол) нужно накрыть чем-то пушистым; не лишним будет и набросать везде побольше подушек. Особенно сильно искажают звуковое поле углы, в т.ч. жесткой мебели со стенами, их надо чем-то занавесить, напр., одеждой на плечиках. Далее подключаем к динамику длинные провода и подвешиваем в геометрическом центре потолка (под люстрой, если она есть) фронтальной стороной диффузора вниз на высоте от пола в 2/3 высоты потолка.

Схемы измерений параметров динамиков в домашних условиях

Теперь нужно собрать схему измерений, как показано вверху на рис. Нижняя схема нам еще понадобится для измерения импеданса (полного сопротивления) динамика Z. От обычно используемой любителями измерительной схемы без трансформатора данная отличается вполне профессиональной точностью: в расхожих схемах на диодах моста теряется ок. 1,5 В даже при входном сопротивлении тестера 10 МОм. Действие данной схемы основано на том, что импеданс трансформатора и R2, с одной стороны, много больше импеданса ГГ; с другой – много меньше выходного сопротивления усилителя мощности звуковой частоты, и на том, что самый паршивый цифровой мультитестер на пределе 200 мВ имеет входное сопротивление более 1 МОм. Однако, если измерительный сигнал подается от генератора звуковой частоты (ГЗЧ) со стандартным 600-омным выходом, данная схема для измерения Z непригодна.

Процедура

От компьютера с программой эмуляции ГЗЧ измерительный сигнал подается с выхода звуковой карты. «Гонять» его нужно в пределах 20-100 Гц вначале с дискретом (шагом) 10 Гц. Если резонанса ГГ не видно, она для сабвуфера непригодна. Или продавец вас бессовестно обманул, продав за 100 руб. безразличную ГГ ценой от $200.

Резонансные кривые и формулы для расчета полной добротности головок громкоговорителя

Когда границы резонансного пика определены, «проходим» его уже с дискретом 1 Гц и строим АЧХ. Если ГГ высоко- или среднедобротная ближе к верхней границе Qts, получится график вроде того, что на поз. I рис. В таком случае:

• По ф-ле (1) на поз. II находим U(F1,F2);
• По графику находим F1 и F2;
• По ф-ле (2) проверяем, совпадает ли вычисленная частота собственного резонанса в свободном пространстве F’s с измеренной Fs. Если расхождение более чем на 2-3 Гц, см. ниже;
• По ф-ле (3) находим механическую добротность Qms, затем по ф-ле (4) электрическую Qes и, наконец, по ф-ле (5) искомую полную добротность Qts.

Если же добротность ГГ ближе к низкой или таковая, что вообще-то хорошо, резонансная кривая будет заметно несимметричной, а ее пик плоским, размытым, поз. III, или же проверка по ф-ле (2) не сойдется и при повторных измерениях. В таком случае по графику определяем точки наибольшего наклона касательных к вогнутым «крыльям» пика А1 и А2; математически в них вторая производная от описывающей резонансную кривую функции достигает максимума. За Umax тогда берем, как и прежде, его значение на вершине пика, а за Umin – вычисленное по ф-ле на поз. III новое значение U(F1,F2).

Структура системы

Померяли? Динамик подходит? Не торопитесь выбирать оформление. Сперва нужно выбрать структурную схему всей системы озвучивания, т.к. на ее электронную часть может пасть доля затрат не меньшая, чем на хороший басовый динамик. Система озвучивания с сабвуфером может быть построена по одной из след. схем, см. рис.

Структурные схемы систем озвучивания с сабвуферами

Примечание: эквалайзер и фильтр инфранизких частот ФИНЧ (рокот-фильтр) во всех схемах включаются до входов стереоканалов.

Поз. 1 – система с пассивной расфильтровкой по мощности. Плюс – не нужен отдельный басовый усилитель, подключается к любому УМЗЧ. Огромные минусы, первое, взаимное электрическое просачивание каналов в сабвуфере по СЧ: для LC-фильтров, сводящих его к приемлемой величине, понадобится приличный кейс, который для покупки их компонент придется прежде где-то на треть наполнить деньгами (в 100 рублевых купюрах). Второе – выходные сопротивления фильтров низких частот ФНЧ совместно с входным ГГ динамика образуют тройник, и каждый канал УМЗЧ теоретически четверть мощности будет тратить на то, чтобы греть соседа с его ФНЧ. Реально – больше, т.к. на мощности и потери в фильтрах существенны. Тем не менее, система с расфильтровкой по мощности применима в сабвуферах небольшой мощности с независимыми излучателями звука, см. далее.

Поз. 2 – пассивная расфильтровка на отдельный басовый УМЗЧ. Потерь мощности нет, взаимовлияние каналов слабее, т.к. характеристические сопротивления фильтров – килоомы и десятки килоом. В настоящее время практически не применяется, т.к. собрать активный фильтр на микросхемах оказывается много проще и дешевле, чем мотать катушки пассивных.

Поз. 3 – активная аналоговая расфильтровка. Сигналы каналов складываются простым резисторным сумматором, поступают на аналоговый активный ФНЧ, а с него на басовый УМЗЧ. Взаимовлияние каналов ничтожно и в обычных условиях прослушивания незаметно, расходы на компоненты невелики. Оптимальная схема для самодельного сабвуфера начинающего любителя.

Поз. 4 – полная цифровая расфильтровка. Канальные сигналы подаются на разветвитель Р, разделяющий каждый из них как минимум на 2 равнозначных исходному. По одному сигналу из пары подается на СЧ-ВЧ УМЗЧ (возможно, непосредственно, без ФВЧ), а остальные объединяются в сумматоре С. Дело в том, что при резисторном сложении на нижних частотах мидбаса и в подбасе возможно электрическое взаимодействие сигналов в ФНЧ, несколько искажающее суммарный басовый. В сумматоре сигналы складываются цифровым или аналоговым способом, исключающим их взаимовлияние.

С сумматора общий сигнал подается на цифровой ФНЧ с встроенными аналого-цифровым (АЦП) и цифро-аналоговым (ЦАП) преобразователями, а с него – на басовый УМЗЧ. Качество звука и развязка каналов – максимально возможные на сегодняшний день. Затраты на микросхемы для всего этого хозяйства оказываются посильными, но работа с ИМС требует уже некоторого радиолюбительского опыта, и еще большего – если покупается не готовый набор (что существенно дороже), а компоненты системы подбираются самостоятельно.

Оформление

На рис. даны наиболее употребительные схемы акустического оформления домашних сабвуферов. Лабиринты, рупоры и пр. не удовлетворяют требованиям компактности. Зеленым выделены схемы, предпочтительные для начинающих, желтым – выполнимые ими, а красным – непригодные. Кто поопытнее, может удивиться: 6-й бандпасс – для чайников? Ничего страшного, эту отличную басовую акустику на трубах можно настроить за выходные. Если знать, как.

Типы акустического оформления сабвуферов

Щит

Оформление сабвуфера в виде акустического экрана (щита, поз. 1) в домашних условиях выполнимо, если ГГ встроены в обшивку стен, т.к. их размеры соизмеримы с длинами подбасовых волн. Отсюда достоинство – с подбасом никаких проблем, лишь бы динамики его тянули. Другое – предельная компактность, саб полезной площади вообще не занимает. Но есть и серьезные минусы. Первый – большой объем строительных работ. Второй – акустический экран никак не влияет на АЧХ ГГ. «Горбатая» – так и петь будет, поэтому ставить на щит можно только дорогие низкодобротные и безразличные динамики. Подминус, так сказать – их отдача мала и щит ее увеличить никак не способен.

Закрытый ящик

Большущий плюс закрытого ящика (поз. 2) – глубокое демпфирование ГГ; для недорогих с высокой отдачей высокодобротных динамиков это единственно приемлемый тип акустического оформления. Но этот плюс влечет за собой и минус: с глубоким демпфированием шумовая мощность ГГ часто оказывается ниже пиковой, особенно у дорогих мощных головок. Катушка уже дымится, но хрипов все еще не слышно. Нужен индикатор перегрузки, но простейшие без отдельного электропитания искажают сигнал.

Не менее жирный плюс – предельно гладкая плавно падающая АЧХ и как следствие – наиболее чистый и живой звук. По этой причине выпускаются высококлассные мощные ГГ высокой добротности специально для установки в закрытые ящики или бандпассы 4-го порядка (см. далее).

И еще неожиданный плюс – при установке в закрытый ящик не НЧ-СЧ, а специальных басовых динамиков паразитное СЧ излучение практически отсутствует. СЧ «басовики» излучают в мембранном режиме, а глубокое демпфирование подавляет мембранный эффект.

Минус – из всех АС равного объема у закрытого ящика самая высокая низшая воспроизводимая частота, т.к. он повышает резонансную частоту динамика и не способен повысить его отдачу на частотах ниже нее. Т.е. по компактности сабвуфер в закрытом ящике проходит с большой натяжкой. До некоторой степени уменьшить этот недостаток можно, наполнив ящик синтепоном: он отлично поглощает энергию звуковых волн. Термодинамический процесс в ящике тогда из адиабатического переходит в изотермический, что равнозначно увеличению его объема в 1,4 раза.

Еще существенный минус – в закрытом ящике можно делать только пассивный сабвуфер, т.к. электроника в нем сильно греется даже помещенная в отгороженный отсек. Если вам попадутся старые АС 10МАС-1М, погоняйте их на половинной мощности с полчаса и потрогайте рукой корпус – теплый будет.

ФИ

Фазоинвертор (ФИ) с трубой (поз. 3) не так давно был едва ли не самым распространенным типом акустического оформления, но сейчас вытесняется глубокими щелями (см. ниже). Главное достоинство ФИ – способность увеличить отдачу ГГ на частотах ниже резонансной; для начинающего любителя – возможность постройки «на глазок» и настройки на слух изменением длины трубы. Еще – по размерам ФИ на мидбас можно «обжать» едва ли не до габаритов динамика, но это, пожалуй, и все. Минусы – ставить в ФИ можно только низкодобротные ГГ, т.к. его собственная АЧХ принципиально с провалом. АЧХ ФИ в сторону частот ниже низшей воспроизводимой падает очень круто, поэтому в сабвуфере выжать из ФИ сколько-нибудь приемлемый подбас или невозможно, или габариты ФИ окажутся сравнимы с таковыми закрытого ящика. Паразитные СЧ ФИ подавляет максимум наполовину, т.к. в нем ничто не мешает динамику излучать их с фронта. Пытаться увеличить эквивалентный объем ФИ звукопоглощающим заполнением нельзя, т.к. через порт (наружное устье трубы) проходят потоки воздуха и термодинамика ФИ совсем не та, что у закрытого ящика. Это, кстати, касается всех АС, в которых внутренний объем сообщается с атмосферой.

Примечание: во всем равнозначен ФИ пассивный излучаетель (ПИ) – вместо трубы с портом ставят басовый динамик без магнитной системы и с грузиком вместо катушки. «Безнастроечных» методик расчета ПИ нет, потому и в промышленном производстве ПИ редкое исключение. Если у вас завалялся сгоревший басовый динамик, можете поэкспериментировать – настройка осуществляется изменением веса груза. Но учтите – активным ПИ лучше не делать по той же причине, что и закрытый ящик.

О глубоких щелях

Акустику с глубокими щелями (поз. 4, 6, 8-10) отождествляют то с ФИ, то с лабиринтом, но на самом деле это самостоятельный тип акустического оформления. Преимуществ у глубокой щели масса:

• Точный расчет на компьютере возможен любительский в домашних условиях.
• Обшитая звукопоглотителем, полностью поглощает паразитные СЧ.
• Правильно рассчитанная, на мидбасе действует как акустический затвор (четвертьволновый лабиринт, ЧВ-лабиринт) с большим затуханием.
• По причине в пред. пункте возможно акустическое демпфирование и увеличение эквивалентного объема поглощающим заполнением.
• На подбасах может работать как полуволновый лабиринт (ПВ-лабиринт), увеличивая отдачу ГГ.
• Возможно построение АС с глубокой щелью под ГГ с любым значением добротности.

Недостаток у глубокой щели всего один, и то для начинающих: ненастраиваема после сборки. Как сделано, так и петь будет.

Об антиакустике

Избыточная звукопоглощающая обшивка сабвуфера

Любые резонирующие полости в АС с выходом в атмосферу заполнять синтепоном нельзя. Напр., в случае на рис. справа коэффициент увеличения объема будет где-то 1,15-1,30, но какой точно? Определить без специальных измерений готовой АС невозможно. Однако глушить сабвуфер внутри совершенно необходимо для подавления паразитных СЧ и призвуков от вибраций корпуса. Традиционно это делали войлочной обивкой, но теперь есть поверхностные антиакустики много лучше. Первый – карпет, которым обшивают салон и багажник автомобиля, он специально разработан для этого. А полноценная замена войлока – тонкий (бельевой) флис пушистой стороной внутрь полости.

Бандпассы

BandPass в переводе проход полосы, так называют АС без прямого излучения звука в пространство. Это значит, что АС типа бандпасс не излучают СЧ вследствие внутренней акустической его отфильтровки: динамик ставят в перегородку между резонирующими полостями, сообщающимися с атмосферой портами труб или глубоких щелей. Бандпасс – специфическое для сабвуферов акустическое оформление и для полностью раздельных АС не применяется.

Бандпассы разделяют по величине порядка, а порядок бандпасса равен числу его собственных резонансных частот. Высокодобротные ГГ ставят в бандпассы 4-го порядка, где просто организовать акустическое демпфирование (поз. 5); низко- и среднедобротные – в бандпассы 6-го порядка. Ощутимой разницы в качестве звука между теми и теми, вопреки распространенному убеждению, нет: уже на 4-м порядке достигается сглаживание АЧХ на НЧ до 2 дБ и менее. Разница между ними для любителя в основном в сложности настройки: чтобы точно настроить 4-й бандпасс (см. далее) придется двигать перегородку. Что касается бандпассов 8-го порядка, то еще 2 резонансные частоты у них получаются вследствие акустического взаимодействия тех же 2-х резонаторов. Поэтому 8-е бандпассы иногда называют бандпассами 6-го порядка класса В.

Примечание: идеализированные АЧХ на НЧ для некоторых типов акустического оформления показаны на рис. красным. Зеленым пунктиром – идеальная АЧХ с точки зрения психофизиологии слуха. Откуда видно, что работы в электроакустике еще хватает и хватает.

Амплитудно-частотные характеристики одной и той же головки громкоговорителя в различном акустическом оформлении

Автосабвуферы

Автомобильные сабвуферы ставят обычно или в грузовой отсек, или под сиденье водителя, или за спинку заднего сиденья, поз. 1-3 на рис. В первом случае короб отнимает полезный объем, во втором саб работает в тяжелых условиях и может быть поврежден ногами, в третьем – не всякий пассажир сможет вытерпеть мощный бас прямо возле ушей.

Автомобильные сабвуферы

В последнее время автомобильный сабвуфер все чаще делают типа стелс (stealth), встроенным в нишу заднего крыла, поз. 4 и 5. Подбаса достаточной мощности добиваются, применяя специальные автодинамики диаметром 12” с жестким диффузором, мало подверженным мембранному эффекту, поз. 5. Как сделать сабвуфер для автомобиля путем отформовки крыльевой ниши, см. след. видео.

Видео: автомобильный савбуфер “стелс” своими руками

Проще просто не бывает

Очень простой сабвуфер, не требующий отдельного басового усилителя, можно сделать по схеме с независимыми излучателями звука (ИЗ), см. рис. Фактически это две канальных НЧ ГГ, помещенные в общий длинный корпус, устанавливаемый горизонтально. Если длина короба сопоставима с расстоянием между сателлитами или шириной экрана телевизора, «расплывание» стерео мало заметно. Если же прослушивание сопровождается просмотром, то и вовсе незаметно благодаря непроизвольной зрительной коррекции локализации источников звука.

Схемы сабвуферов с независимыми излучателями

По схеме с независимыми ИЗ можно сделать отличный сабвуфер для компьютера: ящик с динамиками помещают в дальнем верхнем углу под столешницей. Полость под ней – резонатор, настроенный на очень низкую частоту, и от небольшой коробочки прорезается неожиданно хороший подбас.

ФИ для сабвуфера с независимыми ИЗ можно рассчитать в спикершопе. При этом эквивалентный объем Vts берут вдвое больше против измеренного, резонансную частоту Fs в 1,4 раза ниже, а полную добротность Qts в 1,4 раза больше. Материал короба, как и везде далее – МДФ от 18 мм; на мощность сабвуфера от 50 Вт – от 24 мм. Но лучше поместить динамики в закрытый ящик, его в данном случае можно сделать без расчета: длину по внутри берут по месту установки в пределах от 0,5 м (для компьютера) до 1,5 м (для большого телевизора). Поперечное сечение короба по внутри определяется исходя из диаметра диффузора динамиков:

• 6” (155 мм) – 200х200 мм.
• 8” (205 мм) – 250х250 мм.
• 10” (255 мм) – 300х300 мм.
• 12” (305 мм) – 350х350 мм.

В самом худшем случае (подстольный компьютерный саб на 6” динамиках) объем короба будет 20 л, а эквивалентный с заполнением – 33-34 л. При мощности УМЗЧ до 25-30 Вт на канал этого хватит, чтобы получить приличный мидбас.

Фильтры

LC-фильтры в данном случае лучше использовать типа K. Для них нужно больше катушек, но в любительских условиях это несущественно. У K-фильтров малое затухание в полосе непропускания, 6 дБ/окт на звено или 3 дБ/окт на полузвено, зато абсолютно линейная ФЧХ. Кроме того, при работе от источника напряжения (каковым с большой точностью является УМЗЧ), K-фильтр мало чувствителен к изменениям импеданса нагрузки.

На поз. 1 рис. даны схемы звеньев K-фильтров и расчетные формулы для них. R для НЧ ГГ берется равным ее импедансу Z на частоте среза ФНЧ 150 Гц, а для ФВЧ равным импедансу сателлита z на частоте среза ФВЧ 185 Гц (формула [1] на поз. 6). Определяются Z и z по схеме и формуле на рис. выше (со схемами измерений). Рабочие схемы фильтров даны на поз. 2. Если вам больше по душе докупить конденсаторов, а не мотать катушки, точно такие же по параметрам можно составить из П-звеньев и полузвеньев.

Данные и схемы для изготовления фильтров простого сабвуфера с независимыми излучателями

Затухание ФНЧ в полосе непропускания 18 дБ/окт, а ФВЧ 24 дБ/окт. Такое откровенно нетривиальное соотношение оправдано тем, что сателлиты разгружаются от НЧ и дают звук чище, а отраженный от ФВЧ остаток НЧ отправляется на НЧ динамики и делает басы глубже.

Данные к расчету катушек фильтров даны на поз. 3. Располагать их нужно взаимно перпендикулярно потому, что K-фильтры работают без магнитной связи между катушками. При расчете задаются размерами катушки и по найденной в порядке расчета фильтра индуктивности определяют количество витков. Затем с помощью коэффициента укладки находят диаметр провода в изоляции, он должен получиться не менее 0,7 мм. Выходит меньше – увеличиваем размеры катушки и пересчитываем.

Настройка

Настройка данного сабвуфера сводится к выравниванию громкостей басовиков и сателлитов на соотв. частотах среза. Для этого сначала готовят комнату к акустическим измерениям, как описано выше, и тестер с мостом и трансформатором. Далее понадобится конденсаторный микрофон. Для компьютерного придется сделать какой-нибудь микрофонный усилитель (МУС) с подачей смещения на капсюль, т.к. обычная звуковая карта не может одновременно принимать сигнал и эмулировать ГЗЧ, поз. 4. Если найдется конденсаторный микрофон со встроенным МУС, хотя бы старенький МКЭ-101, отлично, его выход подключают прямо к первичной (меньшей) обмотке трансформатора. Процедура измерений несложна:

1. Микрофон закрепляют напротив геометрического центра сателлитов на расстоянии по горизонтали 1-1,5 м.
2. Отключают от УМЗЧ сабвуфер и подают сигнал 185 Гц.
3. Записывают показания вольтметра.
4. Ничего не меняя в комнате, отключают сателлиты, подключают саб.
5. Подают на УМЗЧ сигнал 150 Гц, записывают показания тестера.

Теперь нужно рассчитать выравнивающие резисторы. Выравнивают громкости, приглушая более громкие звенья по последовательно-параллельной схеме (поз. 5), т.к. необходимо сохранить неизменными по модулю найденные ранее значения Z и z. Расчетные формулы для резисторов даны на поз. 6. Мощность Rг – не менее 0,03 от мощности УМЗЧ; Rд – любая от 0,5 Вт.

Тоже просто

Еще вариант простого, но уже настоящего сабвуфера – со спаренной НЧ ГГ. Спаривание НЧ динамиков – очень эффективный способ повысить класс их звучания. Конструкция сабвуфера на спарке старых 10ГД-30 дана на рис. ниже.

Конструкция простого сабвуфера

Оформление – весьма совершенное, бандпасс 6-го порядка. Басовый усилитель – на TDA1562. Можно использовать и другие высокодобротные ГГ с относительно небольшим ходом диффузора, тогда, возможно, придется делать настройку подбором длины труб. Производится она по контрольным частотам 63 и 100 Гц след. образом (контрольные частоты не являются резонансными акустической системы!):

• Готовят комнату, микрофон и приборы, как описано выше.
• Подают на УМЗЧ попеременно 63 и 100 Гц.
• Изменяют длины труб, добиваясь разницы показаний вольтметра не более 3 дБ (в 1,4 раза). Для гурманов – не более 2 дБ (в 1,26 раза).

Настройка резонаторов взаимозависима, поэтому трубы нужно двигать согласно: выдвинул короткую, на столько же, пропорционально ее исходной длине, задвинул длинную. Иначе можно вовсе расстроить систему: пик оптимума настройки у 6-го бандпасса очень острый.

Далее по точкам через 10 Гц снимают АЧХ саба в диапазоне 20-200 Гц. Провалы/всплески допустимы не более тех же значений. Тут возможны такие варианты:

1. Провал между 63 и 100 Гц – перегородку нужно сдвинуть в сторону большего резонатора.
2. Провалы по обе стороны 100 Гц – перегородку сдвигают в сторону меньшего резонатора.
3. Всплеск ближе к 63 Гц – нужно увеличить диаметр длинной трубы на 5-10%
4. Всплеск ближе к 100 Гц – то же, но для короткой трубы.

После любой из подгоночных процедур делается перенастройка сабвуфера. Для ее удобства полную сборку на клею вначале не делают: перегородку плотно примазывают пластилином, а одну из боковых стенок ставят на двухсторонний скотч. Следите, чтобы не было щелей!

Готовая и самодельная трубы для резонаторов акустических систем

Трубы для резонаторов

Готовые коленчатые трубы для акустики продаются в музыкальных и радиомагазинах. Телескопическую акустическую трубу можно сделать своими руками из обрезков пластиковых или картонных труб. В том и другом случае поперек внутреннего устья нужно прочно приклеить 2 отрезка лески: один внатяг, другой выступающей наружу петлей, см. рис. справа. Если трубу нужно раздвинуть, на тугую леску давят карандашом и т.п. Если укоротить – тянут за петлю. Настройка резонатора с трубой таким образом ускоряется во многие разы.

Мощный 6-й порядок

Чертежи бандпасса 6-го порядка под 12” ГГ даны на рис. Это уже солидная напольная конструкция на мощность до 100 Вт. Настраивается, как и предыдущая.

Чертежи сабвуфера бандпасс 6-го порядка под 12″ динамик

4-й порядок

Вдруг в вашем распоряжении окажется 12” высокодобротная ГГ, на ней можно будет сделать бандпасс 4-го порядка того же качества, но более компактный, см. рис; размеры в см. Однако настроить его будет намного сложнее, т.к. вместо манипуляций с трубой большего резонатора придется сразу же двигать перегородку.

Сабвуфер бандпасс 6-го порядка под 12″ динамик

Электроника

К басовому УМЗЧ для сабвуфера предъявляется то же, что и к фильтрам, требование полной линейности ФЧХ. Удовлетворяют ему УМЗЧ, выполненные по мостовой схеме, она же на порядок снижает нелинейные искажения интегральных УМЗЧ с не комплементарным выходом. УМЗЧ для сабвуфера мощностью до 30 Вт можно собрать по схеме на поз. 1 рис; 60-ваттный по схеме на поз. 2. Активный сабвуфер удобно делать на одной микросхеме 4-канального УМЗЧ TDA7385: пару каналов пускают на сателлиты, а другие два включают по мостовой схеме на саб, или же, если он с независимыми ИЗ, пускают на басовики. TDA7385 удобна и тем, что для всех 4-х каналов у нее общие входы функций St-By и Mute.

Схемы модулей (блоков) электроники для систем озвучивания с сабвуферами

По схеме на поз. 3 получается хороший активный фильтр для сабвуфера. Усиление его нормирующего усилителя регулируется переменным резистором на 100 кОм в широких пределах, поэтому в большинстве случаев отпадает довольно-таки муторная процедура выравнивания громкостей саба и сателлитов. Сателлиты в таком варианте включаются без ФВЧ, а в усилители СЧ-ВЧ встраивают потенциометры предустановки громкости со шлицами под отвертку.

На поз. 4 дана схема одного канала высококачественного УМЗЧ для сателлитов. Мощность, в зависимости от напряжения питания – до 25 Вт. Обратите внимание, что общие провода сигнальные и питания разделены и между ними включен антипаразитный резистор R8. Его подбирают по минимуму коэффициента нелинейных искажений КНИ; предельно допустимое значение – 56 Ом.

Как рассчитать сабвуфер?

Возможно, вам захочется рассчитать щелевой саб с нуля, а не возиться с перенастройкой сабвуферов-прототипов под свой динамик. В таком случае пройдите по ссылке: http://cxem.net/sound/dinamics/dinamic98.php. Автор, надо отдать ему должное, сумел на уровне «для чайников люминевых» объяснить, как с помощью современных софтов рассчитать и сделать высококлассный сабвуфер. Однако в большом деле не без промашки, поэтому, изучая источник, имейте в виду:

• 

  Неправильный и правильный способы измерения эквивалентного объема головки громкоговорителя

  Снимать данные измерений для вычисления полной добротности по п. 1.1.2.1 в источнике нужно в специально подготовленном помещении, см. выше.

• По п. 1.1.2.3 – измерять эквивалентный объем ГГ излучением в ящик со щелью (трубой?) как показано там на рис., недопустимо. Получите цену на дрова в бухте Тикси в разгар течки у самок белого медведя. Испытываемая ГГ должна излучать в герметичный не резонирующий ящик, см. рис. справа. Дома его несложно и недорого склеить на ПВА из пенопласта от 20 мм. Отход материала на швы при разборке будет чуть-чуточный и листы еще пойдут в дело на утепление или куда-то еще.
• При всем уважении к автору, обивать саб внутри ватином это даже не вчерашний день. Ватин ни сегодня, ни вчера, и вообще никогда не был хорошим звуко- и вибропоглощающим материалом. О внутренней антиакустической обшивке сабвуфера см. выше.

И все-таки…

Самому сделать саб дело увлекательное, полезное для развития ума и мастерства, к тому же хороший басовый динамик стоит раза в полтора дешевле пары классом ниже. Однако на контрольных прослушиваниях и матерые эксперты, и случайные слушатели «с улицы» при прочих равных условиях однозначно отдают предпочтение системам озвучивания с полным разделением каналов. Так что прикиньте сначала: а не придется ли вам все-таки по рукам и кошельку пара раздельных колонок?

Содержание

1. Конструкции
2. Гостиная, спальня и т.п.
3. Ванная
4. Динамики
5. Кухня
6. 5-1 и кино
> Обсуждение

Встраиваемая акустика в жилых помещениях обычно используется, чтобы меньше загромождать комнаты и не вносить чужеродные по облику объекты в интерьер. Первое особенно актуально в тесных наполненных предметами помещениях – кухне, ванной – а последнее в интерьерах лаконичных стилей.

Встроенная акустика в гостиной и в ванной

Однако мало кому известно, что встроенная акустика позволяет также существенно улучшить качество озвучивания небольших комнат с неважными собственными акустическими параметрами, используя недорогие динамики среднего уровня верности воспроизведения звука. Почему? Встроенные акустические системы (АС) такого назначения в принципе не могут изготовляться на продажу с доставкой к месту установки, их нужно делать прямо в помещении; как правило, в порядке несложного строительного ремонта. Цель настоящей публикации – дать читателю сведения, позволяющие как правильно установить покупную встаиваемую АС, так и вмонтировать самодельную в обшивку стен, фальшпотолок, арку, др. гипсокартонные конструкции или мебель.

Конструкции

Встроенная домашняя акустика по способам конструктивного исполнения разделяется на 2 большие группы: интегрированную и модульную встраиваемую. Последняя выпускается в виде АС в уплощенном корпусе или широкополосных моноблочных излучателей звука (ИЗШМ), см. рис. Модульно-встраиваемые АС при тех же, формально, технических данных стоят существенно дороже отдельно устанавливаемых, а звук дают заметно хуже. Причина – габаритная глубина модульной АС не должна быть больше толщины обшивки стен; как правило – 60 или 80 мм. Поэтому, во-первых, в динамиках для модульных АС крайне затруднительно оказывается применять мощные и сложные магнитные системы, обеспечивающие длинный ход диффузора и наилучшее качество звука. Во-вторых, пропорции корпуса оказываются далекими от оптимальных. С другой стороны, монтаж модульных АС ни малейших сложностей не представляет: вырезают в обшивке проем по размерам, указанным с паспорте АС, выводят из него провода, подключают к АС и просто вставляют ее на место: корпус снабжен защелками, а на лицевой панели есть отверстия, через которые их отжимают при необходимости демонтажа. Так что с модульно-встраиваемыми АС на этом и закончим.

Модульные встраиваемые акустическая система и динамики

ИЗШМ – системы звуковоспроизведения среднего или базового класса качества. В квартире широкополосные излучатели звука используют для озвучивания небольших загроможденных помещений: кухни, ванной, прихожей, в которых ставить высококлассную акустику смысла нет. Выпускаются ИЗШМ, как правило, под монтаж в гипсокартонную обшивку и потому имеют также небольшую конструктивную глубину. Однако звучание ИЗШМ можно заметно улучшить, встроив их в мебель; один из примеров будет рассмотрен далее.

Интегрированные системы

Встроенная акустическая система интегрированного типа с точки зрения озвучивания неразделима с конструкцией или предметом мебели, в который встроена, т.е. последние являются акустическим оформлением первичного источника звука (возбудителя системы). Первичным источником звука может быть как ИЗШМ, так и обычный 2-3 полосный комплект готовок громкоговорителей ГГ (динамиков) в разделительными фильтрами и аттенюаторами частотных каналов (в высококлассных системах). Именно интегрированные АС позволяют получить высококачественный звук в небольших помещениях с посредственной собственной акустикой, т.к. размеры акустического оформления оказываются соизмеримы с длинами волн наинизших слышимых частот звука.

Оформление и АЧХ

Конструктивное оформление интегрированной акустики для дома может быть выполнено 2-мя принципиально различными способами. Если подать музыкальный сигнал на ГГ, просто лежащую на столе, то басов (низких частот, НЧ) слышно не будет: длинные звуковые волны от фронтальной и тыльной поверхностей диффузора тут же сойдутся в противофазе и погасят друг друга. «Глушить» излучение с тыла непосредственно на динамике нельзя: во-первых, от большой упругости запертого в малом объеме воздуха собственная резонансная частота ГГ возрастет настолько, что басы все равно пропадут. Во-вторых, по той же причине диффузор будет прогибаться и давать призвуки, т.е. появятся искажения звука на средних частотах (СЧ) в виде хрипов. Задача любого акустического оформления динамиков как раз и заключается в том, чтобы или подавить излучение с тыла диффузора, не увеличивая существенно резонансной частоты ГГ и противодавления на диффузор, либо, «перевернув» тыльное излучение на 180 градусов по фазе, переизлучить его с фронта или, по крайней мере, из области, удаленной от фронтальной стороны АС на расстояние, много меньшее длин волн НЧ. Примерами акустического оформления 1-го рода являются закрытый ящик или щит (акустический экран) со звукопоглощающей структурой; 2-го – фазоинвертор, лабиринт, пассивный излучатель и др.

Примечание: известно также акустическое оформление АС, так сказать, комбинированного действия – открытый ящик, он же с панелью акустического сопротивления (ПАС), рупоры разных типов. Открытые ящики не годятся для современных компрессионных динамиков и, также как и рупоры, не могут быть встроены в уплощенные по одной координате предметы/конструкции. Поэтому о них ограничимся упоминанием.

Ящик

По схеме закрытого ящика выполняются чаще всего встроенные колонки в составе мебели. Закрытый ящик несколько повышает резонансную частоту ГГ, но спад его АЧХ (амплитудно-частотной характеристики) в сторону НЧ монотонный и пологий (слева на рис.), что делает звук более прозрачным и мягким. Это важно в помещениях с плохой собственной акустикой – кухнях, ванных. Не менее важно там и то, что закрытый ящик возможно сделать герметичным: в сочетании с влагостойким динамиком (см. далее) можно получить АС, длительное время выдерживающие тяжелые условия эксплуатации.

Идеализированная АЧХ одного и того же динамика в разном акустическом оформлении

Щит

Акустический экран теоретически не влияет на собственные АЧХ и резонансную частоту ГГ. На стандартном экране специальной конструкции как раз и снимают техданные ГГ в звукомерных камерах. Однако динамики на щите, встроенном в стену, подвержены действию пыли и, возможно, климатических факторов, если здание не утеплено как следует снаружи, поэтому на щит-обшивку желательно ставить динамики той же конструкции, что и в кухню/ванную (см. далее). Вследствие невозможности применять в них мощные сложные магнитные системы собственная добротность таких ГГ Q>0,7, отчего АЧХ на НЧ падает уже не монотонно, но и без больших провалов, в центре на рис. Свыше 95% слушателей, в т.ч. ординарных музыкантов, ухудшения качества звучания из-за этого не отмечает.

С поворотом фазы

АС с вращением фазы тыльного излучения позволяют получить максимальную звуковую отдачу ГГ на НЧ, в т.ч. и на частотах ниже собственной резонансной динамика. Цена этого – «горбатая» АЧХ и резкий ее спад на НЧ, справа на рис. Применительно к встраиваемым АС – также интенсивный воздухообмен с комнатой (кроме систем с пассивным излучателем). Поэтому интегрированные АС с поворотом фазы тыльной волны делать нежелательно.

Примечание: если вы поклонник Heavy Music (группа Doors), ранних Pink Floyd, тяжелого рока и металла, то вам как раз и нужны АС малого объема с фазоинвертором или рупорные – у них самый «злой» звук.

О динамиках в потолке

Потолочные динамики используются в системах звуковоспроизведения домашних кинотеатров, о чем мы еще вспомним в конце. Но встраивать АС в потолок имеет полный смысл и для прослушивания обычного стерео, на высоте не более 2,5 м. Дело в том, что человек плохо определяет локализацию источников звука по высоте. Басы по высоте источника различаются несколько лучше (за счет резонанса в полостях тела, между прочим), но как раз они основного стереоэффекта не создают.

Расширение зоны стереоэффекта путем установки динамиков под потолком

В небольших комнатах зона полного стереоэффекта оказывается очень малой, поз. 1 на рис. Если же поднять динамики вверх, расположив их с наклоном, то «хвост» стереозоны за счет того же подъема вверх стянется в проекции на пол (поз. 2), и реальная зона стереоэффекта расширится, поз. 3.

Гостиная, спальня и т.п.

Делать интегрированную акустику в жилых комнатах целесообразно прежде всего экономически. Почему – см. цены на модульные АС. Еще лучше, если стена, на которой будут размещены динамики, утеплена снаружи или смежная с соседней комнатой. В таком случае, если обшивка под акустику выполнена правильно (см. ниже), можно просто взять доску (переднюю панель) от старых колонок вместе с динамиками и разделительными фильтрами и поставить в стену. Нужный объем воздуха за доской легко получается установкой горизонтальных перегородок. Главная задача при этом – обшить стену так, чтобы гипсокартон не резонировал.

Схемы обрешетки под обшивку стен гипсокартоном с установкой встроенной акустики

Схемы обрешетки под обшивку стен гипсокартоном с установкой встроенной акустики для музыки и телевизора с сабвуфером (общей для обоих каналов басовой АС) даны на рис. Акустическое оформление комбинированное – щит с поглощающей структурой, ее образуют перфорированные рейки обрешетки совместно с полостями между ними, и/или закрытый ящик. Размер ячей обрешетки – не более 400х400 мм. Шаг установки крепежа гипсокартона – не более 80 мм. Если полости за обшивкой заполнить минватой (лучше – синтепоном, см. также далее), звук только улучшится. Наклон угловых секций относительно базовой стены – 10-30 градусов. Обрешетка одноуровневая, ее рейки врезаются на перекрестьях вполдерева. Каналы перфорации «дырявых» реек обрешетки должны располагаться параллельно стене. Поскольку басовых динамиков конструктивной глубиной 40 мм не бывает, под сабвуфер нужно из цельных реек или досок толщиной 40 мм выгородить надставку-ящик. Динамики в соотв. ячейки обрешетки монтируются обязательно на досках толщиной от 20 мм.

Об объеме за динамиками

Если в описанное акустическое оформление будут устанавливаться динамики с фильтрами от старой АС с фазоинвертором, то всю обрешетку нужно будет собрать из цельных реек, а объем за динамиками подогнать до величины его в исходной АС с помощью горизонтальных перегородок, т.к. иначе работа фазоинвертора нарушится.

Если же устанавливаются динамики от старых АС типа закрытый ящик, то объем за угловыми динамиками в стене нужно пересчитать на максимально допустимый по какой-либо из известных методик либо воспользоваться упрощенной (см. далее). Дело в том, что на производстве, в т.ч. в очень солидных фирмах, дизайнеры, маркетологи, экономисты и эргономисты часто всем скопом давят на конструкторов, заставляя их делать АС – закрытые ящики объема много меньше оптимального. Напр., объем потенциально очень неплохой 6АС-1 сделали 6,5 л в расчете на определенную категорию потребителей, а технически оптимальный для тех динамиков – 30 л. Звук тех же динамиков с фильтрами в подходящем ящике меняется поразительно – не в худшую сторону.

Ванная

То, что в ванную нужна влагостойкая акустика, очевидно. Цены на динамики-«непромокашки» категории Hi-Fi в фирменных прайсах также очевидны и способны вызвать бурю разнообразных эмоций, кроме радости. Итак, перед нами задача – сделать достаточно высококачественную встроенную акустику для ванной, обойдясь динамиками более доступными.

Динамики

Условия эксплуатации акустики в ванной комнате довольно сходны с таковыми в автомобиле. Отличия в том, что в ванной 100% влажность воздуха при повышенной его температуре возникает гораздо чаще, и не исключено регулярное попадание на АС брызг воды. Отсюда следует, что нам нужно в ванную подобрать автомобильные динамики возможно более влагостойкие «с лица», а с тыла защитить их от тумана и конденсата, т.к. наиболее уязвимые для климатических воздействий части любого динамика – катушка и магнитная система.

Автомобильные динамики, пригодные и непригодные для установки в ванной комнате

Динамики для самодельной акустики в ванную должны, во-первых, иметь пластиковый диффузор. Звук такие дают до четверочного (по пятибалльной шкале) с ма-а-леньким плюсиком, но в гигиеничной ванной на лучший рассчитывать и не приходится. Ванные комнаты с обшивкой по обрешетке оставим в умолчании: они полезнее для микробов и пауков, чем для людей. Применительно к условиям эксплуатации в ванной комнате придется дополнительно обратить внимание на некоторые конструктивные особенности автодинамиков, а как их выбрать по техническим данным, см. видео ниже.

Видео: выбор автомобильных динамиков для встраивания по тех. характеристикам

Для повышения стойкости АС к микроклимату ванной нужно использовать динамики или широкополосные, или моноблочные ИЗШМ; разделительных фильтров в корпусе АС не должно быть. Если динамик представляет собой ИЗШМ, то диффузоры всех звеньев (НЧ, СЧ, ВЧ) должны быть пластиковыми или металлическими (металлизированными), СЧ-ВЧ звенья должны быть расположены на влагостойком монтажном модуле, а проводка к ним выполнена скрытой (слева на рис.); автодинамики, диффузор хотя бы одного звена которых целлюлозный, а проводка к СЧ-ВЧ открытая (справа на рис.), в ванную не годятся, хоть бы в салоне машины они пели, как хор Александрова в Большом Театре.

Ящик

Защитить тыл динамика от ванного климата возможно, применив акустическое оформление закрытый ящик. Встраивать АС-ящики придется либо в углы, боковые или верхний, под потолком, либо в ванную мебель: шкаф, тумбу, трюмо.

Правильные пропорции закрытого ящика для акустики даны на поз. 1 рис., а минимально допустимый объем для широкополосных и автодинамиков долговременной мощности 6-20 Вт (20-60 Вт музыкальной) приблизительно можно взять (в литрах) равным 1,4 долговременной мощности или 0,47 музыкальной (пиковой). Максимально допустимый объем берем равным от 1,8 пиковой мощности или 5,4 от долговременной. Обратите внимание, что динамик устанавливается не точно по центру лицевой панели: так нужно, чтобы избежать искажений звука вследствие интерференции внутри ящика звуковых волн. Если объем ящика ближе к минимальному, звук на СЧ будет громче и четче, но нижняя граница воспроизводимых частот сдвинется вверх, т.е. глубокие басы приглушатся или затухнут. Если ближе к максимальному – наоборот.

Устройство акустических систем типа закрытый ящик

Примечание: с мощностями динамиков нужно разбираться по спецификации, т.к. в обозначениях наличествует разнобой. Напр., 10ГДШ-1 по-новому стал 10ГД-36К, и «10» обозначает его долговременную мощность в ваттах. А вот у 25ГДН-1-8-80 долговременная мощность тоже 10 Вт.

Материал корпуса – МДФ или фанера толщиной 18-24 мм. Детали из того и другого 2-3 раза пропитываются насквозь водно-полимерной эмульсией. Сборка акустической системы «закрытый ящик» для ванной производится след. образом:

1. Собирается на силиконовом клею и стойком к коррозии крепеже коробка без передней стенки (лицевой панели);
2. Сквозь заднюю (боковую) стенку проводится кабель, выводится наружу из проема прим. на 0,5 м, а кабельный ввод герметизируется силиконом;
3. В корпус вкладывается заполнение (см. ниже);
4. В проеме с отступом от края на толщину лицевой панели крепится для нее монтажная рамка из рейки от 20х20 до 40х40;
5. На лицевую панель устанавливается динамик;
6. Стык корпуса динамика и лицевой панели герметизируется силиконом;
7. Провода припаиваются к клеммам динамика. Не вставляются в штатные зажимы! И следите за полярностью (фазировкой), потом не исправишь! Пайки защищаются нитролаком;
8. На монтажную рамку змейкой наносится силиконовый клей;
9. Лицевая панель с динамиком устанавливается на место и закрепляется никелированным или хромированным крепежом: по углам, посередине коротких сторон и по 2 точки крепления на длинных сторонах;
10. Окно с диффузором динамика затягивается защитной микросеткой, напр., из лоскута женских колготок на рамке;
11. Монтируется брызгозащитная решетка (см. далее);
12. АС дважды лакируется акриловым лаком и устанавливается на место.

Заполнение

Встроенная акустика для ванной должна быть как можно более компактной, и давно известно средство увеличить физический объем ящика против геометрического. Для этого в корпус АС помещают вертикально рыхлый рулон синтепона, поз. 2 на рис. Заполнение поглотит энергию внутренних звуковых волн, отчего термодинамический процесс в ящике станет изотермическим, а не адиабатическим. Это эквивалентно увеличению объема ящика в 1,4 раза (показатель адиабаты). Т.е., прикидываем, как описано выше, объем ящика, делим его на 1,4, затем по полученному значению и пропорциям ящика вычисляем его внутренние размеры, а по ним и толщине материала – наружные и размеры деталей.

Жалюзи-линза

Совместно с микросеткой надежно защитит динамик от брызг жалюзи из наклонных вниз под 45 градусов жестких влагостойких пластин с полированной (во избежание искажений звука) поверхностью, поз. 3. Устанавливается жалюзи во всю ширину лицевой панели, а по ее высоте сверх окна под динамик – неограниченно. Шаг установки пластин – 12-18 мм. Рационально будет также выполнить жалюзи в виде акустической линзы, расширяющей зону стереоэффекта, что в ванной немаловажно. Выкройка пластин для жалюзи-линзы дана на поз. 4.

Ящик для резвых

Относительно недороги во влагостойком исполнении широкополосные маломощные динамики с коротким ходом диффузора; недорогие автодинамики часто того же типа. Американские радиолюбители прозвали такие динамики резвыми за большую громкость звучания при малой подводимой мощности и жесткий, резкий звук. Причина последнего – большая неравномерность АЧХ во всем рабочем диапазоне.

В последние годы звучание «резвых» стало гораздо лучше: производители в массу для отливки диффузора стали добавлять мелко нарубленные шелковые нити, но для влагостойких «резвых» такое решение неприменимо, т.к. их диффузоры отливаются из пластика. Тем не менее, заставить «резвые» звучать на уровне базового Hi-Fi возможно. Кроме динамического диапазона, но в небольшой ванной или кухне это ограничение несущественно.

Первое, «резвые» динамики объединяются синфазно в четверки-квадруплеты. Кроме некоторого сглаживания АЧХ, резонансная частота квадруплета оказывается прим. в 1,7 раза ниже, чем одинарного динамика из него. Т.е., у одного 110 Гц, а у квадруплета будет 65 Гц, что уже тянет на Hi-Fi. Но увлекаться «размножением» динамиков не стоит, т.к. при этом падает четкость и сила, «упругость» басов. Напр., если 24 динамика с резонансом в 150 Гц запихать и один ящик, то итоговая резонансная частота будет 20 Гц. Однако верно воспроизводить это скопище будет только синусоидальный сигнал, а если дать музыку, то пойдет невнятное утробное уханье, в котором и музыкант не разберет, где большой барабан, а где контрабас.

В дополнение к объединению в четверки улучшить качество звучания «резвых» можно, помещая квадруплет в корпус треугольной в плане формы. Для встроенных АС это тем более хорошо, что таким образом реализуется и боковая, и потолочная акустика. Чертежи разработанной американскими радиолюбителями акустической системы «Четверка резвых» даны на поз. 5 рис. Обратите внимание, что ось квадруплета также смещена от центра лицевой панели. Размеры – по внутри. Заполнение синтепоном улучшает звук, как и в прямоугольном ящике.

Кухня

В кухне удобно слушать музыку от кухонного радио-плеера со штатными динамиками, поз. 1 на рис., которые наверняка те же «резвые» с шелком. Стоит такое хозяйство в общем недорого, а получить от него вполне приличный бас можно, встроив динамики в спинку кухонного уголка, поз. 2. Если у вас есть желание сделать кухонный уголок точно под свою кухню своими руками (что вполне под силу рядовому домашнему мастеру), подумайте об этом варианте.

Установка встроенных динамиков в кухонную мебель

Полость за спинкой дивана сверху, снизу и с боков плотно отгораживается, а посередине разгораживается глухой перегородкой (поз. 3), чтобы не портить стерео. Ящики заполняются синтепоном, и все сзади зашивается ДВП. Чтобы стерео в небольшом загроможденном помещении было четче, а звук сочнее, верхний угол над акустикой (под потолком или подвесным шкафом) скругляют гипсокартоном или фанерой, вверху на поз. 2. Подобное техническое решение впервые было применено в широко известной когда-то АС «Кюхетта». К сожалению, стерео «Кюхетта» так и не родилась: для нее нужны были два совершенно свободных смежных угла на короткой стене, что в современных квартирах вряд ли реально.

5-1 и кино

Для домашнего кинотеатра, как известно, используется акустика системы 5-1 с дополнительными потолочными динамиками. Ее создатель, выдающийся, даже, без преувеличения, великий звукотехник Чарльз Долби не раз сетовал, что 5-1 слишком уж ретиво выхватили для коммерческого использования. Он-то придумал акустику 5-1 для полнообъемного кино будущего, где зритель, по идее, сможет ходить по сцене, рассматривая персонажей и обстановку со всех сторон. Кино 3D – только иллюзия объемности; в сущности, это усовершенствованная стереопара. Как и 5D, 7D, 9D. Куда там фантастам прошлого с их несчастным четвертым измерением. Но все эти «D» объемны не более, чем изображение кубика в изометрии.

Звук 5-1 может, конечно, оживить и фильм на плоском экране, но для этого нужна совершенно иная культура постановки, которой пока нет и в теории. А ощущения проезжающего сквозь зрителя автомобиля или топот за спиной, когда персонаж бежит перед глазами, не дают ничего, кроме вреда душевному и, через него, физическому здоровью. Но вернемся к технике: если кто обзавелся домашним кинотеатром, то настроить его акустику под помещение нужно правильно, система 5-1 к этому очень критична.

Схема установки акустики для домашнего кинотеатра

Расположение динамиков для домашнего кинотеатра с системой озвучивания 5-1 показано слева на рис. Его основа – т. наз. рисующие АС (показаны красными стрелками), образующие обычную акустическую стереопару. Настройка 5-1 под комнату производится подбором правильного их расположения, поэтому рисующие АС звука 5-1 встроенными делать не следует, либо нужно изначально проектировать 5-1 под помещение. Для чего требуется полное знание электроакустики в теории и на практике или весьма и весьма значительные денежные средства.

Чтобы самостоятельно сделать акустику для домашнего кинотеатра, рисующие акустические системы нужно делать напольными; для удобства настройки и возможности спрятать их среди мебели – в виде высоких узких колонок (показаны красными стрелками справа на рис.). Оптимальный вид акустического оформления для такого случая – лабиринт, тем более что звуковые колонки лабиринтного типа можно сделать своими руками, обладая лишь самыми начальными познаниями в электроакустике и обычным домашним инструментом.

Примечание: подробную информацию об общей теории и практике конструирования акустических систем своими руками рекомендуем изучить по ссылке.

Содержание

1. Простейшие
2. Сразу вверх
3. Теоретическая интермедия
4. Лампы
5. Как сделать трансформатор?
6. На микросхемах
7. УМЗЧ для сабвуфера
8. Усилитель для наушников
> Обсуждение

– Сосед запарил по батарее стучать. Сделал музыку громче, чтобы его не слышать.
(Из фольклора аудиофилов).

Эпиграф иронический, но аудиофил совсем не обязательно «больной на всю голову» с физиономией Джоша Эрнеста на брифинге по вопросам отношений с РФ, которого «прёт» оттого, что соседи «счастливы». Кто-то хочет слушать серьезную музыку дома как в зале. Качество аппаратуры для этого нужно такое, какое у любителей децибел громкости как таковых просто не помещается там, где у здравомыслящих людей ум, но у последних оный за разум заходит от цен на подходящие усилители (УМЗЧ, усилитель мощности звуковой частоты). А у кого-то попутно возникает желание приобщиться к полезным и увлекательным сферам деятельности – технике воспроизведения звука и вообще электронике. Которые в век цифровых технологий неразрывно связаны и могут стать высокодоходной и престижной профессией. Оптимальный во всех отношениях первый шаг в этом деле – сделать усилитель своими руками: именно УМЗЧ позволяет с начальной подготовкой на базе школьной физики на одном и том же столе пройти путь от простейших конструкций на полвечера (которые, тем не менее, неплохо «поют») до сложнейших агрегатов, через которые с удовольствием сыграет и хорошая рок-группа. Цель данной публикации – осветить первые этапы этого пути для начинающих и, возможно, сообщить кое-что новое опытным.

УМЗЧ мощностью 350 Вт

Простейшие

Итак, для начала попробуем сделать усилитель звука, который просто работает. Чтобы основательно вникнуть в звукотехнику, придется постепенно освоить довольно много теоретического материала и не забывать по мере продвижения обогащать багаж знаний. Но любая «умность» усваивается легче, когда видишь и щупаешь, как она работает «в железе». В этой статье далее тоже без теории не обойдется – в том, что нужно знать поначалу и что возможно пояснить без формул и графиков. А пока достаточно будет умения паять электропаяльником и пользоваться мультитестером.

Примечание: если вы до сих пор не паяли электронику, учтите – ее компоненты нельзя перегревать! Паяльник – до 40 Вт (лучше 25 Вт), максимально допустимое время пайки без перерыва – 10 с. Паяемый вывод для теплоотвода удерживается в 0,5-3 см от места пайки со стороны корпуса прибора медицинским пинцетом. Кислотные и др. активные флюсы применять нельзя! Припой – ПОС-61.

Слева на рис. – простейший УМЗЧ, «который просто работает». Его можно собрать как на германиевых, так и на кремниевых транзисторах.

Простейшие усилители звука

На этой крошке удобно осваивать азы наладки УМЗЧ с непосредственными связями между каскадами, дающими наиболее чистый звук:

• Перед первым включением питания нагрузку (динамик) отключаем;
• Вместо R1 впаиваем цепочку из постоянного резистора на 33 кОм и переменного (потенциометра) на 270 кОм, т.е. первый прим. вчетверо меньшего, а второй прим. вдвое большего номинала против исходного по схеме;
• Подаем питание и, вращая движок потенциометра, в точке, обозначенной крестиком, выставляем указанный ток коллектора VT1;
• Снимаем питание, выпаиваем временные резисторы и замеряем их общее сопротивление;
• В качестве R1 ставим резистор номинала из стандартного ряда, ближайшего к измеренному;
• Заменяем R3 на цепочку постоянный 470 Ом + потенциометр 3,3 кОм;
• Так же, как по пп. 3-5, в т. а выставляем напряжение, равное половине напряжения питания.

Точка а, откуда снимается сигнал в нагрузку это т. наз. средняя точка усилителя. В УМЗЧ с однополярным питанием в ней выставляют половину его значения, а в УМЗЧ в двухполярным питанием – ноль относительно общего провода. Это называется регулировкой баланса усилителя. В однополярных УМЗЧ с емкостной развязкой нагрузки отключать ее на время наладки не обязательно, но лучше привыкать делать это рефлекторно: разбалансированный 2-полярный усилитель с подключенной нагрузкой способен сжечь свои же мощные и дорогие выходные транзисторы, а то и «новый, хороший» и очень дорогой мощный динамик.

Примечание: компоненты, требующие подбора при наладке устройства в макете, на схемах обозначаются или звездочкой (*), или штрихом-апострофом (‘).

В центре на том же рис. – простой УМЗЧ на транзисторах, развивающий уже мощность до 4-6 Вт на нагрузке 4 Ом. Хотя и работает он, как и предыдущий, в т. наз. классе AB1, не предназначенном для Hi-Fi озвучивания, но, если заменить парой таких усилитель класса D (см. далее) в дешевых китайских компьютерных колонках, их звучание заметно улучшается. Здесь узнаем еще одну хитрость: мощные выходные транзисторы нужно ставить на радиаторы. Компоненты, требующие дополнительного охлаждения, на схемах обводятся пунктиром; правда, далеко не всегда; иногда – с указанием необходимой рассеивающей площади теплоотвода. Наладка этого УМЗЧ – балансировка с помощью R2.

Справа на рис. – еще не монстр на 350 Вт (как был показан в начале статьи), но уже вполне солидный зверюга: простой усилитель на транзисторах мощностью 100 Вт. Музыку через него слушать можно, но не Hi-Fi, класс работы – AB2. Однако для озвучивания площадки для пикника или собрания на открытом воздухе, школьного актового или небольшого торгового зала он вполне пригоден. Любительская рок-группа, имея по такому УМЗЧ на инструмент, может успешно выступать.

В этом УМЗЧ проявляются еще 2 хитрости: во-первых, в очень мощных усилителях каскад раскачки мощного выхода тоже нужно охлаждать, поэтому VT3 ставят на радиатор от 100 кв. см. Для выходных VT4 и VT5 нужны радиаторы от 400 кв. см. Во-вторых, УМЗЧ с двухполярным питанием совсем без нагрузки не балансируются. То один, то другой выходной транзистор уходит в отсечку, а сопряженный в насыщение. Затем, на полном напряжении питания скачки тока при балансировке способны вывести из строя выходные транзисторы. Поэтому для балансировки (R6, догадались?) усилитель запитывают от +/–24 В, а вместо нагрузки включают проволочный резистор 100…200 Ом. Кстати, закорючки в некоторых резисторах на схеме – римские цифры, обозначающие их необходимую мощность рассеяния тепла.

Примечание: источник питания для этого УМЗЧ нужен мощностью от 600 Вт. Конденсаторы сглаживающего фильтра – от 6800 мкФ на 160 В. Параллельно электролитическим конденсаторам ИП включаются керамические по 0,01 мкФ для предотвращения самовозбуждения на ультразвуковых частотах, способного мгновенно сжечь выходные транзисторы.

На полевиках

На след. рис. – еще один вариант достаточно мощного УМЗЧ (30 Вт, а при напряжении питания 35 В – 60 Вт) на мощных полевых транзисторах:

УМЗЧ на мощных полевых транзисторах

Звук от него уже тянет на требования к Hi-Fi начального уровня (если, разумеется, УМЗЧ работает на соотв. акустические системы, АС). Мощные полевики не требуют большой мощности для раскачки, поэтому и предмощного каскада нет. Еще мощные полевые транзисторы ни при каких неисправностях не сжигают динамики – сами быстрее сгорают. Тоже неприятно, но все-таки дешевле, чем менять дорогую басовую головку громкоговорителя (ГГ). Балансировка и вообще наладка данному УМЗЧ не требуются. Недостаток у него, как у конструкции для начинающих, всего один: мощные полевые транзисторы много дороже биполярных для усилителя с такими же параметрами. Требования к ИП – аналогичные пред. случаю, но мощность его нужна от 450 Вт. Радиаторы – от 200 кв. см.

Примечание: не надо строить мощные УМЗЧ на полевых транзисторах для импульсных источников питания, напр. компьютерных. При попытках «загнать» их в активный режим, необходимый для УМЗЧ, они или просто сгорают, или звук дают слабый, а по качеству «никакой». То же касается мощных высоковольтных биполярных транзисторов, напр. из строчной развертки старых телевизоров.

Сразу вверх

Если вы уже сделали первые шаги, то вполне естественным будет желание построить УМЗЧ класса Hi-Fi, не вдаваясь слишком глубоко в теоретические дебри. Для этого придется расширить приборный парк – нужен осциллограф, генератор звуковых частот (ГЗЧ) и милливольтметр переменного тока с возможностью измерения постоянной составляющей. Прототипом для повторения лучше взять УМЗЧ Е. Гумели, подробно описанный в «Радио» №1 за 1989 г. Для его постройки понадобится немного недорогих доступных компонент, но качество удовлетворяет весьма высоким требованиям: мощность до 60 Вт, полоса 20-20 000 Гц, неравномерность АЧХ 2 дБ, коэффициент нелинейных искажений (КНИ) 0,01%, уровень собственных шумов –86 дБ. Однако наладить усилитель Гумели достаточно сложно; если вы с ним справитесь, можете браться за любой другой. Впрочем, кое-какие из известных ныне обстоятельств намного упрощают налаживание данного УМЗЧ, см. ниже. Имея в виду это и то, что в архивы «Радио» пробраться не всем удается, уместно будет повторить основные моменты.

Схемы простого высококачественного УМЗЧ

Схемы УМЗЧ Гумели и спецификация к ним даны на иллюстрации. Радиаторы выходных транзисторов – от 250 кв. см. для УМЗЧ по рис. 1 и от 150 кв. см. для варианта по рис. 3 (нумерация оригинальная). Транзисторы предвыходного каскада (КТ814/КТ815) устанавливаются на радиаторы, согнутые из алюминиевых пластин 75х35 мм толщиной 3 мм. Заменять КТ814/КТ815 на КТ626/КТ961 не стоит, звук заметно не улучшается, но налаживание серьезно затрудняется.

Чертежи печатных плат и указания по налаживанию простого высококачественного УМЗЧ

Этот УМЗЧ очень критичен к электропитанию, топологии монтажа и общей, поэтому налаживать его нужно в конструктивно законченном виде и только со штатным источником питания. При попытке запитать от стабилизированного ИП выходные транзисторы сгорают сразу. Поэтому на рис. даны чертежи оригинальных печатных плат и указания по наладке. К ним можно добавить что, во-первых, если при первом включении заметен «возбуд», с ним борются, меняя индуктивность L1. Во-вторых, выводы устанавливаемых на платы деталей должны быть не длиннее 10 мм. В-третьих, менять топологию монтажа крайне нежелательно, но, если очень надо, на стороне проводников обязательно должен быть рамочный экран (земляная петля, выделена цветом на рис.), а дорожки электропитания должны проходить вне ее.

Примечание: разрывы в дорожках, к которым подключаются базы мощных транзисторов – технологические, для налаживания, после чего запаиваются каплями припоя.

Налаживание данного УМЗЧ много упрощается, а риск столкнуться с «возбудом» в процессе пользования сводится к нулю, если:

• Минимизировать межблочный монтаж, поместив платы на радиаторах мощных транзисторов.
• Полностью отказаться от разъемов внутри, выполнив весь монтаж только пайкой. Тогда не нужны будут R12, R13 в мощном варианте или R10 R11 в менее мощном (на схемах они пунктирные).
• Использовать для внутреннего монтажа аудиопровода из бескислородной меди минимальной длины.

При выполнении этих условий с возбуждением проблем не бывает, а налаживание УМЗЧ сводится к рутинной процедуре, описанной на рис.

Провода для звука

Аудиопровода не досужая выдумка. Необходимость их применения в настоящее время несомненна. В меди с примесью кислорода на гранях кристаллитов металла образуется тончайшая пленочка окисла. Оксиды металлов полупроводники и, если ток в проводе слабый без постоянной составляющей, его форма искажается. По идее, искажения на мириадах кристаллитов должны компенсировать друг друга, но самая малость (похоже, обусловленная квантовыми неопределенностями) остается. Достаточная, чтобы быть замеченной взыскательными слушателями на фоне чистейшего звука современных УМЗЧ.

Производители и торговцы без зазрения совести подсовывают вместо бескислородной обычную электротехническую медь – отличить одну от другой на глаз невозможно. Однако есть сфера применения, где подделка не проходит однозначно: кабель витая пара для компьютерных сетей. Положить сетку с длинными сегментами «леварем», она или вовсе не запустится, или будет постоянно глючить. Дисперсия импульсов, понимаешь ли.

Автор, когда только еще пошли разговоры об аудиопроводах, понял, что, в принципе, это не пустая болтовня, тем более, что бескислородные провода к тому времени уже давно использовались в технике спецназначения, с которой он по роду деятельности был хорошо знаком. Взял тогда и заменил штатный шнур своих наушников ТДС-7 самодельным из «витухи» с гибкими многожильными проводами. Звук, на слух, стабильно улучшился для сквозных аналоговых треков, т.е. на пути от студийного микрофона до диска нигде не подвергавшихся оцифровке. Особенно ярко зазвучали записи на виниле, сделанные по технологии DMM (Direct Meta lMastering, непосредственное нанесение металла). После этого межблочный монтаж всего домашнего аудио был переделан на «витушный». Тогда улучшение звучания стали отмечать и совершенно случайные люди, к музыке равнодушные и заранее не предуведомленные.

Как сделать межблочные провода из витой пары, см. след. видео.

Видео: межблочные провода из витой пары своими руками

К сожалению, гибкая «витуха» скоро исчезла из продажи – плохо держалась в обжимаемых разъемах. Однако, к сведению читателей, только из бескислородной меди делается гибкий «военный» провод МГТФ и МГТФЭ (экранированный). Подделка невозможна, т.к. на обычной меди ленточная фторопластовая изоляция довольно быстро расползается. МГТФ сейчас есть в широкой продаже и стоит много дешевле фирменных, с гарантией, аудиопроводов. Недостаток у него один: его невозможно выполнить расцвеченным, но это можно исправить бирками. Есть также и бескислородные обмоточные провода, см. далее.

Теоретическая интермедия

Как видим, уже на первых порах освоения звукотехники нам пришлось столкнуться с понятием Hi-Fi (High Fidelity), высокая верность воспроизведения звука. Hi-Fi бывают разных уровней, которые ранжируются по след. основным параметрам:

1. Полосе воспроизводимых частот.
2. Динамическому диапазону – отношению в децибелах (дБ) максимальной (пиковой) выходной мощности к уровню собственных шумов.
3. Уровню собственных шумов в дБ.
4. Коэффициенту нелинейных искажений (КНИ) на номинальной (долговременной) выходной мощности. КНИ на пиковой мощности принимается 1% или 2% в зависимости от методики измерений.
5. Неравномерности амплитудно-частотной характеристики (АЧХ) в полосе воспроизводимых частот. Для АС – отдельно на низких (НЧ, 20-300 Гц), средних (СЧ, 300-5000 Гц) и высоких (ВЧ, 5000-20 000 Гц) звуковых частотах.

Примечание: отношение абсолютных уровней каких-либо величин I в (дБ) определяется как P(дБ) = 20lg(I1/I2). Если I1<I2, P будет отрицательным. Полезно запомнить – P=3дБ соотв. численному отношению в 1,41 раза, P=6дБ – в 2 раза, P=12дБ – в 4 раза, P=20дБ в 10 раз, P=40дБ в 100 раз и P=60дБ в 1000 раз.

Все тонкости и нюансы Hi-Fi нужно знать, занимаясь проектированием и постройкой АС, а что касается самодельного Hi-Fi УМЗЧ для дома, то, прежде чем переходить к таким, нужно четко уяснить себе требования к их мощности, необходимой для озвучивания данного помещения, динамическому диапазону (динамике), уровню собственных шумов и КНИ. Добиться от УМЗЧ полосы частот 20-20 000 Гц с завалом на краях по 3 дБ и неравномерностью АЧХ на СЧ в 2 дБ на современной элементной базе не составляет больших сложностей.

Громкость

Мощность УМЗЧ не самоцель, она должна обеспечивать оптимальную громкость воспроизведения звука в данном помещении. Определить ее можно по кривым равной громкости, см. рис. Естественных шумов в жилых помещениях тише 20 дБ не бывает; 20 дБ это лесная глушь в полный штиль. Уровень громкости в 20 дБ относительно порога слышимости это порог внятности – шепот разобрать еще можно, но музыка воспринимается только как факт ее наличия. Опытный музыкант может определить, какой инструмент играет, но что именно – нет.

Кривые равной громкости

40 дБ – нормальный шум хорошо изолированной городской квартиры в тихом районе или загородного дома – представляет порог разборчивости. Музыку от порога внятности до порога разборчивости можно слушать при наличии глубокой коррекции АЧХ, прежде всего по басам. Для этого в современные УМЗЧ вводят функцию MUTE (приглушка, мутирование, не мутация!), включающую соотв. корректирующие цепи в УМЗЧ.

90 дБ – уровень громкости симфонического оркестра в очень хорошем концертном зале. 110 дБ может выдать оркестр расширенного состава в зале с уникальной акустикой, каких в мире не более 10, это порог восприятия: звуки громче воспринимаются еще как различимый по смыслу с усилием воли, но уже раздражающий шум. Зона громкости в жилых помещениях 20-110 дБ составляет зону полной слышимости, а 40-90 дБ – зону наилучшей слышимости, в которой неподготовленные и неискушенные слушатели вполне воспринимают смысл звука. Если, конечно, он в нем есть.

Мощность

Расчет мощности аппаратуры по заданной громкости в зоне прослушивания едва ли не основная и самая трудная задача электроакустики. Для себя в условиях лучше идти от акустических систем (АС): рассчитать их мощность по упрощенной методике, и принять номинальную (долговременную) мощность УМЗЧ равной пиковой (музыкальной) АС. В таком случае УМЗЧ не добавит заметно своих искажений к таковым АС, они и так основной источник нелинейности в звуковом тракте. Но и делать УМЗЧ слишком мощным не следует: в таком случае уровень его собственных шумов может оказаться выше порога слышимости, т.к. считается он от уровня напряжения выходного сигнала на максимальной мощности. Если считать совсем уж просто, то для комнаты обычной квартиры или дома и АС с нормальной характеристической чувствительностью (звуковой отдачей) можно принять след. значения оптимальной мощности УМЗЧ:

• До 8 кв. м – 15-20 Вт.
• 8-12 кв. м – 20-30 Вт.
• 12-26 кв. м – 30-50 Вт.
• 26-50 кв. м – 50-60 Вт.
• 50-70 кв. м – 60-100 Вт.
• 70-100 кв. м – 100-150 Вт.
• 100-120 кв. м – 150-200 Вт.
• Более 120 кв. м – определяется расчетом по данным акустических измерений на месте.

Динамика

Динамический диапазон УМЗЧ определяется по кривым равной громкости и пороговым значениям для разных степеней восприятия:

1. Симфоническая музыка и джаз с симфоническим сопровождением – 90 дБ (110 дБ – 20 дБ) идеал, 70 дБ (90 дБ – 20 дБ) приемлемо. Звук с динамикой 80-85 дБ в городской квартире не отличит от идеального никакой эксперт.
2. Прочие серьезные музыкальные жанры – 75 дБ отлично, 80 дБ «выше крыши».
3. Попса любого рода и саундтреки к фильмам – 66 дБ за глаза хватит, т.к. данные опусы уже при записи сжимаются по уровням до 66 дБ и даже до 40 дБ, чтобы можно было слушать на чем угодно.

Динамический диапазон УМЗЧ, правильно выбранного для данного помещения, считают равным его уровню собственных шумов, взятому со знаком +, это т. наз. отношение сигнал/шум.

КНИ

Нелинейные искажения (НИ) УМЗЧ это составляющие спектра выходного сигнала, которых не было во входном. Теоретически НИ лучше всего «затолкать» под уровень собственных шумов, но технически это очень трудно реализуемо. На практике берут в расчет т. наз. эффект маскировки: на уровнях громкости ниже прим. 30 дБ диапазон воспринимаемых человеческим ухом частот сужается, как и способность различать звуки по частоте. Музыканты слышат ноты, но оценить тембр звука затрудняются. У людей без музыкального слуха эффект маскировки наблюдается уже на 45-40 дБ громкости. Поэтому УМЗЧ с КНИ 0,1% (–60 дБ от уровня громкости в 110 дБ) оценит как Hi-Fi рядовой слушатель, а с КНИ 0,01% (–80 дБ) можно считать не искажающим звук.

Лампы

Последнее утверждение, возможно, вызовет неприятие, вплоть до яростного, у адептов ламповой схемотехники: мол, настоящий звук дают только лампы, причем не просто какие-то, а отдельные типы октальных. Успокойтесь, господа – особенный ламповый звук не фикция. Причина – принципиально различные спектры искажений у электронных ламп и транзисторов. Которые, в свою очередь, обусловлены тем, что в лампе поток электронов движется в вакууме и квантовые эффекты в ней не проявляются. Транзистор же прибор квантовый, там неосновные носители заряда (электроны и дырки) движутся в кристалле, что без квантовых эффектов вообще невозможно. Поэтому спектр ламповых искажений короткий и чистый: в нем четко прослеживаются только гармоники до 3-й – 4-й, а комбинационных составляющих (сумм и разностей частот входного сигнала и их гармоник) очень мало. Поэтому во времена вакуумной схемотехники КНИ называли коэффициентом гармоник (КГ). У транзисторов же спектр искажений (если они измеримы, оговорка случайная, см. ниже) прослеживается вплоть до 15-й и более высоких компонент, и комбинационных частот в нем хоть отбавляй.

На первых порах твердотельной электроники конструкторы транзисторных УМЗЧ брали для них привычный «ламповый» КНИ в 1-2%; звук с ламповым спектром искажений такой величины рядовыми слушателями воспринимается как чистый. Между прочим, и самого понятия Hi-Fiтогда еще не было. Оказалось – звучат тускло и глухо. В процессе развития транзисторной техники и выработалось понимание, что такое Hi-Fi и что для него нужно.

В настоящее время болезни роста транзисторной техники успешно преодолены и побочные частоты на выходе хорошего УМЗЧ с трудом улавливаются специальными методами измерений. А ламповую схемотехнику можно считать перешедшей в разряд искусства. Его основа может быть любой, почему же электронике туда нельзя? Тут уместна будет аналогия с фотографией. Никто не сможет отрицать, что современная цифрозеркалка дает картинку неизмеримо более четкую, подробную, глубокую по диапазону яркостей и цвета, чем фанерный ящичек с гармошкой. Но кто-то крутейшим Никоном «клацает фотки» типа «это мой жирный кошак нажрался как гад и дрыхнет раскинув лапы», а кто-то Сменой-8М на свемовскую ч/б пленку делает снимок, перед которым на престижной выставке толпится народ.

Примечание: и еще раз успокойтесь – не все так плохо. На сегодня у ламповых УМЗЧ малой мощности осталось по крайней мере одно применение, и не последней важности, для которого они технически необходимы.

Опытный стенд

Многие любители аудио, едва научившись паять, тут же «уходят в лампы». Это ни в коем случае не заслуживает порицания, наоборот. Интерес к истокам всегда оправдан и полезен, а электроника стала таковой на лампах. Первые ЭВМ были ламповыми, и бортовая электронная аппаратура первых космических аппаратов была тоже ламповой: транзисторы тогда уже были, но не выдерживали внеземной радиации. Между прочим, тогда под строжайшим секретом создавались и ламповые… микросхемы! На микролампах с холодным катодом. Единственное известное упоминание о них в открытых источниках есть в редкой книге Митрофанова и Пикерсгиля «Современные приемно-усилительные лампы».

Ламповый УМЗЧ с возможностью переключения режимов выходного каскада

Но хватит лирики, к делу. Для любителей повозиться с лампами на рис. – схема стендового лампового УМЗЧ, предназначенного именно для экспериментов: SA1 переключается режим работы выходной лампы, а SA2 – напряжение питания. Схема хорошо известна в РФ, небольшая доработка коснулась только выходного трансформатора: теперь можно не только «гонять» в разных режимах родную 6П7С, но и подбирать для других ламп коэффициент включения экранной сетки в ульралинейном режиме; для подавляющего большинства выходных пентодов и лучевых тетродов он или 0,22-0,25, или 0,42-0,45. Об изготовлении выходного трансформатора см. ниже.

Гитаристам и рокерам

Это тот самый случай, когда без ламп не обойтись. Как известно, электрогитара стала полноценным солирующим инструментом после того, как предварительно усиленный сигнал со звукоснимателя стали пропускать через специальную приставку – фьюзер – преднамеренно искажающую его спектр. Без этого звук струны был слишком резким и коротким, т.к. электромагнитный звукосниматель реагирует только на моды ее механических колебаний в плоскости деки инструмента.

Вскоре выявилось неприятное обстоятельство: звучание электрогитары с фьюзером обретает полную силу и яркость только на больших громкостях. Особенно это проявляется для гитар со звукоснимателем типа хамбакер, дающим самый «злой» звук. А как быть начинающему, вынужденному репетировать дома? Не идти же в зал выступать, не зная точно, как там зазвучит инструмент. И просто любителям рока хочется слушать любимые вещи в полном соку, а рокеры народ в общем-то приличный и неконфликтный. По крайней мере те, кого интересует именно рок-музыка, а не антураж с эпатажем.

Так вот, оказалось, что роковый звук появляется на уровнях громкости, приемлемых для жилых помещений, если УМЗЧ ламповый. Причина – специфическое взаимодействие спектра сигнала с фьюзера с чистым и коротким спектром ламповых гармоник. Тут снова уместна аналогия: ч/б фото может быть намного выразительнее цветного, т.к. оставляет для просмотра только контур и свет.

Тем, кому ламповый усилитель нужен не для экспериментов, а в силу технической необходимости, долго осваивать тонкости ламповой электроники недосуг, они другим увлечены. УМЗЧ в таком случае лучше делать бестрансформаторный. Точнее – с однотактным согласующим выходным трансформатором, работающим без постоянного подмагничивания. Такой подход намного упрощает и ускоряет изготовление самого сложного и ответственного узла лампового УМЗЧ.

“Бестрансформаторный” ламповый выходной каскад УМЗЧ и предварительные усилители к нему

Справа на рис. дана схема бестрансформаторного выходного каскада лампового УМЗЧ, а слева – варианты предварительного усилителя для него. Вверху – с регулятором тембра по классической схеме Баксандала, обеспечивающей достаточно глубокую регулировку, но вносящей небольшие фазовые искажения в сигнал, что может быть существенно при работе УМЗЧ на 2-полосную АС. Внизу – предусилитель с регулировкой тембра попроще, не искажающей сигнал.

Но вернемся к «оконечнику». В ряде зарубежных источников данная схема считается откровением, однако идентичная ей, за исключением емкости электролитических конденсаторов, обнаруживается в советском «Справочнике радиолюбителя» 1966 г. Толстенная книжища на 1060 страниц. Не было тогда интернета и баз данных на дисках.

Описание бестрансформаторного выходного каскада лампового УМЗЧ

Усовершенствованный бестрансформаторный выходной каскад лампового УМЗЧ

Там же, справа на рис., коротко, но ясно описаны недостатки этой схемы. Усовершенствованная, из того же источника, дана на след. рис. справа. В ней экранная сетка Л2 запитана от средней точки анодного выпрямителя (анодная обмотка силового трансформатора симметричная), а экранная сетка Л1 через нагрузку. Если вместо высокоомных динамиков включить согласующий трансформатор с обычным динамиков, как в пред. схеме, выходная мощность составить ок. 12 Вт, т.к. активное сопротивление первичной обмотки трансформатора много меньше 800 Ом. КНИ этого оконечного каскада с трансформаторным выходом – прим. 0,5%

Как сделать трансформатор?

Главные враги качества мощного сигнального НЧ (звукового) трансформатора – магнитное поле рассеяния, силовые линии которого замыкаются, обходя магнитопровод (сердечник), вихревые токи в магнитопроводе (токи Фуко) и, в меньшей степени – магнитострикция в сердечнике. Из-за этого явления небрежно собранный трансформатор «поет», гудит или пищит. С токами Фуко борются, уменьшая толщину пластин магнитопровода и дополнительно изолируя их лаком при сборке. Для выходных трансформаторов оптимальная толщина пластин – 0,15 мм, максимально допустимая – 0,25 мм. Брать для выходного трансформатора пластины тоньше не следует: коэффициент заполнения керна (центрального стержня магнитопровода) сталью упадет, сечение магнитопровода для получения заданной мощности придется увеличить, отчего искажения и потери в нем только возрастут.

В сердечнике звукового трансформатора, работающего с постоянным подмагничиванием (напр., анодным током однотактного выходного каскада) должен быть небольшой (определяется расчетом) немагнитный зазор. Наличие немагнитного зазора, с одной стороны, уменьшает искажения сигнала от постоянного подмагничивания; с другой – в магнитопроводе обычного типа увеличивает поле рассеяния и требует сердечника большего сечения. Поэтому немагнитный зазор нужно рассчитывать на оптимум и выполнять как можно точнее.

Выходные трансформаторы двухтактных оконечных каскадов наматываются по специальным схемам, чтобы уменьшить паразитную (через поле рассеяния, не через сердечник) магнитную связь между секциями анодной обмотки. Связь через поле рассеяния – специфический для «двухтактников» и весьма сильный фактор, ухудшающий звук. Схемы намотки выходных трансформаторов ультралинейных 2-тактных выходных каскадов весьма сложны.

Для трансформаторов, работающих с подмагничиванием, оптимальный тип сердечника – из пластин Шп (просеченных), поз. 1 на рис. В них немагнитный зазор образуется при просечке керна и потому стабилен; его величина указывается в паспорте на пластины или замеряется набором щупов. Поле рассеяния минимально, т.к. боковые ветви, через которые замыкается магнитный поток, цельные. Из пластин Шп часто собирают и сердечники трансформаторов без подмагничивания, т.к. пластины Шп делают из высококачественной трансформаторной стали. В таком случае сердечник собирают вперекрышку (пластины кладут просечкой то в одну, то в другую сторону), а его сечение увеличивают на 10% против расчетного.

Магнитопроводы и каркас обмоток звуковых трансформаторов

Трансформаторы без подмагничивания лучше мотать на сердечниках УШ (уменьшенной высоты с уширенными окнами), поз. 2. В них уменьшение поля рассеяния достигается за счет уменьшения длины магнитного пути. Поскольку пластины УШ доступнее Шп, из них часто набирают и сердечники трансформаторов с подмагничиванием. Тогда сборку сердечника ведут внакрой: собирают пакет из Ш-пластин, кладут полоску непроводящего немагнитного материала толщиной в величину немагнитного зазора, накрывают ярмом из пакета перемычек и стягивают все вместе обоймой.

Примечание: «звуковые» сигнальные магнитопроводы типа ШЛМ для выходных трансформаторов высококачественных ламповых усилителей мало пригодны, у них большое поле рассеяния.

На поз. 3 дана схема размеров сердечника для расчета трансформатора, на поз. 4 конструкция каркаса обмоток, а на поз. 5 – выкройки его деталей. Что до трансформатора для «бестрансформаторного» выходного каскада, то его лучше делать на ШЛМме вперекрышку, т.к. подмагничивание ничтожно мало (ток подмагничивания равен току экранной сетки). Главная задача тут – сделать обмотки как можно компактнее с целью уменьшения поля рассеяния; их активное сопротивление все равно получится много меньше 800 Ом. Чем больше свободного места останется в окнах, тем лучше получился трансформатор. Поэтому обмотки мотают виток к витку (если нет намоточного станка, это маета ужасная) из как можно более тонкого провода, коэффициент укладки анодной обмотки для механического расчета трансформатора берут 0,6. Обмоточный провод – марок ПЭТВ или ПЭММ, у них жила бескислородная. ПЭТВ-2 или ПЭММ-2 брать не надо, у них от двойной лакировки увеличенный наружный диаметр и поле рассеяния будет больше. Первичную обмотку мотают первой, т.к. именно ее поле рассеяния больше всего влияет на звук.

Самодельный выходной трансформатор звуковой частоты

Железо для этого трансформатора нужно искать с отверстиями в углах пластин и стяжными скобами (см. рис. справа), т.к. «для полного счастья» сборка магнитопровода производится в след. порядке (разумеется, обмотки с выводами и наружной изоляцией должны быть уже на каркасе):

1. Готовят разбавленный вдвое акриловый лак или, по старинке, шеллак;
2. Пластины с перемычками быстро покрывают лаком с одной стороны и как можно быстрее, не придавливая сильно, вкладывают в каркас. Первую пластину кладут лакированной стороной внутрь, следующую – нелакированной стороной к лакированной первой и т.д;
3. Когда окно каркаса заполнится, накладывают скобы и туго стягивают болтами;
4. Через 1-3 мин, когда выдавливание лака из зазоров видимо прекратится, добавляют пластин снова до заполнения окна;
5. Повторяют пп. 2-4, пока окно не будет туго набито сталью;
6. Снова туго стягивают сердечник и сушат на батарее и т.п. 3-5 суток.

Собранный по такой технологии сердечник имеет очень хорошие изоляцию пластин и заполнение сталью. Потерь на магнитострикцию вообще не обнаруживается. Но учтите – для сердечников их пермаллоя данная методика неприменима, т.к. от сильных механических воздействий магнитные свойства пермаллоя необратимо ухудшаются!

На микросхемах

УМЗЧ на интегральных микросхемах (ИМС) делают чаще всего те, кого устраивает качество звука до среднего Hi-Fi, но более привлекает дешевизна, быстрота, простота сборки и полное отсутствие каких-либо наладочных процедур, требующих специальных знаний. Попросту, усилитель на микросхемах – оптимальный вариант для «чайников». Классика жанра здесь – УМЗЧ на ИМС TDA2004, стоящей на серии, дай бог памяти, уже лет 20, слева на рис. Мощность – до 12 Вт на канал, напряжение питания – 3-18 В однополярное. Площадь радиатора – от 200 кв. см. для максимальной мощности. Достоинство – способность работать на очень низкоомную, до 1,6 Ом, нагрузку, что позволяет снимать полную мощность при питании от бортовой сети 12 В, а 7-8 Вт – при 6-вольтовом питании, напр., на мотоцикле. Однако выход TDA2004 в классе В некомплементарный (на транзисторах одинаковой проводимости), поэтому звучок точно не Hi-Fi: КНИ 1%, динамика 45 дБ.

Звуковые усилители на микросхемах TDA

Более современная TDA7261 звук дает не лучше, но мощнее, до 25 Вт, т.к. верхний предел напряжения питания увеличен до 25 В. Нижний, 4,5 В, все еще позволяет запитываться от 6 В бортсети, т.е. TDA7261 можно запускать практически от всех бортсетей, кроме самолетной 27 В. С помощью навесных компонент (обвязки, справа на рис.) TDA7261 может работать в режиме мутирования и с функцией St-By (Stand By, ждать), переводящей УМЗЧ в режим минимального энергопотребления при отсутствии входного сигнала в течение определенного времени. Удобства стоят денег, поэтому для стерео нужна будет пара TDA7261 с радиаторами от 250 кв. см. для каждой.

Примечание: если вас чем-то привлекают усилители с функцией St-By, учтите – ждать от них динамики шире 66 дБ не стоит.

«Сверхэкономична» по питанию TDA7482, слева на рис., работающая в т. наз. классе D. Такие УМЗЧ иногда называют цифровыми усилителями, что неверно. Для настоящей оцифровки с аналогового сигнала снимают отсчеты уровня с частотой квантования, не мене чем вдвое большей наивысшей из воспроизводимых частот, величина каждого отсчета записывается помехоустойчивым кодом и сохраняется для дальнейшего использования. УМЗЧ класса D – импульсные. В них аналог непосредственно преобразуется в последовательность широтно-модулированных импульсов (ШИМ) высокой частоты, которая и подается на динамик через фильтр низких частот (ФНЧ).

Импульсные звуковые усилители класса D на микросхемах

Звук класса D с Hi-Fi не имеет ничего общего: КНИ в 2% и динамика в 55 дБ для УМЗЧ класса D считаются очень хорошими показателями. И TDA7482 здесь, надо сказать, выбор не оптимальный: другие фирмы, специализирующиеся на классе D, выпускают ИМС УМЗЧ дешевле и требующие меньшей обвязки, напр., D-УМЗЧ серии Paxx, справа на рис.

Из TDAшек следует отметить 4-канальную TDA7385, см. рис., на которой можно собрать хороший усилитель для колонок до среднего Hi-Fi включительно, с разделением частот на 2 полосы или для системы с сабвуфером. Расфильтровка НЧ и СЧ-ВЧ в том и другом случае делается по входу на слабом сигнале, что упрощает конструкцию фильтров и позволяет глубже разделить полосы. А если акустика сабвуферная, то 2 канала TDA7385 можно выделить под суб-УНЧ мостовой схемы (см. ниже), а остальные 2 задействовать для СЧ-ВЧ.

4-канальный УМЗЧ на микросхеме

УМЗЧ для сабвуфера

Сабвуфер, что можно перевести как «подбасовик» или, дословно, «подгавкиватель» воспроизводит частоты до 150-200 Гц, в этом диапазоне человеческие уши практически не способны определить направление на источник звука. В АС с сабвуфером «подбасовый» динамик ставят в отельное акустическое оформление, это и есть сабвуфер как таковой. Сабвуфер размещают, в принципе, как удобнее, а стереоэффект обеспечивается отдельными СЧ-ВЧ каналами со своими малогабаритными АС, к акустическому оформлению которых особо серьезных требований не предъявляется. Знатоки сходятся на том, что стерео лучше все же слушать с полным разделением каналов, но сабвуферные системы существенно экономят средства или труд на басовый тракт и облегчают размещение акустики в малогабаритных помещениях, почему и пользуются популярностью у потребителей с обычным слухом и не особо взыскательных.

«Просачивание» СЧ-ВЧ в сабвуфер, а из него в воздух, сильно портит стерео, но, если резко «обрубить» подбасы, что, кстати, очень сложно и дорого, то возникнет очень неприятный на слух эффект перескока звука. Поэтому расфильтровка каналов в сабвуферных системах производится дважды. На входе электрическими фильтрами выделяются СЧ-ВЧ с басовыми «хвостиками», не перегружающими СЧ-ВЧ тракт, но обеспечивающими плавный переход на подбас. Басы с СЧ «хвостиками» объединяются и подаются на отдельный УМЗЧ для сабвуфера. Дофильтровываются СЧ, чтобы не портилось стерео, в сабвуфере уже акустически: подбасовый динамик, ставят, напр., в перегородку между резонаторными камерами сабвуфера, не выпускающими СЧ наружу, см. справа на рис.

Усилитель и акустика для сабвуфера

К УМЗЧ для сабвуфера предъявляется ряд специфических требований, из которых «чайники» главным считают возможно большую мощность. Это совершенно неправильно, если, скажем, расчет акустики под комнату дал для одной колонки пиковую мощность W, то мощность сабвуфера нужна 0,8(2W) или 1,6W. Напр., если для комнаты подходят АС S-30, то сабвуфер нужен 1,6х30=48 Вт.

Гораздо важнее обеспечить отсутствие фазовых и переходных искажений: пойдут они – перескок звука обязательно будет. Что касается КНИ, то он допустим до 1% Собственные искажения басов такого уровня не слышны (см. кривые равной громкости), а «хвосты» их спектра в лучше всего слышимой СЧ области не выберутся из сабвуфера наружу.

Во избежание фазовых и переходных искажений усилитель для сабвуфера строят по т. наз. мостовой схеме: выходы 2-х идентичных УМЗЧ включают встречно через динамик; сигналы на входы подаются в противофазе. Отсутствие фазовых и переходных искажений в мостовой схеме обусловлено полной электрической симметрией путей выходного сигнала. Идентичность усилителей, образующих плечи моста, обеспечивается применением спаренных УМЗЧ на ИМС, выполненных на одном кристалле; это, пожалуй, единственный случай, когда усилитель на микросхемах лучше дискретного.

Примечание: мощность мостового УМЗЧ не удваивается, как думают некоторые, она определяется напряжением питания.

Пример схемы мостового УМЗЧ для сабвуфера в комнату до 20 кв. м (без входных фильтров) на ИМС TDA2030 дан на рис. слева. Дополнительная отфильтровка СЧ осуществляется цепями R5C3 и R’5C’3. Площадь радиатора TDA2030 – от 400 кв. см. У мостовых УМЗЧ с открытым выходом есть неприятная особенность: при разбалансе моста в токе нагрузки появляется постоянная составляющая, способная вывести из строя динамик, а схемы защиты на подбасах часто глючат, отключая динамик, когда не надо. Поэтому лучше защитить дорогую НЧ головку «дубово», неполярными батареями электролитических конденсаторов (выделено цветом, а схема одной батареи дана на врезке.

Немного об акустике

Акустическое оформление сабвуфера – особая тема, но раз уж здесь дан чертеж, то нужны и пояснения. Материал корпуса – МДФ 24 мм. Трубы резонаторов – из достаточно прочного не звенящего пластика, напр., полиэтилена. Внутренний диаметр труб – 60 мм, выступы внутрь 113 мм в большой камере и 61 в малой. Под конкретную головку громкоговорителя сабвуфер придется перенастроить по наилучшему басу и, одновременно, по наименьшему влиянию на стереоэффект. Для настройки трубы берут заведомо большей длины и, задвигая-выдвигая, добиваются требуемого звучания. Выступы труб наружу на звук не влияют, их потом отрезают. Настройка труб взаимозависима, так что повозиться придется.

Усилитель для наушников

Усилитель для наушников делают своими руками чаще всего по 2-м причинам. Первая – для слушания «на ходу», т.е. вне дома, когда мощности аудиовыхода плеера или смартфона не хватает для раскачки «пуговок» или «лопухов». Вторая – для высококлассных домашних наушников. Hi-Fi УМЗЧ для обычной жилой комнаты нужен с динамикой до 70-75 дБ, но динамический диапазон лучших современных стереонаушников превышает 100 дБ. Усилитель с такой динамикой стоит дороже некоторых автомобилей, а его мощность будет от 200 Вт в канале, что для обычной квартиры слишком много: прослушивание на сильно заниженной против номинальной мощности портит звук, см. выше. Поэтому имеет смысл сделать маломощный, но с хорошей динамикой отдельный усилитель именно для наушников: цены на бытовые УМЗЧ с таким довеском завышены явно несуразно.

Усилители для наушников на транзисторах и микросхемах

Схема простейшего усилителя для наушников на транзисторах дана на поз. 1 рис. Звук – разве что для китайских «пуговок», работает в классе B. Экономичностью тоже не отличается – 13-мм литиевых батареек хватает на 3-4 часа при полной громкости. На поз. 2 – TDAшная классика для наушников «на ход». Звук, впрочем, дает вполне приличный, до среднего Hi-Fi смотря по параметрам оцифровки трека. Любительским усовершенствованиям обвязки TDA7050 несть числа, но перехода звука на следующий уровень классности пока не добился никто: сама «микруха» не позволяет. TDA7057 (поз. 3) просто функциональнее, можно подключать регулятор громкости на обычном, не сдвоенном, потенциометре.

УМЗЧ для наушников на TDA7350 (поз. 4) рассчитан уже на раскачку хорошей индивидуальной акустики. Именно на этой ИМС собраны усилители для наушников в большинстве бытовых УМЗЧ среднего и высокого класса. УМЗЧ для наушников на KA2206B (поз. 5) считается уже профессиональным: его максимальной мощности в 2,3 Вт хватает и для раскачки таких серьезных изодинамических «лопухов», как ТДС-7 и ТДС-15.

На закуску

В заключение – полнейшая экзотика, усилитель для наушников… на лампах, см. рис., причем всего один канал, для другого нужны еще такие же раритеты. Хотя в этом усилителе реализованы едва ли не все ламповые ритуалы (кроме, пожалуй фиксированного смещения от батареек), он не только и не столько дань любезности вакуумным аудиофилам: при прослушивании на ТДС-7 через этот усилитель сквозного аналога звук, по сравнению с KA2206B, заметно улучшается.

Ламповый усилитель для наушников

Содержание

1. Колонка или АС?
2. Акустика и электроника
3. Что такое хайфай
4. Динамики
5. Акустика
6. Видео: простая колонка из ламината для телефона своими руками
> Обсуждение

Сделать звуковые колонки своими руками – с этого у многих начинается увлечение сложным, но очень интересным делом – техникой звуковоспроизведения. Начальным побуждением часто становятся экономические соображения: цены на брендовую электроакустику завышены не чрезмерно – безобразно нагло. Если уж заклятые аудиофилы, не скупящиеся на раритетные радиолампы для усилителей и плоский серебряный провод для намотки звуковых трансформаторов, сетуют на форумах, что цены на акустику и динамики для нее систематически вздуваются, то проблема действительно серьезна. Желаете колонки для дома по 1 млн. руб. пара? Извольте, найдутся и подороже. Поэтому материалы данной статьи рассчитаны в первую очередь для самых-самых начинающих: им нужно быстро, просто и недорого убедиться, что творение рук своих, на все для которого ушло средств в десятки раз меньше, чем на «крутой» бренд, может «петь» не хуже или по крайней мере сравнимо. Но, возможно, кое-что из изложенного окажется откровением и для мэтров любительской электроакустики – если будет удостоено прочтением оными.

Акустические системы промышленного и любительского изготовления и динамики для них

Колонка или АС?

Звуковая колонка (КЗ, колонка звуковая) это один из видов акустического оформления электродинамических головок громкоговорителей (ГГ, динамиков), предназначенный для технико-информационного озвучивания больших общественных помещений. Вообще же акустическая система (АС) состоит из первичного излучателя звука (ИЗ) и его акустического оформления, обеспечивающего требуемое качество звучания. Домашние АС по большей части с виду похожи на звуковые колонки, поэтому их так и прозвали. Электроакустические системы (ЭАС) имеют в своем составе также электрическую часть: провода, клеммы, разделительные фильтры, встроенные усилители мощности звуковой частоты (УМЗЧ, в активных АС), вычислительные устройства (в АС с цифровой расфильтровкой каналов) и др. Акустическое оформление бытовых АС размещается как правило в корпусе, отчего они и выглядят более-менее вытянутыми вверх колоннами.

Акустика и электроника

Акустика идеальной АС возбуждается во всем диапазоне слышимых частот 20-20 000 Гц одним широкополосным первичным ИЗ. Электроакустика медленно, но уверенно идет к идеалу, однако лучшие результаты показывают пока еще АС с разделением частот на каналы (полосы) НЧ (20-300 Гц, низкие частоты, басы), СЧ (300-5000 Гц, средние) и ВЧ (5000-20 000 Гц, высокие, верха) или НЧ-СЧ и ВЧ. Первые, естественно, называются 3-х полосным, а вторые – 2-х полосными. Начинать осваиваться в электроакустике лучше всего с 2-полосных АС: они позволяют в домашних условиях без излишних затрат и сложностей получить звук качества до высокого Hi-Fi (см. ниже) включительно. Звуковой сигнал от УМЗЧ или, в активных АС, маломощный от первичного источника (плеера, звуковой карты компьютера, тюнера и т.п.) распределяется по частотным каналам разделительными фильтрами; это называется расфильтровкой каналов, как сами разделительные фильтры.

Далее в статье рассматривается преимущественно, как сделать колонки, обеспечивающие хорошую акустику. Электронная часть электроакустики – предмет особого серьезного обсуждения, и не одного. Здесь нужно заметить только, что, во-первых, поначалу не нужно браться за близкую к идеальной, но сложную и дорогую цифровую расфильтровку, а применить пассивную на индуктивно-емкостных фильтрах. Для 2-полосной АС нужна всего одна вилка разделительных фильтров низких и высоких частот (ФНЧ/ФВЧ).

Для расчета разделительных лестничных фильтров АС есть специальные программы, напр. JBL Speaker Shop. Однако в домашних условиях индивидуальная настройка каждой вилки под конкретный экземпляры динамиков, во-первых, не бьет по производственным расходам в серийном производстве. Во-вторых, замена ГГ в АС требуется только в исключительных случаях. Значит, к расфильтровке частотных каналов АС можно подойти нетрадиционно:

1. Частоту раздела НЧ-СЧ м ВЧ принимают не ниже 6 кГц, иначе не получится достаточно равномерной амплитудно-частотной характеристики (АЧХ) всей АС в области СЧ, что очень плохо, см. далее. К тому же, при высокой частоте раздела фильтр получается недорогим и компактным;
2. Прототипами для расчета фильтра берут звенья и полузвенья фильтров типа K, т.к. их фазочастотные характеристики (ФЧХ) абсолютно линейны. Без соблюдения этого условия АЧХ в области частоты раздела получится существенно неравномерной и в звучании появятся призвуки;
3. Для получения исходных к расчету данных нужно измерить импеданс (полное электрическое сопротивление) НЧ-СЧ и ВЧ ГГ на частоте раздела. Указанные в паспорте ГГ 4 или 8 Ом – их активное сопротивление на постоянном токе, а импеданс на частоте раздела будет больше. Измеряется импеданс достаточно просто: ГГ подключают к генератору звуковых частот (ГЗЧ), настроенному на частоту раздела, с выходом не слабее 10 В на нагрузку в 600 Ом через резистор заведомо большого сопротивления, напр. 1 кОм. Можно воспользоваться маломощным ГЗЧ и УМЗЧ высокой верности. Импеданс определяется по отношению напряжений звуковой частоты (ЗЧ) на резисторе и ГГ;
4. Импеданс НЧ-СЧ звена (ГГ, головки) принимают за характеристическое сопротивление ?н фильтра низких частот (ФНЧ), а импеданс ВЧ головки – за ?в фильтра высоких частот (ФВЧ). То, что они разные – ну и шут с ними, выходное сопротивление УМЗЧ, «раскачивающего» АС, пренебрежимо мало по сравнению с тем и тем;
5. Со стороны УМЗЧ ставят звенья ФНЧ и ФВЧ отражающего типа, чтобы не перегружать усилитель и не отбирать мощность у сопряженного канала АС. К ГГ обращают, наоборот, поглощающие звенья, что отдача от фильтра не давала призвуков. Таким образом, ФНЧ и ФВЧ АС будут иметь не менее звена с полузвеном;
6. Затухание ФНЧ и ФВЧ на частоте раздела берут равным 3 дБ (в 1,41 раза), т.к. крутизна скатов K-фильтров невелика и равномерна. Не 6 дБ, как может показаться, т.к. фильтры рассчитываются по напряжению, а подводимая к ГГ мощность зависит от него по квадрату;
7. Наладка фильтра сводится к «приглушению» слишком громкого канала. Измеряют громкости каналов на частоте раздела с помощью компьютерного микрофона, отключая поочередно ВЧ и НЧ-СЧ. Степень «глушения» определяется как корень квадратный из отношения громкости каналов;
8. Избыточную громкость канала убирают парой резисторов: гасящий на доли или единицы Ом включают последовательно с ГГ, а параллельно им обоим – выравнивающий большего сопротивления, чтобы импеданс ГГ с резисторами остался неизменным.

Пояснения к методике

У технически сведущего читателя может возникнуть вопрос: так у вас что же, фильтр на комплексную нагрузку работает? Да, и в данном случае – ничего страшного. ФЧХ K-фильтров линейна, как сказано, а Hi-Fi УМЗЧ практически идеальный источник напряжения: его выходное сопротивление Rвых – единицы и десятки мОм. При таких условиях «отражёнка» от реактанса ГГ частично затухнет в выходном поглощающем звене/полузвене фильтра, но большей частью просочится обратно на выход УМЗЧ, где и сгинет без следа. В сопряженный канал фактически ничего не пройдет, т.к. ? его фильтра многократно больше Rвых. Тут одна опасность: если импеданс ГГ и ? разные, то в цепи выход фильтра – ГГ начнется циркуляция мощности, отчего басы станут тусклыми, «плоскими», атаки на СЧ затянутыми, а верха – резкими, с подсвистом. Поэтому подгонять импеданс ГГ и ? нужно точно, а в случае замены ГГ канал придется настраивать заново.

Примечание: не пытайтесь расфильтровывать активные АС аналоговыми активными фильтрами на операционных усилителях (ОУ). Добиться линейности их фазовых характеристик в широком диапазоне частот невозможно, поэтому, напр., аналоговые активные фильтры так и не прижились толком в технике электросвязи.

Что такое хайфай

Hi-Fi, как известно, сокращение от High Fidelity – высокая верность (воспроизведения звука). Понятие Hi-Fi изначально принималось как расплывчатое и не подлежащее стандартизации, но постепенно выработалось неформальное деление его на классы; цифрами в списке обозначены соответственно диапазон воспроизводимых частот (рабочий диапазон), максимально допустимый коэффициент нелинейных искажений (КНИ) на номинальной мощности (см. далее), минимально допустимый динамический диапазон относительно собственных шумов помещения (динамика, отношение максимальной громкости к минимальной), максимально допустимые неравномерность АЧХ на СЧ и ее завал (спад) на краях рабочего диапазона:

• Абсолютный или полный – 20-20 000 Гц, 0,03% (–70 дБ), 90 дБ (в 31 600 раз), 1 дБ (в 1,12 раза), 2 дБ (в 1,25 раза).
• Высокий или тяжелый – 31,5-18 000 Гц, 0,1% (–60 дБ), 75 дБ (в 5600 раз), 2 дБ, 3 дБ (в 1,41 раза).
• Средний или базовый – 40-16 000 Гц, 0,3% (–50 дБ), 66 дБ (в 2000 раз), 3 дБ, 6 дБ (в 2 раза).
• Начальный – 63-12 500 Гц, 1% (–40 дБ), 60 дБ (в 1000 раз), 6 дБ, 12 дБ (в 4 раза).

Любопытно, что высокий, базовый и начальный Hi-Fi примерно соответствуют высшему, первому и второму классам бытовой электроакустики по системе СССР. Понятие абсолютного Hi-Fi возникло с появлением конденсаторных, пленочно-панельных (изодинамических и электростатических), струйных и плазменных излучателей звука. Тяжелым (Heavy) высокий Hi-Fi обозвали англо-саксы, т.к. High High Fidelity по-английски все равно что масло масленое.

Какой нужен хайфай?

Домашняя акустика для современной квартиры или дома с хорошей звукоизоляцией должна удовлетворять условиям на базовый Hi-Fi. Высокий там, конечно, хуже не зазвучит, но обойдется много дороже. В блочной хрущевке или брежневке, как их не изолируй, начальный и базовый Hi-Fi различают только профессиональные эксперты. Основания для такого загрубления требований к домашней акустике следующие.

Во-первых, полный диапазон звуковых частот слышат буквально единицы людей из всего человечества. Люди, одаренные особо тонким музыкальным слухом, такие как Моцарт, Чайковский, Дж. Гершвин, слышат высокий Hi-Fi. Опытные профессиональные музыканты в концертном зале уверенно воспринимают базовый Hi-Fi, а 98% рядовых слушателей в звукомерной камере по частоте почти никогда не различают начальный и базовый.

Кривые равной громкости

Во-вторых, в наиболее слышимой области СЧ человек по динамике различает звуки в диапазоне 140 дБ, считая от порога слышимости в 0 дБ, равного интенсивности звукового потока в 1 пВт на кв. м, см. рис. справа кривые равной громкости. Звук громче 140 дБ это уже боль, а затем – повреждение органов слуха и контузия. Симфонический оркестр расширенного состава на мощнейшем фортиссимо выдает динамику звука до 90 дБ, а в залах Большого Оперного, Миланского, Парижского, Венского оперных театров и Метрополитен-оперы в Нью-Йорке способен «разогнаться» до 110 дБ; таков же динамический диапазон ведущих джаз-бандов с симфоническим сопровождением. Это – предел восприятия, громче которого звук превращается в еще терпимый, но уже бессмысленный шум.

Примечание: рок-группы могут играть и громче 140 дБ, чем по молодости увлекались Элтон Джон, Фредди Меркюри и Роллинг Стоунз. Но динамика рока не превышает 85 дБ, т.к. нежнейшее пианиссимо рок-музыканты не могут сыграть при всем желании – аппаратура не позволяет, а рока «на духу» не бывает. Что до попсы любого рода и саундтреков к фильмам, то это вообще не тема – их динамический диапазон уже при записи сжимают до 66, 60 и даже 44 дБ, чтобы можно было слушать на чем попало.

В-третьих, естественные шумы в тишайшей гостиной загородного дома за задворках цивилизации – 20-26 дБ. Санитарная норма шума в читальном зале библиотеки – 32 дБ, а шелест листьев на свежем ветру – 40-45 дБ. Отсюда ясно, что динамики высокого Hi-Fi в 75 дБ более чем достаточно для осмысленного прослушивания в бытовых условиях; динамика современных УМЗЧ среднего уровня, как правило, не хуже 80 дБ. В городской квартире распознать по динамике базовый и высокий Hi-Fi практически невозможно.

Примечание: в помещении, зашумленном более чем на 26 дБ, частотный диапазон избранного Hi-Fi можно сузить до пред. класса, т.к. сказывается эффект маскировки – на фоне невнятных шумов чувствительность уха по частоте падает.

Но чтобы Hi-Fi был хайфаем, а не «счастьем» для «любимых» соседей и вредом для здоровья владельца, нужно обеспечить еще возможно меньшие искажения звука, верное воспроизведение НЧ, гладкую АЧХ в области СЧ, и определиться с необходимой для озвучивания данного помещения электрической мощностью АС. С ВЧ проблем, как правило, не бывает, т.к. их КНИ «уходят» в неслышимую ультразвуковую область; нужно только поставить в АС хорошую ВЧ головку. Тут достаточно заметить, что, если вы предпочитаете классику и джаз, ВЧ ГГ лучше брать с диффузором на мощность 0,2-0,3 от таковой НЧ канала, напр. 3ГДВ-1-8 (2ГД-36 по-старому) и подобные. Если же вас «прёт» от жестких верхов, то оптимальной будет ВЧ ГГ с купольным излучателем (см. далее) мощностью 0,3-0,5 от мощности НЧ звена; игру на барабанах щетками натурально воспроизводят только купольные «пищалки». Впрочем, хорошая купольная ВЧ ГГ годится для любой музыки.

Искажения

Искажения звука возможны линейные (ЛИ) и нелинейные (НИ). Линейные искажения это, попросту, несоответствие среднего уровня громкости условиям прослушивания, для чего в любом УМЗЧ и есть регулятор громкости. В дорогие 3-полосные АС для высокого Hi-Fi (напр., советские АС-30, они же S-90) часто вводят и аттенюаторы мощности для СЧ и ВЧ, чтобы возможно точнее подогнать АЧХ АС к акустике помещения.

Что касается НИ, то им, как говорится, несть числа и постоянно обнаруживаются новые. Наличие НИ в звуковом тракте выражается в том, что форма выходного сигнала (который звук уже в воздухе) не вполне идентична форме исходного сигнала от первичного источника. Более всего портят чистоту, «прозрачность» и «сочность» звука след. НИ:

1. Гармонические – обертоны (гармоники), кратные основной частоте воспроизводимого звука. Проявляются как излишне рокочущий бас, резкие и жесткие СЧ и ВЧ;
2. Интермодуляционные (комбинационные) – суммы и разности частот составляющих спектра исходного сигнала. Сильные комбинационные НИ слышны как хрип, а слабые, но портящие звук можно распознать только в лаборатории многосигнальным или статистическим на тестовых фонограммах методами. На слух же – звук вроде чистый, но какой-то не такой;
3. Переходные – «дрожания» формы выходного сигнала при резких нарастаниях/спадах исходного. Проявляют себя короткими хрипами и всхлипываниями, но нерегулярно, на скачках громкости;
4. Резонансные (призвуки) – подзвон, дребезг, бубнение;
5. Фронтальные (искажения атаки звука) – затягивание или, наоборот, форсирование резких изменений общей громкости. Почти всегда возникают совместно с переходными;
6. Шумовые – гул, шелест, шипение;
7. Нерегулярные (спорадические) – щелчки, трески;
8. Интерференционные (ИИ или ИФИ, чтобы не путать с интермодуляционными). Характерны именно для АС, в УМЗЧ ИФИ не возникают. Очень вредны, т.к. отлично слышны и неустранимы без капитальной переделки АС. Подробнее об ИФИ см. ниже.

Примечание: «хрип» и пр. образные описания искажения здесь и далее даны с точки зрения Hi-Fi, т.е. как уже слышимые искушенными слушателями. А, напр., речевые динамики проектируются на КНИ при номинальной мощности 6% (в Китае – на 10%) и 1<Q<1,4, см. далее.

Кроме интерференции, АС могут давать преимущественно НИ по пп. 1, 3, 4 и 5; щелчки и трески тут возможны как результат некачественного изготовления. С переходным и фронтальными НИ в АС борются, подбирая подходящие ГГ (см. далее) и акустическое оформление для них. Способы избежать призвуков – рациональная конструкция корпуса АС и правильный выбора материала для него, также см. далее.

На гармонических НИ в АС нужно задержаться, т.к. они принципиально отличны от таковых в полупроводниковых УМЗЧ и сходны с гармоническими НИ ламповых УНЧ (усилителей низкой частоты, старое название УМЗЧ). Транзистор – квантовый прибор, и его передаточные характеристики аналитическими функциями не выражаются принципиально. Следствие – точно просчитать все гармоники транзисторного УМЗЧ невозможно, а их спектр тянется до 15-ой и более высоких компонент. Также в спектре транзисторных УМЗЧ велика доля комбинационных составляющих.

Единственный способ управиться со всем этим безобразием – упрятать НИ поглубже под собственные шумы усилителя, которые, в свою очередь, должны быть многократно ниже естественных шумов помещения. Надо сказать, что современная схемотехника справляется с этой задачей вполне успешно: по теперешним представлениям УМЗЧ с 1% КНИ и –66 дБ шумов «никакой», а с 0,06% КНИ и –80 дБ шумов довольно-таки средненький.

С гармоническими НИ динамиков АС дело обстоит иначе. Их спектр, во-первых, как и у ламповых УНЧ, чистый – только обертоны без заметной примеси комбинационных частот. Во-вторых, гармоники АС прослеживаются, тоже как у ламп, не выше 4-й. Такой спектр НИ не портит заметно звук и при КНИ в 0,5-1%, что подтверждается экспертными оценками, а причина «грязного» и «вялого» звука самодельных АС кроется чаще всего в плохой АЧХ на СЧ. К сведению, если трубач не почистил как следует инструмент перед концертом и во время игры не выплескивает своевременно слюну из амбушюра, то КНИ, скажем, тромбона, может вырасти до 2-3%. И ничего, играют, слушателям нравится.

Вывод отсюда следует очень важный и благоприятный: диапазон воспроизводимых частот и собственные гармонические НИ АС не являются параметрами, критически важными для качества создаваемого ею звука. Звучание АС с 1% и даже 1,5% гармонических НИ эксперты могут отнести к базовому, а то и высокому Hi-Fi, если выполнены соотв. условия по динамике и гладкости АЧХ.

Интерференция

ИФИ – результат схождения звуковых волн от рядом расположенных источников синфазно или в противофазе. Результат – всплески, вплоть до рези в ушах, или провалы почти но нуля, громкости на отдельных частотах. В свое время первенец советского Hi-Fi 10МАС-1 (не 1М!) была срочно снята с производства после того, как музыканты обнаружили, что эта АС совсем не воспроизводит ля второй октавы (насколько помнится). На заводе-то прототип «гоняли» в звукомерке трехсигнальным методом, допотопным уже тогда, а должности эксперта с музыкальным слухом в штатном расписании не было. Один из парадоксов развитого социализма.

Вероятность возникновения ИФИ резко растет с повышением частоты и, соотв., уменьшением длины волны звука, т.к. для этого расстояние между центрами излучателей должно быть кратным половине длины волны воспроизводимой частоты. На СЧ и ВЧ последняя изменяется от единиц дециметров до миллиметров, поэтому ставить в АС две-несколько СЧ и ВЧ ГГ нельзя никак – ИФИ тогда не избежать, т.к. расстояния между центрами ГГ получатся того же порядка. Вообще, золотое правило электроакустики – по одному излучателю на полосу, а бриллиантовое – одна широкополосная ГГ на весь частотный диапазон.

Длина волн НЧ – метры, что много больше не только расстояния между ГГ, но и размеров АС. Поэтому производители и опытные любители часто увеличивают мощность АС и улучшают басы, спаривая или счетверяя (ставя квадруплетом) НЧ ГГ. Однако начинающему так делать не следует: может возникнуть внутренняя интерференция отраженных волн, «гуляющих» с самой АС. На слух она проявляется как резонансные НИ: бухтит, гундосит, дребезжит, почему – непонятно. Так что следуйте драгоценным правилам, чтобы не перебирать раз за разом всю АС без толку.

Примечание: ставить в АС нечетное количество одинаковых ГГ нельзя ни в коем случае – ИФИ тогда гарантированы 100%

СЧ

На воспроизведение средних частот начинающие любители обращают мало внимания – их, мол, любой динамик «пропоет» – а зря. СЧ слышны лучше всего, на них же приходятся исходные («правильные») гармоники основы всего – басов. Неравномерность АЧХ АС на СЧ способна дать очень сильно портящие звук комбинационные НИ, т.к. спектр любой фонограммы «плавает» по частотному диапазону. Особенно – если в АС используются эффективные и недорогие динамики с коротким ходом диффузора, см. далее. Субъективно, при прослушивании, эксперты однозначно отдают предпочтение АС с АЧХ на СЧ, плавно меняющейся по диапазону частот в пределах 10 дБ перед той, у которой есть 3 провала или «бугра» по 6 дБ. Поэтому, проектируя и делая АС, нужно на каждом шаге тщательно проверять: а не «загорбатится» ли от этого АЧХ на СЧ?

Примечание, кстати о басах: рокерский анекдот. Итак, молодая перспективная группа прорвалась на престижный фестиваль. Через полчаса им выходить, а они уже за кулисами, волнуются, ждут, но басист загулял где-то. 10 минут до выхода – его нет, 5 минут – тоже нет. Выход машут, а басиста все нет. Что делать? Ну, будем играть без баса. Невыход это мгновенный крах карьеры навечно. Сыграли без баса, понятно, как. Бредут к служебному выходу, плюются, матюкаются. Глядь – басист, поддатый, с двумя тёлками. Они к нему – ах ты, козлина, ты хоть понимаешь, как ты нас кинул?!! Ты где был?! – Да я решил в зале послушать. – И что ты там наслушал? – Чуваки, без баса – отстой!

НЧ

Бас в музыке все равно что фундамент для дома. И точно так же «нулевой цикл» электроакустики самый трудный, сложный и ответственный. Слышимость звука зависит от потока энергии звуковой волны, который зависит от частоты по квадрату. Стало быть, басы слышны хуже всего, см. рис. с кривыми равной громкости. Для «закачки» энергии в НЧ нужны мощные динамики и УМЗЧ; реально на басы тратится более половины мощности усилителя. Но на больших мощностях растет вероятность возникновения НИ, самые сильные и, разумеется, слышимые составляющие спектра которых от басов придутся как раз на лучше всего слышимые СЧ.

«Накачка» НЧ осложняется еще и тем, что размеры ГГ и всей АС малы сравнительно с длинами волн НЧ. Любой источник звука отдает ему энергию тем лучше, чем больше его размеры относительно длины звуковой волны. Акустический КПД динамиков на НЧ – единицы и доли процента. Поэтому большая часть работ и хлопот по созданию АС сводится к тому, чтобы заставить ее получше воспроизводить НЧ. Но напомним еще раз: не забывайте при этом как можно чаше контролировать чистоту СЧ! Собственно же создание НЧ тракта АС сводится к:

• Определению потребной электрической мощности НЧ ГГ.
• Выбору НЧ ГГ, подходящей для данных условий прослушивания.
• Выбору оптимального для выбранной НЧ ГГ акустического оформления (конструкции корпуса).
• Правильному его изготовлению в пригодном материале.

Мощность

Стандартный акустический экран

Отдача по звуку в дБ (характеристическая чувствительность) указывается в паспорте динамика. Измеряется она в звукомерной камере в 1 м от центра ГГ измерительным микрофоном, расположенным строго по ее оси. ГГ ставят на звукомерный щит (стандартный акустический экран, см. рис. справа) и подводят электрическую мощность 1 Вт (0,1 Вт для ГГ мощностью меньше 3 Вт) на частоте 1000 Гц (200 Гц, 5000 Гц). Теоретически по этим данным, классу желаемого Hi-Fi и параметрам помещения/области прослушивания (местной акустике) можно рассчитать требуемую электрическую мощность ГГ. Но на деле учет местной акустики настолько сложен и неоднозначен, что с этим и специалисты редко морочатся.

Примечание: ГГ для измерений смещают от центра экрана затем, чтобы избежать интерференции звуковых волн от фронтальной и тыльной излучающих поверхностей. Материал экрана обычно – пирог из 5-ти слоев неошкуренной 3-слойной сосновой фанеры на казеиновом клею толщиной по 3 мм и 4-прокладок между ними из натурального войлока толщиной по 2 мм. Клеится все вместе тоже казеином или ПВА.

Гораздо проще идти от имеющихся условий на техническое озвучивание слабо зашумленных помещений, с поправками на динамику и частотный диапазон Hi-Fi, тем более, что полученные результаты в таком случае лучше согласуются с известными эмпирическими данными и экспертными оценками. Тогда для начального Hi-Fi нужно, при высоте потолка до 3,5 м, 0,25 Вт номинальной (долговременной) электрической мощности ГГ на 1 кв. м площади пола, для базового Hi-Fi – 0,4 Вт/кв. м, а для высокого – 1,15 Вт/кв. м.

Следующий шаг – учет реальных условий прослушивания. Динамики на сотню Вт, способные работать и на микроваттных уровнях, чудовищно дороги, с одной стороны. С другой – если для прослушивания не выделено отдельное помещение, оборудованное как звукомерная камера, то их «микрошепота» на тишайшем пианиссимо в любой жилой комнате и слышно не будет (см. выше об уровнях естественных шумов). Поэтому увеличиваем полученные значения вдвое-втрое, чтобы «оторвать» прослушиваемое от шумового фона. Получаем для начального Hi-Fi от 0,5 Вт/кв. м, базового от 0,8 Вт/кв. м и для высокого от 2,25 Вт/кв. м.

Далее, поскольку нам нужен хайфай, а не просто разборчивость речи, нужно от номинальной мощности перейти к пиковой (музыкальной). «Сок» звука зависит в первую очередь от динамики его громкости. КНИ ГГ на пиках громкости не должен превосходить его значения для Hi-Fi на класс ниже избранного; для начального Hi-Fi берем на пике КНИ 3%. В торговых спецификациях на Hi-Fi динамики указывается именно пиковая мощность как более значимая. По советско-российской методике пиковая мощность равна 3,33 долговременной; по методикам западных фирм «музыка» равна 5-8 номиналам, но – стоп пока!

Примечание: китайские, тайваньские, индийские и корейские методики – в игнор. Они для базового (!) Hi-Fi на пике принимают телефонный КНИ в 6%. А вот Филиппины, Индонезия и Австралия меряют свои динамики грамотно.

Дело в том, что все без исключения западные производители Hi-Fi ГГ безбожно завышают пиковую мощность своих изделий. Лучше бы продвигали свои КНИ и ровность АЧХ, тут им действительно есть чем гордиться. Да вот только рядовой забугорный обыватель таких сложностей понимать не станет, а если на динамике наляпано «180W», «250W», «320W», это реально круто. В действительности же прогоны динамиков «оттуда» в звукомерке дают их пики в 3,2-3,7 номиналов. Что вполне объяснимо, т.к. обосновано данное соотношение физиологически, т.е. строением наших с вами ушей. Вывод – нацелившись на западные ГГ, выходите на фирменный сайт, ищите там номинальную мощность и умножайте на 3,33.

Примечание 9, насчет обозначений пика и номинала: в России по старой системе цифры перед буквами в обозначении динамика указывали его номинальную мощность, а теперь дают пиковую. Но одновременно изменены были и корень с суффиксом обозначения. Поэтому один и тот же динамик может обозначаться совсем по разному, примеры см. ниже. Правду ищите с справочных источниках или на Яндексе. Там, какое обозначение ни введи, в результатах будет новое, а рядом в скобках старое.

В конечном итоге получаем для комнаты до 12 кв. м пик для начального Hi-Fi в 15 Вт, базового в 30 Вт и высокого в 55 Вт. Это наименьшие допустимые значения; взять ГГ еще вдвое-втрое мощнее, будет лучше, если только не слушается симфоническая классика и очень серьезный джаз. Для них желательно ограничиться мощностью в 1,2-1,5 от минимальной, иначе на пиках громкости возможны хрипы.

Можно обойтись еще проще, ориентируясь на проверенные прототипы. Для начального Hi-Fi в комнате до 20 кв. м подойдет ГГ 10ГД-36К (10ГДШ-1 по-старому), для высокого – 100ГДШ-47-16. Расфильтровка им не нужна, это широкополосные ГГ. С базовым Hi-Fi сложнее, подходящего широкополосника для него не обнаруживается, нужно делать 2-полосную АС. Тут на первых порах оптимальное решение – повторить электрическую часть старой советской АС S-30B. Эти колонки уже десятилетия исправно и очень хорошо «поют» в квартирах, кафешках и просто на улице. Обшарпанные донельзя, но звук держат.

Электрическая схема разделительных фильтров АС S-30B и указания к ней для намотки катушек

Разделительные фильтры АС S-30B со схемой индикации перегрузки

Схема расфильтровки S-30B (без индикации перегрузки) дана на рис. слева. Незначительная доработка произведена для уменьшения потерь в катушках и возможности подгонки под различные НЧ ГГ; при желании отводы от L1 можно сделать чаще, в пределах 1/3 общего к-ва витков w, считая от правого по схеме конца L1, подгонка будет точнее. Справа – указания и формулы для самостоятельного расчета и изготовления катушек фильтров. Деталей прецизионной точности для этой расфильтровки не требуется; отклонения индуктивности катушек на +/–10% также не влияют заметно на звучание. Движок R2 целесообразно вывести на заднюю стенку для оперативной подгонки АЧХ под комнату. К импедансу динамиков схема мало чувствительна (в отличие от расфильтровки на K-фильтрах), поэтому вместо указанных можно применять другие ГГ, подходящие по мощности и сопротивлению. Одно условие: высшая воспроизводимая частота (ВВЧ) НЧ ГГ по уровню –20 дБ должна быть не ниже 7 кГц, а низшая воспроизводимая частота (НВЧ) ВЧ ГГ на том же уровне – не выше 3 кГц. Сдвигая-раздвигая L1 и L2, можно несколько корректировать АЧХ в области частоты раздела (5 кГц), не прибегая к таким сложностям, как фильтр Цобеля, способным к тому же увеличивать переходные искажения. Конденсаторы – пленочные с изоляцией из ПЭТ или фторопласта и напылёнными обкладками (MKP) К78 или К73-16; в крайнем случае – К73-11. Резисторы – металлопленочные (MOX). Провода – аудио из бескислородной меди сечением от 2,5 кв. мм. Монтаж – только на пайке. На рис. справа показано, как выглядит оригинальная расфильтровка S-30B (со схемой индикации перегрузки), а на рис. ниже слева дана популярная за рубежом схема 2-полосной расфильтровки без магнитной связи между катушками (почему и полярность их не указана). Справа там же, на всякий случай – 3-полосная расфильтровка советской АС S-90 (35АС-212).

Схемы разделительных фильтров для 2-полосной и 3-полосной акустических систем

О проводах

Специальные аудиопровода – не порождение массового психоза и не маркетинговый трюк. Эффект, открытый радиолюбителями, ныне подтвержден исследованиями и признан специалистами: если в меди провода есть примесь кислорода, на кристаллитах металла образуется тончайшая, буквально в молекулу, пленочка окисла, от которой звуковому сигналу может быть что угодно, кроме улучшения. В серебре такого эффекта не обнаруживается, отчего утонченные аудиогурманы и не скупятся на серебряный провод: торговцы беззастенчиво жульничают с медным проводами, т.к. отличить бескислородную медь от обычной электротехнической можно только в специально оборудованной лаборатории.

Динамики

Качество первичного излучателя звука (ИЗ) на басах определяет звучание АС прим. на 2/3; на СЧ и верхах – практически нацело. В любительских АС почти всегда ИЗ являются электродинамические ГГ (динамики). Изодинамические системы достаточно широко используются в высококлассных наушниках (напр. ТДС-7 и ТДС-15, которыми охотно пользуются профи для контроля звукозаписи), но создание мощных изодинамических ИЗ наталкивается на непреодолимые пока технические трудности. Что до прочих первичных ИЗ (см. перечень в начале), то они пока далеко еще не «доведены до ума». Особенно это касается цен, надежности, долговечности и стабильности характеристик в процессе эксплуатации.

Приобщаясь к электроакустике, знать о том, как устроены и работают в акустических системах динамики, нужно следующее. Возбудитель динамика – тонкая катушка из провода, колеблющаяся в кольцевом зазоре магнитной системы под воздействием тока звуковой частоты. Катушка жестко связана с собственно излучателем звука в пространство – диффузором (на НЧ, СЧ, иногда – на ВЧ) или тонкой, очень легкой и жесткой купольной диафрагмой (на ВЧ, редко – на СЧ). Эффективность излучения звука сильно зависит от диаметра ИЗ; точнее – от его отношения к длине волны излучаемой частоты, но вместе с тем с увеличением диаметра ИЗ растет и вероятность возникновения нелинейных искажений (НИ) звука вследствие упругости материала ИЗ; точнее – не бесконечной его жесткости. Борются с НИ в ИЗ, выполняя излучающие поверхности из звукопоглощающих (антиакустических) материалов.

Диаметр диффузора больше диаметра катушки, и в диффузорных ГГ он и катушка крепятся к корпусу динамика отдельными гибкими подвесами. Конфигурация диффузора – полый конус с тонкими стенками, обращенный вершиной к катушке. Подвес катушки держит одновременно и вершину диффузора, т.е. его подвес двойной. Образующая конуса может быть прямолинейной, параболической, экспоненциальной и гиперболической. Чем круче конус диффузора сходится к вершине, тем выше отдача и меньше НИ динамика, но одновременно сужается его частотный диапазон и возрастает направленность излучения (сужается диаграмма направленности ДН). Сужение ДН сужает также зону стереоэффекта и отодвигает ее от фронтальной плоскости пары АС. Диаметр диафрагмы равен диаметру катушки и отдельного подвеса для нее нет. Это резко снижает КНИ ГГ, т.к. подвес диффузора – весьма заметный источник НИ звука, а материал для диафрагмы можно брать очень жесткий. Однако хорошо излучать звук диафрагма способна только на достаточно высоких частотах.

Катушка и диффузор или диафрагма вместе с подвесами составляют подвижную систему (ПС) ГГ. У ПС есть частота собственного механического резонанса Fр, на которой подвижность ПС резко возрастает, и добротность Q. Если Q>1, то динамик без правильно подобранного и выполненного акустического оформления (см. далее) на Fр захрипит на мощности меньше номинальной, не то что пиковой, это т. наз. запирание ГГ. К искажениям запирание не относится, т.к. является конструкторско-производственным браком. Если 0,7<Q<1, то на АЧХ в окрестности Fр появится сильный, трудноустранимый горб и резко возрастут НИ. В случае, когда 0,5<Q<0,7, небольшой всплеск АЧХ на Fр можно исправить схемотехнически в УМЗЧ эквалайзером или в расфильтровке АС. Наконец, если Q<0,5, Fр ГГ на АЧХ не влияет, это т. наз. безразличный резонанс. Эти закономерности особенно сильно проявляются на НЧ, т.к. с увеличением частоты растет поглощение резонансных колебаний в материале ИЗ. Вместе с тем при уменьшении Q падает и отдача ГГ, поэтому при разработке СЧ-ВЧ ГГ задаются 0,7<Q<1, а Fр стараются сдвинуть за пределы рабочего диапазона частот. НЧ ГГ среднего качества разрабатываются на 0,5<Q<0,7, а высокого – на Q<0,5.

Эффективность передачи ИЗ энергии электрического сигнала звуковым волнам в воздухе определяется мгновенным ускорением диффузора/диафрагмы (кто знаком с матанализом – второй производной его смещения по времени), т.к. воздух – легко сжимаемая и очень текучая среда. Мгновенное ускорение катушки, толкающей/тянущей диффузор/диафрагму, должно быть несколько больше, иначе она не «раскачает» ИЗ. Несколько, но не намного. В противном случае катушка будет изгибать и заставлять вибрировать излучатель, что приведет к появлению НИ. Это т. наз мембранный эффект, при котором в материале диффузора/диафрагмы распространяются продольные волны упругости. Попросту говоря, диффузор/диафрагма должны чуть-чуть «тормозить» катушку. И тут опять противоречие – чем сильнее излучатель «тормозит», тем сильнее он излучает. На практике «торможение» излучателя делают таким, чтобы его НИ во всем диапазоне частот и мощностей укладывались в норму для заданного класса Hi-Fi.

Примечание, вывод: не пытайтесь «выжать» из динамиков того, чего они не могут. Напр., АС на 10ГДШ-1 можно построить с неравномерностью АЧХ на СЧ в 2 дБ, но по КНИ и динамике он все равно тянет на Hi-Fi не выше начального.

На частотах до Fр мембранный эффект не проявляется никогда, это т. наз. поршневой режим работы ГГ – диффузор/диафрагма просто ходят вперед-назад. Выше по частоте тяжелый диффузор все больше не успевает за катушкой, мембранное излучение начинается и все усиливается. На некоторой частоте динамик начинает излучать только как гибкая мембрана: на стыке с подвесом его диффузор уже неподвижен. При 0,7<Q<1 поршневая область по частоте тянется прим. до 1,4Fр, а при 0,5<Q<0,7 – до 2Fр. При Q<0,5 ГГ работает в поршневом режиме на любой частоте. КНИ динамика «на поршне» минимален, но минимальна и отдача. АЧХ ГГ в поршневой области максимально гладкая.

Мембранный эффект резко улучшает отдачу ГГ, т.к. мгновенные ускорения вибрирующих участков поверхности ИЗ оказываются очень большими. Это обстоятельство широко используется конструкторами ВЧ и частично СЧ ГГ, спектр искажений которых сразу уходит в ультразвук, а также при конструировании ГГ не для Hi-Fi. КНИ ГГ с мембранным эффектом и ровность АЧХ АС с ними сильно зависят от моды мембраны. На нулевой моде, когда вся поверхность ИЗ дрожит как бы сама себе в такт, Hi-Fi до среднего включительно можно добиться и на НЧ, см. далее.

Примечание: частота, на которой ГГ переходит с «поршня на мембрану», а также изменение мембранной моды (не рост, она всегда целочисленная) существенно зависят от диаметра диффузора. Чем он больше, тем ниже по частоте и сильнее динамик начинает «мембранить».

Вуферы

Высококачественные поршневые НЧ ГГ (попросту – «поршня»; по-английски woofers, лающие) делают с относительно небольшим, толстым, тяжелым и жестким диффузором из антиакустики на очень мягком латексном подвесе, см. поз 1 на рис. Тогда Fр оказывается ниже 40 Гц или даже ниже 30-20 Гц, а Q<0,7. В мембранном режиме поршневые ГГ способны работать до частот 7-8 кГц на нулевой-первой модах.

Периоды волн НЧ долгие, все это время диффузор в поршневом режиме должен двигаться с ускорением, потому и ход диффузора делается длинным. НЧ без акустического оформления не воспроизводятся, но оно всегда в той или иной степени замкнуто, изолировано от свободного пространства. Поэтому диффузору приходится работать с большой массой т. наз. присоединенного воздуха, для «раскачки» которой требуется значительное усилие (отчего поршневые ГГ иногда называют компрессионными), также как и для ускоренного перемещения тяжелого диффузора с малой добротностью. По этим причинам магнитную систему поршневой ГГ приходится делать очень мощной.

Динамики для акустических систем

Несмотря на все ухищрения, отдача поршневых ГГ мала, т.к. развивать большое ускорение на длинных волнах НЧ диффузору нельзя: упругости воздуха не хватит, чтобы принять отдаваемую энергию. Он растечется в стороны, а динамик уйдет в запирания. Чтобы повысить отдачу и плавность хода подвижной системы (для уменьшения КНИ на больших уровнях мощности), конструкторы пускаются во все тяжкие – применяют магнитные системы дифференциальные, с полурассеянием и др. экзотику. КНИ дополнительно снижают, заполняя магнитный зазор невысыхающей реологической жидкостью. В итоге лучшие современные «поршня» достигают динамического диапазона в 92-95 дБ, причем КНИ на номинальной мощности не превосходит 0,25%, а на пиковой – 1%. Все это очень хорошо, но цены – мама, не горюй! $1000 за пару с дифмагнитами и реозаливкой для домашней акустики подобранных по отдаче, резонансной частоте и гибкости подвижной системы это еще не предел.

Примечание: НЧ ГГ с реологическим заполнением магнитного зазора пригодны только в НЧ звенья 3-полосных АС, т.к. совершенно не способны работать в мембранном режиме.

Есть у поршневых ГГ еще один серьезный порок: без сильного акустического демпфирования они могут механически разрушиться. Опять-таки, попросту: за поршневым динамиком должна быть слабо связанная со свободным пространством своего рода воздушная подушка. Иначе диффузор на пике сорвет с подвеса и он вылетит наружу вместе с катушкой. Поэтому ставить «поршня» можно не во всякое акустическое оформление, см. далее. Кроме того, поршневые ГГ не терпят принудительного затормаживания ПС: катушка сгорает сразу. Но это уже редкий случай, диффузоры динамиков обычно рукой не придерживают и спички им в магнитный зазор не вставляют.

Умельцам на заметку

Известен «народный» способ повысить отдачу поршневых ГГ: к штатной магнитной системе с тыла, ничего не переделывая в динамике, прочно прикрепляют дополнительный кольцевой магнит отталкивающейся стороной. Именно отталкивающейся, иначе при подаче сигнала катушку сразу оторвет от диффузора. Перемотать динамик в принципе можно, но очень сложно. И еще никогда нигде ни один динамик от перемотки не стал лучше или хотя бы остался таким, как был.

Но речь вообще-то не о том. Энтузиасты данной доработки утверждают, что поле внешнего магнита концентрирует поле штатного около катушки, отчего растет ускорение ПС и отдача. Это верно, но Hi-Fi ГГ это очень точно сбаласированная система. Отдача, действительно, немного увеличивается. Но вот КНИ на пике сразу «прыгает» так, что искажения звука становятся хорошо слышны и неискушенными слушателями. На номинале звук может стать даже чище, но без динамики Hi-Fi уже на хайфай.

Ведущие

Так по-английски (managers) называются СЧ ГГ, т.к. именно на СЧ приходится подавляющая часть смысловой нагрузки музыкального опуса. Требования к СЧ ГГ для Hi-Fi много мягче, поэтому большую их часть делают традиционной конструкции с большим диффузором, отлитым из целлюлозной массы заодно с подвесом, поз. 2. Отзывы об СЧ ГГ купольных и с металлическими диффузорами противоречивы. Превалирует в основном тон, мол, жестковат звук. Любители классики жалуются, что смычковые от динамиков «не бумажных» визжат. Звук СЧ ГГ с пластиковыми диффузорами почти все признают тусклым и в то же время жестким.

Ход диффузора СЧ ГГ делают коротким, т.к. его диаметр сравним с длинами волн СЧ и передача энергии в воздух не затруднительна. Для увеличения затухания упругих волн в диффузоре и, соотв., уменьшения НИ вместе с расширением динамического диапазона в массу для отливки диффузора Hi-Fi СЧ ГГ добавляют мелко нарезанные волокна шелка, тогда динамик почти во всем диапазоне СЧ работает в поршневом режиме. В результате применения этих мер динамика современных СЧ ГГ среднего ценового уровня оказывается не хуже 70 дБ, а КНИ на номинале не выше 1,5%, чего вполне достаточно для высокого Hi-Fi в городской квартире.

Примечание: шелк добавляют в материал диффузора почти всех хороших динамиков, это универсальный способ снизить КНИ.

Чирикалки

По-нашему – пищалки. Как вы уже догадались, это tweeters, ВЧ ГГ. Пишется с одним t, это не название соцсети для сплетен. Сделать хорошую «пищалку» из современных материалов было бы вообще просто (спектр НИ сразу уходит в ультразвук), если бы не одно обстоятельство – диаметр излучателя почти во всем диапазоне ВЧ оказывается того же порядка или меньше длины волны. Из-за этого возможна интерференция на самом излучателе вследствие распространения в нем упругих волн. Чтобы не дать им «зацепки» для излучения в воздух как попало, диффузор/купол ВЧ ГГ должен быть как можно более гладким, с этой целью купола делают из металлизированного пластика (он лучше поглощает упругие волны), а металлические купола полируют.

Критерий выбора ВЧ ГГ указан выше: купольные универсальны, а поклонникам классики, требующим обязательно «поющих» мягких верхов, более подойдут диффузорные. Эти лучше брать эллиптические и ставить в АС, ориентируя их длинную ось вертикально. Тогда ДН динамика в горизонтальной плоскости будет шире, а зона стерео больше. Еще в продаже есть ВЧ ГГ со встроенным рупором. Их мощность можно принимать в 0,15-0,2 от мощности НЧ звена. Что до технических качественных показателей, то любая ВЧ ГГ пригодна для Hi-Fi любого уровня, лишь бы по мощности подходила.

Ширики

Это просторечное прозвище широкополосных ГГ (ГГШ), не требующих расфильтровки частотных каналов АС. Излучатель простой ГГШ с общим возбуждением состоит из НЧ-СЧ диффузора и жестко связанного с ним ВЧ конуса, поз. 3. Это т. наз. коаксиальный излучатель, отчего ГГШ называют еще коаксиальными динамиками или попросту коаксиалами.

Идея ГГШ – отдать мембранный режим ВЧ конусу, где он особо не навредит, а диффузор на НЧ и внизу СЧ пусть работает «на поршне», для чего НЧ-СЧ диффузор гофрируют поперек. Так делаются широкополосные ГГ для начального, иногда и среднего Hi-Fi, напр. упоминавшийся 10ГД-36К (10ГДШ-1).

Первые ГГШ с ВЧ конусом пошли в продажу в начале 50-х, но доминирующего положения на рынке так и не достигли. Причина – склонность к переходным искажениям и затягивание атаки звука оттого, что конус от толчков диффузора болтается и хлябается. Слушать, как Мигель Рамос играет на электрооргане «Хаммонд», через коаксиал с конусом невыносимо тягостно.

Коаксиальные ГГШ с раздельным возбуждением НЧ-СЧ и ВЧ излучателей, поз. 4, этого недостатка лишены. В них ВЧ звено приводится в движение отдельной катушкой от ее собственной магнитной системы. Гильза ВЧ катушки проходит сквозь катушку НЧ-СЧ. ПС и магнитные системы расположены коаксиально, т.е. по одной оси.

ГГШ с раздельным возбуждением на НЧ по всем техпараметрам и субъективным оценкам звука не уступают поршневым ГГ. На современных коаксиальных динамиках можно строить очень компактные АС. Недостаток – цена. Коаксиал для высокого Hi-Fi обходится, как правило, дороже комплекта НЧ-СЧ + ВЧ, хотя и дешевле НЧ, СЧ и ВЧ ГГ для 3-полосной АС.

Авто

Автомобильные динамики формально относятся тоже к коаксиальным, но на деле это 2-3 отдельных ГГ в одном корпусе. ВЧ (иногда и СЧ) ГГ подвешиваются перед диффузором НЧ ГГ на кронштейне, см. справа на рис. в начале. Расфильтровка всегда встроенная, т.е. на корпусе всего 2 клеммы для подключения проводов.

Задача у автодинамиков специфическая: прежде всего «перекричать» шумы в салоне автомобиля, поэтому их конструкторы с мембранным эффектом особо не борются. Но динамический диапазон автодинамикам по той же причине нужен широкий, не менее 70 дБ, а их диффузоры делают обязательно с шелком или применяют др. меры подавления высших мембранных мод – хрипеть динамик не должен и в машине на ходу.

Как следствие – автодинамики в принципе пригодны для Hi-Fi до среднего включительно, если подобрать к ним подходящее акустическое оформление. Во все АС, описанные далее, можно ставить автодинамики подходящего размера и мощности, тогда не нужны будут вырез под ВЧ ГГ и расфильтровка. Одно условие: штатные клеммы с зажимами нужно очень аккуратно удалить и поставить взамен них ламели под распайку. Колонки из автомобильных динамиков современной разработки позволяют слушать хороший джаз, рок, даже отдельные произведения симфонической музыки и многие – камерной. Скрипичные квартеты Моцарта они, конечно, не потянут, но ведь такие динамичные и наполненные смыслом опусы слушают очень немногие. Обойдется же пара автодинамиков в несколько раз, до 5 раз, дешевле, чем 2 комплекта ГГ с компонентами фильтров для 2-полосной АС.

Резвые

Friskers, от frisky, так американские радиолюбители прозвали малогабаритные ГГ малой мощности с очень тонким и легким диффузором, во-первых, за высокую отдачу – пара «резвых» по 2-3 Вт озвучивает комнату в 20 кв. м. Во-вторых – за жесткий звук: «резвые» работают только в мембранном режиме.

Производители и продавцы «резвые» в особый класс не выделяют, т.к. они, по идее, не Hi-Fi. Динамик как динамик, в любом китайском радио или дешевых компьютерных колонках такие. Однако на «резвых» можно сделать хорошие колонки для компьютера, обеспечивающие Hi-Fi до среднего включительно в окрестности рабочего стола.

Дело в том, что «резвые» способны воспроизводить весь звуковой диапазон, нужно только уменьшить их КНИ и сгладить АЧХ. Первое достигается добавкой шелка в диффузор, тут нужно ориентироваться по производителю и его (не торговым!) спецификациям. Напр., все ГГ канадской фирмы Edifier с шелком. Кстати, Edifier – французское слово и читается «эдифье», а не «идифайер» на английский манер.

Ровняют АЧХ «резвых» двояко. Мелкие всплески/провалы убирает уже шелк, а бугры и впадины побольше устраняют акустическим оформлением со свободным выходом в атмосферу и демпфирующей предкамерой, см. рис; пример такой АС см. далее.

Выравнивание АЧХ динамиков

Акустика

Зачем вообще нужно акустическое оформление? На НЧ размеры излучателя звука очень малы сравнительно с длиной звуковой волны. Если просто положить динамик на стол, волны от фронтальной и тыльной поверхностей диффузора тут же сойдутся в противофазе, погасят друг друга, и басов вообще слышно не будет. Это называется акустическим коротким замыканием. Просто заглушить динамик с тыла на НЧ нельзя: диффузору придется сильно сжимать малый объем воздуха, отчего частота резонанса ПС «прыгнет» так высоко, что динамик просто не сможет воспроизвести басы. Отсюда следует главная задача любого акустического оформления: либо погасить излучение от тыльной стороны ГГ, либо перевернуть его на 180 градусов и в фазе переизлучить с фронта АС, не допуская в то же время расходования энергии движения диффузора на термодинамику, т.е. на сжатие-расширение воздуха в корпусе АС. Дополнительная задача – по возможности сформировать на выходе АС сферическую звуковую волну, т.к. в этом случае зона стереоэффекта наиболее широка и глубока, а влияние акустики помещения на звучание АС наименьшее.

Примечание, важное следствие: для каждого корпуса АС конкретного объема с определенным акустическим оформлением существует оптимальный диапазон мощностей возбуждения. Если мощность ИЗ мала, он не раскачает акустику, звук будет тусклый, искаженный, особенно на НЧ. Чрезмерно мощный ГГ уйдет в термодинамику, отчего начнутся запирания.

Назначение корпуса АС с акустическим оформлением – обеспечить наилучшее воспроизведение НЧ. Прочность, устойчивость, внешний вид – само собой. Акустически домашние АС оформляются в виде щита (динамики, встроенные в мебель и строительные конструкции), открытого ящика, открытого ящика с панелью акустического сопротивления (ПАС), закрытого ящика нормального или уменьшенного объема (малогабаритные акустические системы, МАС), фазоинвертора (ФИ), пассивного излучателя (ПИ), рупоров прямого и обратного, четвертьволнового (ЧВ) и полуволнового (ПВ) лабиринтов.

Встроенная акустика – предмет особого обсуждения. Открытые ящики из эпохи ламповых радиол, получить от них в квартире приемлемое стерео нереально. Из прочих начинающему для первой своей АС лучше всего остановить выбор на ПВ лабиринте:

• В отличие от прочих, кроме ФИ и ПИ, ПВ лабиринт позволяет улучшить басы на частотах ниже собственной резонансной частоты динамика НЧ.
• Сравнительно с ФИ ПВ лабиринт конструктивно и в настройке несложен.
• По сравнению с ПИ ПВ лабиринт не требует дорогих покупных дополнительных компонент.
• Коленчатый ПВ лабиринт (см. ниже) создает ГГ достаточную акустическую нагрузку, имея в то же время свободную связь с атмосферой, что дает возможность применять НЧ ГГ и с длинным, и с коротким ходом диффузора. Вплоть до замены в уже построенных АС. Разумеется, только парой. Излученная волна в таком случае будет практически сферической.
• В отличие от всех, кроме закрытого ящика и ЧВ лабиринта, акустическая колонка с ПВ лабиринтом способна сгладить АЧХ НЧ ГГ.
• АС с ПВ лабиринтом конструктивно легко вытягиваются в высокую тонкую колонну, что облегчает их размещение в небольших помещениях.

Насчет предпоследнего пункта – вы удивлены, если опытный? Считайте это одним из обещанных откровений. И см. ниже.

ПВ лабиринт

Лабиринтными часто считают акустическое оформление типа глубокая щель (Deep Slot, разновидность ЧВ лабиринта), поз. 1 на рис., и сверточный обратный рупор (поз. 2). Рупоров мы еще коснемся, а что до глубокой щели, то это фактически ПАС, акустический затвор, обеспечивающий свободную связь с атмосферой, но не выпускающая наружу звук: глубина щели – четверть длины волны частоты ее настройки. В этом легко убедиться, замерив с помощью остронаправленного микрофона уровни звука перед фронтом динамика и в раскрыве щели. Резонанс на кратных частотах подавляется выстилкой щели звукопоглотителем. АС с глубокой щелью тоже демпфирует любые динамики, но повышает их резонансную частоту, хотя и меньше, чем закрытый ящик.

Устройство и принцип действия акустической системы с лабиринтом

Исходный элемент ПВ лабиринта – открытая полуволновая труба, поз. 3. Как акустическое оформление она непригодна: пока волна с тыла доберется до фронта, ее фаза перевернется еще на 180 градусов, и получится все то же акустическое короткое замыкание. На АЧХ ПВ труба дает высокий резкий пик, вызывающий запирание ГГ на частоте настройки Fн. Но что уже важно – Fн и частота собственного резонанса ГГ f (которая выше – Fр) теоретически никак между собой не связаны, т.е. можно рассчитывать на улучшение басов ниже f (Fр).

Простейший способ превратить трубу в лабиринт – перегнуть ее пополам, поз. 4. Это не только сфазирует фронт с тылом, но и сгладит резонансный пик, т.к. пути волн в трубе теперь будут различны по длине. Таким способом в принципе можно сгладить АЧХ до любой наперед заданной степени ровности, наращивая количество колен (оно должно быть нечетным), но на деле использовать более 3-х колен получается очень редко – мешает затухание волны в трубе.

В камерном ПВ лабиринте (поз. 5) колена разбиты на т. наз. резонаторы Гельмгольца – сужающиеся к заднему концу полости. Это еще улучшает демпфирование ГГ, сглаживает АЧХ, уменьшает потери в лабиринте и увеличивает эффективность излучения, т.к. тыльное выходное окно (порт) лабиринта всегда работает с «подпором» со стороны последней камеры. Разгородив камеры на промежуточные резонаторы, поз. 6, можно с диффузорной ГГ добиться АЧХ, почти удовлетворяющей требования абсолютного Hi-Fi, но настройка каждой из пары таких АС требует где-то от полугода (!) труда опытного специалиста. Когда-то в некоем узком кругу лабиринтно-камерную АС с разделением камер прозвали кремоной, с намеком на уникальные скрипки итальянских мастеров.

На деле для получения АЧХ под высокий Hi-Fi оказывается достаточно всего пары камер на колено. Чертежи АС такой конструкции даны на рис; слева – российской разработки, справа – испанской. Та и другая – очень хорошая напольная акустика. «Для полного счастья» россиянке не мешало бы позаимствовать и испанки связи жесткости, поддерживающие перегородку (буковые палочки диаметром 10 мм), а взамен дать сглаживание изгиба трубы.

Чертежи напольных акустических систем с лабиринтом

В обеих этих АС проявляется еще одно полезное свойство камерного лабиринта: его акустическая длина больше геометрической, т.к. звук несколько задерживается в каждой камере, прежде чем пройдет дальше. По геометрии эти лабиринты настроены где-то на 85 Гц, но измерения показывают 63 Гц. Реально нижняя граница частотного диапазона оказывается 37-45 Гц в зависимости от типа НЧ ГГ. Если динамики с расфильтровкой от S-30B переставить в такие корпуса, звук меняется поразительно. В лучшую сторону.

Чертеж акустической системы Jet Flow

Диапазон мощностей возбуждения для данных АС – 20-80 Вт пиковых. Звукопоглощающая выстилка там и там – синтепон 5-10 мм. Настройка не всегда необходима и несложна: если бас глуховатый, порт симметрично с обоих сторон прикрывают кусочками пенопласта до получения оптимального звучания. Делать это нужно не спеша, каждый раз прослушивая по 10-15 мин один и тот же отрезок фонограммы. В нем обязательно должны быть сильные СЧ с крутой атакой (контроль СЧ!), напр., скрипка.

Jet Flow

Камерный лабиринт успешно сочетается с обычным извитым. Пример – настольная акустическая система Jet Flow (реактивный поток) разработки американских радиолюбителей, произведшая в 70-х настоящий фурор, см. рис. справа. Ширина корпуса по внутри – 150-250 мм под динамики 120-220 мм, в т.ч. «резвые» и автодинамики. Материал корпуса – сосна, ель, МДФ. Звукопоглощающая выстилка и настройка не требуются. Диапазон мощностей возбуждения – 5-30 Вт пиковых.

Примечание: с Jet Flow сейчас путаница – под тем же брендом идут в продажу струйные излучатели звука.

Для резвых и компьютера

Сгладить АЧХ автодинамиков и «резвых» можно и в обычном извитом лабиринте, устроив перед входом в него компрессионную демпфирующую (не резонирующую!) предкамеру, обозначена K на рис. ниже.

Мини акустическая система для ПК (домашнего компьютера)

Эта мини-акустика предназначена для ПК взамен старой дешевой. Динамики используются те же, но как они звучать начинают – просто удивительно. Если диффузор с шелком, иначе смысла нет огород городить. Дополнительное достоинство – цилиндрический корпус, на котором интерференция СЧ близка к минимальной, меньше она только на сферическом корпусе. Рабочее положение – с наклоном вперед-вверх (АС – звуковой прожектор). Мощность возбуждения – 0,6-3 Вт номинальных. Сборка производится в след. порядке (клей – ПВА):

• На дет. 9 клеят пылевой фильтр (можно использовать обрывки капроновых колготок);
• Дет. 8 и 9 оклеивают синтепоном (обозначено желтым на рис.);
• Собирают пакет перегородок на стяжке и проставках;
• Вклеивают синтепоновые кольца, обозначенные зеленым;
• Пакет оборачивают, проклеивая, ватманом до толщины стенок в 8 мм;
• Обрезают корпус в размер и оклеивают предкамеру (выделено красным);
• Вклеивают дет. 3;
• После полной просушки шкурят, красят, приделывают подставку, монтируют динамик. Провода к нему проходят по изгибам лабиринта.

О рупорах

У рупорных АС высокая отдача (вспомните, зачем он вобще, рупор-то). Старая 10ГДШ-1 через рупор орет так, что уши вянут, а соседи «счастливы по самое не могу», отчего рупорами многие и увлекаются. В домашних АС используются извитые рупоры как менее громоздкие. Обратный рупор возбуждается тыльным излучением ГГ и с ПВ лабиринтом сходен тем, что поворачивает фазу волны на 180 градусов. Но в остальном:

1. Конструктивно и технологически много сложнее, см. рис. ниже.
2. Не улучшает, а наоборот, портит АЧХ АС, т.к. АЧХ любого рупора неравномерна и рупор не является резонирующей системой, т.е. исправить его АЧХ нельзя в принципе.
3. Излучение из порта рупора существенно направленно, а волна его скорее плоская, чем сферическая, так что хорошего стереоэффекта ждать не приходится.
4. Не создает значительной акустической нагрузки ГГ и в то же время требует значительной мощности для возбуждения (еще вспомним – шепчут ли в переговорный рупор). Динамический диапазон рупорных АС можно вытянуть в лучшем случае до базового Hi-Fi, и у поршневых динамиков с очень мягким подвесом (стало быть, хороших и дорогих) диффузор при установке ГГ в рупор вырывается очень даже не редко.
5. Дает призвуков больше любого другого типа акустического оформления.

Чертежи акустической системы с обратным рупором

Корпус

Корпус для динамиков лучше всего собирать на буковых шкантах и клею ПВА, его пленка сохраняет демпфирующие свойства долгие годы. Для сборки одну из боковин кладут на пол, ставят днище, крышку, переднюю и заднюю стенку, перегородки, см. рис. справа, и накрывают другой боковиной. Если наружные поверхности идут под окончательную отделку, можно использовать стальной крепеж, но обязательно с проклеиванием и герметизацией (пластилин, силикон) не клеевых швов.

Сборка корпусов акустических систем

Гораздо большее значение для качества звучания имеет выбор материала корпуса. Идеальный вариант – музыкальная ель без сучков (они источник призвуков), но найти ее большие доски для АС нереально, елки ведь очень суковатые деревья. Что до пластиковых корпусов АС, то они хорошо звучат только промышленного производства цельнолитые, а любительские самоделки из прозрачного поликарбоната и пр. это средства самовыражения, а не акустика. Скажут вам, что такая хорошо звучит – попросите включить, послушайте и поверьте ушам своим.

Вообще с натуральными древесными материалами для АС туго: совершенно прямослойная сосна без дефектов дорога, а прочие доступные строительные и мебельные породы дают призвуки. Лучше всего использовать МДФ. Упомянутая выше Edifier давно уже полностью на нее перешла. Пригодность любого прочего дерева для АС можно определить след. образом:

1. Тест производится в тихом помещении, в котором самому нужно предварительно пробыть в тишине от получаса;
2. Отрезок доски длиной ок. 0,5 м кладут на призмы из отрезков стального уголка, уложенные на расстоянии 40-45 см друг от друга;
3. Костяшкой согнутого пальца стучат прим. в 10 см от любой из призм;
4. Повторяют простукивание точно по центру доски.

Если в обоих случаях малейшего подзвона не слышно, материал пригоден. Тем лучше, чем мягче, глуше и короче звук. По результатам такого теста можно сделать хорошие АС даже из ДСП или ламината, см. видео ниже:

Видео: простая колонка из ламината для телефона своими руками

Шипы

Напольные и настольные АС устанавливаются на специальные ножки – акустические шипы – исключающие обмен вибрациями АС с полом или столешницей. Акустические шипы есть в продаже, но цены – сами понимаете, специзделие. Так вот, точно такими же конфигурацией (цилиндр, переходящий в конус с закругленным носиком) и свойствами материала обладают грузики для строительных и плотничных отвесов. Цена – сами понимаете. Любые колонки смело ставьте на шипы из грузиков для отвесов, с необычной для них задачей они справятся прекрасно.

Содержание

1. Конструкции
2. Термопанель
3. 12 В
4. ТЭНы
5. Камин
6. Масло и вода
7. Пламенные
8. От свечи
9. Совсем задаром
> Обсуждение

Желающих сделать обогреватель своими руками не убывает: цены на фабричные приборы автономного обогрева не радуют, а их заявленные характеристики нередко оказываются завышенными сравнительно с реальными. Предъявлять претензии бесполезно: у производителей всегда есть «железная отмазка» – эффективность обогрева помещения сильно зависит от его теплотехнических свойств. Случаи, когда из производителя удавалось «выдавить» компенсацию за последствия несчастья, произошедшего по вине их изделия, также единичны. Правда, хотя бытовые обогреватели самостоятельно делать законом не запрещено, беда по вине самоделки будет серьезным отягчающим обстоятельством для ее изготовителя и владельца. Поэтому в данной статье далее описано, как правильно сконструировать и изготовить безопасные бытовые обогреватели нескольких систем, по тепловой эффективности не уступающие лучшим промышленным образцам.

Конструкции

Любители-мастеровые городят обогреватели нередко весьма замысловатой конструкции, см. фото на рис. Порой они сделаны аккуратно. Но подавляющее большинство описанных в рунете самодельных отопительных приборов объединяет одно: высокая степень создаваемой ими опасности, гармонично сочетающаяся с полным несоответствием ожидаемых технических характеристик действительным. В первую очередь это относится к надежности, долговечности и транспортабельности.

самодельные обогреватели

Сделать обогреватель для дома, хоз. помещений или походный автономный для дачи, туризма и рыбалки возможно следующих систем (слева направо на рис.):

• С непосредственным подогревом воздуха на естественной конвекции – электрокамин.
• С принудительным обдувом нагревателя – тепловентилятор.
• С косвенным подогревом воздуха, на естественной конвекции или с принудительным обдувом – масляный или водо-воздушный обогреватель.
• В виде излучающей тепловые (инфракрасные, ИК) лучи поверхности – термопанель.
• Пламенный автономный.

Последний от печи, плиты или водогрейного котла отличается тем, что чаще всего не имеет встроенной горелки/топки, а использует бросовое тепло отопительно-варочных приборов. Впрочем, грань тут весьма размыта: обогреватели на газе со встроенной горелкой есть в продаже и делаются самостоятельно. На многих из них можно готовить или разогревать пищу. Здесь в конце также будет описан пламенный обогреватель, который не на дровах, не на жидком топливе, не на газу и совсем уж точно не печка. А прочие рассматриваются в порядке убывания степени их безопасности и надежности. Которые тем не менее при надлежащем исполнении и у «худших» образцов вполне соответствуют требованиям в бытовым автономным отопительным приборам.

Термопанель

Это достаточно сложный и трудоемкий, но наиболее безопасный и эффективный тип бытового электрического обогревателя: термопанель двустороннего излучения на 400 Вт комнату 12 кв. м в бетонном доме нагревает с +15 до +18 градусов. Потребная мощность электрокамина в таком случае – 1200-1300 Вт. Расход денежных средств на самостоятельное изготовление термопанели невелик. Работают термопанели в т. наз. дальнем (более удаленном от красной области видимого спектра) или длинноволновом ИК, поэтому тепло дают мягкое, не жгучее. Вследствие относительно слабого нагрева теплоизлучающих элементов, если они выполнены правильно (см. ниже), эксплуатационный износ термопанелей практически отсутствует, а долговечность и надежность их ограничены непредусмотренными внешними воздействиями.

Теплоизлучащий элемент (излучатель) термопанели состоит из тонкого плоского проводника из материала с высоким удельным электрическим сопротивлением, зажатого между 2-мя обкладками – пластинами из диэлектрика, прозрачного для ИК. Нагреватели термопанелей делаются по тонкопленочной технологии, а обкладки – из специального пластикового композита. То и другое в домашних условиях недоступно, поэтому многие любители пытаются делать излучатели тепла на основе углеродного покрытия, зажатого между 2-мя стеклами (поз. 1 на рис. ниже); обычное силикатное стекло почти прозрачно для ИК.

Такое техническое решение – типичный суррогат, ненадежный и недолговечный. Проводящую пленку получают либо из свечной сажи, либо намазывая на стекло эпоксидный компаунд с наполнителем из молотого графита или электротехнического угля. Главный порок обоих способов – неравномерная толщина пленки. Углерод в аморфной (уголь) или графитовой аллотропной модификации – полупроводник с высокой для данного класса веществ собственной проводимостью. Характерные для полупроводников эффекты проявляются в нем слабо, почти неуловимо. Но с повышением температуры проводящего слоя удельное электрическое сопротивление углеродной пленки не растет линейно, как у металлов. Следствие – тонкие места греются сильнее, выгорают. Плотность тока в более толстых растет, греются и они, тоже выгорают, и скоро выгорает вся пленка. Это т. наз. лавинообразное выгорание.

Кроме того, пленка из сажи очень нестойка, быстро осыпается сама по себе. В эпоксидный клей для получение нужной мощности обогревателя нужно вводить до 2-х объемов углеродного наполнителя. Вообще-то можно и до 3-х, а если в смолу перед введением отвердителя добавить 5-10% по объему пластификатора – дибутилфталата – то и до 5 объемов наполнителя. Но готовый к работе (не затвердевший) компаунд получается густым и вязким, как пластилин или жирная глина, и нанести его тонкой пленкой нереально – эпоксидка липнет ко всему на свете, кроме парафиновых углеводородов и фторопласта. Шпатель из последнего сделать можно, но компаунд за ним потянется грядочками и комками.

Наконец, графитовая и угольная пыль – очень вредные для здоровья (о силикозе у шахтеров слыхали?) и чрезвычайно пачкающиеся вещества. Снять или отстирать их следы невозможно, запачканные вещи приходится выбрасывать, они пачкают другие. Кто хоть раз имел дело с графитовой смазкой (это тот же мелко дробленый графит) – как говорится, жив я буду, не забуду. Т.е., самодельные излучатели для термопанели нужно делать каким-то другим способом. К счастью, расчет показывает, что для этого пригодна «старая добрая», проверенная многими десятилетиями и недорогая нихромовая проволока.

Расчет

Сквозь 3-мм оконнон стекло без опасности его перегрева растрескивания проходит ок. 8,5 Вт/кв. дм ИК. Из «пирога» излучателя термопанели в обе стороны уйдет 17 Вт. Зададимся размерами излучателя 10х7 см (0,7 кв. дм), таких кусков можно нарезать из боя и отходов порезки практически в неограниченном количестве. Тогда один излучатель отдаст нам комнату 11,9 Вт.

Примем мощность обогревателя в 500 Вт (см. выше). Тогда понадобится 500/11,9 = 42,01 или 42 излучателя. Конструктивно панель будет представлять матрицу 6х7 излучателей размерами без обрамления 600х490 мм. Накинем на обрамление до 750х550 мм – по эргономике проходит, достаточно компактно.

Потребляемый от сети ток – 500 Вт/220 В = 2,27 А. Электрическое сопротивление всего обогревателя – 220 В/2,27 А = 96,97 или 97 Ом (закон Ома). Сопротивление одного излучателя – 97 Ом/42 = 2,31 Ом. Удельное сопротивление нихрома почти точно 1,0 (Ом*кв. мм)/м, но какого сечения и длины нужна проволока для одного излучателя? Поместится ли нихромовая «змея» (поз. 2 на рис.) между стеклами 10х7 см?

Устройство и чертежи самодельного инфракрасного панельного обогревателя

Плотность тока в открытых, т.е. контактирующих с воздухом, нихромовых электроспиралях – 12-18 А/кв. мм. Светятся они при этом от темно- до светло красного (600-800 градусов Цельсия). Примем 700 градусов при плотности тока 16 А/кв. мм. При условии свободного излучения ИК температура нихрома от плотности тока зависит примерно по корню квадратному. Уменьшим ее вдвое, до 8 А/кв. мм, получим рабочую температуру нихрома в 700/(2^2) = 175 градусов, для силикатного стекла безопасно. Температура наружной поверхности излучателя при этом (без учета теплоотвода за счет конвекции) не превысит 70 градусов при наружной в 20 градусов – годится и по теплопередаче «мягким» ИК, и по безопасности, если прикрыть излучающие поверхности защитной сеткой (см. далее).

Номинальный рабочий ток в 2,27 А даст сечение нихрома 2,27/8 = 0,28375 кв. мм. По школьной формуле площади окружности находим диаметр проволоки – 0,601 или 0,6 мм. С запасом примем его 0,7 мм, тогда мощность обогревателя будет 460 Вт, т.к. она зависит от его рабочего тока по квадрату. 460 Вт для обогрева хватит, достаточно было бы и 400 Вт, а долговечность прибора возрастет в несколько раз.

1 м нихромовой проволоки диаметром 0,7 мм имеет сопротивление 2,041 Ом (0,7 в квадрате = 0,49; 1/0,49 = 2,0408…). Для получения сопротивления одного излучателя 2,31 Ом понадобится 2,31/2,041 = 1,132… или 1,13 м проволоки. Примем ширину нихромовой «змейки» в 5 см (по 1 см запаса с краев). На обворот 1-мм гвоздей (см. ниже) прибавим по 2,5 мм, итого 5,25 см на ветвь змейки. Ветвей понадобится 113 см/5,25 см = 21,52…, примем 21,5 ветви. Их общая ширина 22х0,07 см (диаметр проволоки) = 1,54 см. Примем длину змейки в 8 см (по 1 см запаса с коротких краев), тогда коэффициент укладки проволоки 1,54/8 = 0,1925. В паршивейших китайских маломощных силовых трансформаторах он ок. 0,25, т.е. нам на изгибы и промежутки между ветвями змейки места хватает с избытком. Уф-ф, принципиальные вопросы решены, можно переходить к ОКР (опытно-конструкторские работы) и техническому проектированию.

ОКР

Теплопроводность и прозрачность для ИК силикатного стекла сильно меняются от марки к марке и от партии к партии. Поэтому сначала нужно будет сделать 1 (один) излучатель, см. ниже, и провести его испытания. В зависимости от их результата, возможно, придется изменить диаметр проволоки, так что не закупайте нихрома сразу много. При этом изменятся номинальный ток и мощность обогревателя:

• Проволока 0,5 мм – 1,6 А, 350 Вт.
• Проволока 0,6 мм – 1,9 А, 420 Вт.
• Проволока 0,7 мм – 2,27 А, 500 Вт.
• Проволока 0,8 мм – 2,4 А, 530 Вт.
• Проволока 0,9 мм – 2,6 А, 570 Вт.

Примечание: кто грамотный в электричестве – номинальный ток, как видите, меняется не по квадрату диаметра провода. Почему? С одной стороны, у тонких проводов относительно большая излучающая поверхность. С другой – при толстом проводе нельзя превышать допустимую пропускаемую стеклом мощность ИК.

Для испытаний готовый образец устанавливают вертикально, подперев чем-то негорючим и термостойким, на несгораемую поверхность. Затем подают в него номинальный ток от регулируемого источника питания (ИП) на 3 А и более или ЛАТРа. В последнем случае оставлять образец без присмотра нельзя все время испытаний! Ток контролируется цифровым тестером, щупы которого должны быть плотно сжаты с токоведущими проводами винтом с гайкой и шайбами. Если опытный образец запитан от ЛАТРа, тестер должен измерять силу переменного тока (предел AC 3А или AC 5А).

Прежде всего нужно проверить, как ведет себя стекло. Если оно в течение 20-30 мин перегревается и трескается, то, возможно, непригодна вся партия. Напр., в стекла б/у со временем въедается пыль и грязь. Резать их – сущая мука и гибель алмазного стеклореза. А трескаются такие стекла при значительно более слабом нагреве, чем новые того же сорта.

Далее спустя 1-1,5 часа проверяется сила излучения ИК. Температура стекла тут не показатель, т.к. основную часть ИК излучает нихром. Поскольку фотометра с ИК фильтром у вас скорее всего не найдется, придется проверять ладонями: их держат параллельно излучающим поверхностям на расстоянии ок. 15 см от них не менее 3-х мин. Затем в течение 5-10 мин должно чувствоваться ровное мягкое тепло. Если ИК от излучателя начинает жечь кожу сразу, диаметр нихрома уменьшаем. Если спустя 15-20 мин легкого жжения (как на солнечном пригреве в середине лета) не чувствуется, нихром нужно взять толще.

Как согнуть змею

Устройство излучателя самодельного панельного обогревателя дано на поз. 2 рис. выше; нихромовая змейка показана условно. Нарезанные в размер стеклянные обкладки очищаются от загрязнений и моются щеткой в воде с добавкой любого моющего для посуды, затем также со щеткой промываются под струей чистой воды. «Уши» – контактные ламели размером 25х50 мм из медной фольги – приклеиваются к одной из обкладок эпоксидным клеем или мгновенным цианоакрилатным (суперклеем). Заход «уха» на обкладку – 5 мм; наружу торчит 20 мм. Чтобы ламель не отвалилась, пока клей не схватился, под нее подкладывают что-нибудь толщиной 3 мм (толщина стекла обкладки).

Далее нужно сформировать самую змейку из нихромовой проволоки. Делается это на шаблоне-оправке, схема которой дана на поз. 3, а подробный чертеж – на рис. здесь. «Хвостики» для отжига змейки (см. ниже) нужно дать от 5 см. Обкусанные концы гвоздей зашлифовываются до округлости на наждачном камне, иначе готовую змейку снять, не смяв, будет невозможно.

Чертеж шаблона для формирования плоского нихромового нагревательного элемента

Нихром довольно упруг, потому навитую на шаблон проволоку нужно отжечь, чтобы змейка держала форму. Делать это следует в полутьме или при слабом освещении. На змейку подают напряжение 5-6 В от ИП не менее чем на 3 А (вот для чего на дереве нужна огнеупорная накладка). Когда нихром засветится вишневым, ток выключают, дают нити полностью остыть, и повторяют эту процедуру 3-4 раза.

Следующий шаг – змейку прижимают пальцами через наложенную на нее фанерную полоску и аккуратно разматывают навитые на 2-мм гвозди хвостики. Каждый хвостик выпрямляют и формуют: на 2-мм гвозде остается четверть витка, а остальное обрезают вровень в краем шаблона. Остаток «хвостика» в 5 мм зачищают острым ножом.

Теперь змейку нужно снять с оправки, не покорежив, и закрепить на подложке, обеспечив надежный электрический контакт выводов с ламелями. Снимают парой ножей: их лезвия подсовывают снаружи под изгибы ветвей на 1-мм гвоздях, аккуратно поддевают и поднимают извитую нить нагревателя. Затем змейку кладут на подложку и немного подгибают, если требуется, выводы, чтобы легли прим. посередине ламелей.

Металлическими припоями с неактивным флюсом нихром не паяется, а остатки активного флюса со временем могут разъесть контакт. Поэтому нихром к меди «паяют» т. наз. жидким припоем – токопроводящей пастой; продается она в радиомагазинах. На контакт зачищенного нихрома с медью выдавливают капельку жидкого припоя и через кусочек полиэтиленовой пленки придавливают пальцем, чтобы паста не выпирала вверх от проволоки. Можно сразу вместо пальца придавить каким-то плоским грузиком. Снимают пригруз и пленку после отвердевания пасты, от часа до суток (время указывается на тюбике).

Застыл «припой» – пришло время собирать излучатель. Вдоль посередине выдавливаем на змейку тонкую, не толще 1,5 мм, «колбаску» обычного строительного силиконового герметика, это предотвратит сползание и замыкание изгибов проволоки. После этого тот же герметик выдавливаем валиком уже потолще, 3-4 мм, по контуру подложки, отступив от края прим. на 5 мм. Накладываем покровное стекло и очень аккуратно, чтобы не сползло вбок и не потянуло за собой змейку, придавливаем, пока не ляжет плотно, и откладываем излучатель на сушку.

Скорость высыхания силикона – 2 мм в сутки, но спустя 3-4 дня, как может показаться, брать излучатель дальше в работу еще нельзя, нужно дать высохнуть внутреннему валику, фиксирующему изгибы. Понадобится на это прим. неделя. Если делается много излучателей уже для рабочего обогревателя, их можно сушить штабелем. Нижний слой раскладывают на полиэтиленовой пленке, ею же застилают сверху. Элементы след. слоя укладывают поперек нижележащих, и т.д., разделяя слои пленкой. Штабель, для гарантии, сушится 2 недели. После сушки выступившие излишки силикона срезают лезвием безопасной бритвы или острым монтажным ножом. С контактных ламелей силиконовые наплывы также нужно полностью удалить, см. ниже!

Монтаж

Пока излучатели сохнут, делаем из реек твердого дерева (дуб, бук, граб) 2 одинаковые рамки (поз. 4 на рис. со схемой панельного обогревателя). Соединения выполняются врезкой вполдерева и скрепляются мелкими саморезами. МФД, фанера и древесные материалы на синтетических связующих (ДСП, OSB) не годятся, т.к. длительный нагрев, пусть и не сильный, им категорически противопоказан. Если у вас есть возможность вырезать детали рамок из текстолита или стеклотекстолита – вообще отлично, но эбонит, бакелит, текстолит, карболит и термопластичные пластики непригодны. Деревянные детали перед сборкой дважды пропитываются водно-полимерной эмульсией или разбавленным вдвое акриловым лаком на водной основе.

В одну из рамок укладываются готовые излучатели (поз. 5). Перекрывающиеся ламели электрически соединяются каплями жидкого припоя, как и перемычки на боковинах, образующие последовательное соединение всех излучателей. Подводящие провода (от 0,75 кв. мм) лучше припаять обычным легкоплавким припоем (напр. ПОС-61) с неактивной флюс-пастой (состав: канифоль, этиловый спирт, ланолин, см. на пузырьке или тюбике). Паяльник – 60-80 Вт, но паять нужно быстро, чтобы излучатель не расклеился.

Следующий шаг на этом этапе – накладываем вторую рамку и отмечаем на ней, где пришлись подводящие провода, под них нужно будет вырезать канавки. После этого раму с излучателями собираем на мелких саморезах, поз. 6. Приглядитесь внимательнее к расположению точек крепления: они не должны прийтись на токоведущие детали, иначе головки крепежа окажутся под напряжением! Также, чтобы исключить случайное прикосновение к краям ламелей, все торцы панели оклеиваются негорючим пластиком толщиной от 1 мм, напр. ПВХ с наполнителем из мела от кабельных каналов (коробов для проводки). С этой же целью, и для большей прочности конструкции, на все стыки стекла с деталями рамы наносится силиконовый герметик.

Завершающие шаги, во-первых, установка ножек высотой от 100 мм. Эскиз деревянной ножки панельного обогревателя дан на поз. 7. Второе – наложение на боковины панели защитной стальной сетки из тонкой проволоки с ячеей 3-5 мм. Третье – оформление кабельного ввода пластиковой коробокой: в ней размещаются контактные клеммы, световой индикатор. Возможно – тиристорный регулятор напряжения и защитное термореле. Все, можно включать и греться.

Термокартина

Если мощность описанной термопанели не превышает 350 Вт, из нее можно сделать обогреватель-картину. Для этого на тыльную сторону накладывают фольгоизол, то самый, который используется для теплоизоляции. Фольгированная его сторона должна быть обращена к панели, а пористая пластиковая наружу. Лицевую сторону обогревателя оформляют фрагментом фотообоев на пластике; тонкий пластик – не ахти какое препятствие для ИК. Чтобы картина-обогреватель лучше грела, вешать ее на стену нужно под углом ок. 20 градусов.

А фольга?

Как видим, самодельный панельный обогреватель дело достаточно трудоемкое. Нельзя ли упростить работу, применив вместо нихрома, скажем, алюминиевую фольгу? Толщина фольги рукава для запекания ок. 0,1 мм, вроде бы уже тонкая пленка. Нет, дело тут не в толщине пленки, а в удельном сопротивлении ее материала. У алюминия оно низкое, 0,028 (Ом*кв. мм)/м. Не приводя подробных (и очень скучных) расчетов, укажем их результат: площадь термопанели на мощность 500 Вт на алюминиевой пленке толщиной 0,1 мм оказывается почти 4 кв. м. Толстовата все же пленочка оказалась.

12 В

Самодельный тепловентилятор может быть достаточно безопасным в низковольтном, на 12 В, исполнении. Мощности свыше 150-200 Вт от него не добиться, слишком большой, тяжелый и дорогой понадобится понижающий трансформатор или ИП. Однако 100-120 Вт как раз хватит, чтобы держать в подвале или погребе небольшой плюс всю зиму, что гарантирует от промерзших овощей и полопавшихся от мороза банок с домашними заготовками, а 12 В – напряжение, допустимое в помещениях с любой степенью опасности поражения электротоком. Большее в подвал/погреб и подавать нельзя, т.к. они по электротехнической классификации особо опасные.

Основа обогревателя-тепловентилятора на 12 В – обычный красный рабочий пустотный (пустотелый) кирпич. Лучше всего подойдет полуторный толщиной 88 мм (вверху слева на рис.), но сгодится и двойной толщиной в 125 мм (там же внизу). Главное – чтобы пустоты были сквозными и одинаковыми.

Устройство самодельного обогревателя на 12 В для подвала и гаража.

Устройство «кирпичного» тепловентилятора на 12 В для подвала дано там же на рис. Посчитаем нихромовые спирали-нагреватели для него. Берем мощность 120 Вт, это с некоторым запасом. Ток, соотв., 10 А, сопротивление нагревателя 1,2 Ом. С одной стороны, спирали продуваются. С другой – этот обогреватель должен долгое время работать без присмотра в довольно тяжелых условиях. Поэтому все спирали лучше включить параллельно: перегорит одна, остальные вытянут. И мощность регулировать удобно – достаточно отключить 1-2-несколько спиралей.

В пустотном кирпиче 24 канала. Ток спирали каждого канала 10/24 = 0,42 А. Мало, нихром нужен очень тонкий и, значит, ненадежный. Этот вариант сгодился бы для бытового тепловентилятора до 1 кВт и более. Тогда нагреватель нужно рассчитывать, как описано выше, на плотность тока в 12-15 А/кв. мм, и поделить получившуюся длину проволоки на 24. К каждому отрезку добавляется по 20 см на 10-см соединительные «хвостики», а середина свивается в спираль диаметром 15-25 мм. «Хвостиками» все спирали соединяются последовательно при помощи хомутиков из медной фольги: ее ленту шириной 30-35 мм навивают в 2-3 слоя на сложенные нихромовые проволоки и закручивают на 3-5 витков парой малых пассатижей. Для питания вентиляторов придется поставить маломощный трансформатор на 12 В. Такой обогреватель хорошо подойдет для гаража или прогрева автомобиля перед поездкой: как все тепловентиляторы, он быстро прогревает середину помещения, не тратя тепло на теплопотери сквозь стены.

Примечание: компьютерные вентиляторы часто называют кулерами (досл. – охладителями). На самом деле кулер это все охлаждающее устройство. Напр., кулер процессора – ребристый радиатор в блоке с вентилятором. А вентилятор сам по себе он и в Америке вентилятор.

Но вернемся в подвал. Посмотрим, сколько нихрома понадобится на уменьшенную до 10 А/кв. мм по соображениям надежности плотность тока. Сечение провода, ясно без расчетов – 1 кв. мм. Диаметр, см. расчеты выше – 1,3 мм. Такой нихром в продаже находится без затруднений. Необходимая длина на сопротивление 1,2 Ом – 1,2 м. А какова общая длина каналов в кирпиче? Толщину берем полуторную (меньше весит), 0,088 м. 0,088х24 = 2,188. Так нам достаточно просто продеть отрезок нихрома сквозь пустоты кирпича. Можно через одну, т.к. каналов по расчету нужно 1,2/0,088 = 13,(67), т.е. 14-ти хватит. Вот и обогрели подвал. И вполне надежно – такой толстый нихром и крепкая кислота не скоро разъест.

Примечание: кирпич в корпусе фиксируется мелкими стальными уголками на болтиках. В мощную цепь 12 В обязательно должно быть включено автоматическое защитное устройство, напр. пробка-автомат на 25 А. Недорого и вполне надежно.

ИП и ИБП

Трансформатор на железе для обогрева подвала лучше взять (сделать) с отводами мощной обмотки на 6, 9, 12, 15 и 18 В, это позволит регулировать мощность обогрева в широких пределах. 1,2 мм нихром с обдувом потянет и 25-30 А. Для питания вентиляторов тогда нужна отдельная обмотка на 12 В 0,5 А и тоже отдельный кабель с тонкими жилами. Для питания нагревателя нужны жилы от 3,5 кв. мм. Мощный кабель может быть самый дрянной – ПУНП, КГ, на 12 В утечек и пробоя можно не опасаться.

Может быть, у вас нет возможности применить понижающий трансформатор, но завалялся импульсный блок питания (ИБП) от негодного компьютера. Его 5 В канала по мощности хватит; стандарт – 5 В 20 А. Тогда, во-первых, нужно пересчитать нагреватель на 5 В и мощность 85-90 Вт, чтобы не перегружать ИБП (диаметр провода выходит 1,8 мм; длина та же). Во-вторых, для питания 5 В нужно соединить вместе все красные провода (+5 В) и столько же черных (общий провод GND). 12 В для вентиляторов берут с любого желтого провода (+12 В) и любого черного. В-третьих, нужно закоротить на общий провод цепь логического запуска PC-ON, иначе ИБП просто не включится. Обычно провод PC-ON зеленый, но нужно проверить: снять с ИБП кожух и посмотреть обозначения на плате, сверху или со стороны монтажа.

ТЭНы

Для обогревателей след. типов придется покупать ТЭН: электроприборы на 220 В с открытыми нагревателями чрезвычайно опасны. Тут, простите за выражение, нужно думать в первую очередь о собственной шкуре с имуществом, есть формальный запрет или нет. С 12-вольтовыми приборами легче: по статистике, степень опасности уменьшается пропорционально квадрату отношения напряжений питания.

Если у вас уже есть электрокамин, но греет плоховато, имеет смысл заменить в нем простой воздушный ТЭН с гладкой поверхностью (поз. 1 на рис.) на оребренный, поз. 2. Характер конвекции тогда существенно изменится (см. ниже) и обогрев улучшится при мощности оребренного ТЭНа в 80-85% от гладкого.

Виды ТЭНов

Патронный ТЭН в корпусе из нержавеющей стали (поз. 3) может греть и воду, и масло в баке из любого конструкционного материала. Будете брать такой – обязательно проверьте, чтобы в комплекте были прокладки из маслотермобензостойкой резины или силиконовые.

Медный водяной ТЭН для бойлера снабжается трубкой для термодатчика и магниевым протектором, поз. 4, что хорошо. Но греть им можно только воду и только в баке из нержавейки либо эмалированном. Теплоемкость масла много меньше, чем у воды, и в масле корпус медного ТЭНа скоро прогорит. Последствия – до тяжелейших и фатальных. Если бак из алюминия или обычной конструкционной стали, то электрокоррозия вследствие наличия контактной разности потенциалов металлов очень быстро съест протектор, а вслед за тем проест корпус ТЭНа.

Т. наз. сухие ТЭНы (поз. 5), как и патронные, способны греть и масло, и воду без дополнительных мер защиты. Кроме того, их нагревательный элемент можно менять, не вскрывая бака и не сливая оттуда жидкость. Недостаток один – очень дороги.

Камин

Схема электрокамина с воздушным ТЭНом и двойным контуром конвекции

Усовершенствовать обычный электрокамин, или сделать себе свой эффективный на основе покупного ТЭНа можно с помощью дополнительного кожуха, создающего вторичный контур конвекции. Из обычного электрокамина, во-первых, воздух идет вверх довольно горячей, но слабой струей. Она быстро полнимается к потолку и греет через него более пол соседей, чердак или крышу, чем хозяйскую комнату. Во-вторых, идущее вниз от ТЭНа ИК таким же образом греет соседей снизу, подпол или подвал.

В конструкции, показанной на рис. справа, ИК, направленное вниз, отражается во внешний кожух и греет воздух в нем. Тягу еще более усиливает подсос горячим воздухом из внутреннего кожуха менее нагретого из внешнего в сужении последнего. В результате воздух из электрокамина с двойным контуром конвекции выходит широкой умеренно нагретой струей, расплывается в стороны, не доходя до потолка, и эффективно обогревает помещение.

Масло и вода

Описанный выше эффект дают также масляные и водо-воздушные обогреватели, благодаря чему и пользуются популярностью. Масляные обогреватели промышленного производства делаются герметичными с несменяемой заправкой, но повторять из самостоятельно ни в коем случае не рекомендуется. Без точного расчета объема корпуса, внутренней конвекции в нем и степени заполнения маслом возможен разрыв корпуса, авария электросети, вылив и загорание масла. Недолив так же опасен, как перезалив: в последнем случае масло просто рвет корпус давлением при нагреве, а в первом сначала закипает. Если же сделать корпус заведомо большего объема, то обогреватель греть будет несоразмерно слабо сравнительно с потреблением электроэнергии.

В любительских условиях возможно сооружение масляного или водо-воздушного обогревателя открытого типа с расширительным баком. Схема его устройства приведена на рис. Когда-то таких делали довольно много, для гаражей. Воздух от радиатора идет нагретым слабо, разность температур внутри и снаружи поддерживается минимальной, отчего и теплопотери уменьшаются. Но с появлением панельных обогревателей масляные самоделки сходят на нет: термопанели лучше во всех отношениях и вполне безопасны.

Устройство масляного обогревателя с расширительным баком

Если же вы все-таки решите делать себе масляный обогреватель, учтите – он должен быть надежно заземлен, а заполнять его нужно только и только очень дорогим трансформаторным маслом. Любое жидкое масло постепенно битуминизируется. Повышение температуры ускоряет этот процесс. Моторные масла разрабатываются с учетом того, что масло циркулирует среди движущихся деталей под воздействием вибраций. Битуминозные частицы в нем образуют взвесь, только загрязняющую масло, почему его и приходится время от времени менять. В обогревателе же им ничто не помешает оседать нагаром на ТЭНе и в трубках, отчего ТЭН перегревается. Если же он лопнет – последствия аварий масляных обогревателей почти всегда оказываются очень тяжелыми. Трансформаторное масло потому и дорого, что битуминозные частицы в нем не оседают в нагар. Источников сырья для минерального трансформаторного масла в мире мало, а себестоимость синтетического высока.

Пламенные

Мощные газовые обогреватели для больших помещений с каталитическим дожиганием дороги, но рекордно экономичны и эффективны. В любительских условиях их воспроизвести невозможно: нужна микроперфорированная керамическая пластина с платиновым напылением в порах и специальная горелка из деталей, выполненных с прецизионной точностью. В розницу то или другое обойдется дороже, чем новый обогреватель с гарантией.

Походные мини-обогреватели на газе

Туристы, охотники и рыболовы давно придумали обогреватели-дожигатели малой мощности в виде приставки к походному примусу. Выпускаются такие и в промышленных масштабах, поз. 1 на рис. Эффективность их не ахти, но палатку обогреть до отбоя в спальные мешки хватает. Конструкция дожигателя довольно сложна (поз. 2), поэтому и стоят фабричные палаточные обогреватели недешево. Любители таких делают тоже немало, из консервных банок или, напр. из автомобильных масляных фильтров. В этом случае обогреватель может работать и от газового пламени, и от свечи, см. видео:

Видео: портативные обогреватели из масляного фильтра

С появлением в широком обиходе жаропрочных и жаростойких сталей любители побывать на природе все больше отдают предпочтение газовым походным обогревателям с дожиганием на сетке, поз. 3 и 4 – они экономичнее и греют лучше. И опять-таки, любительское творчество объединило тот и другой варианты в мини-обогреватель комбинированного типа, поз. 5., способный работать и от газовой горелки, и от свечи.

Чертеж мини-обогревателя из подручных материалов для дачи

Чертеж самодельного мини-обогревателя на дожигании приведен на рис. справа. Если он используется эпизодически или временно, то может быть целиком выполнен из консервных банок. На увеличенный вариант для дачи пойдут банки от томатной пасты и т.п. Замена перфорированной крышки сетчатой существенно уменьшает время прогрева и расход топлива. Больший и очень долговечный вариант можно собрать из автомобильных дисков, см. след. ролик. Это уже считай что печка, т.к. на нем можно готовить.

Видео: обогреватель-печка из колесного диска

От свечи

Осветительная свеча, между прочим, довольно сильный источник тепла. Долгое время это ее свойство считалось помехой: в старину на балах дамы и кавалеры обливались потом, косметика текла, пудра сбивалась комьями. Как они после этого еще и амуры крутили, без горячего водопровода и душа, современному человеку понять трудно.

Домашний мини-обогреватель от свечи

Тепло от свечи в холодном помещении пропадает зря по той же причине, по которой одноконтурный конвекционный обогреватель греет плоховато: горячие отходящие газы слишком быстро поднимаются вверх и остывают, давая копоть. Между тем заставить их догорать и давать тепло проще, чем газовое пламя, см. рис. В этой системе 3-контурный дожигатель собран из керамических цветочных горшков; обожженная глина – хороший ИК-излучатель. Предназначен обогреватель на свече для местного обогрева, скажем, чтобы не дрожать, сидя за компьютером, но тепла всего от одной свечки дает удивительно много. Нужно только, пользуясь им, приоткрывать форточку, а ложась спать обязательно гасить свечу: кислорода на горение она потребляет тоже много.

Совсем задаром

Напоследок – вариант обогревателя, не требующего никаких эксплуатационных расходов. Если вы живете в бетонном доме, а топят слабо, попробуйте, прежде чем покупать или делать обогреватель, засунуть за батареи листы фольгоизола, он отражает обратно более 80% ИК, для которого железобетон полупрозрачен. Вынос листа за контур радиатора отопления – от 10 см. Фольгированная поверхность должна быть обращена в помещение, а пластиковая – к стене. Вполне возможно, что самодельного обогревателя-отражателя и хватит, чтобы в квартире установилась комфортная температура.

Содержание

1. Гордиев узел
2. Порядок действий
3. Кабель для прокладки в земле
4. Трасса, ввод, пересечения и вводы
5. Траншеи
6. ППР
7. Роем и собираем
8. А вдруг авария?
> Обсуждение

Прокладка кабеля в земле все более переходит в ведение домашних мастеров. Содержать планово-убыточную армию монтеров эксплуатирующим электросети и сети связи организациям теперь не под силу, и по этой причине ремонт ненадежных воздушных вводов чрезмерно дорог. Кроме того, сейчас люди стараются строиться не у дороги со столбами вдоль нее, чтобы быть ближе к природе. В таких условиях устройство воздушного ввода в здание часто оказывается технически невозможным. Однако прокладка кабеля в грунте много дороже устройства «воздушки», но в то же время выполнима своими руками. Поэтому домовладельцы-частники не жалеют сил и времени, чтобы обеспечить себе надежное электроснабжение. Настоящая статья призвана пояснить, как правильно проложить себе кабель в земле.

Копка траншей вручную

Гордиев узел

Прокладка силового кабеля должна производиться с соблюдением действующих требований и норм независимо от того, кто ее ведет. Правила устройства электросетей и безопасной их эксплуатации регламентируются множеством нормативных документов от имеющих силу закона до сводов правил (СП) для производства конкретных видов работ и должностных инструкций работникам. Между ними – межотраслевые, отраслевые, ведомственные и производственные правила в ранге подзаконных актов. Это не плоды бюрократического нормотворчества. Ведь, как говорится, ежу понятно, что электроснабжение жилого дома, больницы, металлообрабатывающего цеха, поезда и судна не может быть организовано единообразно. В данном случае из сводов, находящихся на вершине иерархии, т.е. имеющих силу закона, нам понадобятся Правила устройства электроустановок потребителей (ПУЭ), с непрерывной оглядкой на Правила техники безопасности при эксплуатации электроустановок потребителями (ПТБ).

«Святая троица»: ПТБ, ПУЭ, ПТЭ (Правила технической эксплуатации электроустановок потребителей) и их «коллеги» для электротехнических работников, составляющие «правящую верхушку» написаны, как и армейские уставы, человеческими жизнями и огромными материальными потерями. В силу великой ширины охвата тематики в них далеко не всегда возможно найти прямой ответ на вопрос вроде: «Какой и как подвести кабель вот именно к этому дому, если перед ним такое вот дерево торчит?» Иной раз и специалисту с высшим электротехническим образованием, опытом работы около 40 лет и вдобавок 6-м рабочим разрядом кабельщика приходится поломать голову – как же тут все сделать, чтобы работало безопасно, надежно, и хозяйский кошелек не вывернуло наизнанку. В этом суть электрических нормативов, как суть уставов – добиться победы ценой наименьших потерь.

К примеру, выбору кабеля и способам его прокладки посвящены гл. 1 и 2 ПУЭ 6-й редакции (7-я еще не завершена полностью). Но искать в ПУЭ марку кабеля для конкретной работы бесполезно: все, что удается извлечь – кабель должен эксплуатироваться согласно спецификации производителя, ТУ на данный вид продукции и быть надежно защищен от внешних воздействий. Есть еще в п. 2.3.37 рекомендация использовать преимущественно бронированные кабели, но они дороги и далеко не равноценны по качеству. А в то же время ГОСТ 15845-80 «Изделия кабельные» (термины и определения) гласит (дословно):

«КАБЕЛЬНОЕ ИЗДЕЛИЕ – электротехническое изделие, предназначенное для передачи по нему электрической энергии, электрических сигналов информации или служащее для изготовления обмоток электрических устройств, отличающееся гибкостью.

ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ КАБЕЛЬ (Кабель) – кабельное изделие, содержащее одну или более изолированных жил (проводников), заключенных в металлическую или неметаллическую оболочку, поверх которой в зависимости от условий прокладки и эксплуатации может иметься соответствующий защитный покров, в который может входить броня, и пригодное, в частности, для прокладки в земле и под водой.

ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ПРОВОД (Провод) – кабельное изделие, содержащее одну или несколько скрученных проволок или одну или более изолированных жил, поверх которых в зависимости от условий прокладки и эксплуатации может иметься легкая неметаллическая оболочка, обмотка и (или) оплетка из волокнистых материалов или проволоки, и не предназначенное, как правило, для прокладки в земле».

«В частности» и «как правило» в документе силы закона предмет особого разговора; можно только заметить, что РФ грешит этим далеко не в первых рядах ведущих мировых держав. ГОСТ 571.15-97 сформулирован несколько иначе, но проблемы – где и как какой кабель класть – это не решает, а ошибка из-за «в частности» и «как правило» может стоить жизни. Возможно, случайному прохожему, попавшему под шаговое напряжение. Отвечать тогда все равно хозяевам, т.к. теперь проводка от столба или ТП (см. ниже) до дома их собственность. Принцип ответственности «до дома» тихо помер вместе с СССР.

Один из знакомых автора во время оно высказался: «Если бы я не знал всегда точно, когда устав нарушать никак нельзя, когда можно, а когда нужно, я бы ушел в отставку полковником. Если бы я всегда все делал по уставу, был бы отставлен майором. А так вот – генерал-лейтенант, и еще служу!»

Мы в данной публикации не намерены производить кого-либо в генералы или хотя бы в сержанты. Мы расскажем неподготовленным читателям, как правильно производится прокладка кабеля в траншее, чтобы надзорный орган принял работу, дал добро на эксплуатацию и потом проблем с кабельным вводом не было по крайней мере 40 лет. Не в виде нудного перечисления пунктов ПУЭ, которые инспектор РЭС (района электросетей) знает все равно лучше вас, а что и как нужно делать, чтобы тот же инспектор одобрительно кивнул головой и подписал акт ввода в эксплуатацию.

Порядок действий

Домовладельцам прокладка электрокабеля в грунте может понадобиться не только для оборудования ввода электропитания, но и для его разводки по участку с целью обеспечения электроэнергией следующих вторичных потребителей, в порядке убывания приоритетов:

• Запитки электричеством насоса водоснабжения и др. жизненно важных устройств и агрегатов.
• Электроснабжения подсобных помещений.
• Подключения охранной сигнализации и наружного освещения.
• Освещения сада, беседки и др. мест отдыха.
• Электроснабжения насоса и подсветки фонтана, пруда и др. декоративных объектов.
• Электроснабжения прочих вторичных потребителей.

Независимо от характера потребителя требования к подводу кабеля электропитания к нему неизменны, т.к. опасность поражения электротоком, ответственность за его последствия и стоимость электричества одни и те же. Меняется в сущности только схема подключения к источнику электроснабжения, см. далее, также как о нюансах помельче «хозяйской» проводки по участку. Прокладка электрического кабеля в грунте осуществляется в следующем порядке:

1. Выбирается материал токоведущих жил кабеля;
2. По норме потребления, максимально потребляемому току и схеме подключения рассчитывается сечение токоведущих жил и их количество;
3. По местным условиям выбирается тип кабеля и рассчитывается его метраж;
4. Определяется наличие на пути предполагаемой трассы кабеля сторонних подземных коммуникаций и препятствий, также определяются способы их пересечения/обхода;
5. Составляются эскизы кабельной трассы, ввода в здание (вывода из него для проводки по участку) и подключения вторичных потребителей для участковой сети;
6. По данным пп. 1-5 составляется план производства работ (ППР) и утверждается в местном надзорном органе (РЭС, отдел муниципалитета);
7. Роется/роются траншея/траншеи под кабель/кабели;
8. Вызывается инспектор надзорного органа для приемки траншеи. Указанные недочеты исправляются, производится повторный вызов на приемку и т.д. до тех пор, пока траншея не будет принята;
9. Ро ее приемке производятся работы по прокладке кабеля, возможно, с надзором, см. далее;
10. По прокладке кабеля производятся его электрические измерения специалистом надзорного органа (оплата их, как правило, входит в стоимость приемки);
11. В случае благоприятного результата по п. 10 производится подключение кабеля к вводно-распределительному устройству (ВРУ) или вводному щиту (ВЩ) дома. К сети на участке подключаются также вторичные потребители. Работы по п. 11 допустимо производить самостоятельно;
12. Вызываются представители энергоснабжающей организации для подключения кабеля к местной воздушной линии, трансформаторной подстанции (ТП) и др. источнику электроснабжения. Если запитка дома будет от ТП, то ввод в нее и подключение кабеля осуществляется только работниками электроснабжающей организации. В таком случае на план-схеме в ППР (см. далее) должно быть указано, докуда нужно вести траншею самостоятельно;
13. По подключении к источнику электроснабжения вызывается представитель надзорного органа для производства пробного включения и снятия первичных показаний счетчика электроэнергии;
14. По благоприятному результату п. 13 составляется и подписывается инспектором надзорного органа акт приемки и ввода в эксплуатацию кабельной линии (сети на участке).

Примечание: если подключение дома осуществляется от воздушного фидера электропитания, «от столба», то пп. 12 и 13 могут быть совмещены и произведены работником энергоснабжающей организации с рабочей квалификацией, наделенным соотв. полномочиями от надзорного органа.

Кабель для прокладки в земле

Cu или Al?

Т.е., кабель брать с медными или алюминиевыми жилами? Казалось бы, что за вопрос? Любой электрик-бытовик знает, что алюминий это плохо, а медь хорошо. На самом деле плохо – алюминий вперемешку с медью, т.к. на скрутках возникает контактная разность потенциалов, отчего они греются. А что до скрытой проводки (кабель в грунте – ее разновидность), то требования ПУЭ в данном случае вполне определенны, п. 2.1.49:

«Для стационарных электропроводок должны применяться преимущественно провода и кабели с алюминиевыми жилами. Исключения см. в 2.1.70, 3.4.3, 3.4.12, 5.5.6, 6.5.12-6.5.14 [в 7-м издании 6.6.15-6.6.20], 7.2.53 [в 7-м издании 7.2.51] и 7.3.93».

Кабель, проложенный под землей, если его концы снабжены наконечниками, обеспечивающими надежный контакт с клеммниками ВРУ/ВЩ, в перечень исключений не входит. Вы удивлены? Возьмите 2 проволоки одинакового диаметра, медную и алюминиевую, и попробуйте согнуть. Какая легче гнется? А теперь гнем-разгибаем, пока не появится надлом. Какая больше выдержала? Осталось вспомнить, что кабель в земле подвержен медленным механическим воздействиям от подвижек грунта. Теперь не удивлены? ПУЭ написаны умнейшими и опытнейшими людьми. Есть, впрочем, вариант, когда медь в земле будет надежнее: кабель с жилами из бескислородной меди. Но стоит он столько, что проложить серебряный немногим дороже выйдет.

Примечание, из высказываний того же знакомого автора: «Уставы пишут гениальные люди. Ты ж это подумай только – расписать всю нашу жизнь так, чтобы последнему долбо…у понятно было!»

И еще аргумент в пользу алюминиевых жил: кабель с ними на ту же мощность легче и выдержит больший уклон при укладке. При пересечении действующих коммуникаций и обходе препятствий (см. далее), это обстоятельство может оказаться критическим.

Сечение жил

Расчет и выбор сечения токоведущих жил и проводов рассмотрены в гл. 1 ПУЭ. Для кабеля там есть табл. 1.3.4. Если сравнить результаты по ней с таковыми для расчетов сечения жил домовой проводки, см. напр. видео ниже, то получится явное завышение в сторону кабеля. Вызвано это след. причинами:

• Условия теплоотвода в грунте хуже, чем в стене.
• Оболочка кабеля толще, отчего теплоотвод с жил еще ухудшается.
• Жилы кабеля на весь дом также толще, т.е. отношение их поверхности к объему меньше, что дополнительно ухудшает теплоотвод.
• Кабель в земле подвержен механическим нагрузкам, которые передаются и на его жилы в т.ч.

Видео: выбор сечения кабеля, ошибки

Видео: как рассчитать сечение кабеля

Исходя из этого, нормы ПУЭ на сечение жил кабеля для электроввода в дом таковы: медь не менее 12 кв. мм, алюминий не менее 17 кв. мм. Если расчет по мощности/току дает большее значение, его и нужно брать. Однако из практики можно сделать вывод, что токоведущие жилы кабеля для ввода в дом нужно брать сечением от 20 кв. мм: на кабели с минимально допустимым сечением жил приходится свыше 80% порывов вследствие подвижек грунта. А по жиле в 20 квадратов при плотности тока 5 А/кв. мм (это нормально для частного дома) можно передать при 220 В мощность 22 кВА, что в 2,2 раза больше 10 кВт, которые может потреблять частное домовладение, расплачиваясь по обычному тарифу. Коэффициент запаса 2,2 дает срок службы всего ввода, практически равный сроку эксплуатации кабеля; как правило, не менее 40 лет. Важно также след. обстоятельство: «альтернативные» производители, в т.ч. отечественные, систематически занижают сечение жил против заявленного. Поэтому кабель подешевле нужно покупать не в интернете, а на месте, и со штангелем.

Примечание: участковую разводку от дома ПУЭ прежних редакций не нормируют однозначно. На практике ее считают как домовую/квартирную, задаваясь током потребления в 1,6-1,7 раза большим реального и минимально допустимым сечением жилы 3-проводного кабеля 2,5 кв. мм, при условии обязательного наличия защитного заземления и автоматики защитного отключения, см. далее.

Какой брать кабель?

В продаже имеется широкий выбор кабелей для прокладки в земле. Выбирая себе подходящий по стоимости нужно ориентироваться, кроме репутации производителя и продавца (в наши дни это особо актуально), и по конструкции кабеля. В нее должны входить элементы, состав и назначение мы рассмотрим на примере хорошо зарекомендовавших себя образцов. Попросту – берите кабели, конструктивно похожие на эти.

Кабели АВБбШв (жилы – алюминий) и ВБбшВ (медные жилы) общего назначения, т.е. для прокладки в обычных условиях. Расшифровка обозначений: А – алюминиевые жилы; В – изоляция из поливинилхлорида; Бб – ленточная стальная броня обычного типа (2 ленты с нахлестом 50%) с битумной подушкой, но без дополнительной пластиковой подушки; Шв – в шланге из поливинилхлорида.

Кабели АВБбШв и ВБбшВ выпускаются с количеством жил 1, 2, 3 (для однофазной проводки с отдельным заземляющим проводником PE), 3+1 (3 фазы и нейтраль меньшего сечения для 3-х фазных сетей с глухозаземленной нейтралью), 4-х и 5-ти жильными для систем с изолированной нейтралью. Жилы круглые или секторные, цельные или витые сечением 2,5-626 кв. мм (цельные) и 2,5-240 кв. мм (витые). В АВБбШв и ВБбшВ с токоведущими жилами до 6 кв. мм битумная подушка под броней отсутствует.

Кабели для прокладки в грунте

АВБбШв и ВБбшВ предназначены для укладки в грунт нормальной несущей способности (от 1,7 кг/кв. см) и обычной химической активности не обводненный, не просадочный и не чрезмерно пучинистый. Допустимый общий уклон по всей длине трассы зависит от материала и сечения жил, но для мощностей до 10 кВА он уложится в нормы, если не превышает на трассе до 100 м длиной 1:15 для алюминия и 1:20 для меди. Рабочий диапазон температур АВБбШв и ВБбшВ от –50 до +50 градусов Цельсия. Состоят они из (слева и в центре на рис.):

1. Токоведущих жил;
2. Изоляции жил;
3. Поясной изоляции из ПВХ, стягивающей пучок жил;
4. Дополнительной обмотки из полиэтилентерефталата (ПЭТ) для кабелей с жилами от 6 кв. мм;
5. Битумной подушки;
6. Брони;
7. Внешнего изолирующего шланга – оболочки.

Кабели ПвБбШп и ПвБбПг (справа на рис.) расшифровываются как:

• ПВ – изоляция жил из сшитого полиэтилена.
• Бб – обычная 2-х ленточная броня без пластиковой подушки.
• Шп – внешний изолирующий шланг из полиэтилена.
• Пг – полиэтиленовый шланг с дополнительной герметизацией водоизолирующими лентами (набухают в присутствии буквально отдельных молекул воды).

ПвБбШп и ПвБбПг предназначены для укладки в сложных условиях: в неустойчивых, слабых, химически активных и обводненных грунтах (кроме топких и болотистых), вплоть до укладки в водоемы со стабильным гидрологическим режимом и устойчивым дном. В болото ПвБбШп и ПвБбПг, как и любые другие кабели, класть нельзя. По болоту в исключительных случаях допустимо, на свету по эстакаде. ПвБбШп и ПвБбПг можно прокладывать без дополнительных мер защиты в зоне действия блуждающих токов (см. ниже). Допустимый уклон трассы до 45 градусов на участке до 30 м и до 30 градусов на участке до 100 м. Допустимый температурный диапазон –50…+50 Цельсия; допустим нагрев до 120 Цельсия в течение 6 час. Особые условия монтажа: сильные растягивающие усилия недопустимы, поэтому при затягивании в чистый свободный канал отрезков свыше 30 м нужно пользоваться промежуточными чулками, см. далее. Затягивание ПвБбШп и ПвБбПг в каналы с действующими кабелями возможно по согласованию с надзорным органом и эксплуатирующими прочие кабели организациями, а в каналы заплывшие недопустимо.

ПвБбШп и ПвБбПг выпускаются только для 3-фазных сетей с пучками медных жил 3+1, 4 и 5. Сечение жил 4-50 кв. мм цельных (однопроволочных) и 16-240 кв. мм витых из многих проволок. ПвБбШп и ПвБбПг состоят из (справа на рис.):

1. Токоведущих жил;
2. Изоляции жил;
3. Несущего сердечника из стеклопластика;
4. Спиральной обмотки, стягивающей пучок жил – для кабелей с жилами от 50 кв. мм;
5. Поясной изоляции, служащей одновременно демпферной подушкой брони;
6. Брони;
7. Внешнего изолирующего шланга.

Примечание: кабели в свинцовой оболочке еще выпускаются, т.к. их реальный срок службы превышает 100 лет и муфтятся они надежнее пластиковых (надежность муфты на свинце не меньше таковой цельной оболочки), но очень дороги. Если вы на такой раскошелитесь, помните – укладывать кабель в свинце необходимо строго по горизонтали!

Жилы

Цельные жилы кабеля или витые, существенно для технологии их производства, но имеет значение и при выборе кабеля. Кабели с витыми жилами оказываются надежнее в грунтах подвижных, но легких, сыпучих и меньше давящих на кабель – песках, суглинках, легких супесях, гравелистых и хрящеватых. Именно поэтому ПвБбШп и ПвБбПг выпускаются только медными в ПЭ: коэффициент трения меди о медь и о полиэтилен меньше, чем у алюминия об алюминий и ПВХ; как видим, даже в ПУЭ не бывает правил без исключений.

Еще о расцветке изоляции жил. РСТ/ГОСТ в очередной раз разродился ее стандартизацией, но эти роды, как и прежние, преждевременны. Во-первых, расцветки для сетей 1-фазных, 3-фазных с изолированной и глухозаземленной нейтралью не согласованы. Во-вторых, на рынке полно кабеля иностранного производства, изготовителям которого ГОСТ что флаг Молдовы. Точно соблюдается только расцветка заземляющего провода PE; нам еще придется о нем вспомнить – желтый с продольной зеленой полосой. Более-менее соблюдается цвет нейтрали N – голубой или синий. Но вместе с тем в продаже полно однофазного кабеля с черным/коричневым и серым/белым проводами. По нему что, межфазное 380 В без нуля пускать? В общем, при стыковке кабелей точно соблюдайте PE и N, а остальные цвета привязывайте по мере возможности к ранее проложенному кабелю или действующему.

Блуждающие токи

Циркулирующие в земле электротоки – один из самых серьезных источников аварийности кабеля, т.к. разрушают его внешнюю оболочку и броню. Кроме того, блуждающие токи могут навести на отключенном от источника электроснабжения кабеле опасное напряжение. Основными источниками блуждающих токов являются рельсовый электротранспорт и металлургическое производство, но их дает и любая электроустановка с рабочим заземлением, напр. хлебопекарная печь. В США полно проблем с блуждающими токами от популярных там общественных прачечных лаундроматов. Источником блуждающих токов являются и водопроводы: текущая вода – проводник, движущийся с магнитном поле Земли.

Лучше всего защищает кабели от блуждающих токов т. наз. анодная защита, но это очень сложное и дорогое мероприятие, в т.ч. и по текущим расходам: алюминиевые протекторы нужно периодически ставить новые взамен изъеденных электрокоррозией. Достаточно эффективная защита от блуждающих токов – прокладка кабеля в пластиковом шланге в изолирующем канале; то и другое должно быть нормировано на степень диффузии влаги, см. ниже.

А если без брони?

Бронированный кабель много дороже небронированного провода на ту же мощность. Вместе с тем броня защищает кабель от грызунов и ручной копки, но перед землеройной техникой она бессильна (см. далее). При недостатке средств в бюджете вопрос: а нельзя ли укладывать в землю небронированные провода и, если да, то какие и как? – вполне правомерен.

Можно, но не всякие и не как попало; требуется несколько степеней защиты кабеля. Первое, достаточно надежную защиту от грызунов и ручной копки дают ПНД-трубы, см. далее. Второе, внешняя оболочка провода должна выдерживать химическую активность почвы и также быть непривлекательной для грызунов. Третье, небронированный провод можно класть в грунт у себя на участке, где никто без вашего ведома не копнет, а вам точно известно, как идут провода. Четвертое – вне участка, скажем, от забора до опоры с РУ (коробкой, попросту) кабель нужно защитить сигнальной лентой увеличенной ширины (см. далее) в сочетании с дополнительным защитным слоем; лучше – бетонным, также см. далее.

Небронированные провода, непригодные для укладки в землю

Осталось разобраться, какие провода можно класть в землю. ПУНП, ПУГНП и недоброй памяти резиновый КГ (вверху на рис.) с 2007 г запрещено использовать во вновь строящихся сетях ввиду высокой создаваемой ими аварийности. КГ электрики прошлых времен между собой обзывали непристойным наименованием презерватива. ВВГ, АВВГ, ПВС, NYM (внизу на рис.) и др. подобной конструкции (ПВП, ПБПП и т.п.) хорошо зарекомендовали себя во внутренней проводке, но класть их в грунт нельзя: их оболочки не нормированы на диффузию влаги. Попросту – механически целый такой провод в земле может замокнуть.

Небронированные провода, пригодные для укладки в землю.

Для укладки в грунт из небронированных проводов пригоден, во-первых, NYY-J, вверху на рис. справа. Его толстая внешняя оболочка выполняется из плотной резины или подобного ей пластика; она нормирована по диффузии и непривлекательна для грызунов, кроме совсем осатаневших от перенаселенности популяции. Аналоги NYY-J имеются в продаже, но брать их нужно от надежного производителя, с сертификатом пригодности и гарантией. Для разводки от дома по участку, при наличии защитной автоматики (см. далее) можно использовать ПвПг (там же внизу); им можно подвести питание даже к мотору погружного фильтра пруда. Влагостойкость ПвПг обеспечивается герметизирующей обмоткой под изоляцией жил и внешней оболочкой, но грызуны точат о него зубы охотнее, поэтому ПвПг в грунт желательно укладывать в металлорукаве или ПНД гофре.

Хитрые обозначения

Вы, вероятно, уже обратили внимание на добавку –нг к ПвПг на рис. Это первый из суффиксов дополнительных свойств, важных для подземного кабеля. –нг значит негорючий, горение по нему не распространяется при прокладке в одиночку и в пучках. Вдруг авария, она будет локализована и устранение ее последствий, возможно, обойдется без замены всей линии.

Второе, что важно –hf (halogen free, без галогенов). Этот суффикс часто используется для фальсификации кабельной продукции с целью удорожания. Напр., в продаже полно ВВГ-hf. Но, простите, какое может быть «halogen free» у кабеля с ПВХ изоляцией? Единственное, что можно рассчитывать купить у такого продавца со 100% гарантией качества – лапшу на уши чайникам.

Что до прочих суффиксов, характеризующих токсичность изоляции, объем выделяемых ею газов в очаге возгорания, заполнение полостей пучка жил тальком или негорючим пластиковым порошком (такой кабель можно изгибать по малому радиусу), и пр., то они могут быть существенны во внутренней проводке, но для кабеля, укладываемого в грунт, особого значения не имеют.

Примечание: золотое правило при самостоятельном выборе кабеля – не берите кабели с масляным и др. гидрофобным заполнением! Они – для спецприменений, а у себя на участке с ними потом мороки и непредвиденных расходов потом будет невообразимо!

Трасса, ввод, пересечения и вводы

На этом этапе мы рассмотрим разбивку трассы и устройство ввода в здание «от столба до дома». Особенности разводки сети электропитания по участку частично были указаны выше, а с остальным разберемся далее.

Как правильно сделать угол кабельной траншеи

Трасса

Трассу силового кабеля настоятельно рекомендуется вести прямыми участками. Трассы-«кишки» – кошмар электриков: они высокоаварийны, а последствия аварий на них трудноустранимы. Но делать углы трассы прямыми тоже нельзя: радиус изгиба кабеля должен быть от 20 его диаметров, и кабель не должен касаться стен траншеи, еще об этом см. далее. Как правильно выполняется угол кабельной трассы, показано на рис. справа; под один кабель меняется только размер А и профиль траншеи, также см. далее.

Ввод и вводы

Общие схемы кабельных вводов в здание даны на след. рис. Слева – старая типовая с коленами из стальных труб. Она до сих пор широко практикуется, несмотря на серьезные недостатки. Первый – к стальным трубам стягиваются блуждающие токи. Второй – при усадке здания, кабеля в земле или подвижках грунта край стальной трубы может врезаться в кабель. Что до якобы повышенной защищенности надземных участков кабеля, то при теперешнем электроинструменте и экономической целесообразности воровства электричества и цветного металла она уже фикция.

Схемы кабельных вводов в здания

Примечание: в таком разрезе проявляется еще одно преимущество кабелей с алюминиевыми жилами – красть их так же опасно, но куда менее выгодно, чем медные.

Гораздо надежнее в современных условиях оказывается труба для прокладки кабеля из полиэтилена низкого давления (ПНД). Схема кабельного ввода в трубах ПНД дана на рис. в центре. Преимущества труб ПНД для прокладки кабеля перед прочими весомы:

• ПНД непривлекателен для грызунов: для точки зубов он слишком вязок и скользок.
• ПНД, при условии герметизации стыков труб силиконом, изолирует кабель от грунтовых вод и блуждающих токов.
• Трубы ПНД для прокладки кабеля выпускаются в т.ч. с заложенными в них «удочками» – протяжками из стальной проволоки.
• Кабель в трубу ПНД идет гораздо легче и вероятность его повреждения при затягивании в канал много ниже.
• Кабельный канал из труб ПНД вследствие их легкости и гибкости можно собрать на свету (на земле вверху), а затем вдвоем просто поставить в траншею.
• Общая прочность и упругость гофрированных труб ПНД довольно высоки, особенно двустенных. Это практически исключает повреждение кабеля в земле ручным инструментом и в разы уменьшает вероятность его порыва землеройной техникой.

Примечание: трубы ПНД для кабельных каналов нужно брать с диаметром просвета не менее чем на 20 мм большим внешнего диаметра кабеля. Радиус изгиба кабельных каналов – от 20 диаметров самого толстого из затягиваемых в канал кабелей.

Конструкции кабельных вводов в дом

Справа на рис. дана схема кабельного ввода в дом на свайном или столбчатом фундаменте. Такое исполнение ввода электрического кабеля на даче кардинально уменьшает возможности несанкционированного подключения со стороны в отсутствие хозяев.

Примечание: гофрированные трубы любого типа в продажу часто идут под общим названием «гофра». На самом деле гофротруба для кабеля обязательно снабжена вложенной внутрь штатной протяжкой, а если труба без протяжки, то это гофрорукав.

Ввод кабеля в дом сквозь цоколь

Предметом особого внимания при разработке эскиза трассы кабеля должна быть конструкция его непосредственного ввода в здание: на выполненные с нарушениями вводы кабеля в дома приходится большая часть аварий электроснабжения. На рис. даны чертежи типовых конструкции кабельных вводов в дом с подвалом и бесподвальный, а на рис. справа показано, как устроен наружный ввод в подпол через цоколь в ПНД трубе. Герметизирующие манжеты в данном случае можно заменить силиконовым герметиком.

Пересечения

При разработке схем пересечений кабелем действующих коммуникаций и обходов препятствий нужно, во-первых, сколько возможно минимизировать их количество. Практика показывает однозначно: лучше закупить лишку кабеля, чтобы обвести им всю «кашу» и заодно спрямить трассу. В дальнейшем первоначальный перерасход многократно окупается экономией на аварийно-восстановительных работах. Метод проектирования «прем напролом, лишь бы покороче» – одна из причин крушения экономики «развитого социализма». Второе, следует неукоснительно придерживаться минимально допустимых отстояний (величина, по смыслу противоположная сближению, но выражаемая в тех же единицах измерения) кабеля от пересекаемых объектов и препятствий:

• От фундаментов дома, хозпостроек, колонн, опор и т.п. – 0,6 м, кроме ввода в здание.
• От «своих», «хозяйских» кабелей (разводка от дома по участку) – 0,1 м.
• От коммуникаций сторонних организаций (кроме газопроводов и теплотрасс), если кабель и действующие коммуникации на напряжение до 10 кВ – 0,25 м при условии обязательного согласования с эксплуатантами.
• От подземной газовой трубы в дом (не магистральной!) – 0,5 м.
• От теплотрассы – 2 м или, при наличии на ней доп. теплоизоляции, снижающей перегрев непосредственно примыкающего к ней грунта до 10 градусов и менее – 0,5 м.

Если кабель на каком-то участке пойдет параллельно трубопроводу, его отстояние от трубы нужно выдержать от 0,5 м или, если труба – теплотрасса без дополнительной изоляции, не менее 2 м. Кабель, идущий параллельно трубопроводам, должен прокладываться в стороне от труб, а не под или над ними.

Примечание: величина 2 м взята не просто так. Это двойная ширина охранной зоны кабеля (см. далее). На 2 м и дальше кабелем можно подходить к любым коммуникациям до 10 кВ без согласования с их эксплуатантами.

Также не ближе 2 м можно подходить кабелем к деревьям, см. ниже. Типовые схемы пересечения кабелем действующих коммуникаций, кроме газопровода, даны на рис. Пересечений кабелем коллекторов следует всячески избегать. Постройка коллектора дело дорогое, трудоемкое. Даже если коллектор заглублен по норме, кабель над ним оказывается лежащим мельче, чем нужно по соображениям безопасности.

Схемы пересечения силовым кабелем действующих коммуникаций

Вдруг пересечение по типовой схеме выполнить не удается, не мудрите, это не тот случай, когда свежие идеи способны принести пользу. Обратитесь за консультацией к специалисту надзорного органа, без этого все равно не обойдется, см. далее. В отдельных случаях возможно сближение пересекающихся коммуникаций до 10 см и защита кабеля вместо трубы листом плоского шифера и т.п. несгораемого не плавкого материала. Но – только по согласованию с надзорным органом. Т.е., идете в РЭС или кто там у вас надзирает, показываете эскиз: вот проблема, что делать? Вам объясняют, и вы выполняете в точности как указано.

Пересечение электрокабелем газопровода

Особый случай представляет собой пересечение кабелем газопровода. Отстояние при этом выдерживается, как правило, без проблем – газовые трубы закапывают глубоко. Но в процессе прокладки кабеля должно быть исключено искрение и повреждение изоляции газовой трубы. Типовая схема пересечения кабелем газопровода дана на рис. Несущая балка-бревно и подвесы убираются только после полной обратной засыпки траншеи до уровня верха короба. Короб остается в земле.

Как быть с деревьями

Сад, декоративные древесные насаждения или кусочек леса на участке это здорово. Но, как, будь оно неладно, пройти такую рощу кабелем, не подходя к стволам ближе 2 м? Плотное насаждение – никак кроме, как в обход. Нельзя обойти – придется отказаться от подземного ввода в пользу воздушного. Более-менее надежные «воздушки» строятся из СИП – самонесущего изолированного провода. Если же мешают 1-2 дерева, то можно сделать проколы (горизонтальные скважины) под корнями на глубине от 900 мм (траншеи Т10-Т15, см. далее). В прокол закладывается асбоцементная или стальная труба, выступающая в стороны не менее чем на 2 м считая от ствола, но за пределы корневой системы.

Прокол в грунте под кабель делается специальным пневмоснарядом для горизонтального бурения – кротом. Проколов кабельщики без настоятельной необходимости (напр., под дорогой) всячески избегают, поэтому кротами орудуют специализированные фирмы. Стоит их работа дорого, а прокол под деревом обойдется еще дороже, т.к. вероятность потерять снаряд в корнях больше. В таком случае, если тяжкого труда не жалко, можно проколоть канал под кабель (точнее, трубу для него) вручную:

• С обеих сторон дерева роются котлованы от 2х1 м в плане и от 1,5 м глубиной, ориентированные по длине вдоль трассы.
• Стартовые точки прокола намечаются по компасу или GSM индикатору по направлению и шланговым гидроуровнем по глубине.
• Прокол делается ручным шнековым буром с остро заточенными режущими кромками попеременно с 2-х сторон до сбойки.
• В процессе бурения периодически контролируется горизонтальность бура.
• После сбойки скважина проходится еще раз тем же буром с удлиненной стальной трубой штангой, чтобы канал прокола получился без уступа.

Траншеи

Профиль наиболее употребительной траншеи для силового кабеля и схема укладки кабеля в нее

Профиль, размеры и схема укладки кабеля в траншею, подходящую для всей умеренной полосы РФ и потому наиболее употребительной, показаны на рис. справа. Из дна и бортов траншеи не должно выступать острых, твердых и др. способных повредить кабель объектов, напр. живых корней деревьев. Именно поэтому «голую» траншею до начала работ по укладке кабеля должен осмотреть представитель надзорного органа.

Борта траншеи в плотных устойчивых грунтах (глины, суглинки, плотные тяжелые супеси, подзол) могут быть отвесными. Это во многих случаях дает возможность обойтись без ручной копки, см. далее. Подсыпка кабеля просеянным вынутым грунтом вместо песка допустима в местах с нормативной глубиной промерзания менее 600 мм на рыхлых сыпучих сухих грунтах – песках, супесях, мелком окатанном гравии и хряще. Сэкономить на закупках песка можно основательно.

Трубой (желательно асбоцементной) кабель защищается под любыми проездами для самодвижущегося транспорта, даже если это тропинка для скутера. Толчки и вибрации передаются в грунт глубоко, сильно и способны повредить кабель. Вынос трубы за бровку проезда – от 1 м. О сигнальной ленте и твердом защитном слое будет сказано ниже.

Уменьшать глубину укладки кабеля менее 700 мм нельзя и в местах с непромерзающим грунтом по соображениям безопасности, но в определенных случаях (см. напр. выше, схемы пересечения и прокол под деревом) может понадобиться углубление траншеи, как и в регионах с нормативной глубиной промерзания свыше 900 мм. Схема типового профиля траншеи силового кабеля с таблицей размеров и величин для расчета трудо- и материалоемкости даны на рис.:

Чертежи профиля и расчетная таблица типовых траншей для кабеля

По ходу трассы траншея одного профиля может переходить в другой; тогда уклон переходного участка нужно выдерживать в пределах ТУ на применяемый кабель.

Примечание: в вечномерзлых грунтах прокладывать кабели в траншеях вообще нельзя. Только в коллекторах или по эстакаде.

«Сигналка»

Сигнальная лента (см. врезку слева внизу на рис. с «расходной» траншеей) показала себя очень надежным средством защиты кабеля и ныне допускается прокладка силовых кабелей в траншеях под сигнальной лентой без дополнительной защиты твердым покрытием. Стандартная ширина ленты 250 мм, но для участка трассы вне границ домовладения весьма желательно взять ленту большей ширины, даже расширить траншею до 600 мм и уложить такую же ленту.

Дело в том, что «сигналка» дает надежный сигнал только оператору ковшового экскаватора, слева на рис. Если же траншея поперек вашего кабеля роется цепным траншейным экскаватором (траншеекопателем; попросту – барой), в центре, то, когда цепь вынесет наверх оранжевые клочья ленты шириной 250 мм, у оператора уже не останется времени остановить машину, прежде чем зубья копателя врежутся в кабель. Но в случае 600-мм ленты времени на то, чтобы дернуть рычаги, будет не менее 5 с; внимательному оператору средней и ниже средней квалификации этого достаточно, и механика успеет отреагировать на его действия.

Копка траншей землеройной техникой

Вопрос широкой сигнальной ленты тем более актуален, что цепные траншеекопатели на шасси мини-экскаваторов сдаются в аренду с доставкой к месту производства работ, а научиться ими управлять можно за полчаса (справа на рис.) Кстати, это может избавить и вас о ручной копки под кабельную сеть на участке: бара на шасси «Бобкэта» с 13,5 кВт движком 250-мм цепью роет обычные не сильно засоренные грунты на глубину до 900 мм. А для ввода в дом барой можно прорыть пионерную траншею, но учтите: только от дома до границы участка. Иначе будет серьезное нарушение ПДД и правил землепользования, если у вас нет удостоверения тракториста-экскаваторщика и разрешения местных властей на работу спецтехникой вне своей территории.

Примечание: траншеекопателем удобно и засыпать вырытую траншею – рабочий орган поднимают и едут назад по трассе кабеля, включив шнеки-отгребатели на обратное вращение. Остается только утрамбовать получившуюся аккуратную грядку.

Кирпич или бетон?

Дополнительная защита кирпичом защищает кабель от небрежной ручной копки, а железобетоном и от механизированной. Зубья цепного копателя бетон не берут, а ковшовый экскаватор, зацепив плиту, приседает и дергается так, что и вдрызг пьяный оператор очухается и спохватится. Техника, так сказать, дает пенделя растяпе. Защита железобетоном может оказаться и дешевле кирпичной: для нее пригодны любые плиты б/у толщиной от 40 мм, помещающиеся в траншею, даже если у них по краям обнажено до 10% арматуры.

Кирпичи для защиты кабеля укладывают вплотную поперек траншеи всухую. Кирпич для защиты нужно брать сплошной рабочий (красный). Силикатный и лицевой отделочный кирпичи в земле быстро разрушаются, выделяя вещества, разъедающие оболочку кабеля. Дополнительная твердая защита кабеля необходима нужна на следующих участках:

• На вводе в здание от стены дома или края отмостки вокруг него – на 2 м.
• Для небронированного провода под проездами, несмотря на защитную трубу, с выносом, равным выносу концов трубы.
• На пересечениях с действующими коммуникациями, если не выдерживается нормативное заглубление кабеля.
• Вне границ участка – весьма желательно; если проложен небронированный провод – обязательно.
• На участках кабеля, проходящих под огородом, клумбой и т.п. местах, где регулярно производятся земляные работы.

ППР

План производства работ по прокладке кабеля это нечто вроде гибрида проекта со сметой. Эскиз ППР на силовой кабель должен содержать:

1. Экспликацию плана участка с указанием расположения в свету (т.е. как бы видимых сквозь землю) и глубины залегания действующих коммуникаций;
2. Расчет сечения токоведущих жил и обоснование выбора типа кабеля;
3. План-схему кабельной трассы с разрезом профиля траншеи и схемой укладки кабеля в ней. Если профиль и/или схема укладки по ходу трассы меняются, нужны разрезы на каждый участок;
4. Схему кабельного канала, если он выполняется цельным из ПНД труб;
5. Схемы пересечений действующих коммуникаций и обходов препятствий;
6. Схему ввода кабеля в здание;
7. Схему подключения к домовому ВРУ и защитной автоматике (см. далее) – для кабельной сети от дома по участку;
8. Расчет материало- и трудоемкости работ. Их стоимость не нужна, это ваше дело;
9. План-график производства работ по этапам. Сроки начала/окончания допустимо указывать относительные, напр. «В течение суток по доставке дистрибьютором на объект»; «Немедленно по завершении п. NN». Главное – чтобы все работы были завершены в течение теплого времени года. При среднесуточной температуре ниже +12 новые кабели тянут только в исключительных случаях по особому разрешению. Если умеете составлять сетевые графики производства работ, тем лучше во всех отношениях.

Эскиз ППР нужно правильно оформить и свести в подлежащий утверждению документ. Единой формы ППР нет ввиду того же разнообразия условий прокладки кабеля, есть только рекомендованные образцы. Поэтому с эскизом ППР нужно идти в местный надзорный орган и там выяснять, как им нужно, чтобы оформлено было. Если у вас навыки инженерной графики типа «ручки-ножки-огуречик», там же подскажут, куда обратиться за оформлением, чтобы принято было.

Лучший выход в данной ситуации – по-человечески договориться со специалистом надзора о консультации в частном порядке. Им этот не запрещено; в некоторой степени даже поощряется – среди людей распространяется техническая грамотность, а специалист имеет честный приработок и накапливает опыт. Возможно (в глубинке – скорее всего), он и возьмется довести ваш ППР до ума. А утверждать его будет он же или его непосредственный начальник. В результате вы без волокиты и дешевле, чем мыкаться по фирмам, получите «железный» ППР.

Роем и собираем

Золотое правило при прокладке кабеля своими руками – не кладите кусками и не муфтите! Сделать надежную соединительную муфту на силовом кабеле способен только кабельщик-спайщик не ниже 5-го разряда! Также не пытайтесь соединять куски наверху клеммниками в коробках – надзор не примет, т.к. с таких соединителей легче легкого воровать электричество.

Как копать траншею – дело ваше, были бы выдержаны трасса и профили. Но до начала копки нужно в пересечениях вручную осторожно забить шурфы до обнажения пересекаемых коммуникаций. Шурф на газ ниже 0,5 м от глубины залегания прокладываемого кабеля забивается в присутствии представителя газовщиков. Их нужно уведомить об этом заранее и, по их требованию, бить весь шурф под надзором.

В случае, когда канал ввода в дом делается из ПНД труб, очень часто удобнее оказывается собрать его наверху (на свету), затянуть кабель, и все вместе поставить в траншею. В таком случае раскладывают на земле L-колена и горизонтальный гофр по отдельности с некоторыми промежутками. Кабель протягивают в исходящее колено весь, оставив «хвост» для подключения, затем в двустенную гофру и другое колено. После этого канал собирают и монтируют в траншее.

Примечание: перед началом работ с кабелем ему нужно дать прогреться/остыть до наружной температуры не менее суток. Если кабель закупается цельным куском на барабане, при закупке проверяют целостность его оболочки. Для этого нужно нажать штырек ниппеля на свободном конце кабеля. Добросовестные производители поставляют кабели под избыточным воздушным давлением. Если оболочка не повреждена, будет слышно шипение выходящего воздуха. ПвБбШп, ПвБбПг и др. кабели для сложных условий на барабане не под давлением – или брак, или фальсификация.

Как затягивать кабели

Ради бога, не смотрите на ютубе ролики, как кабель тянут в канал за жилы! Вероятность аварии в ближайшие годы от этого возрастает не в разы – на порядки! Кабели затягивают специальным чулком, поз. 1 и 2 на рис. Почти полный его аналог можно быстро сделать своими руками из пары согнутых U-образно мягких стальных проволок длиной от 1,5 м и диаметром 1,5-2 мм. Рым для протяжки получается из изгибов, а хвосты проволок, чтобы самодельный чулок не сполз при обтяжке и чтобы не царапали канал, приматывают к кабелю ПВХ изолентой.

Протяжка кабеля чулками

При необходимости промежуточного подтягивания кабеля применяется разъемный промежуточный чулок, поз. 3. К нему, если кабель тянут в канал, нужны 2 протяжки: рабочая и разъединяющая (освобождающая), за которую выдергивают фиксирующий штырь. Освобождающую протяжку маркирую чем-то очень броским, чтобы не дернуть случайно до окончания затяжки кабеля.

Если канал собирается не из труб со штатными протяжками, в него сначала заводят протяжку из упругой стальной проволоки. Для ввода в дом и разводки по участку ее диаметр, как правило, достаточен 2-2,5 мм. В каналы с другими кабелями кабель затягивают протяжкой из стеклопластикового прута с округлым концом, но для домохозяев это не вариант, тем более что работать прутом куда как труднее.

Протягивание кабеля в колена, уже установленные в траншее и выполненные по старинке, часто оказывается затруднительным; встречаются и другие короткие, но трудные места каналов. В таком случае может выучить 2-х ступенчатая вакуумная протяжка:

• Из смятого ПЭ пакета или шарика для пинг-понга делают пыж и прикрепляют к нему рыболовную леску.
• Пыж вводят в канал (касаться стенок он не должен) и с другого конца высасывают пылесосом.
• Леской затягивают в канал стальную протяжку.
• Протягивают в канале кабель.

«Змея» в траншее

Монтаж ввода в дом по-старинке начинается с установки в траншею L-колен (опусков). Их отгибы фиксируют над дном траншеи на уровне 10-12 см парами полуторных кирпичей и т.п. Затем опуски надежно прикрепляют к стене дома или столбу. Если ввод в дом через подвал, проем с трубами ввода цементируют и в монтаже кабеля делают тех. перерыв до набора бетонным раствором 50% прочности, ок. 3-х суток.

Тем временем дно траншеи засыпают песком или просеянным вынутым грунтом (см. выше) до уровня нижних краев устьев опусков и тщательно трамбуют подсыпку. Затем в опуски протягивают кабель, начиная с исходящего колена (на столбе) и в устьях расклинивают от контакта со сталью разъемными манжетами или обрезками плотной резины. В последнем случае устье заполняют сырой резиной или силиконовым герметиком. Также и при протяжке кабеля необходимо обеспечить отсутствие трения его оболочки об острые края стали. Для этого перед протяжкой в устья вставляют либо специальные лотки, либо, как можно плотнее, обрезки пластиковых труб, куски поливного шланга и т.п.

Неправильная и правильная укладка кабеля в траншее

Затем укладывают кабель в траншее, но ни в коем случае не внатяжку (слева на рис.), так недопустимо. На тепловые деформации нужно дать припуск от 2-3% общей длины трассы. Но и пускать «бешеную змею» с частыми изгибами, касающимися бортов траншеи (в центре) тоже нельзя, это только увеличит аварийность участка. Кабель в траншее укладывают, как показано справа на рис., с небольшими плавными изгибами, отстоящими от бортов траншеи не менее чем на 10 см. Если укладывается несколько кабелей, их изгибы должны располагаться в одну сторону со смещением на пол длины изгиба.

С каналом из ПНД труб хлопот гораздо меньше, независимо от того, затянут кабель заранее на свету или по монтаже канала в траншее. Здесь единственное «но»: стрелу изгибов «змеи» нужно увеличить на величину диаметра просвета горизонтальной трубы.

Засыпаем и защищаем

По укладке кабеля в траншею осуществляется его засыпка до уровня по профилю и схеме укладки. Засыпку над кабелем сильно трамбовать не надо; достаточно чуть-чуть «пришлепать», чтобы можно было положить твердую защиту – кирпичи или бетон. Далее кладут твердую защиту и засыпают послойно землей до уровня сигнальной ленты, трамбуя уже без особых предосторожностей. По укладке ленты траншею таким же образом засыпают доверху. Лишней земли остаться не должно, наоборот, над траншеей должна образоваться грядка. Со временем она осядет до уровня грунта. Провал над трассой спустя год – признак ее аварийности и основание для применения санкций к владельцу/эксплуатанту.

От дома по участку

Возможность своими руками поставить автоматику защитного отключения для кабельной проводки от дома по участку позволяет:

• Снизить сечение токоведущих жил до минимально допустимого.
• Применить небронированный провод.
• Уменьшить объем и трудоемкость земляных работ за счет сужения траншей и, возможно, использования землеройной техники, см. выше.

Все это существенно удешевляет наружную электропроводку домовладения, ничуть не уменьшая ее безопасности и надежности, при условии, что она разделена на ветви и снабжена защитной автоматикой. Необходимо также, чтобы дом был оборудован контуром защитного заземления. Типичное разделение участковой проводки на ветви:

1. Наружное освещение, охранная сигнализация и СЖО (напр., насос водоснабжения – автомат на 16 А;
2. Гараж и хозпостройки – автомат на 32 А;
3. Освещение сада, беседки/уголка отдыха, насосы фонтана, пруда и т.п. – автомат на 16 А.

Кроме того, на все наружные цепи нужно поставить общее устройство защитного отключения (УЗО) уменьшенной чувствительности, на разбаланс токов в 100 мА, см. схему на рис. Причем лучше ставить не быстродействующее электронное УЗО, а «тупенький» медленный электромеханический дифавтомат. На стиралку и ванную нужно ставить УЗО чувствительнее и быстрее, но здесь дело другое.

Схема подключения цепей наружной проводки

У сети длинных кабелей довольно высока собственная электрическая емкость и электрическая асимметрия емкостной утечки при включении. Т.е., со слишком быстрым и чувствительным УЗО возможна ситуация, когда наружные цепи просто невозможно будет включить – щелкнул автоматом на включение, УЗО хлопает и отключает. Также УЗО должно быть со встроенной термозащитой, чтобы отсечь наружку, вдруг какая-то цепь замокнет и даст активную утечку. Она и для жизни опасна, и счетчик начинает мотать как сумасшедший.

А вдруг авария?

Абсолютно надежной техники не бывает, и совершенно безаварийных кабелей тоже. На собственной емкости отключенного кабеля может остаться значительный электрический заряд, и на кабель может быть наведено опасное напряжение. Поэтому приступать к аварийно-восстановительным работам (АВР) немедленно по отключении аварийного участка ни в коем случае нельзя. Кстати, если авария на вводе в дом, то отключать его в ВРУ на столбе должен обязательно работник эксплуатанта электросети; в ТП вы и так не попадете. Вдруг есть видимая авария силового кабеля или подозрение на нее, действовать нужно след. образом:

1. Отключить защитный автомат аварийной цепи и повесить на его рычаг табличку «Не включать! Работают люди!»;
2. Спустя не менее чем 20 мин проверить тестером или фазоуказателем наличие напряжения на жилах (проверяется на исходящем конце);
3. Если напряжения нет, вынуть отключенные жилы/жилу из клеммника автомата и надежно присоединить к шине/клеммнику защитного заземления, или наложить на оголенные части жил клемму временного заземления;
4. Вдруг напряжение есть, искать причину его появления, и – все снова, начиная с п. 2.

Вот только теперь можно приступать к АВР. Но нужно твердо помнить еще одно золотое правило, которому обязаны жизнью поколения электриков (оно есть в ПТБ): на обесточенной и отключенной цепи может в любой момент внезапно появиться опасное напряжение. Т.е., устраняя аварию, работайте специнструментом с изолированными рукоятками, применяя СИЗ (изолирующие перчатки, обувь, коврик) и соблюдая все необходимые меры предосторожности согласно ПТБ.

Содержание

1. Что нужно знать заранее
2. Причины срабатывания защитной автоматики
3. Главное – профилактика
> Обсуждение

Летом чаще всего выбивает автомат защиты любого типа (см. далее) домовой/квартирной электропроводки. Причины – рост энергопотребления бытовой техникой, повышенная температура и влажность воздуха в сочетании с характерными именно для летнего периода колебаниями напряжения сети электропитания. Зимой защитная автоматика срабатывает чаще всего при включении излишне мощных электронагревательных приборов, а межсезонье время в общем-то аварийно-спокойное.

Настоящая публикация рассчитана прежде всего на обычных жильцов, не электриков и электротехнических работников. Мы постараемся пояснить, что нужно делать, если в квартире/частом доме выбивает пробки (пробочные электрические предохранители), автомат защиты по току (защитный автомат или просто автомат) и устройства защитного отключения напряжения при утечке тока с фазного провода (дифференциальный автомат или просто дифавтомат либо устройство защитного отключения – УЗО), или устройство защиты от перенапряжения сети (токовое реле).

Также далее изложено, как самостоятельно определить источник предаварийной ситуации с точностью до розетки или электроприбора. Ремонт «виновных» – холодильников, стиральных машин, электронагревателей воды (бойлеров) и пр. потенциально аварийных устройств это отдельный круг тем, также как и устройство защитного заземления для них. Особо рассмотрены вопросы, что делать, если выбивает УЗО, т.к. эти устройства не дублируют токовую защиту и в быту появились сравнительно недавно.

Примечание: защитное заземление – единственный способ обеспечить себе 100% электробезопасность. Самая совершенная защитная автоматика только снижает вероятность поражения электротоком в аварийных и предаварийных ситуациях до некоторой весьма малой, но не нулевой величины.

Что нужно знать заранее

Первое, если у вас выбило пробки старого типа с плавкими вставками, ни в коем случае не ставьте в них «жучки», но сейчас уже не только по соображениям безопасности. Современная бытовая техника насыщена электроникой. Загрубление плавкого предохранителя источник неполадок не ремонтирует и не устраняет. Включение чего угодно – от планшета до утюга и стиралки – в неисправную сеть может стоить ремонта многократно более дорогого, чем покупка пары-двух пробок-автоматов, вполне заменяющих автомат токовой защиты.

Второе, до определения причины срабатывания автоматики защиты все, что включено в розетки или через штатные выключатели, должно быть отключено. Отключения и пробные включения производятся только на обесточенной проводке последовательно по потребителям: выключаем общий автомат (см. далее) или пробки-автоматы, вынимаем все вилки из розеток, выключаем выключатели. Нужно проверить какой-то прибор или светильник – включаем в розетку или выключателем, включаем общий автомат или пробки. Требуется для проверки подключить следующий прибор, или светильник – снова выключаем общую автоматику, подключаем и т.д.

Подручные средства для проверки наличия напряжения в розетках

Третье, предположим, что у вас нет тестера, индикатора-фазоуказателя и вы вообще представления не имеете, что это такое. В таком случае проверить наличие напряжения в квартире при пробном включении, не рискуя собой и дорогой техникой, можно с помощью зарядного устройства для телефона со световым индикатором (слева на рис.) или светодиодного фонарика с подзарядкой (справа). Зарядку включают в розетку без телефона, а фонарик – не включая света. Ни в каких нормативных документах возможности использования этих устройств в таком качестве не предусмотрено, но для дилетанта они даже безопаснее индикатора фазы и тестера: ухватиться по неопытности за оголенную часть щупа или пытаться померять напряжение тестером, включенным на измерение тока, невозможно. Сами «квази-индикаторы» на аварийной сети могут выйти из строя (проводники внутри них очень тонкие), но они недороги и ремонтопригодны. Однако мы забегаем вперед, сначала нужно добраться туда, где выбило.

ВЩ и ЩА

Защитная автоматика в квартире чаще всего монтируется рядом с электросчетчиком на вводном щите ВЩ. Если защита пробками, ВЩ может быть совершенно допотопным (поз. 1 на рис.), халтурно сделанным, поз. 2, но рядом с ВЩ всегда найдется распределительная коробка (дозатор, «доза», показано красной стрелкой). Из дозатора расходятся ветви проводки по комнатам. Так вот, открывать дозатор, не будучи электриком, нельзя. Источник неисправности в таком случае нужно искать пробными включениями (см. выше и далее).

Вводные щиты и щит автоматики в квартире

В квартире с ВЩ современного типа (поз. 3) поиск, отчего защиту вышибает, начинается в перебора ветвей проводки: они включены через отдельные автоматы на токи меньшие, чем общий (главный). В таком случае сначала выключают автоматы ветвей, включают главный автомат, и, включая по очереди автоматы ветвей, находят неисправную, а ее уже проверяют, как в пред. случае. Если квартирные счетчики на лестничной клетке, то вместо ВЩ в прихожей будет щит автоматики ЩА. В таком случае труднее будет найти причину срабатывания защиты по реактивности, см. далее.

Примечание: УЗО (показаны зелеными стрелками) во время проверки на ток должны быть включены. Проверку на утечку производят прежде, чем на перегрузку по току, т.к. утечка опаснее для людей.

Причины срабатывания защитной автоматики

Автоматика защиты в большинстве случаев срабатывает по следующим причинам:

1. Проводка перегружена – постоянно выбивает пробки или токовый автомат. Нужно проверить соответствие их номинального тока реально потребляемому, а величину последнего – норме потребления мощности, см. далее;
2. Кратковременные перегрузки при включении мощных потребителей либо вследствие колебаний напряжения сети – защиту выбивает нерегулярно, чаще всего при включении какого-то прибора;
3. Мгновенные перегрузки по току за счет пусковых токов устройств бытовой техники – часто выбивает пробки в момент включения приборов с электромоторами; прежде всего – холодильника, см. также далее;
4. Утечка тока по фазному проводу – выбивает УЗО, чаще всего при включении стиральной машины, бойлера, света в ванной, подвале и др. приборов во влажных помещениях;
5. Выбило автоматику, токовую или УЗО, и не включается – короткое замыкание либо замыкание фазы на землю. Скорее всего, из-за неисправности какого-то из приборов, но возможна и неисправность проводки, напр., вследствие замокания. Очень редко – неисправность самого защитного автомата;
6. Выбило реле напряжения – напряжение в сети вышло за пределы допустимого.

Перегрузки

Допустим, у вас вылетели пробки в момент включения какого-то из приборов. На защитных автоматах всегда обозначается их номинальный рабочий ток; точнее – его эффективное значение. Амплитудное в 1,4 раза больше, но в сети 50 Гц длительность полуволны напряжения 10 мс, а время срабатывания электромеханической автоматики ок. 30 мс, так что об амплитуде тока пока не думаем.

Далее, 1 кВА потребляемой мощности при эффективном напряжении 220 В означает ток 4,55 А. Норма потребления городской квартиры – 3,5 кВА; защита ставится на ток 16 А. Покупать пробки на 25 А и более смысла нет, т.к. в щитке на лестничной клетке стоят автоматы на 16 А, хозяин которых – эксплуатант дома. Для частного дома норма потребления 5 кВА, защита на 25 А. На особняки, таунхаузы, коттеджные поселки и др. дорогое жилье норма потребления по умолчанию 10 кВА и защита на 50 А, но там платят за электричество по повышенному тарифу. А теперь посмотрим, что сколько в квартире может «намотать» до выбивания защиты:

• Холодильник – 0,1-0,5 кВА, но в момент пуска (как захолодит) потребляемый ток увеличивается в 5-7 раз. При том же напряжении мощность от сети на 1-5 с уйдет 0,5-3,5 кВА. Срабатывание УЗО возможно в момент пуска от реактивности, см. далее.
• Стиральная машина – ток потребления примерно как у холодильника, в т.ч. пусковой. Однако, если срабатывает не токовая защита, а УЗО, то причину нужно искать прежде всего здесь.
• Водонагреватель – бойлеры на 50 л снабжаются ТЭНами на 1,2-1,5 кВА; 100-150 литровые – на 2-3 кВА. Ток потребления при нагреве стабилен. Второй по частоте источник срабатывания УЗО.
• Компьютер, плоский телевизор и др. приборы с импульсными блоками питания (ИБП). Токовая защита их чаще всего «не видит», т.к. потребляемая мощность невелика, но УЗО они могут заставить сработать от емкостной утечки на корпус.
• Микроволновка также стабильно берет 1-2,5 кВА, в зависимости от ее типа.
• Кондиционер по потребляемой мощности примерно равен микроволновке, а его пусковой ток в 2-3 раза больше рабочего.
• Утюг – старые делались на 1 кВА; теперь стандартная мощность утюга с отпариванием 2,2 кВА.
• Современный пылесос – рабочая потребляемая мощность ок. 1,2-1,6 кВА, но пусковая в 2-3 раза выше. При засорении насадки или, допустим, засасывании в нее ковра рабочая мощность может возрастать до пусковой.
• Электроплита – у настольной потребляемая мощность как у утюга, а все блины стационарной плюс духовка возьмут 6-10 кВА. Велика вероятность утечки и срабатывания УЗО вследствие нарушения изоляции от высокой температуры.

Итак, прежде всего смотрим, что было включено в момент выбивания, и не было ли перебора по мощности. Если да – отключаем какой-то из приборов, напр. бойлер. Кстати, водонагреватель, стационарная электроплита и, весьма желательно, стиралка должны быть включены через отдельные автоматы и УЗО, даже если ВЩ старого типа с пробками.

Следующий момент – пылесос. Выключаем его, пробуем включить главный автомат. Все в порядке? Включаем пылесос. Не выбивает? Работаем аккуратнее и, желательно, на время уборки отключаем самые мощные приборы, напр. бойлер.

Возможна и такая ситуация: ничего по сравнению с прежним не изменилось, но при включении современного холодильника с саморазморозкой вышибает защиту. Скорее всего, в нем скрытая неисправность: вышел из строя или «расконтачился» пусковой электрический конденсатор. Холодильник будет холодить, двигатель компрессора все равно запустится от пусковой обмотки, но пусковой ток и длительность процесса запуска возрастут. Если пусковой конденсатор не полностью вышел из строя, а потерял емкость, ситуация может быть нерегулярной. Вдруг на счетчике с аварийными индикаторами (см. далее) в таком случае подмигивает «Реверс» или «Возврат», то на 99% виноват пусковой конденсатор.

С микроволновкой возможно нечто подобное из-за колебаний напряжения сети. Магнетрону, греющему своим излучением продукты, требуется стабильное электропитание, поэтому источник питания (ИП) хороших мироволновок строят по принципу бустера: при падении напряжения сети ток потребления пропорционально возрастает. Норма колебаний напряжения сети – 185-245 В, но многие модели микроволновок рассчитаны на их пределы 195-235 В. Т.е. получается, что сетевое напряжение вроде еще в норме, но микроволновка берет уже больше ее паспортной мощности.

Утечки и реактивность

УЗО в продаже есть, в общем, 2-х систем: электромеханические дифференциальные автоматы, или просто дифавтоматы, и электронные; последние нередко и называют УЗО, чтобы отличить их от дифавтоматов. Те и другие реагируют на разность токов в фазном и нулевом проводах, но дифавтомату она для срабатывания нужна в 30 мА, а срабатывает он прим. за 10-30 мс. Электронные УЗО быстрее и чувствительнее.

Если вы только собираетесь ставить УЗО, то важно будет знать, что в сетях электропитания с глухозаземленной нейтралью (в РФ такая) электронные УЗО в принципе не способны стабильно работать: они предназначены для сетей с изолированной нейтралью. Как при покупке или выборе в интернете различить дифавтомат и электронное УЗО, см. видео:

Видео: отличие дифавтомата от УЗО

Примечание: типовая схема снабжения проводки дифавтоматами такова. После главного токового автомата ставят общее УЗО на общий номинальный ток потребления. Его выход разветвляют на 2 УЗО с меньшим током. К одному из них подключают осветительные и розеточные ветви, а к другому – всех «мокрых» потребителей – стиралку, бойлер, ванную, подвал – каждого через свой токовый автомат. Такое решение обеспечивает большую четкость срабатывания электромеханических УЗО, т.к. наиболее вероятные утечки суммируются.

Помимо утечки, любое УЗО может сработать вследствие несовпадения фаз напряжения и тока в цепи, это т. наз. сработка по реактивности. Если, напр., в холодильнике «отвалился» пусковой конденсатор, то сработка дифавтомата весьма вероятна, а электронное УЗО выбьет обязательно. То же произойдет, если микроволновка или другой прибор с ИП бустерного типа работает на пониженном напряжении. Подробнее о причинах срабатывания УЗО можно узнать из следующего ролика:

Видео: причины срабатывания УЗО

Как поймать реактивность и утечку

Единственная возможность без специальных приборов и образования определить, отчего срабатывает УЗО – электросчетчик с индикаторами земли и реверса, поз. 1 на рис. справа. зеленые стрелки. Если при срабатывании УЗО на мгновение вспыхивает «Земля», это утечка. Если «Реверс» – реактивность. Только не путайте аварийные индикаторы с оптическими портами многотарифных счетчиков, поз. 2, красная стрелка.

Электросчетчики с аварийной индикацией и оптическим портом для программирования

КЗ

Если по отключении всех приборов выбитый автомат все равно не включается, то проверить проводку на короткое замыкание (КЗ) можно описанными выше «квази-индикаторами»: зарядку или фонарик включают в сеть и пробуют включить автомат. Если «лампочка» (светодиод) зарядки или фонарика хоть чуть мигнут, наверное, неисправен автомат – его контакты не фиксируются в замкнутом положении. Если же «квази-индикатор» при этом не подает признаков жизни – скорее всего, КЗ или обрыв проводки.

О прозвонке проводки

ИБП современной бытовой техники полностью от сети сами не отключаются никогда. Поэтому, если вы электрик и собираетесь прозванивать проводку индукционным мегомметром (меггером), не забудьте вынуть все вилки из розеток. Иначе стоимость ремонта погоревшего может приблизиться к стоимости замены проводки.

Пере- и недонапряжение

Реле напряжения и бытовой указатель напряжения электросети

Весьма и весьма желательно дополнить свой ВЩ реле напряжения (слева на рис.), обесточивающим всю проводку при выходе напряжения сети за заданные пределы. В последнее время защита от перенапряжения стала особенно актуальной: вследствие насыщения быта мощными электроприборами участились случаи отгорания нулевого провода. При этом проводка оказывается под напряжением свыше 300 В. Реально – 320-360 В; теоретически – под фазным напряжением 380 В. Это не только смертельно опасно, но и вызывает массовое сгорание, в прямом смысле, дорогостоящей техники.

Если реле напряжения не по карману, или поставить его нет возможности, спасти от отгорания нуля может индикатор напряжения сети (справа на рис.). Его держат в розетке, ближайшей к счетчику. При срабатывании любого из устройств защиты все вилки вынимают из розеток, светильники выключают, и пробуют включить выбитый автомат. Вдруг на табло мигнуло более 245 В – немедленно вызывают аварийщиков и оповещают соседей.

Пробочная специфика

В квартире с проводкой, защищенной пробками-автоматами, возможна и такая ситуация: пробки включены, «лампочка» на счетчике показывает, что подвод сети есть, а в розетках – ничего. Не торопитесь тогда прозванивать проводку, проверьте сначала пробки. Их ремонт возможен, никак не в ущерб технике безопасности, своими силами без опыта.

Крышки пробок-автоматов снимаются, если вывинтить всего 1 болтик, бирюзовая стрелка на рис. Затем смотрим, как припаян к ламели «холодный» конец токовой обмотки. При некачественной сборке он будет припаян встык, и тогда «горячий» конец обмотки оказывается в опасной близости к ламели, красные стрелки. В опасной – потому, что, если горячий конец закоротит на ламель, пробка превратится в «жучка» и ни от чего не защитит. А пайка встык нередко разваливается, и вроде бы включенная пробка ток не пропускает.

Устройство и возможная неисправность пробки-автомата

Вдруг пайка отвалилась, нужно немного наклонить и повернуть обмотку; ток срабатывания от этого не изменится. Но теперь можно холодный конец обмотки загнуть крючком, обвести вокруг ламели и надежно припаять, а горячий конец отогнуть подальше от ламели, красные стрелки.

Примечание: при обратной сборке пробки-автомата проследите, чтобы включающая кнопка (толстая) встала в пазы как надо. Если ее перевернуть на 180 градусов, кнопка под нажатием уйдет в корпус без щелчка, а контакты не замкнутся.

Главное – профилактика

В заключение посмотрим, как должна быть устроена электропроводка в квартире, чтобы автоматы и пробки выбивало как можно реже. Главное тут – включать защитную автоматику ради грошовой экономии только в разрыв фазного провода, как справа на рис. – грубейшая ошибка.

Правильное и неправильное включение защитной автоматики в квартирную электропроводку

Во-первых, в некоторых аварийных ситуациях на сети с глухозаземленной нейтралью на нулевом проводе возможно появление фазного напряжения; чем это чревато – см. выше. Во-вторых, и от проблем с электриками такое включение на гарантирует: если ноль проводки цельный, то есть способы воровать электричество. Пусть это делал кто-то на стороне, но диспетчер заметит, а доказывать инспектору, что верблюд это не вы, достанется вам.

Любая защитная автоматика должна разрывать при срабатывании все подходящие проводники (в сетях с глухозаземленной нейтралью – 2, фазу и ноль), это первое. А второе, все потенциально аварийные устройства и приборы должны включаться каждое через свой автомат токовой защиты, слева на рис. Если же вы живете в многоквартирном доме, устроить контур защитного заземления для которого нет возможности, эти правила должны соблюдаться неукоснительно.

Содержание

1. Видео: как научиться паять – урок для начинающих
2. Что такое пайка?
3. Чем и как лудить/паять?
4. Особенности пайки проводов
5. Припои и флюсы
6. Другие виды пайки
7. Как паять алюминий
8. Мелкая пайка
9. Видео: уроки пайки микросхем
10. Как паять трубы
> Обсуждение

Умение паять в современной жизни, насыщенной электроприборами и электроникой, необходимо так же, как умение пользоваться отверткой и вантузом. Методов пайки металлов существует много, но прежде всего нужно знать, как паять паяльником, хотя в бытовых условиях осуществимы и могут понадобиться также другие ее способы. В помощь желающим освоить технологию ручных спаечных работ и предназначена эта статья.

Примечание: пайки пропилена и др. пластиков здесь мы не касаемся. Это, собственно, и не пайка – в техпроцессе отсутствуют обязательные компоненты спаечных работ, припой и флюс. Технологически пайка пластиков ближе к низкотемпературной контактной сварке. То же касается холодной пайки – соединению деталей токопроводящим клеем.

Пайка металлов припоем – довольно сложный физико-химический процесс, но в работе он сводится к достаточно простым приемам и операциям. Чтобы правильно паять, не блуждая в дебрях теории, правила производства спаечных работ нужно соблюдать в точности. Особенно это касается выбора метода пайки, припоя и флюса в зависимости от вида соединяемых деталей и требований к паяному стыку. Описанию этих и других подробностей, без которых прочный спай не получится, и посвящена основная часть излагаемого материала.

Примечание: если вам хочется побыстрее чего-нибудь спаять, то можно посмотреть обстоятельный видео-урок по основам пайки для начинающих ниже. Но учтите, дальнейшего в тексте он не заменит. В спаечных работах далеко не всегда действует правило – «делай так, получится так». И в налаженном производстве, бывает, приходится ломать голову – а что делать, если получается не так? Или, что нужно сделать, чтобы получилось все-таки так, если нет того, чем полагается делать так.

Видео: как научиться паять – урок для начинающих

Что такое пайка?

Пайка своими руками в домашних условиях сводится к следующим технологическим операциям:

• Паяемые поверхности очищают от загрязнений, коррозионных корок и т.п.
• Зачищают до блеска, т.е. до отсутствия видимых следов окислов;
• Покрывают флюсом – веществом, удаляющим остатки окисла и не допускающим окисления поверхностей в дальнейшем процессе. Для флюсовки под лужение предпочтительно использовать не жидкие или твердые флюсы, а флюс-пасты;
• Затем поверхности лудят – наносят на них расплавленный припой (специально предназначенный для пайки сплав), он при этом растекается тонкой пленкой и химически соединяется с основным металлом;
• Детали предварительно соединяют механически: скруткой, сжатием пинцетом, пассатижами, в тисках, струбциной и пр.
• Наносят еще флюс, чтобы не допустить окисления припоя под нагревом;
• Наносят с прогревом еще припой (возможно, уже другой) до получения спая заданного качества;
• Если пайка велась паяльником с луженым жалом (см. ниже), по ее окончании его очищают и покрывают неактивным флюсом. Чтобы пайки были качественными, обычный паяльник должен храниться с зафлюсованным жалом!

Далее мы рассмотрим подробнее операции ключевые, на которые следует обратить особое внимание, чтобы научиться паять как следует.

Необходимое отступление

В комментариях на тему пайки широко дискутируется тема: как правильно – залудить или облудить? По правилам русского технического языка – залудить, как и в других словоформах от «лудить»; блуд тут ни при чем. Но лучше, по возможности, обходиться вовсе без приставок, т.к. в корнях словоформ «д» часто меняется на «ж» (лужение) и тогда возможна паразитная ассоциация с лужей. Залуживать это что – в лужу макать? Надо – лудить. «Спаивать» вместо «паять» недопустимо однозначно, т.к. у этих слов совершенно различные значения. Также как и «припай» вместо «припой». Припай – это полоса берегового льда, образующаяся при замерзании водоемов. А спайка – нежелательное последствие хирургической операции. Место соединения деталей пайкой это спай.

Примечание: в северных диалектах русского есть еще луды – подводные каменные гряды – и даже рыба сиг-лудога, которая там водится. Но в каноническом русском луды мелькают крайне редко, так что их можно не принимать во внимание.

Зачистка

Зачистка после очистки – первая каверзная операция пайки. Использование для нее абразивов недопустимо! Их мельчайшие частички, въевшиеся в металл, полностью удалить невозможно. Впоследствии они становятся очагами процессов, разрушающих спай.

Зачищают поверхности под пайку надфилем, напильником, шаберным инструментом (разные виды скребков) или просто ножом. Но лучше всего, особенно если готовятся для пайки токоведущие провода, сразу покрыть их активированным флюсом (см. далее), а после пайки тщательно удалить его остатки. Это удобно делать зубной щеткой, смоченной спиртом.

Чем и как лудить/паять?

Для следующих операций понадобится уже специальный электронагревательный инструмент: паяльник, футорка или паяльная горелка. Паять в домашних условиях чаще всего приходится электропаяльником с медным луженым жалом. Его устройство показано на поз. 1 рис. «Для полного счастья» спайщика-любителя нужны стержневые паяльники на 16-20 Вт для микросхем и печатных плат, поз. 2а, 40-50 Вт (поз. 2б), для электропроводов и навесного монтажа компонент радиоэлектроники, и 80-150 Вт (поз. 2в), для сборки небольших металлоконструкций пайкой.

Устройство и разновидности электропаяльников с медным луженым жалом

Если не предполагается работ с микрочипами (телефоны, планшеты, компьютеры) и пайки стали толщиной более 0,5-0,6 мм, можно обойтись комплектом из паяльников на 25 Вт (поз. 3а) и 60-65 Вт, поз. 3 б. Вдруг возникнет необходимость паять металлопрофили с толщиной стенок до 3-4 мм и/или толстый стальной лист, потребуется радиаторный паяльник-«топор» на 300-400 Вт, поз. 4.

Жала паяльников малой мощности (поз. 2а, 2б, 3а, 3б) изначально не прокованы и потому довольно быстро окисляются (подгорают). Чтобы повысить их стойкость, а заодно и отформовать нужным образом, вынутый из паяльника стержень проковывают слесарным молотком на наковальне настольных тисков. «Ширкать» его надфилем после этого нет нужды, да и не надо, чтобы не стереть наружный уплотненный слой меди. После проковки жало сразу же покрывают активированным флюсом.

Теперь понадобится твердая канифоль и мягкий, достаточно тугоплавкий припой (см. далее): ПОС-10, ПОС-30 или ПОС-40. Стержень паяльника вставляют на место, фиксируют, если есть винт-фиксатор, и включают паяльник в сеть. По мере выкипания флюса при прогреве жало погружают в канифоль, чтобы не оголялось. Когда канифоль вокруг жала начнет пузыриться, его натирают палочкой припоя до получения на всей поверхности жала ровной плотной полуды. Нитевидный припой на катушке в данном случае не совсем хорош, он для пайки мелких деталей.

Пока мы готовили паяльник, флюс на паечных поверхностях сделал свое дело: под его слоем они чистые, можно лудить. Здесь критическим пунктом будет толщина деталей:

• Менее 1/8 диаметра стержня паяльника – прогреются насквозь до температуры плавления припоя менее чем за 7 с. Флюс не успеет выкипеть.
• Более 1/6 той же величины – прогреются более чем за 10 с, флюс выкипит, детали оголятся и окислятся.
• 1/8-1/6 диаметра стержня – нужно, чаще всего основываясь на собственном опыте, лудить легкоплавким припоем под высококипящим флюсом. Или воспользоваться паяльником помощнее.

В первом случае на жало набирают каплю припоя, переносят на паяемую поверхность, и, если:

1. Провод тонкий – легко, без нажима, двигают по оголенному концу жалом с одной и затем с противоположной стороны, пока припой не растечется. Провод держат кончиком вниз. Стекшую туда каплю излишка припоя снимают паяльником.
2. Провод толстый – жало двигают по спирали взад-вперед.
3. Плоская тонкая длинная деталь – припой наносят на конец и двигают жало вдоль. Когда за жалом покажутся незалуженные края детали, наносят на недолуженный участок еще флюса, набирают другую каплю припоя и продолжают лужение.
4. Длинная более широкая деталь – то же, что и в пред. случае, но жало ведут змейкой.
5. Широкая деталь – жало двигают по спирали от центра в краям.

Для лужения толстых деталей берут ниточный припой с флюсом, т. наз. гарпиус: это тонкая гибкая трубочка из фольги припоя, в просвете которой порошкообразная канифоль. Лужение начинают с края длинных или с середины широких деталей. Конец гарпиуса прикладывают к месту начала лужения, греют паяльником, пока не растечется. Движения жалом – такие же, как в пред. случаях. Припой подают под жало по мере расходования. Дать на жало – он к нему будет липнуть, пока не образуется большая капля, которая стечет куда не надо.

Особенности пайки проводов

В предварительном соединении паяемых деталей больше всего проблем возникает с проводами: их для этого приходится трогать руками, отчего поверхность металла загрязняется, и спаям проводов чаще прочих паяных соединений приходится выдерживать механические нагрузки.

Скрутки проводов

Прежде чем паять провода, их нужно правильно скрутить. Основные виды скруток проводов для пайки показаны на рис. У каждого из них свое предназначение:

• Бандажными скрутками соединяют жесткие (толстые одножильные) токоведущие провода, т.е. по которым передается электрическая мощность. Особенно – провода наружныее. Бандажное соединение обеспечивает достаточный электрический контакт даже при непропае или перегреве окислившегося спая.
• Желобковые скрутки делают на проводах в легкоплавкой изоляции (простой ПВХ, полиэтилен), когда необходимо полное растекание припоя при минимальном прогреве. Греют желобковые скрутки только по желобку.
• Простыми скрутками можно соединять как одножильные, так и многожильные только что зачищенные от изоляции (блестящие) провода.
• Простая последовательная скрутка, т. наз. прямая британская, или просто британка, применима для соединения токоведущих проводов гибких кабелей сечением до 1,4 кв. мм, не испытывающих регулярных больших механических нагрузок, напр. электрических удлинителей или времянок.

Электрические провода, испытывающие регулярные и/или постоянные механические нагрузки, должны быть обязательно многожильными. Скручивают их, как показано внизу на рис: концы разметливают, «метлы» вдвигают друг в друга и скручивают по-британски. Паяют легкоплавким припоем повышенной прочности, напр. ПОСК-50 (см. ниже) с активированным флюсом, не требующим удаления остатков, также см. ниже.

Параллельные (тупиковые) скрутки проводов сечением свыше 0,7 кв. мм желательно паять погружением в расплавленный припой, см. далее. В противном случае придется греть или долго, или слишком мощным паяльником, отчего изоляция ползет, а флюс преждевременно выкипает.

Примечание: одножильные луженые провода – выводы деталей радиоэлектроники – допустимо паять встык или с набросом крючком, см. рис. справа.

 

 

 

Что паяемо, но не паяется

Не предназначены для соединения пайкой гибкие коаксиальные кабели и кабели для компьютерных сетей типа витая пара («витуха»). Опытный кабельщик, имеющий полное представление об электродинамике линий передачи сигнала, в исключительных случаях сделать муфту на них может. Но при выполнении дилетантом, пусть он в остальном квалифицированный электронщик и монтажник, пропускная способность и помехозащищенности линии упадут ниже допустимого, вплоть до полной потери.

Как чистить и консервировать жало

Жало паяльника очищают от остатков припоя, потирая о мягкую пористую или волокнистую подкладку. Чаще всего используется поролон, но это вариант не из лучших: он подгорает и налипает на жало. Лучший материал для его чистки – натуральный войлок или базальтовый картон. Но еще лучше – 2-ступенчатая чистка, сначала о губку-путанку из металлической ленты, а затем уж о войлок. После чистки паяльник выключают, вводят еще горячее жало в твердую канифоль и ждут, пока она не перестанет пузыриться. Тогда жало вынимают и держат вниз концом, чтобы стекли излишки канифоли. По полном его остывании паяльник можно отправлять на хранение.

Припои и флюсы

Теперь пришло время точно подобрать рабочий припой и флюс к нему, т.к. пайка, в отличие от полуды, должна не только крепко сцепляться с основным металлом, но и сама быть прочной. Сводка сведений о припоях и флюсах широкого применения из старого справочника дана на рис. Применительно к нынешнему времени к ней остается добавить не так уж много.

Характеристики припоев и флюсов широкого применения

Припои

Припои от ПОС-90 до Авиа-2 – мягкие для низкотемпературной пайки. Гарантированно обеспечивают только электрический контакт. ПОС-30 и ПОС-40 паяют медь, латунь, бронзу с неактивными флюсами, а их же со сталью и сталь со сталью – с активными. ПОССр-15 можно паять оцинковку с неактивными флюсами; другие припои при этом разъедают цинк до стали и пайка скоро отваливается.

34А, МФ-1 и ПСр-25 припои твердые, для высокотемпературной пайки. Припоем 34А можно паять алюминий в пламени (см. далее, о пайке алюминия) со специальными флюсами, см. там же. Припоем МФ1 припаивают медь к стали с активированным флюсом. «Невысокие требования к прочности» в данном случае значит, что прочность спая ближе к прочности меди, чем стали. ПСр-25 при пайке сухим паяльником (см. далее) пригоден для пайки ювелирных изделий, витражей тиффани и т.п.

Флюсы

Паяльные флюсы делятся на нейтральные (неактивные, бескислотные), химически с основным металлом не взаимодействующие или взаимодействующие в ничтожной степени, активированные, химически действующие на основной металл при нагреве, и активные (кислотные), действующие на него и холодными. В отношении флюсов наш век принес больше всего нововведений; большей частью все же хороших, но начнем с неприятных.

Первое – технически чистого ацетона для промывки паек в широкой продаже больше нет вследствие того, что он используется в подпольном производстве наркотиков и сам обладает наркотическим действием. Заменители технического ацетона – растворители 646 и 647.

Второе – хлористый цинк в активированных флюс-пастах часто заменяют тераборнокислым натрием – бурой. Соляная кислота – высокотоксичное химически агрессивное летучее вещество; хлорид цинка также токсичен, а при нагреве сублимирует, т.е. улетучивается не плавясь. Бура безопасна, но при нагреве выделяет большое количество кристаллизационной воды, что немного ухудшает качество пайки.

Примечание: бура сама по себе паяльный флюс для пайки погружением в расплавленный припой, см. далее.

Хорошая новость – теперь в продаже есть широчайший ассортимент флюсов на все случаи паяльной жизни. Для обычных спаечных работ вам понадобятся (см. рис.) недорогие СКФ (спиртоканифольный, бывший КЭ, второй в списке бескислотных флюсов в табл. I.10 на рис. выше) и паяльная (травленая) кислота, это первый в списке кислотный флюс. СКФ пригоден для пайки меди и ее сплавов, а паяльная кислота – для стали.

Пайки от СКФ нужно обязательно промывать: в состав канифоли входит янтарная кислота, при длительном контакте разрушающая металл. Кроме того, случайно пролитый СКФ мгновенно растекается по большой площади и превращается в очень долго сохнущую чрезвычайно липкую гадость, пятна от которой ничем не сводятся ни с одежды, ни с мебели, ни с пола со стенами. В общем СКФ для пайки хороший флюс, но не для ротозеев с растяпами.

Полноценный заменитель СКФ, но не такой противный при небрежном обращении – флюс ТАГС. Стальные детали более массивные, чем допустимо для пайки паяльной кислотой, и более прочно, паяют флюсом Ф38. Универсальным флюсом можно паять практически любые металлы в любых сочетаниях, в т.ч. алюминий, но прочность спая с ним не нормируется. К пайке алюминия мы еще вернемся.

Примечание: радиолюбители, имейте в виду – сейчас есть в продаже флюсы для пайки эмалированных проводов без зачистки!

Другие виды пайки

Любители мастерить также часто паяют сухим паяльником с бронзовым нелуженым жалом, т. наз. паяльным карандашом, поз. 1 на рис. Он хорош там, где недопустимо растекание припоя вне зоны пайки: в ювелирных изделиях, витражах, паяных предметах прикладного искусства. Иногда всухую паяют и микрочипы, монтируемые на поверхность, с шагом расположения выводов 1,25 или 0,625 мм, но это дело рискованное и для опытных специалистов: плохой тепловой контакт требует избыточной мощности паяльника и длительного нагрева, а обеспечить стабильность прогрева при ручной пайке невозможно. Для сухой пайки применяют гарпиус из ПОСК-40, 45 или 50 и флюс-пасты, не требующие удаления остатков.

Прочие виды пайки, осуществимые дома

Тупиковые скрутки толстых проводов (см. выше) паяют погружением в футорку – ванночку с расплавленным припоем. Когда-то футорку грели паяльной лампой (поз. 2а), но ныне это дикость первобытная: электрофуторка, или паяльная ванна (поз. 2) дешевле, безопаснее и дает лучшее качество пайки. Скрутку в футорку вводят сквозь слой кипящего флюса, подаваемого на припой после его расплавления и прогрева до рабочей температуры. Простейший флюс в данном случае – порошок канифоли, но она скоро выкипает и еще быстрее пригорает. Лучше флюсовать футорку бурой, а если паяльная ванна используется для оцинковки мелких деталей, то это единственно возможный вариант. В таком случае максимальная температура футорки должна быть не ниже 500 градусов Цельсия, т.к. цинк плавится при 440.

Наконец, массивную медь в изделиях, напр. трубы, паяют высокотемпературной пайкой в пламени. В нем всегда есть несгоревшие частицы, жадно поглощающие кислород, поэтому пламя обладает, как говорят химики, восстановительными свойствами: снимает остаточный окисел и не дает образоваться новому. На поз. 3 видно, как пламя специальной паяльной горелки буквально выдувает все ненужное из зоны пайки.

Ручная высокотемпературная пайка в пламени

Высокотемпературную пайку ведут, см. рис. справа, равномерно потирая с нажимом зону пайки 1 палочкой твердого припоя 2. Пламя горелки 3 должно следовать за припоем, чтобы горячее пятно не оказалось на воздухе. Предварительно зону пайки греют, пока не пойдут цвета побежалости. К луженой твердым припоем поверхности можно припаять что-то еще припоем мягким как обычно. Подробнее о пайке в пламени см. далее, когда дело дойдет до труб.

Курьезно, но в некоторых источниках паяльную горелку обзывают паяльной станцией. Ну, рерайт есть рерайт, что с него возьмешь. На самом деле настольная паяльная станция (см. след. рис.) – оборудование для тонких паяльных работ: с микрочипами и др., где недопустим перегрев, растекание припоя куда не надо и пр. огрехи. Паяльная станция точно поддерживает заданную температуру в зоне пайки, и, если станция газовая, то контролирует подачу туда газа. В таком случае горелка входит в ее комплект, но сама по себе паяльная горелка паяльная станция не более, чем каменоломня – собор Василия Блаженного.

Настольные паяльные станции

Как паять алюминий

Флюсы для пайки алюминия

Благодаря современным флюсам паять алюминий стало в общем не сложнее, чем медь. Для низкотемпературной его пайки предназначен флюс Ф-61А, см. рис. Припой – любой аналог припоев Авиа; в продаже есть разные. Единственно что – стержень в паяльник лучше вставить бронзовый луженый с насечками на жале примерно как у напильника. Он под слоем флюса легко соскоблит прочную пленку окисла, которая и не дает алюминию паяться просто так.

Для высокотемпературной пайки алюминия припоем 34А предназначен флюс Ф-34А. Однако греть зону пайки пламенем нужно очень осторожно: температура плавления самого алюминия всего 660 Цельсия. Поэтому высокотемпературную пайку алюминия лучше применять беспламенную камерную (пайка с печным подогревом), но оборудование для нее стоит дорого.

Омеднение алюминия для пайки

Есть еще «пионерский» способ пайки алюминия с предварительным омеднением. Он пригоден, когда требуется только электрический контакт, а механические напряжения в зоне пайки исключены, напр., если нужно соединить алюминиевый кожух с общей шиной печатной платы. «По-пионерски» пайка алюминия осуществляется на установке, показанной на рис. слева. Порошок медного купороса насыпают горкой в зону пайки. Зубную щетку пожестче, обмотанную голым медным проводом, окунают в дистиллированную воду и растирают ею с нажимом купорос. Когда на алюминии появится медное пятно, его лудят и паяют как обычно.

Мелкая пайка

В пайке печатных плат есть свои особенности. Как паять детали на печатные платы, в целом см. небольшой мастер-класс в рисунках. Лужение проводов отпадает, т.к. выводы радиокомпонент и чипов уже луженые.

В любительских условиях, во-первых, нет особого смысла лудить все токоведущие дорожки, если устройство работает на частотах до 40-50 МГц. В промышленном производстве платы лудят низкотемпературными способами, напр. напылением или гальваническим. Прогрев дорожек паяльником по всей длине ухудшит их сцепление с основой и увеличит вероятность отслоения. После монтажа компонент плату лучше покрыть лаком. Медь от этого сразу потемнеет, но на работоспособность устройства это никак не повлияет, если только речь не идет об СВЧ.

Пайка радиоэлектронных компонент на печатную плату

Затем, взгляните на нечто безобразное слева на след. рис. За такой брак и в недоброй памяти советском МЭПе (министерстве электронной промышленности) монтажников разжаловали в грузчики или подсобники. Дело даже не во внешнем виде или перерасходе дорогого припоя, а, во-первых, в том, что за время остывания этих блямб перегрелись и монтажные площадки, и детали. А большие тяжелые наплывы припоя – довольно инертные для уже ослабленных дорожек грузики. Радиолюбителям хорошо знаком эффект: спихнул нечаянно плату-«каракатицу» на пол – 1-2 или более дорожек отслоились. Не дожидаясь и первой перепайки.

Неправильно и правильно распаянные печатные платы

Паечные наплывы на печатных платах должны быть округлыми гладкими высотой не более 0,7 диаметра монтажной площадки, см. справа на рис. Кончики выводов должны немного выступать из наплывов. Кстати, плата полностью самодельная. Есть способ в домашних условиях сделать печатный монтаж таким же точным и четким, как фабричный, да еще и вывести там надписи, какие хочется. Белые пятнышки – блики от лака при фотосъемке.

Наплывы вогнутые и тем более сморщенные – тоже брак. Просто вогнутый наплыв значит, что припоя недостаточно, а морщинистый, кроме того, что в пайку проник воздух. Если собранное устройство не работает и есть подозрение на непропай, смотрите в первую очередь такие места.

ИМС и чипы

По сути интегральная микросхема (ИМС) и чип одно и тоже, но для ясности, как в общем и принято в технике, микросхемами-«микрухами» оставим ИМС в DIP-корпусах, до больших по степени интеграции включительно, с выводами через 2,5 мм, устанавливаемые в монтажные отверстия или паечные пистоны, если плата многослойная. Чипами пусть будут сверхбольшие ИМС-«миллионники», монтируемые на поверхность, с шагом выводов 1,25 мм и меньшим, а микрочипами – миниатюрные ИМС в таких же корпусах для телефонов, планшетов, ноутбуков. Процессоры и прочих «камни» с жесткими многорядными штыревыми выводами не трогаем: они не паяются, а устанавливаются в специальные панельки, которые запаиваются в плату однократно при ее сборке на предприятии.

Заземление паяльника

Современные КМОП (CMOS) ИМС по чувствительности к статическому электричеству такие же, как ТТЛ и ТТЛШ, держат без повреждения потенциал в 150 В в течение 100 мс. Амплитудное значение действующего напряжения сети 220 В – 310 В (220х1,414). Отсюда вывод: паяльник нужен низковольтный, на напряжение 12-42В, включенный через понижающий трансформатор на железе, не через импульсник или емкостный балласт! Тогда даже прямой пробой на жало не испортит дорогущие чипы.

Остаются еще случайные, и тем более опасные, выбросы сетевого напряжения: сварку рядом включили, бросок сети был, проводка заискрила и т.п. Самый надежный способ уберечься от них – не отводить «бродячие» потенциалы с жала паяльника, а не пускать из туда. Для этого еще на спецпредприятиях СССР применялась схема включения паяльников, показанная на рис.:

Схема заземления низковольтного электропаяльника

Точка соединения C1 C2 и сердечник трансформатора подключаются непосредственно к контуру защитного заземления, а к средней точке вторичной обмотки – экранная обмотка (незамкнутый виток медной фольги) и заземлители рабочих мест. К контуру эта точка подключается отдельным проводом. При достаточной мощности трансформатора к нему можно подключать сколько угодно паяльников, не заботясь о заземлении каждого в отдельности. В домашних условиях точки a и b соединяют с общей клеммой заземления отдельными проводами.

Микросхемы, пайка

Микросхемы в DIP-корпусах паяются как прочие радиоэлектронные компоненты. Паяльник – до 25 Вт. Припой – ПОС-61; флюс – ТАГС или спиртоканифоль. Смывать его остатки нужно ацетоном или его заменителями: спирт берет канифоль туго, и между ножками отмыть им полностью не удается ни кисточкой, ни ветошью.

Что до чипов и тем более микрочипов, то паять их вручную настоятельно не рекомендуется специалистам любого уровня: это лотерея в весьма проблематичным выигрышем и весьма вероятным проигрышем. Если уж у вас дело дойдет до таких тонкостей как ремонт телефонов и планшетов, то придется раскошелиться на паяльную станцию. Пользоваться ею не намного сложнее, чем ручным паяльником, см. видео ниже, а цены вполне приличных паяльных станций ныне доступны.

Видео: уроки пайки микросхем

Микросхемы, выпайка

«По-правильному», ИМС для проверки при ремонте не выпаиваются. Их диагностика производится на месте специальными тестерами и методами и негодная удаляется раз и навсегда. Но любители не всегда могут себе это позволить, поэтому на всякий случай ниже даем ролик о методах выпайки ИМС в DIP-корпусах. Чипы с микрочипами умельцы тоже исхитряются выпаивать, напр., подсовывая под ряд выводов нихромовую проволочку и грея сухим паяльников, но это лотерея еще менее выигрышная, чем ручной монтаж больших и сверхбольших ИМС.

Видео: выпайка микросхем – 3 способа

Как паять трубы

Медные трубы паяют высокотемпературным способом любым твердым припоем для меди с активированной флюс-пастой, не требующей удаления остатков. Далее возможны 3 варианта:

• В медных (латунных, бронзовых) соединительных муфтах – паяльных фитингах.
• С полной раздачей.
• С неполными раздачей и сжатием.

Пайка медных труб в фитингах надежнее прочих, но требует значительных дополнительных расходов на муфты. Единственный случай, когда она незаменима – устройство отвода; тогда используется фитинг-тройник. Обе паяемые поверхности заранее не лудят, но покрывают флюсом. Затем трубу вводят в фитинг, надежно фиксируют и пропаивают стык. Пайка считается законченной, когда припой перестанет уходить в зазор между трубой и муфтой (нужен 0,5-1 мм) и выступит снаружи небольшим валиком. Фиксатор снимают не ранее чем через 3-5 мин по затвердевании припоя, когда стык уже можно держать рукой, иначе припой не наберет прочность и стык когда-то да потечет.

Как паяют трубы с полной раздачей, показано слева на рис. Давление «раздатая» пайка держит такое же, как и фитинговая, но требует доп. специнструмента для разворачивания раструба и повышенного расхода припоя. Фиксация впаиваемой трубы не обязательна, ее можно вдвинуть в раструб с проворотом, пока не заклинит намертво, поэтому пайку с полной раздачей часто делают в неудобных для установки фиксатора местах.

Пайка медных труб

В домашней разводке из тонкостенных труб малого диаметра, где давление уже небольшое, а его потери несущественны, целесообразной может оказаться пайка с неполной раздачей одной трубы и сужением другой, поз. I справа на рис. Для подготовки труб достаточно круглой палки из твердого дерева с коническим острием в 10-12 градусов с одной стороны и усеченно-конической лункой в 15-20 градусов с другой, поз II. Концы труб обрабатывают, пока они без заклинивания не войдут друг в друга прим. на 10-12 мм. Лудят поверхности заранее, наносят на луженые еще флюса и соединяют до заклинивания. Затем греют до плавления припоя и подпирают зауженную трубу, пока ее не заклинит. Расход припоя выходит минимальным.

Важнейшее условие надежности такого стыка – сужение должно быть ориентировано по току воды, поз. III. Школьный закон Бернулли – обобщение для идеальной жидкости в широкой трубе, а у реальной жидкости в узкой трубе за счет ее (жидкости) вязкости максимум скачка давления смещается противоположно току, поз. IV. Возникает составляющая силы давления, прижимающая зауженную трубу к раздатой, и пайка получается очень надежной.

Что еще?

Ах да, подставки для паяльников. Классическая, слева на рис., пригодна для любых стержневых. Где на ней быть ванночкам для припоя и канифоли – дело ваше, какой-либо регламентации нет. Для маломощных паяльников с фартуком пригодны упрощенные подставки-скобы, в центре.

Правильные и неправильная подставки для паяльников

Паяльные станции комплектуются преимущественно пружинными или трубчатыми ложементами-гнездами для паяльников. В них вся горячая часть инструмента недоступна для прикосновения, но и промазать паяльником мимо них, сосредоточившись на пайке мелкой «россыпи», вероятнее. Но чего уж точно не надо делать, и что прямо запрещено ТБ – это подставку из подручных материалов, в которой паяльник лежит на ванночках для расходных материалов, справа на рис.

Содержание

1. О чем будем
2. О чем не будем
3. Трансформатор
4. Пробуем постоянку
5. Микродуга
6. Видео: самодельный аппарат для сварки скруток
7. Видео: сварочный аппарат своими руками из конденсаторов
8. Контакт! Есть контакт!
9. Видео: сварка своими руками за 15 минут (на соляном растворе)
> Обсуждение

Сварка своими руками в данном случае значит не технология производства сварочных работ, а самодельное оборудование для электросварки. Рабочие навыки приобретаются производственной практикой. Безусловно, прежде чем идти в мастерскую, нужно усвоить теоретический курс. Но претворять его в практику можно только, имея на чем работать. Это первый довод в пользу того, чтобы, самостоятельно осваивая сварочное дело, позаботиться вначале о наличии соответствующего оборудования.

Второй – покупной сварочный аппарат стоит дорого. Аренда тоже недешева, т.к. вероятность выхода его из строя при неквалифицированном пользовании велика. Наконец, в глубинке добраться до ближайшего пункта, где можно взять сварочник напрокат, может быть просто долго и трудно. В общем, первые шаги в сварке металлов лучше начинать с изготовления сварочной установки своими руками. А потом – пусть себе стоит в сарае или гараже до случая. Потратиться на фирменную сварку, буде дело пойдет, никогда не поздно.

О чем будем

В настоящей статье рассматривается, как в домашних условиях сделать оборудование для:

• Электродуговой сварки переменным током промышленной частоты 50/60 Гц и постоянным током до 200 А. Этого хватит, чтобы варить металлоконструкции примерно до забора из профнастила на каркасе из профтрубы или сварного гаража.
• Микродуговой сварки скруток проводов – очень просто, и полезно при прокладке или ремонте электропроводки.
• Точечной импульсной контактной сварки – может хорошо пригодиться при сборке изделий из тонкого стального листа.

О чем не будем

Первое, пропустим газовую сварку. Оборудование для нее стоит гроши по сравнению с расходными материалами, баллоны с газом дома не сделаешь, а самодельный газогенератор – серьезный риск для жизни, плюс карбид сейчас, где он еще поступает в продажу, дорог.

Второе – инверторную электродуговую сварку. Действительно, сварочный инвертор-полуавтомат позволяет начинающему дилетанту варить довольно ответственные конструкции. Он легок и компактен, носить его можно рукой. Но покупка в розницу компонентов инвертора, позволяющего стабильно вести качественный шов, обойдется дороже готового аппарата. А с упрощенными самоделками опытный сварщик работать попробует, и откажется – «Дайте нормальный аппарат!» Плюс, точнее минус – чтобы сделать более-менее приличный сварочный инвертор, нужно обладать довольно солидным опытом и познаниями в электротехнике и электронике.

Третье – аргонно-дуговую сварку. С чьей легкой руки пошло гулять в рунете утверждение, что она гибрид газовой и дуговой, неведомо. На самом деле это разновидность дуговой сварки: инертный газ аргон в сварочном процессе не участвует, но создает вокруг рабочей зоны кокон, изолирующий ее от воздуха. В результате сварочный шов получается химические чистым, свободным от примесей соединений металлов с кислородом и азотом. Поэтому варить под аргоном можно цветные металлы, в т.ч. разнородные. Кроме того, возможно уменьшить ток сварки и температуру дуги без ущерба для ее стабильности и варить неплавящимся электродом.

Оборудование для аргонно-дуговой сварки вполне возможно изготовить в домашних условиях, но – газ очень дорогой. Варить же в порядке рутинной хозяйственной деятельности алюминий, нержавейку или бронзу вряд ли понадобится. А если уж надо, то проще взять аргонную сварку в аренду – по сравнению с тем, на сколько (в деньгах) газа уйдет обратно в атмосферу, это копейки.

Трансформатор

Основа всех «наших» видов сварки – сварочный трансформатор. Порядок его расчета и конструктивные особенности существенно отличаются от таковых трансформаторов электропитания (силовых) и сигнальных (звуковых). Сварочный трансформатор работает в прерывистом режиме. Если конструировать его на максимальный ток как трансформаторы непрерывного действия, он получится непомерно большим, тяжелым и дорогим. Незнание особенностей электрических трансформаторов для дуговой сварки – основная причина неудач конструкторов-любителей. Поэтому прогуляемся по сварочным трансформаторам в следующем порядке:

1. немного теории – на пальцах, без формул и зауми;
2. особенности магнитопроводов сварочных трансформаторов с рекомендациями по выбору из случайно подвернувшихся;
3. испытания имеющегося в наличии б/у;
4. расчет трансформатора для сварочного аппарата;
5. подготовка компонент и намотка обмоток;
6. пробная сборка и доводка;
7. ввод в эксплуатацию.

Теория

Электрический трансформатор можно уподобить накопительному резервуару водоснабжения. Это довольно глубокая аналогия: трансформатор действует за счет запаса энергии магнитного поля в его магнитопроводе (сердечнике), который может многократно превышать мгновенно передаваемую от сети электропитания потребителю. А формальное описание потерь на вихревые токи в стали похоже на него же для водопотерь на инфильрацию. Потери электроэнергии в меди обмоток формально схожи с потерями напора в трубах за счет вязкого трения в жидкости.

Примечание: различие – в потерях на испарение и, соотв., рассеяние магнитного поля. Последние в трансформаторе частично обратимы, но сглаживают пики энергопотребления во вторичной цепи.

Внешние характеристики электрических трансформаторов

Важный в нашем случае фактор – внешняя вольт-амперная характеристика (ВВАХ) трансформатора, или просто его внешняя характеристика (ВХ) – зависимость напряжения на вторичной обмотке (вторичке) от тока нагрузки, при неизменном напряжении на первичной обмотке (первичке). У силовых трансформаторов ВХ жесткая (кривая 1 на рис.); они подобны мелководному обширному бассейну. Если его как следует изолировать и накрыть крышей, то водопотери минимальны и напор довольно стабилен, как бы там потребители краны ни крутили. Но если в стоке булькнуло – суши весла, вода слита. Применительно к трансформаторам – силовик должен как можно более стабильно держать выходное напряжение до некоторого порога, меньшего, чем максимальная мгновенная мощность потребления, быть экономичным, небольшим и легким. Для этого:

• Марку стали для сердечника выбирают с более прямоугольной петлей гистерезиса.
• Конструктивными мерами (конфигурацией сердечника, способом расчета, конфигурацией и расположением обмоток) всячески уменьшают потери на рассеивание, потери в стали и меди.
• Индукцию магнитного поля в сердечнике берут меньше максимально допустимой для передачи формы тока, т.к. ее искажение снижает КПД.

Примечание: трансформаторную сталь с «угловатым» гистерезисом часто называют магнитожесткой. Это неверно. Магнитожесткие материалы сохраняют сильную остаточную намагниченность, их них делают постоянные магниты. А любое трансформаторное железо – магнитомягкое.

Варить от трансформатора с жесткой ВХ нельзя: шов идет рваный, пережженный, металл разбрызгивается. Дуга неэластичная: чуть не так двинул электродом, гаснет. Поэтому сварочный трансформатор делают похожим уже на обычный водонапорный бак. Его ВХ мягкая (нормального рассеяния, кривая 2): при возрастании тока нагрузки вторичное напряжение плавно падает. Кривая нормального рассеяния аппроксимируется прямой, падающей по углом 45 градусов. Это позволяет за счет снижения КПД кратковременно снимать с того же железа в несколько раз большую мощность, или соотв. уменьшить массогабариты и стоимость трансформатора. Индукция в сердечнике при этом может достигать величины насыщения, а кратковременно даже превосходить ее: трансформатор не уйдет в КЗ с нулевой передачей мощности, как «силовик», но станет нагреваться. Довольно долго: тепловая постоянная времени сварочных трансформаторов 20-40 мин. Если потом дать ему остыть и недопустимого перегрева не было, можно продолжать работу. Относительное падение вторичного напряжения ?U2 (ему соотв. размах стрелок на рис.) нормального рассеивания плавно растет при увеличении размаха колебаний сварочного тока Iсв, что позволяет легко держать дугу при любых видах работ. Обеспечиваются такие свойства следующим:

1. Сталь магнитопровода берут с гистерезисом, более «овальным».
2. Нормируют обратимые потери на рассеяние. По аналогии: упало давление – потребители много и быстро не выльют. А оператор водоканала успеет включить подкачку.
3. Индукцию выбирают близкой к предельной по перегреву, это позволяет за счет снижения cos? (параметра, равнозначного КПД) при токе, существенно отличном от синусоидального, взять с той же стали большую мощность.

Примечание: обратимые потери рассеяния значит, что часть силовых линий пронизывает вторичку через воздух минуя магнитопровод. Название не вполне удачное, также как и «полезное рассеяние», т.к. «обратимые» потери для КПД трансформатора ничуть не полезнее необратимых, но они смягчают ВХ.

Как видим, условия совершенно различны. Так что, же непременно искать железо от сварочника? Необязательно, для токов до 200 А и пиковой мощности до 7 кВА, а на хозяйстве этого хватит. Мы расчетно-конструктивным мерами, а также при помощи несложных дополнительных устройств (см. далее) получим на любом железе ВХ, несколько более жесткую, чем нормальная, кривая 2а. КПД энергопотребления сварки при этом вряд ли превысит 60%, но для эпизодических работ для себя это не страшно. Зато на тонких работах и малых токах держать дугу и ток сварки будет несложно, не имея большого опыта (?U2.2 и Iсв1), на больших токах Iсв2 получим приемлемое качество шва, и можно будет резать металл до 3-4 мм.

Бывают еще сварочные трансформаторы с крутопадающей ВХ, кривая 3. Это уже скорее насос подкачки: или поток на выходе в номинале независимо от высоты подачи, или его вовсе нет. Они еще более компактны и легки, но, чтобы на крутопадающей ВХ выдержать режим сварки, нужно за время порядка 1 мс реагировать на колебания ?U2.1 порядка вольта. Электронике это под силу, поэтому трансформаторы с «крутой» ВХ нередко применяются в сварочных полуавтоматах. Если же от такого трансформатора варить вручную, то шов пойдет вялый, недоваренный, дуга опять же неэластичная, а при попытках зажечь ее снова электрод то и дело залипает.

Магнитопроводы

Типы магнитопроводов, пригодных для изготовления сварочных трансформаторов, показаны на рис. Наименования их начинаются с буквосочетания соотв. типоразмера. Л значит ленточный. Для сварочного трансформатора Л или без Л – существенной разницы нет. Если в префиксе есть М (ШЛМ, ПЛМ, ШМ, ПМ) – в игнор без обсуждения. Это железо уменьшенной высоты, для сварочника непригодное при всех прочих выдающихся достоинствах.

Магнитопроводы трансформаторов

После букв типономинала следуют цифры, обозначающие a, b и h на рис. Напр., у Ш20х40х90 размеры поперечного сечения керна (центрального стержня) 20х40 мм (a*b), а высота окна h – 90 мм. Площадь сечения сердечника Sс = a*b; площадь окна Sок = c*h нужна для точного расчета трансформаторов. Мы ею пользоваться не будем: для точного расчета нужно знать зависимости потерь в стали и меди от величины индукции в сердечнике данного типоразмера, а для них – марку стали. Где мы ее возьмем, если мотать будем на случайном железе? Мы посчитаем по упрощенной методике (см. далее), а потом доведем в ходе испытаний. Труда уйдет больше, но зато получим сварку, на которой можно реально работать.

Примечание: если железо ржавое с поверхности, то ничего, свойства трансформатора от этого не пострадают. А вот если на нем есть пятна цветов побежалости – это брак. Когда-то этот трансформатор очень сильно перегрелся и магнитные свойства его железа необратимо испортились.

Еще один важный параметр магнитопровода – его масса, вес. Поскольку удельная плотность стали неизменна, он определяет объем сердечника, и, соотв., мощность, которую с нее можно взять. Для изготовления сварочных трансформаторов пригодны магнитопроводы массой:

• О, ОЛ – от 10 кг.
• П, ПЛ – от 12 кг.
• Ш, ШЛ – от 16 кг.

Почему Ш и ШЛ нужны тяжелее, понятно: у них есть «лишний» боковой стержень с «плечиками». ОЛ может быть легче, потому что в нем нет углов, на которые нужен излишек железа, а изгибы силовых магнитных линий плавнее и по некоторым другим причинам, о которых – уже в след. разделе.

О, ОЛ

Себестоимость трансформаторов на торах высока вследствие сложности их намотки. Поэтому использование тороидальных сердечников ограничено. Подходящий для сварки тор можно, во-первых, извлечь из ЛАТРа – лабораторного автотрансформатора. Лабораторный, значит не должен бояться перегрузок, и железо ЛАТРов обеспечивает ВХ, близкую к нормальной. Но…

ЛАТР – штука очень полезная, первое. Если сердечник еще жив, лучше ЛАТР восстановить. Вдруг не нужен, можно продать, и вырученного хватит на пригодную для своих нужд сварку. Поэтому «голые» сердечники ЛАТРов найти сложно.

Второе – ЛАТРы мощностью до 500 ВА для сварки слабы. От железа ЛАТР-500 можно добиться сварки электродом 2,5 в режиме: 5 мин варим – 20 мин он остывает, а мы накаляемся. Как в сатире Аркадия Райкина: раствор бар, кирпич йок. Кирпич бар, раствор йок. ЛАТРы же 750 и 1000 – большая редкость и годные.

Еще подходящий по всем свойствам тор – статор электромотора; сварка из него получится хоть на выставку. Но найти его не легче, чем железо ЛАТРа, а мотать на него много сложнее. Вообще, сварочный трансформатор из статора электродвигателя – отдельная тема, столько там сложностей и нюансов. Прежде всего – с навивкой толстого провода на «бублик». Не имея опыта намотки тороидальных трансформаторов, вероятность испортить дорогой провод, а сварки не получить, близка к 100%. Поэтому, увы, со с варочным аппаратом на троидальн6ом трансформаторе придется повременить.

Ш, ШЛ

Броневые сердечники конструктивно рассчитаны на минимальное рассеяние, и нормировать его практически невозможно. Сварка на обычном Ш или ШЛ получится слишком жесткой. Кроме того, условия охлаждения обмоток на Ш и ШЛ наихудшие. Единственно пригодные для сварочного трансформатора броневые сердечники – увеличенной высоты с разнесенными галетными обмотками (см. далее), слева на рис. Разделяются обмотки диэлектрическими немагнитными термостойкими и механически прочными прокладками (см. далее) толщиной в 1/6-1/8 высоты керна.

Пластины броневых магнитопроводов и галетные обмотки

Шихтуется (собирается из пластин) сердечник Ш для сварки обязательно вперекрышку, т.е. пары ярмо-пластина поочередно ориентируются туда-обратно относительно друг друга. Способ нормирования рассеяния немагнитным зазором для сварочного трансформатора непригоден, т.к. потери дает необратимые.

Если подвернется шихтованный Ш без ярем, но с просечкой пластин между керном и перемычкой (в центре), вам повезло. Шихтуют пластины сигнальных трансформаторов, а сталь на них, для уменьшения искажений сигнала, идет дающая нормальную ВХ изначально. Но вероятность такого везения очень мала: сигнальные трансформаторы на киловаттные мощности – редчайшая диковина.

Примечание: не пытайтесь собрать высокий Ш или ШЛ из пары обычных, как справа на рис. Сплошной прямой зазор, хоть и очень тонкий – необратимое рассеяние и крутопадающая ВХ. Тут потери рассеивания почти аналогичны потерям воды на испарение.

Намотка обмоток трансформатора на стержневом сердечнике

ПЛ, ПЛМ

Наиболее пригодны для сварки сердечники стержневые. Из них – шихтуемые парами одинаковых Г-образных пластин, см. рис., их необратимое рассеяние наименьшее. Второе, обмотки П и ПЛов мотаются точно одинаковыми половинками, по половине витков на каждую. Малейшая магнитная или токовая асимметрия – трансформатор гудит, греется, а тока нет. Третье, что может показаться неочевидным не забывшим школьное правило буравчика – обмотки на стержни навиваются в одном направлении. Что-то не так кажется? Магнитный поток в сердечнике обязательно должен быть замкнут? А вы крутите буравчики по току, а не по виткам. Направления-то токов в полуобмотках противоположные, там и магнитные потоки показаны. Можно и проверить, если защита проводки надежная: подать сеть на 1 и 2’, а замкнуть 2 и 1’. Если автомат сразу не выбьет, то трансформатор взвоет и затрясется. Впрочем, кто там знает, что у вас с проводкой. Лучше не надо.

Примечание: можно еще встретить рекомендации – мотать обмотки сварочного П или ПЛ на разных стержнях. Мол, ВХ смягчается. Так-то оно так, но сердечник для этого нужен специальный, со стержнями разного сечения (вторичка на меньшем) и выемками, выпускающими силовые линии в воздух в нужном направлении, см. рис. справа. Без этого – получим крикливый, трясучий и прожорливый, но не варящий трансформатор.

Если есть трансформатор

Защитный автомат на 6,3 А и амперметр переменного тока помогут также определить пригодность старого сварочника, валявшегося бог знает где и черт знает как. Амперметр нужен или бесконтактный индукционный (токовые клещи), или стрелочный электромагнитный на 3 А. Мультиметр с пределами переменного тока будет недопустимо врать, т.к. форма тока в цепи окажется далека от синусоидальной. Еще – жидкостный бытовой термометр с длинной шейкой, или, лучше, цифровой мультиметр с возможностью измерения температуры и щупом для этого. Пошагово процедура испытаний и подготовки к дальнейшей эксплуатации старого сварочного трансформатора производится так:

1. Сушим реанимируемого в отапливаемом помещении 1-2 недели;
2. По формуле Pг(ВА) = k1Sс(кв. см) для однофазного трансформатора определяем его габаритную мощность, где k1 = 67 для тора (О, ОЛ), k1 = 52 для П, ПЛ и k1 = 45 для Ш, ШЛ;
3. Если сварочник 3-фазный, то при включении в 1-фазную сеть полученное значение делим на 2;
4. Находим (приблизительно) его ток холостого хода при номинальном напряжении сети Iхх(А) = 0,375P(кВА);
5. Измеряем реальное напряжение сети и соотв. корректируем Iхх, при меньшем Uс он пропорционально уменьшится;
6. Готовим испытательный кабель, включив в один провод шнура с вилкой защитный автомат;
7. Включаем испытуемого без нагрузки: гудит, вибрирует, автомат выбивает – нужно перебирать, переизолировать провода (см. далее). Нет – продолжаем;
8. Измеряем Iхх, отклонение от определенного выше значения должно лежать в пределах +/-20%. У трансформатора на 3-5 кВА нормальный Iхх 1-2 А;
9. 

   Измерение рабочей температуры сварочного трансформатора

   В течение 40 мин как минимум периодически, а лучше постоянно, меряем температуру в самой горячей точке, см. рис. справа. За 40 мин не стабилизировалась – см. п. 7, после двоеточия;

10. Температура держится – продолжаем испытание не менее 3-4 тепловых постоянных времени, т.е. 2-4 часа;
11. По истечении испытательного интервала засекаем и записываем температуру в помещении;
12. Снова меряем температуру трансформатора: если разница с наружной менее 25 градусов – годен после восстановительного лечения, см. след пункт. Нет – см. п. 7, после двоеточия;
13. Разбавляем любой нитролак растворителем 646 или 647 вдвое по объему. Лучше бы ацетоном, но его в широкой продаже уже нет. Спасибо наркоманам, им ацетон нужен, чтобы делать свою гадость мерзкую;
14. Пропитываем жидким лаком весь трансформатор, включая магнитопровод. Так нужно, чтобы залить возможные трещины в изоляции проводов обмоток и восстановить изоляцию пластин;
15. По полном высыхании первичной пропитки (не менее 4-х суток) обливаем трансформатор тем же лаком неразбавленным, для восстановления механической прочности;
16. По высыхании финальной пропитки – боеспособен!

Расчет сварочного трансформатора

В рунете можно найти разные методики расчета сварочных трансформаторов. При кажущемся разнобое большинство из них верны, но при полном знании свойств стали и/или для конкретного ряда типономиналов магнитопроводов. Предлагаемая методика сложилась в советские времена, когда вместо выбора был дефицит всего. У рассчитанного по ней трансформатора ВХ падает немного крутовато, где-то между кривыми 2 и 3 на рис. в начале. Для резки так годится, а для работ потоньше трансформатор дополняется внешними устройствами (см. далее), растягивающими ВХ по оси тока до кривой 2а.

Основа расчета обычна: дуга стабильно горит под напряжением Uд 18-24 В, а для ее зажигания требуется мгновенный ток в 4-5 раз больший номинального сварочного. Соотв., минимальное напряжение холостого хода Uхх вторички будет 55 В, но для резки, раз из сердечника выжимается все возможное, берем не стандартные 60 В, а 75 В. Больше никак: и по ТБ недопустимо, и железо не вытянет. Еще одна особенность, по тем же причинам – динамические свойства трансформатора, т.е. его способность быстро переходить из режима КЗ (скажем, при замыкании каплями металла) в рабочий, выдерживаются без дополнительных мер. Правда, такой трансформатор склонен к перегреву, но, раз он свой и на глазах, а не дальнем углу цеха или площадки, будем считать это допустимым. Итак:

• По формуле из п.2 пред. списка находим габаритную мощность;
• Находим максимально возможный сварочный ток Iсв = Pг/Uд. 200 А обеспечены, если с железа можно снять 3,6-4,8 кВт. Правда, в 1-м случае дуга будет вялой, и варить можно будет только двойкой или 2,5;
• Рассчитываем рабочий ток первички при максимально допустимом для сварки напряжении сети I1рmax = 1,1Pг(ВА)/235 В. Вообще-то норма на сеть 185-245 В, но для самодельного сварочника на пределе это слишком. Берем 195-235 В;
• По найденному значению определяем ток срабатывания защитного автомата как 1,2I1рmax;
• Принимаем плотность тока первички J1 = 5 А/кв. мм и, пользуясь I1рmax, находим диаметр ее провода по меди d = (4S/3,1415)^0,5. Полный его диаметр при самостоятельном изолировании D = 0,25+d, а если провод готовый – табличный. Для работы в режиме «кирпич бар, раствор йок» можно взять J1 = 6-7 А/кв. мм, но только, если нужного провода нет и не предвидится;
• Находим количество витков на вольт первички: w = k2/Sс, где k2 = 50 для Ш и П, k2 = 40 для ПЛ, ШЛ и k2 = 35 для О, ОЛ;
• Находим общее к-во ее витков W = 195k3w, где k3 = 1,03. k3 учитывает потери энергии обмоткой на рассеяние и в меди, что формально выражается несколько абстрактным параметром собственного падения напряжения обмотки;
• Задаемся коэффициентом укладки Kу = 0,8, добавляем по 3-5 мм к a и b магнитопровода, рассчитываем к-во слоев обмотки, среднюю длину витка и метраж провода
• Рассчитываем аналогично вторичку при J1 = 6 А/кв. мм, k3 = 1,05 и Kу = 0,85 на напряжения 50, 55, 60, 65, 70 и 75 В, в этих местах будут отводы для грубой подгонки режима сварки и компенсации колебаний питающего напряжения.

Намотка и доводка

Диаметры проводов в расчете обмоток получаются как правило больше 3 мм, а лакированные обмоточные провода с d>2,4 мм в широкой продаже редки. Кроме того, обмотки сварочника испытывают сильные механические нагрузки от электромагнитных сил, поэтому готовые провода нужны с дополнительной текстильной обмоткой: ПЭЛШ, ПЭЛШО, ПБ, ПБД. Найти их еще труднее, и стоят они очень дорого. Метраж же провода на сварочник таков, что более дешевые голые провода возможно изолировать самостоятельно. Дополнительное преимущество – свив до нужного S несколько многожильных проводов, получим провод гибкий, мотать которым куда легче. Кто пробовал уложить на каркас вручную шину хотя бы в 10 квадратов, оценит.

Изолирование

Допустим, есть в наличии провод 2,5 кв. мм в ПВХ изоляции, а на вторичку надо 20 м на 25 квадратов. Готовим 10 катушек или бухт по 25 м. Отматываем с каждой примерно по 1 м провода и снимаем штатную изоляцию, она толстая и не термостойкая. Оголенные провода скручиваем парой пассатижей в ровную тугую косу, а ее обматываем, в порядке нарастания стоимости изоляции:

1. Малярным скотчем с нахлестом витков 75-80%, т.е. в 4-5 слоев.
2. Миткалевой тесьмой с нахлестом в 2/3-3/4 витка, т.е в 3-4 слоя.
3. Х/б изолентой с нахлестом в 50-67%, в 2-3 слоя.

Далее сворачиваем изолированный отрезок в бухту от 40-50 см диаметром, изолируем следующий и т.д. Но это только предварительная изоляция.

Примечание: провод для вторичной обмотки готовится и мотается она после намотки и испытаний первичной, см. далее.

Намотка

Тонкостенный самодельный каркас не выдержит давления витков толстого провода, вибраций и рывков при работе. Поэтому обмотки сварочных трансформаторов делают бескаркасными галетными, а на сердечнике закрепляют клиньями из текстолита, стеклотекстолита или, в крайнем случае, пропитанной жидким лаком (см. выше) бакелитовой фанеры. Инструкция по намотке обмоток сварочного трансформатора такова:

• Готовим деревянную бобышку высотой по высоте обмотки и с размерами в поперечнике на 3-4 мм больше a и b магнитопровода;
• Прибиваем или прикручиваем к ней временные фанерные щеки;
• Временный каркас обматываем в 3-4 слоя тонкой полиэтиленовой пленкой с заходом на щеки и заворотом на их внешнюю сторону, чтобы провод не приклеился к дереву;
• Мотаем предварительно изолированную обмотку;
• По намотке дважды пропитываем до протекания насквозь жидким лаком;
• по высыхании пропитки аккуратно снимаем щеки, выдавливаем бобышку и отдираем пленку;
• обмотку в 8-10 местах равномерно по окружности туго обвязываем тонки шнуром или пропиленовым шпагатом – она готова к испытаниям.

Доводка и домотка

Шихтуем сердечник в галету и стягиваем его болтами, как положено. Испытания обмотки производятся полностью аналогично испытаниям сомнительного готового трансформатора, см. выше. Лучше воспользоваться ЛАТРом; Iхх при входном напряжении 235 В не должен превышать 0,45 А на 1 кВА габаритной мощности трансформатора. Если больше – первичку доматывают. Соединения провода обмотки делаются на болтах (!), изолируются термоусаживаемой трубкой (ТУТ) в 2 слоя или х/б изолентой в 4-5 слоев.

По результатам испытаний корректируется число витков вторички. Напр., расчет дал 210 витков, а реально Iхх влез в норму при 216. Тогда расчетные витки секций вторички умножаем на 216/210 = 1,03 прибл. Не пренебрегайте знаками после запятой, от них во многом зависит качество трансформатора!

После доводки сердечник разбираем; галету туго обматываем теми же малярным скотчем, миткалем или «тряпочной» изолентой в 5-6, 4-5 или 2-3 слоя соотв. Мотать поперек витков, а не по ним! Теперь еще раз пропитываем жидким лаком; когда просохнет – дважды неразбавленным. Эта галета готова, можно делать вторичную. Когда обе будут на сердечнике, еще раз испытываем теперь уже трансформатор на Iхх (вдруг где-то завитковало), закрепляем галеты и весь трансформатор пропитываем нормальным лаком. Уф-ф, самая муторная часть работы позади.

Тянем ВХ

Но он у нас пока слишком крут, не забыли? Нужно умягчить. Простейший способ – резистор во вторичной цепи – нам не подходит. Все очень просто: на сопротивлении всего лишь 0,1 Ом при токе 200 рассеется теплом 4 кВт. Если у нас сварочник на 10 и более кВА, а варить нужно тонкий металл, резистор нужен. Какой бы ни был ток выставлен регулятором, его выбросы при зажигании дуги неизбежны. Без активного балласта они местами пережгут шов, а резистор их погасит. Но нам, маломощным, он него толку не будет.

Регулировка режима сварки реактивной катушкой

Реактивный балласт (катушка индуктивности, дроссель) лишней мощности не отберет: она поглотит выбросы тока, а потом плавно отдаст их дуге, это и растянет ВХ как надо. Но тогда нужен дроссель с регулировкой рассеяния. А для него – сердечник почти такой же, как и у трансформатора, и довольно сложная механика, см. рис.

Самодельный балласт сварочного трансформатора

Мы пойдем другим путем: применим активно-реактивный балласт, у старых сварщиков в просторечии именуемый кишкой, см. рис. справа. Материал – стальная проволока-катанка 6 мм. Диаметр витков – 15-20 см. Сколько их – на рис. видно, для мощности до 7 кВА эта кишка правильная. Воздушные промежутки между витками – 4-6 см. С трансформатором активно-реактивный дроссель соединяется дополнительным отрезком сварочного кабеля (шланга, попросту), а электрододержатель присоединяется к нему зажимом-прищепкой. Подбирая точку присоединения, можно, вкупе с переключением на отводы вторички, точно настроить рабочий режим дуги.

Примечание: активно-реактивный дроссель в работе может греться докрасна, поэтому ему необходима несгораемая термопрочная диэлектрическая немагнитная подкладка. По идее, специальный керамический ложемент. Допустима замена его сухой песчаной подушкой, или уже формально с нарушением, но не грубым, сварочную кишку укладывают на кирпичи.

А остальное?

Примитивный держатель сварочного электрода

Это значит прежде всего – электрододержатель и присоединительное устройство обратного шланга (зажим, прищепка). Их, раз у нас трансформатор на пределе, нужно купить готовые, а таких, как на рис. справа, не надо. Для сварочного аппарата на 400-600 А качество контакта в держателе мало ощутимо, и просто приматывание обратного шланга он тоже выдержит. А наш самодельный, работающий с натугой, может забарахлить вроде бы непонятно отчего.

Далее, корпус аппарата. Его нужно делать из фанеры; желательно бакелитовой пропитанной, как описано выше. Днище – толщиной от 16 мм, панель с клеммником – от 12 мм, а стенки и крышку – от 6 мм, чтобы при переноске не оторвались. Почему не листовая сталь? Она ферромагнетик и в поле рассеяния трансформатора может нарушить его работу, т.к. мы вытягиваем из него все, что возможно.

Что до клеммных колодок, то самые клеммы делаются из болтов от М10. Основа – те же текстолит или стеклотекстолит. Гетинакс, бакелит и карболит не годятся, довольно скоро пойдут крошиться, трескаться и расслаиваться.

Пробуем постоянку

Сварка постоянным током имеет ряд преимуществ, но ВХ любого сварочного трансформатора на постоянке ужесточается. А у нашего, рассчитанного на минимально возможный запас по мощности, станет недопустимо жесткой. Дроссель-кишка тут уже не поможет, даже если бы он работал на постоянном токе. Кроме того, надо защитить дорогущие выпрямительные диоды на 200 А от бросков тока и напряжения. Нужен возвратно-поглощающий фильтр инфранизких частот, ФИНЧ. Хотя на вид он отражающий, но нужно учесть сильную магнитную связь между половинами катушки.

Схема электродуговой сварки постоянным током

Известная много лет схема такого фильтра дана на рис. Но сразу же по ее внедрении любителями выяснилось, что рабочее напряжение конденсатора С мало: выбросы напряжения при зажигании дуги могут достигать 6-7 значений ее Uхх, т.е.450-500 В. Далее, конденсаторы нужны выдерживающие циркуляцию большой реактивной мощности, только и только масляно-бумажные (МБГЧ, МБГО, КБГ-МН). О массогабаритах одинарных «банок» этих типов (кстати, и не дешевых) дает представление след. рис., а на батарею их понадобится 100-200.

Масляно-бумажные конденсаторы

С магнитопроводом катушки проще, хотя и не совсем. Для него подойдут 2 ПЛа силового трансформатора ТС-270 от старых ламповых телевизоров-«гробов» (данные есть в справочниках и в рунете), или аналогичные, или ШЛ с похожими либо большими a, b, c и h. Из 2-х ПЛов собирают ШЛ с зазором, см. рис., в 15-20 мм. Фиксируют его текстолитовыми или фанерными прокладками. Обмотка – изолированный провод от 20 кв. мм, сколько влезет в окно; 16-20 витков. Мотают ее в 2 провода. Конец одного соединяют с началом другого, это будет средняя точка.

Броневой магнитопровод с немагнитным зазором

Настройка фильтра производится по дуге на минимальном и макисмальном значениях Uхх. Если дуга на минимале вялая, электрод липнет, зазор уменьшают. Если на максимале жжет металл – увеличивают или, что будет эффективнее, срезают симметрично часть боковых стержней. Чтобы сердечник от этого не рассыпался, его пропитывают жидким, а потом нормальным лаком. Найти оптимум индуктивности довольно трудно, но зато потом сварка работает безукоризненно и на переменном токе.

Микродуга

О назначении микродуговой сварки сказано вначале. «Аппаратура» для нее предельно проста: понижающий трансформатор 220/6,3 В 3-5 А. В ламповые времена радиолюбители подключались к накальной обмотке штатного силового трансформатора. Один электрод – сама скрутка проводов (можно медь-алюминий, медь-сталь); другой – графитовый стерженек вроде грифеля от карандаша 2М.

Сейчас для микродуговой сварки используют более компьютерные блоки питания, или, для импульсной микродуговой сварки, батареи конденсаторов, см. видео ниже. На постоянном токе качество, работы, разумеется, улучшается.

Видео: самодельный аппарат для сварки скруток

Видео: сварочный аппарат своими руками из конденсаторов

Контакт! Есть контакт!

Контактная сварка в промышленности используется преимущественно точечная, шовная и стыковая. В домашних условиях, прежде всего по энергопотреблению, осуществима импульсная точечная. Пригодна она для сваривания и приваривания тонких, от 0,1 до 3-4 мм, стальных листовых деталей. Дуговая сварка тонкостенку прожжет, а если деталь с монетку и менее, то самая мягкая дуга сожжет ее целиком.

Схема точечной контактной сварки

Принцип действия точечной контактной сварки иллюстрирует рис: медные электроды с силой сжимают детали, импульс тока в зоне омического сопротивления сталь-сталь нагревает металл до того, что происходит электродиффузия; металл не плавится. Ток для этого нужен ок. 1000 А на 1 мм толщины свариваемых деталей. Да, ток в 800 А прихватит листы по 1 и даже 1,5 мм. Но если это не поделка для забавы, а, допустим, оцинкованный профнастил забора, то первый же сильный порыв ветра напомнит: «Мужик, а ток-то слабоват был!»

Тем не менее, контактная точечная сварка намного экономичнее дуговой: напряжение холостого хода сварочного трансформатора для нее – 2 В. Оно складывается 2-х контактных разностей потенциалов сталь-медь и омического сопротивления зоны провара. Рассчитывается трансформатор для контактной сварки аналогично ему же для дуговой, но плотность тока во вторичной обмотке берут 30-50 и более А/кв. мм. Вторичка контактно-сварочного трансформатора содержит 2-4 витка, хорошо охлаждается, а его коэффициент использования (отношение времени сварки к времени работы на холостом ходу и остывания) многократно ниже.

В рунете немало описаний самодельных импульсно-точечных сварочников из негодных микроволновок. Они, в общем-то, правильные, а в повторении, как написано в «1001 ночи», пользы нет. И старые микроволновки на помойках кучами не валяются. Поэтому займемся конструкциями менее известными, но, между прочим, более практичными.

Простая самодельная установка контактной сварки

На рис. – устройство простейшего аппарата для импульсной точечной сварки. Им можно сваривать листы до 0,5 мм; для мелких поделок он подходит отлично, а магнитопроводы такого и большего типоразмера относительно доступны. Его достоинство, помимо простоты – прижим ходовой штанги сварочных клещей грузом. Для работы с контактно-сварочным импульсником не помешала бы и третья рука, а если одной приходится с силой сжимать клещи, то вообще неудобно. Недостатки – повышенная аварийно- и травмоопасность. Если случайно дать импульс, когда электроды сведены без свариваемых деталей, то из клещей ударит плазма, полетят брызги металла, защиту проводки вышибет, а электроды сплавятся намертво.

Вторичная обмотка – из медной шины 16х2. Ее можно набрать из полосок тонкой листовой меди (получится гибкая) или сделать из отрезка сплющенной трубки подачи хладоагента бытового кондиционера. Изолируется шина вручную, как описано выше.

Здесь на рис. – чертежи аппарата импульсной точечной сварки помощнее, на сварку листа до 3 мм, и понадежнее. Благодаря довольно мощной возвратной пружине (от панцирной сетки кровати) случайное схождение клещей исключено, а эксцентриковый прижим обеспечивает сильное стабильное сжатие клещей, от чего существенно зависит качество сварного стыка. В случае чего прижим можно мгновенно сбросить одним ударом по рычагу эксцентрика. Недостаток – изолирующие узлы клещей, их слишком много и они сложные. Еще один – алюминиевые штанги клещей. Они, во-первых, не столь прочны, как стальные, во-вторых, это 2 ненужных контактных разности. Хотя теплоотвод по алюминию, безусловно, отличный.

Об электродах

Электрод контактной сварки в изолирующей втулке

В любительских условиях целесообразнее изолировать электроды в месте установки, как показано на рис. справа. Дома не конвейер, аппарату всегда можно дать остыть, чтобы изолирующие втулки не перегрелись. Такая конструкция позволит сделать штанги из прочной и дешевой стальной профтрубы, а еще удлинить провода (до 2,5 м это допустимо) и пользоваться контактно-сварочным пистолетом или выносными клещами, см. рис. ниже.

На рис. справа видна еще одна особенность электродов для точечной контактной сварки: сферическая контактная поверхность (пятка). Плоские пятки долговечнее, поэтому электроды с ними широко используются в промышленности. Но диаметр плоской пятки электрода должен быть равен 3-м толщинам прилегающего свариваемого материала, иначе пятно провара пережжется или в центре (широкая пятка), или по краям (узкая пятка), и от сварного стыка пойдет коррозия даже по нержавейке.

Пистолет и выносные клещи для контактной сварки

Последний момент об электродах – их материал и размеры. Красная медь быстро выгорает, поэтому покупные электроды для контактной сварки делают из меди с присадкой хрома. Такими следует пользоваться, при нынешних ценах на медь это более чем оправдано. Диаметр электрода берут в зависимости от режима его использования в расчете на плотность тока 100-200 А/кв. мм. Длина электрода по условиям теплопередачи не менее 3-х его диаметров от пятки до корня (начала хвостовика).

Как давать импульс

В простейших самодельных аппаратах импульсно-контактной сварки импульс тока дают вручную: просто включают сварочный трансформатор. Это ему, конечно, на пользу не идет, а сварка – то непровар, то пережог. Однако автоматизировать подачу и нормировать сварочные импульсы не так уж сложно.

Схема простого формирователя импульсов для контактной сварки

Схема простого, но надежного и проверенного долгой практикой формирователя сварочных импульсов дана на рис. Вспомогательный трансформатор Т1 – обычный силовой на 25-40 Вт. Напряжение обмотки II – по лампочке подсветки. Можно вместо нее поставить 2 включенных встречно-параллельно светодиода с гасящим резистором (обычным, на 0,5 Вт) 120-150 Ом, тогда напряжение II будет 6 В.

Напряжение III – 12-15 В. Можно 24, тогда конденсатор С1 (обычный электролитический) нужен на напряжение 40 В. Диоды V1-V4 и V5-V8 – любые выпрямительные мосты на 1 и от 12 А соотв. Тиристор V9 – на 12 и более А 400 В. подойдут оптотиристоры из компьютерных блоков питания или ТО-12,5, ТО-25. Резистор R1 – проволочный, им регулируют длительность импульса. Трансформатор Т2 – сварочный.

В заключение

И напоследок нечто, что может показаться приколом: сварка в соляном растворе. На самом деле это не досужее развлечение, но вещь для некоторых целей вполне полезная. А сварочное оборудование для соляной сварки можно сделать своими руками на столе за 15 мин, см. ролик:

Видео: сварка своими руками за 15 минут (на соляном растворе)

Содержание

1. О светодиодах
2. Материалы, инструмент, оснастка, технологии
3. Начиная с потолка
4. Как сделать светильник?
5. Для наружного освещения
6. Об освещении аквариума
> Обсуждение

В этой статье мы разберемся, как сделать полноценный и безопасный светильник своими руками. В начальной публикации цикла – о люстрах – были рассмотрены общие требования к качеству освещения жилых помещений, способы формирования светового потока, а также как выбрать источник света и – безопасность прежде всего – правила подключения стационарного светильника к электросети. Из предыдущей статьи мы узнали, как делать главные светотехнические части светильника – абажур и плафон. Теперь пришло время взяться за прочную, надежную и красивую конструктивную основу всего этого.

О светодиодах

Светодиоды как источники освещения приобретают все большую популярность: они очень экономичны, долговечны, почти не греются, что дает широкие возможности для самостоятельного конструирования и дизайна. Кроме того, низковольтное питание делает светодиодные источники света безопасными. Поэтому в данной статье существенная доля материала посвящена тому, как самостоятельно изготовить светодиодный светильник.

Однако качество света от светодиодов пока не достигло идеала: спектр у него довольно жесткий. Смягчить его можно различными светотехническими приемами, что было рассмотрено в предыдущих статьях. Но благодаря низковольтному питанию уличный или садовый светодиодный светильник может быть изготовлен самостоятельно без особых мер предосторожности, а также быть автономным; тогда отпадают объемные земляные работы и прокладка кабеля на участке. В этом разрезе мы более и займемся светильниками на светодиодах.

Образцы самодельных светильников

Некоторые образцы того, чего можно добиться, взявшись за светотехнику своими руками, показаны на фото. Подобную подборку «для идей» или «для вдохновения» составит себе любой, кто умеет пользоваться интернетом. А мы здесь займемся вещами не столь эстетичными: как все это воплотить в материале. Дешево, надежно и практично. Желательно – дома, «на коленях».

Материалы, инструмент, оснастка, технологии

Чтобы сделать хороший светильник, дорогих и/или труднодоступных материалов не понадобится. Прежние технологии ориентированы на лампы накаливания, сильно греющиеся и потребляющие большой ток. Нынешние самоделкины располагают лампами-экономками и светодиодными, выделяющими мало тепла, что позволяет упростить конструкцию.

Для изготовления светильника, ни по виду, ни по качеству не уступающего промышленным образцам, нам понадобятся обрезки металлических трубок, стальной проволоки диаметром 1,5-2,5 мм, листовой стали-оцинковки толщиной 0,4-1 мм и куски пластика или недорогие пластиковые изделия, см. ниже. А во многих случаях для достижения желаемого результата возможно обойтись и ненужным хламом. Обработка древесины для сложного светильника – случай особый, мы и его не обойдем стороной.

Примечание: старое доброе стекло также не стоит сбрасывать со счетов. Посмотрите, к примеру, мастер-класс: diy.ru/post/3916/. Вот чего можно добиться, работая дома с таким трудным материалом. Одно лишь маленькое «но» – то, что автор изделия (человек, вне всякого сомнения, очень умелый и сметливый) называет огранкой, на самом деле окантовка. Впрочем, как обозвать – дело буквоедов, а мастеру достаточно, чтобы штуковина хорошая получилась.

Совсем просто, но со вкусом

Примеры отличных светильников из подручных материалов, а именно – обрезков дерева и бумаги – всем известные китайские фонарики, см. рис. При использовании современных источников света их пожароопасность ничтожна, много меньше, чем у электрочайника. Основа чаще всего реечный каркас, оклеенный бумагой, поз. 1. Для каркаса того, что на поз. 2, лучше подойдут тонкие бамбуковые палочки (можно расщепить на полоски старое удилище), либо концы современных стеклопластиковых удилищ; продаются в магазинах для рыбалки. Стыки обматываются ниткой и проклеиваются. Бумагу (желательно рисовую) после оклейки слегка обрызгивают водой из пульверизатора. Высохнув, она натянется. После этого для прочности бумагу лакируют.

Светильники из дерева и бумаги

Китайский фонарик может быть сделан и целиком из дерева: палочек для еды или столовых шампуров (деревянных прутиков, на которых к столу подают шашлык и люля-кебаб). Те и другие изготавливаются из светлой, достаточно хорошо отражающей свет, древесины. А ее слегка шероховатая поверхность эффективно рассеивает свет, что смягчает его.

Из палочек для еды, располагая их уширенными головками попеременно то влево, то вправо, набирают боковые светопропускающие панели, поз. 3. А из столовых шампуров получается неплохой потолочный светильник для кухни или прихожей, поз. 4. Концы палочек (они из мягкого дерева) просто протыкают швейной иглой с вдетой в нее рыболовной леской.

Пластики

Но вернемся к материалам, с ними еще не покончено. Отличные детали люстр, настольных ламп и торшеров (чашки, колпаки, см. далее) получаются из многоразовой пластиковой посуды – пиал, стаканов, блюдец: бортик на днище аккуратно спиливают или сошлифовывают. Затем это место проходят 2-3 раза все более мелкой шкуркой; последний проход – «бархатной» – и полируют войлоком с пастой ГОИ. Декоративные, светотехнические и технологические (легкость обработки) качества таких деталей очень хорошие.

Второй вид пластмассы, которая позволяет сделать весьма оригинальный светильник (см. рис.) – полимерная глина или просто пластика. По светотехническим свойствам она не уступает светлому дереву, а в тонком, 2-3 мм, слое, полупрозрачна, как молочное стекло, т.е. очень хорошо смягчает свет.

Светильники из полимерной глины (пластики)

Полимерная глина выпускается различных цветов сразу-пластичной в полиэтиленовых пакетах и брусками, как пластилин. Последние сначала довольно тверды, но при разминании размягчаются. Чтобы ускорить и облегчить размягчение, на брусок нужно пустить 3-4 капли растительного масла, и начинать мять, когда оно впитается.

Из мягкой пластики лепят абажуры на оправке, смазанной вазелином. Сразу, если нужно, кистью набивают фактуру, справа внизу на рис. Для получения ажурного плафона кончик упаковки отрезают и выдавливают массу колбаской. Спустя примерно сутки изделие подсохнет, тогда можно, пока не снимая с оправки, вырезать фигурки, фестоны, оборки. Полностью изделие высыхает за 3-7 суток.

Оригинальные светильники

Брусковую пластику применяют для изготовления подставок светильников. Отформовав заготовку, ее запекают в духовке при 120-130 градусах. Когда на изделии образуется коричневатая корочка, газ прикрывают до минимума и «допекают» еще 1-3 часа, смотря по размерам детали. Остыть полностью она должна в духовке, которую открывать при этом нежелательно. Пропеченную заготовку можно резать, пилить, сверлить, полировать, красить. Таким способом получают корпуса светильников порой не просто оригинальные, но и довольно пикантные (см. рис.), а то и фривольные на грани приличия, или даже за нею.

Керамика

Раз уж зашла речь о подставках, попробуем сделать светильник из бутылки. Керамические сосуды для напитков, проработанные фирменными дизайнерами, заслуживают лучшего применения, чем помойка, самогон или вторсырье за гроши.

Тут возникают 2 проблемы: устойчивость и отверстия под ввод кабеля и выключатель. Первая решается песком, засыпанным в бутылку на 2/3 или 3/4. Для решения второй вроде бы нужно трубчатое алмазное сверло, дорогое, быстро изнашивающееся, и требующее высокооборотного сверлильного станка. А мы обойдемся без всего этого:

• Подберем медную трубку подходящего диаметра.
• Посудину, которую сверлить будем, надежно зафиксируем так, чтобы сверло вошло по нормали (перпендикулярно) к ее поверхности в данном месте.
• Вокруг места будущего отверстия вылепим из пластилина валик высотой 4-6 мм.
• Потрем над каким-нибудь поддоном пару кусков мелкой шкурки друг об друга, чтобы получить примерно чайную ложку корундового порошка.
• Высыплем его в лунку и капнем 3-5 капель машинного масла – можно сверлить.

Для сверловки дрель с зажатой в патроне медной трубкой лучше поставить в станину, превращающую ее в настольный сверлильный станок. Такие станины продаются в инструментальных магазинах; цены божеские, польза мастеровому человеку неоценимая. Тем более, что к станине можно прикупить поворотный столик с градусной шкалой.

Сверлят керамику медью с корундом толчками: чуть нажал – поднял – снова нажал – поднял. Частички абразива сначала въедаются в медь и сверлят, но тут же выламываются и крошатся. Импульсная сверловка все время обновляет корундовое «напыление» на меди, а масло не дает порошку разлететься и ускоряет работу. Главное – чтобы трубка при каждой подаче попадала точно в уже выбранную канавку.

Патрон E27 для ламп освещения

Электроарматура

Начинающему умельцу-светотехнику лучше всего, пожалуй, использовать для ламп патроны под обычный цоколь E27 с креплением накидными фасонными гайками (резьбовыми фланцами); его обозначение начинается с E27Н, а чертеж приведен на рис. Крепить такой патрон, или обычный с юбкой, резьбовым штуцером в крышке не получится: плашка М10х1 или М12х1 если и найдется, то дома, ручным воротком, нарезать резьбу на тонкостенной трубке, не прорезав ее и не свернув, весьма непросто, даже со смазкой. Под крепление фланцами придется делать крепежное кольцо, как описано в статье об абажурах, это гораздо проще.

Примечание: если делается настенный светильник, в котором лампа располагается вдоль основания, то обычно применяют патроны с боковой планкой, см. рис., но они дороже. В таком случае также можно обойтись фланцевым патроном: из проволоки сгибают ?-образный хомут и крепят его к основанию саморезами.

 

 

Второе, что понадобится – винтовой клеммный соединитель, или клеммная колодка, или просто клеммник, для подключения светильника к проводке. Для люстры он обязателен не только ради удобства монтажа, но и по требованиям ТБ: вдруг люстра сорвется, ее более тонкие провода вырвутся из клеммника, а потолочная проводка не пострадает, что предотвратит аварию и потолочно-долбежные работы по ремонту.

Клеммник лучше брать типа «гребешок», см. рис.:

Многопроводный винтовой клеммный соединитель

Такие компактны, надежны, исключают случайное короткое замыкание, а перекусывая перемычки между секциями, элементарно получить соединитель на нужное количество проводов. В каждую клемму допускается вводить не более 2-х многожильных проводов сечением по меди до 1,4 кв. мм в совокупности и не более 1-го одножильного независимо от площади поперечного сечения его токопроводящей жилы.

О деревянных светильниках

Дерево, с одной стороны, легко обрабатывается и солидно смотрится отделанным. С другой – чтобы сделать изящный деревянный светильник, придется воспользоваться некоторыми специальными технологическими приемами. Которые мы и рассмотрим.

Кабельные каналы

Сверло по дереву с шестигранным хвостовиком

Первая проблема, которая встает при изготовлении деревянного светильника: как проделать в длинномерных деталях каналы для кабеля. Для этого, без специального оборудования, «на колене», можно воспользоваться сверлом по дереву с зауженным 6-гранным хвостовиком, см. рис. На него плотно одевают металлическую трубку, обжимают ее, а противоположный конец сгибают Т-образно, чтобы получился ручной вороток; для облегчения и большей точности работы сверло лучше брать двухленточное.

Сквозные осевые отверстия в длинномерных деревянных деталях сверлят заранее, до гнутья:

1. В обоих торцах заготовки насверливают глухие отверстия нужного диаметра, глубиной от 30-40 мм, стараясь, чтобы они шли как можно точнее по оси детали;
2. Досверливают описанным ручным воротком поочередно с обоих концов, проходя каждый раз не более 3-4 толщин детали;
3. Стружку из отверстий после каждого прохода тщательно удаляют;
4. После сбойки перемычки отверстие проходят насквозь дважды, с одного и другого конца. Это нужно, чтобы убрать ступеньку внутри, о которую может зацепиться кабель при затяжке.

Как гнуть дерево?

Светильник из гнутых деревянных деталей вполне возможно сделать своими руками: выдержанная мелкослойная древесина размягчается под нагревом, не расслаиваясь, а остыв, сохраняет приданную ей форму. Легче всего гнется бамбук, орех и мягкое дерево, напр. липа. Труднее – древесина средней твердости: клен, ясень, граб. За гнутье дуба, бука, рябины и др. твердых пород новичку-краснодеревщику лучше не браться. Неплохо гнется также МДФ.

Гнут древесину либо распаренную в кипящей воде, либо разогретую всухую до более 150 градусов. Первый способ проще, но пригоден, кроме бамбука, для немногих пород. Второй – сложнее, но точнее, т.к. древесина не набухает и при остывании, соответственно, не дает усадки.

Для гнутья древесины нужен отрезок стальной трубы: с заваренным концом для распаривания или с обоими открытыми для гнутья всухую. Трубу для распаривания устанавливают наклонно, помещают в нее заготовку, заливают с верхом водой и кипятят. Кипение воды должно быть бурным, чтобы заготовка купалась в пузырях пара. Процесс продолжают 10-120 мин, смотря по толщине, породе и состоянию дерева. Вынимать заготовку на несколько секунд для проверки ее готовности можно, но доливать взамен выкипевшей воды нужно только крутой кипяток. Всухую гнут, продувая заготовку в трубе строительным феном. Сначала на образце дерева нужно проверить, какую температуру оно выдерживает без обугливания и растрескивания.

Как затягивать кабели?

Кабели в трубчатые детали светильников затягивают с помощью направляющей тяги – «удочки» – из медной проволоки диаметром 0,5-0,7 мм. «Удочка» должна быть совершенно ровной; смяться в узком канале может и плавно изогнутый провод, смотанный с катушки. Провод «удочки» расправляют, протягивая сквозь крепко зажатую в кулаке тряпку. Лучшие направляющие получаются из эмалированного обмоточного провода, он гладкий и скользкий.

Загиб конца проволочной тяги для затяжки кабеля в трубку

«Удочку» вводят с дальнего конца. Кончик ее перед этим плотно сгибают, см. рис., чтобы был закругленным. В изогнутые каналы тягу проталкивают, слегка подавая и проворачивая. При переходе из канала в канал (см. далее) ходовой конец направляют тонким длинным пинцетом или отверткой.

Когда конец тяги покажется с противоположной стороны, его зачищают на 20-30 мм и облуживают. На столько же зачищают и облуживают провода кабеля, до 3-х на 1 «удочку». Затем все вместе скручивают и пропаивают. Скрутку загибают противоположно направлению затяжки, чтобы не цеплялась. Затягивают, попеременно подавая кабель и подтягивая направляющую. При затяжке кабель в канале не должен быть все время натянут! Если зацепилось – оттягивают чуть назад, немного проворачивают и снова тянут.

Примечание: в прямую металлическую трубку с внутренним диаметром 12 мм можно затянуть до 4-х 2-проводных кабелей в двойной изоляции с сечением жил по меди до 0,5 кв. мм. В канал того же диаметра в дереве – только 1 такой же кабель.

Начиная с потолка

Подвес светильника к потолку или стене – наиболее ответственный и уязвимый узел. Подвешивать светильники в 1-й точке допускается только, если основа – вязкий прочный материал, напр. дубовые балки, поз. а) на рис. В прочих случаях нужно либо использовать не менее 2-х точек подвеса, либо анкер светильника должен давить на материал сверху, т.е. потолочное перекрытие должно работать на сжатие, поз. в) – д).

Арматура для 1-точечного подвеса светильника к потолку

Способы подвешивания люстры к потолку

Люстру весом до 5 кг подвешивают с помощью крепежной планки, см. рис. справа. Расстояние между центрами крепежных отверстий в планке должно составлять, для бетонного потолка, не менее 9-ти их диаметров. Если потолок гипсокартонный, или подвесной, или натяжной, то подвес опускают с основного потолка до уровня декоративного с помощью крестовин деревянных или из металлопрофиля либо фанерных плит, вверху там же. Как делать подвес в некоторых других случаях, посмотрим далее.

Главное требование к подвесу – светильник ни в коем случае не должен висеть на проводах. Держать его должна либо жесткая штанга, либо прочный шнур/канат, либо люлька из цепей или тех же шнуров. Под верхним колпаком подвеса кабель питания должен лежать свободной петлей, и нигде не должен быть натянут, передавлен или зажат.

Как сделать светильник?

Теперь попробует свести полученную информацию в цельное изделие, при виде которого гости ахнут так же душевно, как мастер выражался про себя, работая. Руководствоваться будем следующими принципами:

• Сложных и/или требующих специальных навыков технологических операций всячески избегаем.
• Клеевые или паяные соединения применяем только вспомогательные, удерживающие стыкуемые детали от смещения. Собранное без проклеивания и пропайки изделие должно при отсутствии внешних воздействий держаться цельным в штатном положении неограниченно долго.
• Из дополнительного инструмента постараемся обойтись ручной электродрелью и малыми съемными слесарными тисками с винтовым зажимом для крепления к столу.

Начнем с люстры, как наиболее сложного типа бытового светильника.

Люстра

На шнуре

Простейший подвес люстры весом до 5 кг – на шнуре, поз. 1 на рис. В этом случае в крепежном кольце абажура (см. статью об абажурах) придется дополнительно просверлить 4 отверстия; обозначены зеленым на поз. 1а. Узлы шнура нужно вязать не сползающие и не распускающиеся, напр. любые рыбацкие для крючков. Шнур – любой негниющий крестовой свивки (напр. бельевой) диаметром в ненатянутом состоянии от 8 мм. Шнуры и канаты спирального повива не предназначены под длительную растягивающую нагрузку!

Схемы устройства самодельных светильников

Наиболее ответственная деталь – крюк подвеса (красное КП). Его нужно гнуть из стальной проволоки диаметром от 4 мм; крюк из 6-мм катанки выдержит вес до 35 кг. Разумеется, если купить готовый крюк для люстры, хуже не будет.

Тяги подвеса при том же весе – из 4-мм проволоки; при весе до 5 кг можно обойтись 1,5-миллиметровой, а при весе до 12 кг – 2,5-3 мм. Кольцо – из листовой оцинковки 0,4 и 0,8 мм соответственно или, для веса до 35 кг, 1,4 мм .

Примечание: технология пайки стали в домашних условиях описана в статье об абажурах.

Фиксировать верхнюю чашку от сползания в данном случае лучше резиновым кольцом, т.к. пружинная шайба может передавить проходящий под ней кабель. Хороший поддон получается из компьютерного диска. В зависимости от того, в абажуре лампа или в плафоне, его обращают вниз соответственно крашеной или зеркальной стороной. Под растяжки абажура в поддоне делают радиальные пропилы.

Верхняя чашка и колпак – из пластиковой посуды, см. выше. Колпак лежит на поддоне свободно. Клей – любой монтажный.

Примечание: нижняя гайка крепления патрона должна входить в отверстие поддона, а не прижимать его. В противном случае при ремонте или чистке люстры возможны затруднения.

На трубке

В люстре, подвешенной на жесткой трубчатой штанге (поз. 2), во-первых, необязательно гнуть тяги подвеса так, чтобы на их перекрестье удобно было вязать узел. Во-вторых, количество тяг может быть любым от 3-х. Соответственно, и кольцо можно делать без дополнительного ряда отверстий, такое, какое описано в статье об абажурах.

Колпак в такой люстре предпочтительнее фиксировать фасонной (декоративной) пружинной шайбой. Ее можно получить из толстой пластиковой пуговицы, просверлив в ней по центру отверстие на 0,5-0,7 мм уже внешнего диаметра трубки и сделав сбоку косой пропил под 45 градусов к оси шайбы, круглого звена пластиковой цепочки с таким же пропилом и т.п.

Проушину под крюк в штанге подвеса получают, сплющив трубку и просверлив в получившейся ламели (лепестке) отверстие. После этого (а не раньше) сверлят отверстие под прокладку кабеля, иначе в материале могут остаться опасные механические напряжения. Штангу на вес светильника до 15 кг можно делать из труб следующих видов:

1. Стальная цельнотянутая – внутренний диаметр от 6 мм, толщина стенки от 0,5 мм. Отделка – покраска или обтяжка термоусаживаемой трубкой (ТУТ) нужного цвета.
2. Стальная со швом – внутр. диаметр от 8 мм, толщина стенки от 0,7 мм. Отделка такая же.
3. Медная газовая в пластиковой оболочке – внутр. диаметр от 8 мм, стенка от 1 мм. Отделки не нужно, и так сияет медью годы. Нельзя паять, под клеевое соединение нужно снять в том месте пластиковое покрытие.
4. Для систем кондиционирования из бескислородной меди – внутр. диаметр от 10 мм, стенка от 1 мм. Очень легко паяется и клеится. Чтобы сохранить медный блеск, нужно готовую штангу дважды покрыть прозрачным акриловым лаком на водной основе, разбавленным вдвое дистиллированной водой.
5. Простая красномедная – внутр. диаметр от 12 мм, стенка от 1,5 мм. Паяется после зачистки, нужно использовать флюс-пасту с бурой. Темнеет со временем и под покрытием, поэтому из таких трубок лучше делать светильники в стиле ретро.
6. Водопроводные пропиленовые – очень прочны, но не клеятся и, разумеется, не паяются припоем. Отделывать бесполезно, дизайн в любом случае получается ужасающий.

Многорогая

Из трубок можно делать люстры с кронштейнами-рожками под отдельные осветители. Устройство узла соединения рожков со штангой показано на поз. 5. Рожки при их четном числе соединяются попарно сквозными резьбовыми шпильками М2,5-М4 с гайками и пружинными шайбами. Пары отверстий под шпильки располагаются на разных уровнях, это нужно учесть, рассчитывая высоту прямой части рожка и делая разметку на их заготовках. Можно рожки, в т.ч. при нечетном их количестве, крепить парами мелких саморезов по металлу, однако затягивать потом кабели нужно очень осторожно, чтобы не порвать изоляцию о выступающие внутрь острые концы метизов.

Примечание: сложные/протяженные изгибы трубок формируют поучастково, постепенно продвигая ручной трубогиб по длине будущего изгиба.

Если свободные концы рожков без загогулин (простите – волют) и т.п. завитушек, то узел их соединения со штангой лучше прикрыть колпаком, лежащим на нижней чашке (показано пунктиром на поз. 5). Кроме того, тогда намного упростится прокладка кабелей: под колпаком поместится клеммник, в котором сойдутся кабели из рожков, а вверх в штанге пройдет всего один 2-проводный.

Многорожковые люстры чаще всего делают с переключаемым светом. Схема подключения ламп к 2-секционному выключателю показана на поз. 6. Не забудьте – выключатели (коммутаторы) SB должны быть включены в фазный провод! И еще, чрезвычайно важно: если дом оборудован защитным заземлением, ни в коем случае не используйте в качестве нейтрали (нуля, N) заземляющий провод независимо от схемы подачи электропитания (глухозаземленная либо изолированная нейтраль)! Заземлитель всегда в изоляции желтой с продольной полосой, а изоляция нейтрали в правильно устроенной проводке черная. Но в любом случае, перед началом электромонтажных работ нужно найти ноль и фазу индикатором-фазоуказателем!

О фазах, нуле и земле

Правила техники безопасности (ПТБ), устройства электроустановок (ПУЭ) и Своды Правил (СП) производства электромонтажных работ для смежных отраслей (напр. строительной) однозначно регламентируют расцветку изоляции только заземляющих проводов – желтая с зеленой полосой; цвета, обозначающие фазные провода A, B, C и нейтраль, лишь рекомендуются. Причина – в странах, где единственно допустимой является система электроснабжения с изолированной нейтралью (Германия, Япония и др.) белым или светло-серым цветом принято обозначать фазу A. Поэтому подобрать из имеющихся в продаже кабелей подходящие, чтобы сделать квартирную проводку «без сучка, без задоринки» не всегда возможно.

Люстра тяжелая…

Для потолочных светильников весом от 15 кг крепление на 1-й штанге или шнуре уже не считается достаточно надежным. Такие нужно подвешивать на цепной или канатной люльке из 3-4 ветвей. 1 ветвь должна держать полный вес светильника с 3-кратным запасом.

К потолку люльку крепят с помощью треугольной или квадратной несущей плиты из стали толщиной от 5 мм, поз. 7 на рис. Число точек крепления – 4 или 5 соответственно. Точка крепления в центре обязательна: без нее, если одно из угловых креплений чрезмерно ослабнет, механическая нагрузка «шваркнет» на следующее наиболее слабое, подвес вырвется по принципу домино и люстра «вся вдруг» рухнет.

Угловые точки крепления должны располагаться на условной окружности (красный пунктир) диаметром в сантиметрах не менее 0,85 веса люстры в килограммах. В любом случае наименьшее расстояние между центрами отверстий в бетонном потолке должно быть от 9 их диаметров, как при 2-точечном подвесе на планке, см. выше. Проушины или крюки под ветви люльки к несущей плите привариваются. Самодельные проушины можно делать из 6-мм катанки.

… и сверхлегкая

Устройство подвеса сверхлегкого светильника

Любители делают много светильников из одноразовой пластиковой посуды, ПЭТ бутылок и бумаги. Их вес ничтожен, поэтому, во-первых, крепление патрона в абажуре/плафоне допустимо выполнять из тех же шашлычных палочек, см. рис. Патрон в таком случае берут E17 или E10 с проушинами, см. рис. слева. «Уши» патрона с помощью швейной иглы просто приматывают к перекрестьям палочек нитками, тонкой медной проволокой или леской.

Патрон для электрлампы с проушинами

Во-вторых, подвес сверлегкого светильника можно сделать тоже люлечным, но из лески. В потолочный колпак его ветви вводятся вместе с кабелем, как для люстры на шнуре. Такой подвес почти невидим. Если кабель (напомним, он нигде не должен быть натянут, пережат или придавлен) пустить извивами или закрутить спиралью, то несведущий гость поначалу может быть ошарашен: левитация? телекинез? сверхпроводник и магниты?

Торшер

Напольный светильник на тех же конструктивно-технологических принципах представляет собой в общем-то перевернутую люстру на жесткой штанге с некоторыми отличиями, поз. 3 на рис. выше с конструкциями светильников. Первое: штанга (которая уже стойка) – из стальной трубы с внутренним диаметром от 10 мм и толщиной стенки от 1,5 мм. Кольцо – оцинковка от 0,7 мм. Второе: все стыки стальных деталей пропаиваются.

Далее, в нижней опоре торшера должна быть предусмотрена достаточно тяжелая и обширная конструкция для крепления низа стойки. Под торшер обычного типа пойдет крестовина примерно от 450х450 мм из дубового бруса 100х100 мм. В ней по центру сверлят глухое отверстие глубиной 75-80 мм по наружному диаметру стойки, и вклеивают ее в гнездо монтажным клеем. Также вклеивают стойку в полочку торшера. Полезно будет, и по дизайну, и по прочности, наложить на клею еще и полированную шайбу диаметром от 60 мм и толщиной от 2 мм (сталь) или от 4 мм (алюминий). Описанная конструкция позволяет любителю при изготовлении торшера обойтись без точеных на заказ деталей.

Настольная лампа

Рабочий настольный светильник на наших принципах построения еще проще торшера, поз. 4: достаточно массивное и прочное основание (дерево, пластика) со ступенчатым сквозным отверстием по оси. На ступеньку укладывается кольцо абажура и крепится саморезами. Тогда оно заодно прижмет усы растяжек абажура и он не будет болтаться.

Примечание: для основы настольной лампы из керамической или стеклянной посуды нужно сделать насаживаемое на ее горлышко навершие-набалдашник со ступенчатым отверстием. Наиболее подходящий для этого материал – пластика.

Для наружного освещения

Самодельный ввод низковольтного кабеля в наружный светильник

Наружные светильники на 220 В оставим покупными: сделать «навсегда» герметичный кабельный ввод на сетевое напряжение и также герметичный корпус со стеклом в домашних условиях невозможно. Будем работать с напряжениями до 12 В, тогда кабельный ввод получается совсем простым, см. рис. А если источник света запитать от стабилизатора тока, то и никакое КЗ страшно не будет.

Однако до электричества дело может и не дойти: для временного освещения в саду или на пикнике и в XXI веке часто удобнее и дешевле оказывается обычная свеча, она же и романтичнее. А свечной фонарь можно своими руками сделать из кофейной банки буквально за несколько минут, см. видео:

Видео: свечной фонарь своими руками из кофейной банки

Такой светильник пригоден и под лампочку; тогда отпадает необходимость в вентиляционных отверстиях и ручку для переноски можно закрепить на крышке, что надежнее.

Постоянный наружный светильник должен быть уже электрическим. Главная проблема при этом – надежная герметизация. Здесь опять выручает стеклянная посуда с навинчиваемой крышкой: светильник наружного освещения хорошо получается из банки. В данном случае, т.к. источник света требуется помощнее, лучше взять посудину из-под консервации. Патрубок кабельного ввода делают, пробив крышку круглым заостренным стержнем. Для полной герметичности на ободок крышки изнутри перед завинчиванием раз и навсегда наносят аквариумный силикон.

Светильник «раз и навсегда» предполагает использование очень надежных и долговечных источников света. Требования к его качеству и спектру отходят на второй план, т.к. освещается не жилое или рабочее помещение. С учетом этих условий наружный светильник на крыльце или, скажем, на входе в гараж, лучше делать из светодиодной ленты: она при ничтожном расходе электричества даст достаточно яркое освещение. Пример изготовления такого светильника см.:

Видео: садовый фонарь своими руками за 15 минут

В саду и вообще на участке большая яркость освещения уже не нужна, здесь, в общем-то, лишь бы с дорожки не сойти и дверь в баню, погреб, сарай или санузел разглядеть. Зато садовый светильник весьма и весьма желательно иметь автономным: тут дело уже в расходах не на электричество, а на кабель, и кому же понравится курочить ухоженный участок траншеями?

Садовые светильники с питанием от солнечных батарей (СБ) и буферной аккумуляторной батареей (АКБ) есть в продаже но, или стоят дорого, или оказываются недолговечными. Попробуем прикинуть, нельзя ли тут обойтись своими силами, тем более что сделать солнечную батарею своими руками вполне возможно:

• 4 белых светодиода при токе каждого 20 мА в плафоне из молочного стекла или матовой пластиковой бутылки более-менее приемлемо для садовых нужд осветят круг диаметром 4-5 м. При токе каждого в 10 мА в световом пятне еще можно будет разглядеть, где камень, а где яма. Итого в среднем 60 мА.
• АКБ, с учетом слабого подзаряда зимой и снижения емкости на холоде, должна давать максимальный ток осветителей в течение не менее 30 час. Пальчиковые аккумуляторы на 2500-3500 мА/ч, морозостойкие до –20, есть в продаже. Берем минимально допустимую емкость АКБ в 2500 мА/ч.
• Падение напряжения на светящем диоде ок. 2 В. Чтобы стабилизировать общий ток потребления и режим разряда АКБ, от которого существенно зависит ее ресурс, на гасящие резисторы даем вдвое больше, итого напряжение АКБ получаем 6 В.
• СБ, с учетом КПД по энергии Ni-Cd АКБ в 74%, должна давать ток ок. 75 мА. В расчете на зиму в средних широтах берем номинальный ток 100 мА.
• Также с учетом КПД АКБ по энергии и потерь напряжения при заряде берем напряжение СБ в 9 В.
• Чтобы ресурс АКБ не падал от перезарядки, ток перезаряда через нее не должен быть более 5% от тока часового разряда. При емкости АКБ в 2500 мА/ч и токе КЗ СБ 100 мА это условие выдерживается, при АКБ на 3500 мА/ч тем более. Т.е., вместо дорогого и сложного контроллера заряда можно поставить просто кремниевый выпрямительный диод.

Схема автономного садового светильника, построенного с учетом описанных условий, приведена на рис.:

Схема автономного садового светильника с солнечной батареей

Несмотря на простоту, АКБ в ней никогда не доводится до деградации активной среды по причине перезаряда и только в исключительных случаях может достигнуть глубокого разряда; поэтому ее ресурс остается нормальным при эксплуатации в жестких температурных условиях. «Изюминка» тут – СБ. Их внутреннее сопротивление велико и нелинейно, по степенному закону, растет при возрастании тока нагрузки, вследствие чего ток КЗ СБ лишь ненамного больше номинального. С этой точки зрения в данной схеме выгоднее использовать менее дорогие поликремниевые СБ.

Устройство управления УУ замыкает выключатель S, когда напряжение СБ упадет до «сумеречного» уровня. VD1 к тому времени уже закроется и заряд АКБ прекратится. К АКБ УУ подключено только для электропитания. Выключатель – диодный или транзисторный оптрон либо электромагнитное реле; в таком случае лучше герконовое, т.к. обычное с низковольтой катушкой ток возьмет больше, чем все светодиоды. Использовать как S тиристорный оптрон в данном случае нельзя: чтобы открывшийся тиристор закрылся, ток через него должен упасть до очень малой величины, практически до нуля. Поскольку ток здесь постоянный, тиристор, раз открывшись, не «уймется», пока полностью не посадит АКБ.

Об освещении аквариума

Для освещения аквариумов применяют специальные линейные люминесцентные лампы. Не такие, как фитолампы для цветочных полок: спектр аквариумных ламп подогнан под оптические свойства воды и жизненные потребности водных растений. Те и другие лампы для общего освещения помещений непригодны: свет, благоприятствующий фотосинтезу, отнюдь не всегда полезен для человеческого зрения.

Освещение аквариума

Рыбки в аквариуме наиболее выигрышно выглядят в довольно слабом рассеянном свете спереди, со стороны смотрового стекла, а для растений лучше сильный прямой свет сверху. Как устроен светильник для аквариума, формирующий удовлетворяющий обоим этим условиям световой поток, показано слева на рис. Отражатель изнутри оклеивают белой самоклейкой или окрашивают акриловой эмалью с сатиновым глянцем. Рыбки в таком свете играют всеми своими красками.

Содержание

1. Видео: люстра своими руками из подручных материалов
2. Чего не надо бояться?
3. Светотехника и зрение
4. Электроарматура
5. Светоарматура
6. Материалы для световых систем
7. Люстра в комнате
8. Лампы для люстр
9. В заключение
> Обсуждение

Люстра предмет достаточно дорогостоящий, но технологически не столь уж сложный. Во всяком случае, производственных процессов, которые невозможно было бы осуществить в домашних условиях, для изготовления люстры почти не потребуется, или их можно заменить аналогичными ручными, зрительно и по надежности дающими тот же эффект.

Любители своими руками сделали и делают множество потолочных светильников общего освещения (а это и есть люстры), аналогов в широкой продаже не имеющих и порой весьма экстравагантного облика, см., напр., рис. Выдумки и читателю, надеемся, не занимать. Однако, к сожалению, в россыпи изображений самодельных люстр в интернете образцы, удовлетворяющие требованиям техники безопасности и светотехники жилых помещений, встречаются нечасто. Скорее даже, очень редко.

Самодельные люстры

В данной статье рассматривается прежде всего, как правильно самому сделать люстру технологически и светотехнически. Ничего особо сложного тут нет; это нечто вроде мольеровского персонажа, который, оказывается, всю жизнь говорил прозой. Но некоторые основы знать никак не помешает. Тем более, что оригинальный гармоничный дизайн (речь о котором отнюдь не оставлена) также требует надежной основы, иначе на чем красоте держаться?

Примечание: например, как можно собственноручно в домашних условиях изготовить люстру в гостиную, см. видео ниже. По дизайну она пойдет в интерьер любого стиля, приемлющего четкие формы, а это очень широкий диапазон, от китайского мандаринского до фьюжн.

Видео: люстра своими руками из подручных материалов

Поэтому тонкости дизайна и конструкции основных светотехнических и в то же время декоративных элементов люстры – плафонов и абажуров – тема другой статьи; каркаса/опоры светильников, которые тоже важны как части общего дизайна – еще одной. Об общем светодизайне жилых помещений также не лишним будет узнать по ссылке. А в этой статье займемся тем, что для них всех общее, плюс электрическая часть:

• Светотехника и конструкция – самые начала для бытовых помещений;
• Электроарматура, в основном с точки зрения техники безопасности;
• Из чего делать светоарматуру, с упором на возможности изготовления из подручных материалов;
• Особенности люстр для жилых помещений различного назначения;
• Выбор источников света для той или иной люстры.

Примечание: тем, кто усомнится, к чему тут какие-то глубины, да будет известно – самодельные светильники прочно держатся в 1-м десятке по бытовому электротравматизму, пожарной опасности и как причина порчи зрения, особенно у детей.

Чего не надо бояться?

Дерева и работ по дереву. Глядя на фигурные деревянные детали люстр промышленного изготовления, кажется, что воспроизвести их дома невозможно. Между тем совершенно вычурный каркас люстры из дерева может быть изготовлен за день-два своими руками в кухне или на балконе.

Дело в том, что древесина при нагревании по всей массе до 150-250 градусов размягчается и гнется, а остыв, сохраняет приданную ей форму. Нагреть деревяшку до такой температуры не обугливая можно строительным феном. Только нужно не забыть предварительно просверлить осевые отверстия (скажем, для проводки электрокабеля), в уже изогнутой детали это будет невозможно.

Примечание: легче всего гнется разогретой древесина легкая или средней плотности мелкослойная – береза, клен, ясень, липа. Бамбук и некоторые породы тропического дерева гнутся вообще нагретыми до 90-100 градусов методом пропаривания в парах воды. МДФ вследствие однородности своей структуры гнется очень хорошо и точно, но требует большего нагрева.

Наконец, вполне элегантная деревянная люстра может быть выполнена из не гнутых деталей: современные источники света позволяют реализовать и такое решение. Тогда потолочный светильник делается в виде люстры-плафона, см. далее.

На что обратить внимание?

На старые советские люстры и вообще бытовые светильники. СССР, как известно, был явлением весьма неоднозначным, что особенно явственно выражалось в советском ширпотребе. Если у вас в кладовке завалялась старая домашняя люстра «совкового» производства, то ее светорассеивающие/светопропускающие детали наверняка выполнены из высококачественного стекла, а фарфоровые/фаянсовые декоративные из такого же качественного материала. Пусть 1 «рожок» из 4-5 разбит, оставшихся на новую самодельную люстру хватит. Краска облупилась? Сейчас в продаже есть любые смывки и отличные акриловые эмали. Часть «висюлек» потерялась? Из прочих тоже можно соорудить нечто очень красивое, была бы выдумка и вкус.

Светотехника и зрение

Примерно лет 10 тому назад была достаточно точно измерена пропускная способность по информации зрительного нерва. Она оказалась раз в 5-6 меньше количества информации в картинке, которую оптическая система глаза рисует на сетчатке, и ученым пришлось признать наконец-то как факт: где-то в глазу таится нечто вроде видеопроцессора. Подозрения о его наличии возникли еще лет 200 тому назад, т.к. определенные зрительные иллюзии никак не зависят от физического и психического состояния субъекта. Приходилось допускать, а теперь это уверенность, что картинка в мозг поступает не сырая, но каким-то образом обработанная. С точки зрения светотехники и влияния характера освещения на здоровье и самочувствие этот факт тоже немаловажен: хороший светильник должен давать свет не только достаточно яркий, но и ровный, мягкий, позволяющий четко различать детали разных цветов и не утомляющий глаз.

Примечание: напомним читателю, что картинку на сетчатке снимают фоторецепторы 2-х типов – палочки и колбочки. Первые наиболее чувствительны, но воспринимают только общую яркость, поэтому ночью все кошки серы. Колбочки 3-х видов, воспринимают отдельно красный (R), зеленый (G) и синий (B) участки цветового спектра. Также напомним, что глаз наиболее чувствителен к зеленым лучам, несколько меньше к красным и менее всего к синим.

Спектры источников света

Наименее утомителен для глаза свет со сплошным спектром, поз. 1 на рис: все видимые детали объекта более-менее равномерно освещены. Если спектр ограниченный, то те, которые в него не попадают, просто не видны. Процессору глаза не нужно ничего «дорисовывать», а именно это более всего утомляет зрение и портит его.

Спектры различных источников света

Дело в том, что для «дорисовки» плохо различимого оптика глаза должна все время и часто перефокусироваться, а фотоприемная система менять свою аккомодацию, т.е. общий уровень чувствительности. Эта процедура в некотором роде аналогична проработке деталей в фотошопе с помощью нормализации уровней и «подтягивания» тонкривых, но, кто умеет это делать, знают: очень вялая изначально картинка, если непременно нужно «вытянуть» детали, грубеет до «рвани». А если речь идет о собственном зрении, мозг в конце концов начинает понимать «рвань» как норму, соответственно перенастраивает мускулатуру глаза и алгоритмы работы зрительного процессора, что и приводит к расстройствам зрения.

К сожалению, из пригодных по требованиям безопасности для бытовых условий источников света сплошной спектр дают только лампы накаливания, обычные и галогенные. Они, во-первых, по современным требованиям неэкономичны. Во-вторых, их спектры тепловые и поэтому имеют сильный завал в синей области. Т.е., правильного цветоощущения при таком освещении добиться невозможно.

Тем не менее, лампы накаливания в бытовых светильниках вполне применимы: за миллионы лет эволюции человеческий глаз привык сам давать поправку на желтизну, и расстройства зрения при таком освещении возможны только от его недостаточной или избыточной яркости. Что до натриевых ламп, светящих только в желтой области, то для зрения их свет также безвреден, но о сколько-нибудь адекватном цветовосприятии тут говорить не приходится.

Почти идеальной цветопередачи позволяет при минимально возможной утомляемости зрения достичь синтетический, или аддитивный спектр, поз. 2. Процессору глаза нет нужды перенапрягаться: верхушки зон R, G и B выходят за оптимальный при данной общей яркости уровень освещенности чуть-чуть, а на их стыках восстановление полной деталировки требует простого сложения парциальных (частных) картинок в соответствующих цветах. В итоге общий уровень белого выходит почти линейным и детали любого цвета четко видны, а серые тона плавно переходят друг в друга.

И снова к сожалению: аддитивный спектр дают только экраны хороших электронно-лучевых трубок (кинескопов). К нему медленно, но уверенно подобраются люминесцентные лампы (экономки) с 3-4 слойным люминофором, отдельные образцы светодиодных осветителей и экраны TFT-дисплеев, однако до полного решения проблемы еще далековато. Поэтому опытные и пекущиеся о своем зрении (которое в данном случае еще и основной рабочий инструмент) графические дизайнеры, фотографы и художники, работающие за компьютером, упорно держатся за «трубочные» дисплеи, покупая по бешеным ценам профессиональные или выискивая б/у с еще не севшей трубкой.

Примечание: свет от источников с аддитивным спектром принято называть предельно мягким. В природе предельно мягкое освещение – утреннее при легкой облачности, когда сквозь облака немного просвечивает диск Солнца.

В быту приемлемой мягкости света позволяют добиться его источники с островным спектром, поз. 3. Выглядит он как 3 сплошных ограниченных, но это тот случай, когда количество переходит в качество: узрев 3 зоны основных цветов, глаз обязательно постарается рассмотреть, а что же между ними. В провалах между островами что-то еще видно, хоть и на уровне освещенности существенно меньшем оптимального при данной аккомодации. Пики островов тоже довольно сильно задраны вверх, но также в пределах допустимого.

Островной спектр дают большинство экономок и хороших светодиодных ламп; как их отличить сразу при покупке от, скажем так, не очень хороших, см. далее, в разделе об осветителях. Заниматься при таком свете работой, требующей напряжения зрения, нежелательно, но читать/писать по 3-4 часа в день можно.

У островного спектра есть 2 важные для бытовой светотехники особенности. Первая – его можно существенно смягчить с помощью светоформирующих устройств, см. далее. Вторая – «хвосты» красного и синего не уходят в ИК (инфракрасную) и УФ (ультрафиолетовую) области, а к границам видимого спектра спадают до черного. Поэтому, если детали какого-то цвета в островном освещении плохо видны, наращивать общую яркость – только вредить зрению. В таком случае необходимо использовать местное освещение лампами накаливания или экономками/светодиодными другой цветовой температуры, у них острова спектра будут расположены по-иному.

Самый вредный для зрения спектр – линейчатый, поз. 4. В нем, во-первых, очень узкие зоны основных цветов не перекрываются. Во-вторых, для создания достаточной общей яркости приходится «задирать» пики линий, особенно синей, выше предельно допустимого. Свет вроде бы и не очень яркий, а глаза режет. Все в общем видно вроде бы и хорошо, но детали где-то теряются и никак не разглядишь, хоть глаза лопни.

Такой свет называется предельно жестким. Его дают дешевые светодиодные лампы и отдельные модели экономок с 1-слойным люминофором. Смягчить его светоформирователями никак не возможно, т.к. в провалах между линиями вообще ничего не освещено. При длительном пользовании таким светом возможно развитие не только близорукости/дальнозоркости, но и различных нарушений цветовосприятия (процессор глаза перенапрягается без толку, пытаясь разглядеть невидимое), и даже отслоение сетчатки.

Электроарматура

Грубое и наиболее часто влекущее за собой нежелательные последствия нарушение правил ТБ при самостоятельном изготовлении люстр – подвешивание их за электрокабель: его конец пропускают в патрон лампочки, завязывают узлом, так все и держится на весу. Люстру, даже легчайшую, нужно подвешивать на отдельной тяге, жесткой или гибкой.

Жесткий подвес люстры всем известен: это трубка, в которую протянут кабель. Традиционный гибкий подвес – цепочка; кабель в данном случае проходит сквозь звенья. Сейчас в продаже имеются и специальные кабели для люстр, в них кроме 3-х проводов под общей оболочкой еще и прочный канатик для подвеса. Его нужно выводить наружу и крепить в 2-х местах: вверху к крюку и внизу к каркасу люстры, иначе канатик со временем может выползти и люстра повиснет на проводах. При подвешивании на отдельном шнуре кабель необходимо обвести вокруг него несколькими витками (а не наоборот!) и закрепить концы «змейки» скотчем или, не натуго, мягкой ниткой.

Патроны для бытовых ламп освещения

Нештатные ситуации с люстрами чаще всего возникают в месте ввода проводов в патрон лампочки, поэтому патроны также нужно закреплять на каркасе отдельно. Наиболее удобен для этого патрон Е17 под лампу-миньон (лампу-свечку) с винтовым зажимом для крепежной ламели (показан стрелкой на поз. 1 рис.). Если каркас из трубок, ламели получают, сплющив их концы. К деревянному каркасу ламели из полоски стали толщиной 1-1,5 мм и шириной 10 мм можно прикрепить мелкими саморезами.

Патроны Е17 с концевым хомутом (хвостовиком), поз. 2, для домашнего мастера менее удобны, т.к. хомут закрепляется парой гаек, под которые на трубке нужно нарезать резьбу. Если места в люстре хватает, в таком случае лучше использовать патрон Е27 (обычный, «толстенький») с боковым хомутом, поз. 4. Хомуты, для получения желательной ориентации ламп, можно осторожно подгибать. И, наконец, в люстрах с единственной лампочкой удобнее может оказаться патрон Е17 или Е10 (суперминьон) с проушинами под крепление, поз. 5, но места присоединения проводов к такому следует тщательно заизолировать.

Примечание: обычные бакелитовые патроны Е27 тоже можно крепить жестко, для этого во вводных штуцерах их крышек есть специальная резьба. Но такую же резьбу нужно иметь на трубке, к которой крепится патрон, а ручных метчиков под нее в продаже нет.

О монтаже и подключении

Запитывать от сети люстру общей мощности до 60 Вт можно кабелем с сечением токопроводящих жил 0,35 кв. мм; до 120 Вт – 0,5 кв. мм; до 300 Вт – 0,75 кв. мм. Используют 3-жильный кабель с двойной изоляцией. К нулевому проводу сети подключают «земляной» (желтый с продольной зеленой полосой) провод, а к идущим от выключателей секций люстры фазным проводам – остальные 2.

Примечание: искать фазу с помощью контрольной лампочки, щелкая выключателями, недопустимо! Нужно пользоваться индикатором-фазоуказателем!

Подключение проводов к клеммникам патронов ламп и вообще электромонтаж люстры производится внизу пошагово в следующем порядке:

1. Удостоверяются с помощью фазоуказателя, что напряжения на проводах нет и никто случайно щелкнуть выключателем не может. Для этого их рычажки можно временно заклеить скотчем.
2. От потолочных концов кабеля пробрасывают до пола времянку из кабеля с жилами не меньшего, чем у штатного, сечения.
3. Зачищают концы штатных проводов люстры, подключают ее общий ввод к времянке. Не забудьте заизолировать соеинения!
4. Разбирают патрон.
5. Вводят конец кабеля в крышку патрона сквозь штатное отверстие.
6. Надевают на него стопорную шайбу, предотвращающую случайное выдергивание из патрона. В крайнем случае – завязывают кабель в узел.
7. Заделывают оголенные концы проводов в клеммы. Многожильные провода перед заделкой скручивают и, желательно, лудят, чтобы вылезшие жилки не устроили КЗ (короткое замыкание),
8. Вставляют клеммник в крышку, посадив его выемками на соответствующие выступы в ней.
9. Проверяют, если ли небольшая петля кабеля под крышкой и не выдергивается ли она.
10. Придерживая клеммник, чтобы не соскочил, навинчивают на крышку корпус патрона.
11. По окончании монтажа секции винчивают лампы, проверяют, включив соотв. выключатель, горят ли ровно.
12. Снова блокируют выключатели от случайного включения, убирают времянку.
13. Подвешивают люстру на место, подключают ее ввод к потолочным концам.
14. Проверяют: горит ровно, не мигает – монтаж окончен, можно пользоваться.

Светоарматура

Световая арматура люстры (светоформирующая система) во-первых, направляет свет должным для данного типа помещения образом. Во-вторых, смягчает его за счет уменьшения поверхностной яркости осветителя. А для источников света с островным спектром проявляется еще одно благоприятное обстоятельство.

В школьных и даже общих университетских курсах оптики, чтобы слишком не запутывать студентов, считается, что при рассеянии, отражении и преломлении света его частота остается неизменной; это дает возможность наглядно вывести основные их законы. На самом деле абсолютно линейных сред не бывает и некоторая доля световых квантов в этих процессах переизлучается, благодаря чему меняет свою частоту и, следовательно, цвет. Т.е., «хвосты» спектральных островов получают небольшую яркостную «подпитку», что облегчает работу процессора глаза; это равносильно дополнительному смягчению света.

Рабочие процессы

В светоарматуре бытовых светильников используется в основном диффузное отражение и рассеяние света. Зеркальное отражение находит малое применение, т.к. само по себе не уменьшает поверхностную яркость и не смягчает свет. Достаточно широко используется преломление в прозрачных средах: хрустальные подвески не только дают приятную игру света, но и существенно смягчают его без значительных потерь светового потока. И, наконец, в отдельных случаях, напр. в абажурах из ниток, в формировании светового потока имеет место заметная доля дифракции.

Примеры вредного для зрения освещения

Примечание: с дифракцией и тенями вообще-то надо поосторожнее. Свет в комнате, что слева на рис., может вызвать нервное расстройство и у взрослого, а колючие лучики от светильника справа там же на пользу зрению никак не пойдут. Здесь имеет место то обстоятельство, что в пиках дифракционной картины интенсивность света может быть много выше, чем на первично излучающей поверхности.

Формирующие элементы и системы

Смягчение света и формирование необходимой его диаграммы направленности (ДН), см. ниже, с помощью преломления в прозрачных средах и/или зеркального/полного внутреннего отражения требует большого количества таких оптических актов: в каждом из них светопотери малы, но мала и степень преобразования светового потока, т.к. прозрачные среды потому и прозрачны, что их нелинейность проявляется в ничтожной степени. Традиционно для этого нужно много преломляющих элементов с высокими оптическими свойствами; следовательно, дорогих или доступных от случая к случаю. Сейчас мастеров-любителей выручают пластики: оригинальная люстра на преломлении и переотражениях может быть изготовлена вообще из бросового материала, см. далее. Облик у таких люстр «воздушный»; срок эксплуатации – 1-3 года.

Если нет в распоряжении хрустальных подвесок, придется использовать рассеяние и диффузное отражение. Светопотери будут больше, но в таком случае возможно обойтись подручными материалами: достаточно получить всего 1-3% нелинейных оптических актов во всей светотехнической системе. Обычный люксметр с набором светофильтров такого количества «левых» квантов не улавливает, но его хватит, чтобы освещенность провалов между островами спектра поднялась выше «дна» диапазона аккомодации и глаз работал не переутомляясь.

В основе светоформирователей на диффузных оптических процессах лежат 3 элемента: плафон, абажур и диффузный рефлектор. Плафон, поз. 1 на рис. – колпак из матового стекла или аналогичного ему по оптическим свойствам материала. Наружу свет из него может выйти, только претерпев рассеяние. Для дальнейшего формирования светового потока оптические свойства помещения значения не имеют или имеют очень малое.

Элементы и примеры светотехнических систем

Абажур, поз. 2, часть первичного света выпускает наружу без преобразования; не обязательно вниз. Смягчение первичного светового пятна достигается за счет его подсветки отраженным от стен и потолка рассеянным светом, поэтому оптические свойства помещения в данном случае существенны. Определяющими они становятся для диффузного рефлектора, поз. 3, однако эта светотехническая система при помощи изменения степени прозрачности рефлектора(-ов), их размеров, конфигурации и расположения позволяет формировать различные ДН.

Световые системы люстр строятся, как правило, путем комбинирования элементарных формирователей. Напр., на поз. 4 – хорошо известная люстра из расположенных ступенчато концентрических абажуров, дополненных небольшим почти плоским плафоном. На первый взгляд, светопотери в ней должны быть велики, но вспомним: для освещения школьного спортзала площадью ок. 400 кв. м и с высотой потолка под 6 м хватало неэкономичных ламп накаливания на общую мощность 800-1200 Вт.

Среди новых световых систем выделяются люстры-плафоны, поз. 3. Названы они так потому, что являются одновременно плафонами и осветительными, и архитектурными потолочными, см. фото. Суть оптики данного типа в том, что в камере-ловушке первичные кванты испытывают многократные переотражения и наружу свет выходит сильно смягченным.

Деревянная люстра-плафон

Появление люстр-плафонов стало возможным благодаря наличию излучающих мало тепла современных источников света; особенно светодиодных. Лампы-экономки в закрытых камерах люстр-плафонов выходят из строя все-таки быстрее обычного, но для светодиодных источников света, выделяющих всего по 3-6 Вт «паразитного» тепла, отсутствие вентиляции несущественно. Поэтому корпус люстры-плафона под светодиоды может быть без особых предосторожностей и сложных работ изготовлен из дерева. Кроме того, ее камера смягчает свет настолько, что в качестве первичных источников можно применять светодиодные ленты. В таком случае, запитав их от источников стабильного тока для светодиодов, можно по желанию и потребности менять цветовой тон освещения в широких пределах.

Материалы для световых систем

О покупных элементах люстр из стекла или специальных пластиков можно заметить, что:

• Стекло нужно выбирать зеркальное, на сломе бесцветное или чисто белое.
• Под любые источники света, кроме ламп накаливания, лучше брать оптические части, матированные не с поверхности, а в массе, т. наз. молочные, желаемой степени прозрачности.
• Акриловые компьютерные диски в световых системах использовать нежелательно: полупрозрачный слой металла в них только без толку поглощает свет, а почти совершенно прозрачный и бесцветный оптический акрил сколько-нибудь заметно не преобразует световой поток.

Хорошие самодельные люстры получаются из пищевых ПЭТ-бутылок. Коэффициент преломления и прозрачность ПЭТ (полиэтилентерефталата) довольно высоки, что дает возможность при небольших светопотерях добиться значительного смягчения света. ПЭТ-бутылки выпускаются различных цветовых оттенков и полупрозрачными, благодаря чему люстру можно строить на основе как преломления и переоражений, так и диффузных процессов.

Помимо дешевизны и доступности существенное преимущество ПЭТ – легкость обработки в домашних условиях и, в умелых руках, неплохие декоративные качества. Напр., как делать цветы из бутылок, см. мастер класс по ссылке: https://www.youtube.com/watch?v=8TXXoiTLhVA

Цветочный декор не только украсит люстру, но и, благодаря увеличению числа преломляющих поверхностей, существенно улучшит ее светотехнику. Возможны и другие варианты оптически полезного и красивого декора из пластиковых бутылок, но мы их оставим для статьи об абажурах.

Прочие пластики для люстр с лампами-экономками тоже годятся, в качестве отражателей. Для них нужно брать материал как можно белее и слегка шероховатый или с сатиновым глянцем. Полупрозрачные детали из бытовых пластиков не очень-то хороши, т.к. в качестве наполнителя используется чаще всего мел или тальк с красящими присадками. Светопотери в таких будут велики, а смягчение света – только за счет падения поверхностной яркости. Использовать предпочтительнее пропилен, т.к. ПВХ от света довольно скоро желтеет и становится хрупким.

Второй очень хороший и доступный материал для оптической системы люстры – бумага. Если лампа светодиодная, то люстра из бумаги с ней прослужит несколько лет: бумага желтеет и теряет светопропускание от нагрева и воздействия УФ, которых светодиодные лампы почти или совсем не дают.

Светопропускание бумажных компонент люстры подбирают, выбирая материал соответствующей плотности, от 20 до 220 г/кв. м. Отражательные свойства современной писчей бумаги практически безупречны: с коэффициентом белизны ниже 0,8-0,85 она просто не выпускается. Кстати, некоторые ушлые производители оперируют коэффициентами белизны 1,05 и даже 1,15. По какой методике измерений они выходят на сверхединичные значения величины, которая в принципе не может быть больше 1, кто знает. Но с точки зрения физики это смешной абсурд: поставил такой листик перед зеркалом, между ними – солнечную батарею, раз посветил фонариком, вот тебе и вечный двигатель II рода. Или благодатная тема дискуссий на форумах техномистиков. А что тут такого? Раз КБ>1, то листик света и, соответственно, его энергии излучает больше, чем принимает.

Примечание: колба лампы накаливания мощностью 60 Вт может нагреваться более чем до 100 градусов Цельсия. Поэтому для люстр с плафонами, абажурами и отражателями из пластика, ткани, текстиля и ниток нужно применять лампы накаливания не более чем на 40 Вт, а галогенные – до 15-20 Вт.

Видео: мастер-класс по изготовлению люстры из веревки или ниток

Люстра в комнате

Основные типы ДН для освещения бытовых помещений показаны на рис. Кардиоиду формирует плафон, это свет для небольших спален, детских, прихожих. Провал вверху образуется за счет тени от цоколя. Детская люстра должна быть снабжена сферическим плафоном, сильно, но без чрезмерных светопотерь, рассеивающим свет. Особенно мягкое и, весьма желательно, бестеневое освещение в детской необходимо, чтобы не навредить еще не окрепшему зрению. Поэтому плафон детской люстры лучше всего делать из бумаги, а преломляющих материалов для нее избегать.

Диаграммы направленности бытовых светильников

Восьмерочную ДН получают с помощью нескольких диффузных рефлекторов и хорошо беленого потолка, напр. гипсокартонного. Такой свет необходим в достаточно большой гостиной со свободным пространством в центре, кабинете и др. помещениях, где зоны освещаются локальными источниками света.

Веерную ДН дает простой абажур, а лепестковую он же, направленный апертурой (раструбом) вверх. Лепестковые ДН характерны для бра, которые здесь не совсем в теме, а вот люстры с веерной ДН подходят в небольшую гостиную с обеденным столом в центре или на кухню. Особенно для последней: свет способствует осаждению паров органических веществ и битуминизации их в жидкой фазе, так что потолок здесь особо освещать ни к чему, пусть лучше потенциальная копоть уйдет в вытяжку.

Примечание: наиболее равномерное освещение площади пола при минимальном расходе электричества на освещение дает т. наз. косеканс-квадратная ДН. Однако получается она с помощью весьма сложных осветительных приборов, стены и потолок нужно освещать отдельно. Применяется в основном для освещения больших производственных помещений, открытых площадей, спортивных сооружений и т.п.

Лампы для люстр

Далеко не все производители бытовых ламп освещения дают на сайтах и в спецификациях их спектральные характеристики, поэтому и продавцы чаще всего их не знают. Что касается ламп-экономок, тут несведущему покупателю проще: спектр неизвестен – берем на цветовую температуру 4300 К. В худшем случае получим сплошной ограниченный спектр. Рассмотреть во всей красе цветную открытку или иллюстрацию в книге он не даст, но зрению не повредит. Зрительно такой свет почти белый с легкой желтизной. Норма электрической мощности таких ламп – 1,8-3,4 Вт на 1 кв. м освещаемой площади в зависимости от конфигурации и общего тона дизайна комнаты.

Примечание: фитолампы для полок с цветами, парников/теплиц и аквариумов использовать для общего освещения нельзя. Их спектр резко линейчатый, он полезен растениям для фотосинтеза, но никак не человеку для зрения.

Светодиодные лампы выбираются, во-первых, на цветовую температуру 2800-3300 К, желтенькие. У белых спектр, как правило, линейчатый, что заметно сразу: их свет режет глаза и в хорошо освещенным естественным образом торговом зале. По видимым конструктивным признакам следует выбирать лампы-глобы с матовой колбой и глубоким ее хвостовиком, поз. 1 на рис. Если приглянулась лампа-«кукуруза», то руководствоваться нужно следующими признаками поз. 2:

• Светодиодная сборка должна быть прикрыта полупрозрачной колбой, это гарантирует прежде всего долговечность лампы. «Голая кукуруза», со светящими структурами под защитной пленкой, чувствительна в загрязнениям и вообще внешним воздействиям.
• Количество отдельных излучающих структур должно быть не менее 15-20.
• «Кочан», т.е. обечайка-держатель излучающих структур, должен быть прозрачным. В сочетании с пред. условием это даст большее количество переотражений внутри колбы, большую равномерность первичного света и лучшие возможности формирования светового потока.

Светодиодные лампы

Чтобы не «попасть» на линейчатый спектр, следует также избегать имитаций под глобы и «кукурузы» в виде лампочек с прозрачной колбой, сидящей прямо на цоколе, и небольшим количеством излучающих структур, поз. 3. Освещенность от них в небольшой комнате и зрительно окажется неравномерной, а спектр чаще всего линейчатый. Также для освещения жилых помещений непригодны светодиодные лампы направленного света, поз. 4. Они предназначены для вспомогательного/служебного освещения и при длительном пользовании глазам вредны.

В заключение

Материал статьи кому-то может показаться скучноватым. Но, увы, любой врач-окулист подтвердит: экспериментировать наобум с самодельными светильниками настоятельно не рекомендуется. А теоретические познания не препятствуют, но наоборот, помогают воплощать идеи в красивые, изящные изделия. Там тоже тонкостей хватает, но к ним мы обратимся уже в другой статье про абажуры для люстр и не только.

Содержание

1. Допустимые упрощения
2. О компьютерных БП
3. За дело!
4. О ремонте БП
5. Пара импульсников
6. На десерт
> Обсуждение

Сделать блок питания своими руками имеет смысл не только увлеченному радиолюбителю. Самодельный блок электропитания (БП) создаст удобства и сэкономит немалую сумму также в следующих случаях:

• Для питания низковольтного электроинструмента, ради экономии ресурса дорогостоящей аккумуляторной батареи (АКБ);
• Для электрификации помещений особо опасных по степени поражения электротоком: подвалов, гаражей, сараев и т.п. При питании их переменным током большая его величина в низковольтной проводке способна создать помехи бытовой технике и электронике;
• В дизайне и творчестве для точной, безопасной и безотходной резки нагретым нихромом пенопласта, поролона, легкоплавких пластиков;
• В светодизайне – использование специальных БП позволит продлить жизнь светодиодной ленты и получить стабильные световые эффекты. Питание подводных осветителей фонтана, пруда и пр. от бытовой электросети вообще недопустимо;
• Для зарядки телефонов, смартфонов, планшетов, ноутбуков вдали от стабильных источников электропитания;
• Для электроакупунктуры;
• И многих других, не имеющих прямого отношения к электронике, целей.

Допустимые упрощения

Профессиональные БП рассчитываются на питание нагрузки любого рода, в т.ч. реактивной. В числе возможных потребителей – прецизионная аппаратура. Заданное напряжение профи-БП должен поддерживать с высочайшей точностью неопределенно долгое время, а его конструкция, защита и автоматика должны допускать эксплуатацию неквалифицированным персоналом в тяжелых условиях, напр. биологами для питания своих приборов в теплице или в экспедиции.

Любительский лабораторный блок питания свободен от этих ограничений и поэтому может быть существенно упрощен при сохранении достаточных для собственного употребления качественных показателей. Далее, путем также несложных усовершенствований, из него можно получить БП специального назначения. Чем мы сейчас и займемся.

Сокращения

Далее в тексте ради краткости употребляются общепринятые в технике по данной теме сокращения. Чаще всего вам встретятся:

1. КЗ – короткое замыкание.
2. ХХ – холостой ход, т.е. внезапное отключение нагрузки (потребителя) или обрыв в ее цепи.
3. КСН – коэффициент стабилизации напряжения. Он равен отношению изменения входного напряжения (в % или разах) к такому же выходного при неизменном токе потребления. Напр. напряжение сети упало «по полной», с 245 до 185В. Относительно нормы в 220В это будет 27%. Если КСН БП равен 100, выходное напряжение изменится на 0,27%, что при его величине 12В даст дрейф в 0,033В. Для любительской практики более чем приемлемо.
4. ИПН – источник нестабилизированного первичного напряжения. Это может быть трансформатор на железе с выпрямителем или импульсный инвертор напряжения сети (ИИН).
5. ИИН – работают на повышенной (8-100 кГц) частоте, что позволяет использовать легкие компактные трансформаторы на феррите с обмотками из нескольких-нескольких десятков витков, но не лишены недостатков, см. ниже.
6. РЭ – регулирующий элемент стабилизатора напряжения (СН). Поддерживает на выходе заданную его величину.
7. ИОН – источник опорного напряжения. Задает эталонное его значение, по которому совместно с сигналами обратной связи ОС устройство управления УУ воздействует на РЭ.
8. СНН – стабилизатор напряжения непрерывного действия; попросту – «аналоговый».
9. ИСН – импульсный стабилизатор напряжения.
10. ИБП – импульсный блок питания.

Примечание: как СНН, так и ИСН могут работать как от ИПН промышленной частоты с трансформатором на железе, так и от ИИН.

О компьютерных БП

ИБП компактны и экономичны. А в кладовке у многих валяется БП от старого компа, морально устаревший, но вполне исправный. Так нельзя ли приспособить импульсный блок питания от компьютера для любительских/рабочих целей? К сожалению, компьютерный ИБП достаточно высоко специализированное устройство и возможности его применения в быту/на работе весьма ограничены:

• ИБП не рассчитаны на ХХ. На такой случай в них есть устройство защиты (УЗ), но частые длительные уходы в аварию снижают надежность ИБП до недопустимо низкой.
• ИБП создают в цепях потребления высокий уровень ВЧ помех, т.к. логика к ним мало чувствительна, а конструктивное подавление намного удорожает разработку и производство.
• ИБП рассчитаны на изменения тока потребления в относительно небольших пределах, поэтому их дифференциальное выходное сопротивление ?r (о нем подробнее далее) довольно велико.
• Сделать выходное напряжение ИБП регулируемым без его капитальной переработки невозможно.

Использовать ИБП, переделанный из компьютерного, обычному любителю целесообразно, пожалуй, только для питания электроинструмента; об этом см. далее. Второй случай – если любитель занимается ремонтом ПК и/или созданием логических схем. Но тогда он уже знает, как для этого приспособить БП от компа:

1. Нагрузить основные каналы +5В и +12В (красные и желтые провода) нихромовыми спиральками на 10-15% номинальной нагрузки;
2. Зеленый провод мягкого запуска (слаботочной кнопкой на передней панели системника) pc on замкнуть на общий, т.е. на любой из черных проводов;
3. Вкл/выкл производить механически, тумблером на задней панели БП;
4. При механическом (железном) I/O «дежурка», т.е. независимое питание USB портов +5В будет также выключаться.

За дело!

Вследствие недостатков ИБП, плюс их принципиальная и схемотехническая сложность, мы только в конце рассмотрим пару таких, но простых и полезных, и поговорим о методике ремонта ИИН. Основная же часть материала посвящена СНН и ИПН с трансформаторами промышленной частоты. Они позволяют человеку, только-только взявшему в руки паяльник, построить БП весьма высокого качества. А имея его на хозяйстве, освоить технику «потоньше» будет легче.

ИПН

Сначала рассмотрим ИПН. Импульсные подробнее оставим до раздела о ремонте, но у них с «железными» есть общее: силовой трансформатор, выпрямитель и фильтр подавления пульсаций. В комплексе они могут быть реализованы различным образом сообразно назначению БП.

Схемы выпрямителей напряжения переменного тока

Поз. 1 на Рис. 1 – однополупериодный (1П) выпрямитель. Падение напряжения на диоде наименьшее, ок. 2В. Но пульсация выпрямленного напряжения – с частотой 50Гц и «рваная», т.е. с промежутками между импульсами, поэтому конденсатор фильтра пульсаций Сф должен быть в 4-6 раз большей емкости, чем в прочих схемах. Использование силового трансформатора Тр по мощности – 50%, т.к. выпрямляется всего 1 полуволна. По этой же причине в магнитопроводе Тр возникает перекос магнитного потока и сеть его «видит» не как активную нагрузку, а как индуктивность. Поэтому 1П выпрямители применяются только на малую мощность и там, где по-иному никак нельзя, напр. в ИИН на блокинг-генераторах и с демпферным диодом, см. далее.

Примечание: почему 2В, а не 0,7В, при которых открывается p-nпереход в кремнии? Причина – сквозной ток, о котором см. далее.

Поз. 2 – 2-полупериодный со средней точкой (2ПС). Потери на диодах такие же, как в пред. случае. Пульсация – 100 Гц сплошная, так что Сф нужен наименьший из возможных. Использование Тр – 100% Недостаток – удвоенный расход меди на вторичную обмотку. Во времена, когда выпрямители делали на лампах-кенотронах, это не имело значения, а теперь – определяющее. Поэтому 2ПС используют в низковольтных выпрямителях, преимущественно повышенной частоты с диодами Шоттки в ИБП, однако принципиальных ограничений по мощности 2ПС не имеют.

Поз. 3 – 2-полупериодный мостовой, 2ПМ. Потери на диодах – удвоенные по сравнению с поз. 1 и 2. Остальное – как у 2ПС, но меди на вторичку нужно почти вдвое меньше. Почти – потому что несколько витков приходится доматывать, чтобы компенсировать потери на паре «лишних» диодов. Наиболее употребительная схема на напряжение от 12В.

Поз. 3 – двухполярный. «Мост» изображен условно, как принято в принципиальных схемах (привыкайте!), и повернут на 90 градусов против часовой стрелки, но на самом деле это пара включенных разнополярно 2ПС, как ясно видно далее на рис. 6. Расход меди как у 2ПС, потери на диодах как у 2ПМ, остальное как у того и другого. Строится в основном для питания аналоговых устройств, требующих симметрии напряжения: Hi-Fi УМЗЧ, ЦАП/АЦП и др.

Поз. 4 – двухполярный по схеме параллельного удвоения. Дает без дополнительных мер повышенную симметрию напряжения, т.к. асимметрия вторичной обмотки исключена. Использование Тр 100%, пульсации 100 Гц, но рваные, поэтому Сф нужны удвоенной емкости. Потери на диодах примерно 2,7В за счет взаимного обмена сквозными токами, см. далее, и при мощности более 15-20 Вт резко возрастают. Строятся в основном как маломощные вспомогательные для независимого питания операционных усилителей (ОУ) и др. маломощных, но требовательных к качеству электропитания аналоговых узлов.

Как выбрать трансформатор?

В ИБП вся схема чаще всего четко привязана к типоразмеру (точнее – к объему и площади поперечного сечения Sс) трансформатора/трансформаторов, т.к. использование тонких процессов в феррите позволяет упростить схему при большей ее надежности. Здесь «как-нибудь по-своему» сводится к точному соблюдению рекомендаций разработчика.

Трансформатор на железе выбирают с учетом особенностей СНН, или сообразуются с ними при его расчете. Падение напряжения на РЭ Uрэ не надо брать менее 3В, иначе КСН резко упадет. При увеличении Uрэ КСН несколько возрастает, но гораздо быстрее растет рассеиваемая РЭ мощность. Поэтому Uрэ берут 4-6 В. К нему добавляем 2(4)В потерь на диодах и падение напряжения на вторичной обмотке Тр U2; для диапазона мощностей 30-100 Вт и напряжений 12-60 В берем его 2,5В. U2 возникает преимущественно не на омическом сопротивлении обмотки (оно у мощных трансформаторов вообще ничтожно мало), а вследствие потерь на перемагничивание сердечника и создание поля рассеивания. Попросту, часть энергии сети, «накачанной» первичной обмоткой в магнитопровод, улетучивается в мировое пространство, что и учитывает величина U2.

Итак, мы насчитали, допустим, для мостового выпрямителя, 4+4+2,5 = 10,5В лишку. Прибавляем его к требуемому выходному напряжению БП; пусть это будет 12В, и делим на 1,414, получим 22,5/1,414 = 15,9 или 16В, это будет наименьшее допустимое напряжение вторичной обмотки. Если Тр фабричный, из типового ряда берем 18В.

Теперь в дело идет ток вторички, который, естественно, равен максимальному току нагрузки. Пусть нам нужно 3А; умножаем на 18В, будет 54Вт. Мы получили габаритную мощность Тр, Pг, а паспортную P найдем, поделив Pг на КПД Тр ?, зависящий от Pг:

• до 10Вт, ? = 0,6.
• 10-20 Вт, ? = 0,7.
• 20-40 Вт, ? = 0,75.
• 40-60 Вт, ? = 0,8.
• 60-80 Вт, ? = 0,85.
• 80-120 Вт, ? = 0,9.
• от 120 Вт, ? = 0,95.

В нашем случае будет P = 54/0,8 = 67,5Вт, но такого типового значения нет, так что придется брать 80Вт. Для того, чтобы получить на выходе 12Вх3А = 36Вт. Паровоз, да и только. Впору научиться рассчитывать и мотать «трансы» самому. Тем более что в СССР были разработаны методики расчета трансформаторов на железе, позволяющие без потери надежности выжимать 600Вт из сердечника, который, при расчете по радиолюбительским справочникам, способен дать всего 250Вт. «Железный транс» вовсе не так туп, как кажется.

СНН

Выпрямленное напряжение нужно стабилизировать и, чаще всего, регулировать. Если нагрузка мощнее 30-40 Вт, необходима и защита от КЗ, иначе неисправность БП может вызвать аварию сети. Все это вместе делает СНН.

Простой опорный

Начинающему лучше сразу не лезть в большие мощности, а сделать для пробы простой высокостабильный СНН на 12в по схеме на Рис. 2. Его можно будет потом использовать как источник эталонного напряжения (точная его величина выставляется R5), для поверки приборов или как ИОН высококачественного СНН. Максимальный ток нагрузки этой схемы всего 40мА, но КСН на допотопном ГТ403 и таком же древнем К140УД1 более 1000, а при замене VT1 на кремниевый средней мощности и DA1 на любой из современных ОУ превысит 2000 и даже 2500. Ток нагрузки при этом также возрастет до 150-200 мА, что уже годится в дело.

Простой стабилизатор напряжения высокой точности

0-30

Следующий этап – блок питания с регулировкой напряжения. Предыдущий выполнен по т. наз. компенсационной схеме сравнения, но переделать такой на большой ток сложно. Мы сделаем новый СНН на основе эмиттерного повторителя (ЭП), в котором РЭ и УУ совмещены всего в 1-м транзисторе. КСН выйдет где-то 80-150, но любителю этого хватит. Зато СНН на ЭП позволяет без особых ухищрений получить выходной ток до 10А и более, сколько отдаст Тр и выдержит РЭ.

Простые регулируемые блоки питания малой мощности и на 5А

Схема простого БП на 0-30В приведена на поз. 1 Рис. 3. ИПН для него – готовый трансформатор типа ТПП или ТС на 40-60 Вт со вторичной обмоткой на 2х24В. Выпрямитель типа 2ПС на диодах на 3-5А и более (КД202, КД213, Д242 и т.п.). VT1 устанавливается на радиатор площадью от 50 кв. см; очень хорошо подойдет старый от процессора ПК. При таких условиях этот СНН не боится КЗ, только VT1 и Тр греться будут, так что для защиты хватит предохранителя на 0,5А в цепи первичной обмотки Тр.

Поз. 2 показывает, насколько удобен для любителя СНН на ЭП: там схема БП на 5А с регулировкой от 12 до 36 В. Этот БП может отдать в нагрузку и 10А, если найдется Тр на 400Вт 36В. Первая его особенность – интегральный СНН К142ЕН8 (предпочтительно с индексом Б) выступает в необычной роли УУ: к его собственным 12В на выходе добавляется, частично или полностью, все 24В, напряжение от ИОН на R1, R2, VD5,VD6. Емкости С2 и С3 предотвращают возбуждение на ВЧ DA1, работающей в необычном режиме.

Следующий момент – устройство защиты (УЗ) от КЗ на R3, VT2, R4. Если падение напряжения на R4 превысит примерно 0,7В, VT2 откроется, замкнет на общий провод базовую цепь VT1, он закроется и отключит нагрузку от напряжения. R3 нужен, чтобы экстраток при срабатывании УЗ не вывел из строя DA1. Увеличивать его номинал не надо, т.к. при срабатывании УЗ нужно надежно запереть VT1.

И последнее – кажущаяся избыточной емкость конденсатора выходного фильтра С4. В данном случае это безопасно, т.к. максимальный ток коллектора VT1 в 25А обеспечивает его заряд при включении. Но зато данный СНН может в течение 50-70 мс отдать в нагрузку ток до 30А, так что этот простой блок питания пригоден для питания низковольтного электроинструмента: его пусковой ток не превышает такого значения. Нужно только сделать (хотя бы из оргстекла) контактную колодку-башмак с кабелем, надеваемую на пятку рукояти, и пусть «акумыч» отдыхает и бережет ресурс до выезда.

Об охлаждении

Допустим, в данной схеме на выходе 12В при максимуме в 5А. Это всего лишь средняя мощность электролобзика, но, в отличие от дрели или шуруповерта, он берет ее постоянно. На С1 держится около 45В, т.е. на РЭ VT1 остается где-то 33В при токе 5А. Рассеиваемая мощность – более 150Вт, даже более 160, если учесть, что VD1-VD4 тоже надо охлаждать. Отсюда ясно, что любой мощный регулируемый БП должен быть снабжен весьма эффективной системой охлаждения.

Самодельный эффективный радиатор для мощного блока питания

Ребристый/игольчатый радиатор на естественной конвекции проблемы не решает: расчет показывает, что нужна рассевающая поверхность от 2000 кв. см. и толщина тела радиатора (пластины, от которой отходят ребра или иглы) от 16 мм. Заполучить столько алюминия в фасонном изделии в собственность для любителя было и остается мечтой в хрустальном замке. Процессорный кулер с обдувом также не годится, он рассчитан на меньшую мощность.

Один из вариантов для домашнего мастера – алюминиевая пластина толщиной от 6 мм и размерами от 150х250 мм с насверленными по радиусам от места установки охлаждаемого элемента в шахматном порядке отверстиями увеличивающегося диаметра. Она же послужит задней стенкой корпуса БП, как на Рис. 4.

Непременное условие эффективности такого охладителя – пусть слабый, но непрерывный ток воздуха сквозь перфорацию снаружи внутрь. Для этого в корпусе (желательно вверху) устанавливают маломощный вытяжной вентилятор. Подойдет компьютерный диаметром от 76 мм, напр. доп. кулер HDD или видеокарты. Его подключают к выводам 2 и 8 DA1, там всегда 12В.

Примечание: вообще-то радикальный способ побороть эту проблему – вторичная обмотка Тр с отводами на 18, 27 и 36В. Первичное напряжение переключают смотря по тому, какой инструмент в работе.

И все-таки ИБП

Описанный БП для мастерской хорош и весьма надежен, но таскать его с собой на выезд тяжко. Вот тут и придется впору компьютерный БП: к большинству его недостатков электроинструмент нечувствителен. Некоторая доработка сводится чаще всего к установке выходного (ближайшего к нагрузке) электролитического конденсатора большой емкости с целью, описанной выше. Рецептов переделки компьютерных БП под электроинструмент (преимущественно шуруповерты, как не очень мощные, но очень полезные) в рунете известно немало, один из способов показан в ролике ниже, для инструмента на 12В.

Видео: БП 12В из компьютерного

С инструментами на 18В еще проще: при той же мощности они потребляют меньший ток. Здесь может пригодится куда более доступное устройство зажигания (балласт) от лампы-экономки на 40 и более Вт; его можно целиком поместить в корпус от негодной АКБ, и снаружи останется только кабель с сетевой вилкой. Как из балласта от сгоревшей экономки сделать блок питания для шуруповерта на 18В, см. следующее видео.

Видео: БП 18В для шуруповерта

Высокий класс

Но вернемся к СНН на ЭП, их возможности далеко еще не исчерпаны. На Рис. 5 – двухполярный мощный блок питания с регулировкой 0-30 В, пригодный для Hi-Fi звуковой аппаратуры и прочих привередливых потребителей. Установка выходного напряжения производится одной ручкой (R8), а симметрия каналов поддерживается автоматически при любой его величине и любом токе нагрузки. Педант-формалист при виде этой схемы, возможно, поседеет на глазах, но у автора такой БП исправно работает уже около 30 лет.

Мощный двухполярный регулируемый блок питания

Главным камнем преткновения при его создании было ?r = ?u/?i, где ?u и ?i – малые мгновенные приращения напряжения и тока соответственно. Для разработки и наладки высококлассной аппаратуры нужно, чтобы ?r не превышало 0,05-0,07 Ом. Попросту, ?r определяет способность БП мгновенно реагировать на броски тока потребления.

У СНН на ЭП ?r равно таковому ИОН, т.е. стабилитрона, деленному на коэффициент передачи тока ? РЭ. Но у мощных транзисторов ? на большом коллекторном токе сильно падает, а ?r стабилитрона составляет от единиц до десятков Ом. Здесь же, чтобы компенсировать падение напряжения на РЭ и уменьшить температурный дрейф выходного напряжения, пришлось набрать их целую цепочку пополам с диодами: VD8-VD10. Поэтому опорное напряжение с ИОН снимается через дополнительный ЭП на VT1, его ? умножается на ? РЭ.

Следующая фишка данной конструкции – защита от КЗ. Простейшая, описанная выше, в двухполярную схему никак не вписывается, поэтому задача защиты решена по принципу «против лома нет приема»: защитного модуля как такового нет, но есть избыточность параметров мощных элементов – КТ825 и КТ827 на 25А и КД2997А на 30А. Т2 такой ток дать не способен, а пока он разогреется, успеют сгореть FU1 и/или FU2.

Примечание: делать индикацию перегорания предохранителей на миниатюрных лампах накаливания не обязательно. Просто тогда светодиоды были еще довольно дефицитны, а СМок в загашнике насчитывалось несколько горстей.

Осталось уберечь РЭ от экстратоков разряда фильтра пульсаций С3, С4 при КЗ. Для этого они включены через ограничительные резисторы малого сопротивления. При этом в схеме могут возникнуть пульсации с периодом, равным постоянной времени R(3,4)C(3,4). Их предотвращают С5, С6 меньшей емкости. Их экстратоки для РЭ уже не опасны: заряд стечет быстрее, чем кристаллы мощнющих КТ825/827 разогреются.

Симметрию выхода обеспечивает ОУ DA1. РЭ минусового канала VT2 открывается током через R6. Как только минус выхода по модулю превзойдет плюс, он приоткроет VT3, а тот подзакроет VT2 и абсолютные величины выходных напряжений сравняются. Оперативный контроль за симметрией выхода осуществляется по стрелочному прибору с нулем посередине шкалы P1 (на врезке – его внешний вид), а регулировка при необходимости – R11.

Последняя изюминка – выходной фильтр С9-С12, L1, L2. Такое его построение необходимо для поглощения возможных ВЧ наводок от нагрузки, чтобы не ломать голову: опытный образец глючит или БП «заколбасило». С одними электролитическими конденсаторами, зашунтированными керамикой, тут полной определенности нет, мешает большая собственная индуктивность «электролитов». А дроссели L1, L2 разделяют «отдачу» нагрузки по спектру, и – каждому свое.

Этот БП в отличие от предыдущих требует некоторой наладки:

1. Подключают нагрузку на 1-2 А при 30В;
2. R8 ставят на максимум, в крайнее верхнее по схеме положение;
3. С помощью эталонного вольтметра (сейчас подойдет любой цифровой мультиметр) и R11 выставляют равные по абсолютной величине напряжения каналов. Может быть, если ОУ без возможности балансировки, придется подобрать R10 или R12;
4. Подстроечником R14 выставляют P1 точно на ноль.

Примечание: радиаторы РЭ – наподобие описанного выше, но большего размера, 180х340 мм. Они составляют боковые стенки корпуса. С7, С8 – антипаразитные.

О ремонте БП

БП выходят из строя чаще других электронных устройств: они принимают на себя первый удар бросков сети, им много чего достается и от нагрузки. Даже если вы не намерены делать свой БП, ИБП найдется, кроме компа, в микроволновке, стиралке и др. бытовой технике. Умение диагностировать БП и знание основ электробезопасности даст возможность если не устранить неисправность самому, то уж со знанием дела поторговаться о цене с ремонтниками. Поэтому посмотрим, как производится диагностика и ремонт БП, особенно с ИИН, т.к. свыше 80% отказов приходится на их долю.

Насыщение и сквозняк

Прежде всего – о некоторых эффектах, без понимания которых работать с ИБП нельзя. Первый из них – насыщение ферромагнетиков. Они не способны принять в себя энергии более определенной величины, зависящей от свойств материала. На железе любители с насыщением сталкиваются редко, его можно намагнитить до нескольких Тл (Тесла, единица измерения магнитной индукции). При расчете железных трансформаторов индукцию берут 0,7-1,7 Тл. Ферриты выдерживают только 0,15-0,35 Тл, их петля гистерезиса «прямоугольнее», и работают на повышенных частотах, так что вероятность «заскочить в насыщение» у них на порядки выше.

Если магнитопровод насытился, индукция в нем более не растет и ЭДС вторичных обмоток пропадает, хоть бы первичка уже плавилась (помните школьную физику?). Теперь выключим первичный ток. Магнитное поле в магнитомягких материалах (магнитожесткие – это постоянные магниты) не может существовать стационарно, как электрический заряд или вода в баке. Оно начнет рассеиваться, индукция падать, и во всех обмотках наведется ЭДС противоположной относительно исходной полярности. Этот эффект достаточно широко используется в ИИН.

В отличие от насыщения, сквозной ток в полупроводниковых приборах (попросту – сквозняк) явление безусловно вредное. Он возникает вследствие формирования/рассасывания объемных зарядов в p и n областях; у биполярных транзисторов – преимущественно в базе. Полевые транзисторы и диоды Шоттки от сквозняка практически свободны.

Напр., при подаче/снятии напряжения на диод он, пока заряды не соберутся/рассосутся, проводит ток в обеих направлениях. Именно поэтому потери напряжения на диодах в выпрямителях больше 0,7В: в момент переключения часть заряда фильтрового конденсатора успевает стечь через обмотку. В выпрямителе с параллельным удвоением сквозняк стекает сразу через оба диода.

Сквозняк транзисторов вызывает выброс напряжения на коллекторе, способный испортить прибор или, если подключена нагрузка, сквозным экстратоком повредить ее. Но и без того транзисторный сквозняк увеличивает динамические потери энергии, как и диодный, и уменьшает КПД устройства. Мощные полевые транзисторы ему почти не подвержены, т.к. не накапливают заряд в базе за ее отсутствием, и поэтому переключаются очень быстро и плавно. «Почти», потому что их цепи исток-затвор защищены от обратного напряжения диодами Шоттки, которые чуточку, но сквозят.

Типы ИНН

ИБП ведут свою родословную от блокинг-генератора, поз. 1 на Рис. 6. При включении Uвх VT1 приоткрыт током через Rб, по обмотке Wк течет ток. Мгновенно вырасти до предела он не может (снова вспоминаем школьную физику), в базовой Wб и обмотке нагрузки Wн наводится ЭДС. С Wб она через Сб форсирует отпирание VT1. По Wн ток пока не течет, не пускает VD1.

Типовые схемы импульсных инверторов напряжения

Когда магнитопровод насытится, токи в Wб и Wн прекращаются. Затем за счет диссипации (рассасывания) энергии индукция падает, в обмотках наводится ЭДС противоположной полярности, и обратное напряжение Wб мгновенно запирает (блокирует) VT1, спасая его от перегрева и теплового пробоя. Поэтому такая схема и названа блокинг-генератором, или просто блокингом. Rк и Ск отсекают ВЧ помехи, которых блокинг дает хоть отбавляй. Теперь с Wн можно снять некоторую полезную мощность, но только через выпрямитель 1П. Эта фаза продолжается, пока Сб не перезарядится полностью или пока не иссякнет запасенная магнитная энергия.

Мощность эта, впрочем, невелика, до 10Вт. Если попробовать взять больше, VT1 сгорит от сильнейшего сквозняка, прежде чем заблокируется. Поскольку Тр насыщается, КПД блокинга никуда не годится: более половины запасенной в магнитопроводе энергии улетает греть иные миры. Правда, за счет того же насыщения блокинг до некоторой степени стабилизирует длительность и амплитуду своих импульсов, а схема его очень проста. Поэтому ИНН на основе блокинга часто применяют в дешевых телефонных зарядках.

Примечание: величина Сб во многом, но не полностью, как пишут в любительских справочниках, определяет период повторения импульсов. Величина его емкости должна быть увязана со свойствами и размерами магнитопровода и быстродействием транзистора.

Блокинг в свое время породил строчную развертку телевизоров с электронно-лучевыми трубками (ЭЛТ), а она – ИНН с демпферным диодом, поз. 2. Здесь УУ по сигналам от Wб и цепи обратной связи ЦОС принудительно открывает/запирает VT1 прежде чем Тр насытится. При запертом VT1 обратный ток Wк замыкается через тот самый демпферный диод VD1. Это рабочая фаза: уже большая, чем в блокинге, часть энергии снимается в нагрузку. Большая потому, что при полном насыщении вся лишняя энергия улетает, а здесь этого лишку мало. Таким путем удается снимать мощность до нескольких десятков Вт. Однако, поскольку УУ не может сработать, пока Тр не подошел к насыщению, транзистор сквозит все-таки сильно, динамические потери велики и КПД схемы оставляет желать много большего.

ИИН с демпфером до сих пор живы в телевизорах и дисплеях с ЭЛТ, поскольку в них ИИН и выход строчной развертки совмещены: мощный транзистор и Тр общие. Это намного сокращает издержки производства. Но, откровенно говоря, ИИН с демпфером принципиально чахлый: транзистор и трансформатор вынуждены все время работать на грани аварии. Инженеры, сумевшие довести эту схему до приемлемой надежности, заслуживают глубочайшего уважения, но совать туда паяльник никому, кроме мастеров, прошедших профессиональную подготовку и обладающих соответствующим опытом, настоятельно не рекомендуется.

Двухтактный ИНН с отдельным трансформатором обратной связи применяется наиболее широко, т.к. обладает наилучшими качественными показателями и надежностью. Впрочем, по части ВЧ помех и он страшно грешит по сравнению с БП «аналоговыми» (с трансформаторами на железе и СНН). В настоящее время эта схема существует во множестве модификаций; мощные биполярные транзисторы в ней почти начисто вытеснены полевыми, управляемыми спец. ИМС, но принцип действия остается неизменным. Его иллюстрирует исходная схема, поз. 3.

Устройство ограничения (УО) ограничивает ток заряда емкостей входного фильтра Сфвх1(2). Их большая величина – непременное условие работы устройства, т.к. за один рабочий цикл из них отбирается малая доля запасенной энергии. Грубо говоря, они играют роль водонапорного бака или воздушного ресивера. При заряде «накоротко» экстраток заряда может превышать 100А на время до 100 мс. Rc1 и Rc2 сопротивлением порядка МОм нужны для симметрирования напряжения фильтра, т.к. малейший разбаланс его плеч недопустим.

Когда Сфвх1(2) зарядятся, устройство запуска УЗ формирует запускающий импульс, открывающий одно из плеч (какое – все равно) инвертора VT1 VT2. По обмотке Wк большого силового трансформатора Тр2 течет ток и магнитная энергия из его сердечника через обмотку Wн почти полностью уходит на выпрямление и в нагрузку.

Небольшая часть энергии Тр2, определяемая величиной Rогр, снимается с обмотки Wос1 и подается на обмотку Wос2 маленького базового трансформатора обратной связи Тр1. Он быстро насыщается, открытое плечо закрывается и за счет диссипации в Тр2 открывается ранее закрытое, как описано для блокинга, и цикл повторяется.

В сущности, двухтактный ИИН – 2 блокинга, «пихающих» друг друга. Поскольку мощный Тр2 не насыщается, сквозняк VT1 VT2 невелик, полностью «тонет» в магнитопроводе Тр2 и в конечном итоге уходит в нагрузку. Поэтому двухтактный ИИН может быть построен на мощность до нескольких кВт.

Хуже, если он окажется в режиме ХХ. Тогда за полуцикл Тр2 успеет насытиться и сильнейший сквозняк сожжет сразу оба VT1 и VT2. Впрочем, сейчас есть в продаже силовые ферриты на индукцию до 0,6 Тл, но они дороги и от случайного перемагничивания деградируют. Разрабатываются ферриты более чем на 1 Тл, но, чтобы ИИН достигли «железной» надежности, надо хотя бы 2,5 Тл.

Методика диагностирования

При поиске неисправностей в «аналоговом» БП, если он «тупо молчит», проверяют сначала предохранители, затем защиту, РЭ и ИОН, если в нем есть транзисторы. Звонятся нормально – идем дальше поэлементно, как описано ниже.

В ИИН, если он «заводится» и тут же «глохнет», проверяют сначала УО. Ток в нем ограничивает мощный резистор малого сопротивления, затем шунтируемый оптотиристором. Если «резик» видимо подгорел, меняют его и оптрон. Прочие элементы УО выходят из строя крайне редко.

Если ИИН «молчит, как рыба об лед», диагностику начинают тоже с УО (может, «резик» совсем сгорел). Затем – УЗ. В дешевых моделях в них используются транзисторы в режиме лавинного пробоя, что далеко не весьма надежно.

Следующий этап, в любых БП – электролиты. Разрушение корпуса и вытекание электролита встречаются далеко не так часто, как пишут в рунете, но потеря емкости случается гораздо чаще, чем выход из строя активных элементов. Проверяют электролитические конденсаторы мультиметром с возможностью измерения емкости. Ниже номинала на 20% и более – опускаем «дохляка» в отстой и ставим новый, хороший.

Затем – активные элементы. Как прозванивать диоды и транзисторы вы, наверное, знаете. Но тут есть 2 каверзы. Первая – если диод Шоттки или стабилитрон звонится тестером с батарейкой на 12В, то прибор может показать пробой, хотя диод вполне исправен. Эти компоненты лучше звонить стрелочным прибором с батарейкой на 1,5-3 В.

Вторая – мощные полевики. Выше (обратили внимание?) сказано, что их И-З защищены диодами. Поэтому мощные полевые транзисторы звонятся вроде бы как исправные биполярные даже негодными, если канал «выгорел» (деградировал) не полностью.

Тут единственный доступный дома способ – замена на заведомо исправные, причем обоих сразу. Если в схеме остался горелый, он немедленно потянет за собой новый исправный. Электронщики шутят, мол, мощные полевики жить друг без друга не могут. Еще проф. шуточка – «замена гей-пары». Это к тому, что транзисторы плеч ИИН должны быть строго однотипными.

Наконец, пленочные и керамические конденсаторы. Для них характерны внутренние обрывы (находятся тем же тестером с проверкой «кондюков») и утечка или пробой под напряжением. Чтобы их «выловить», нужно собрать простенькую схемку по Рис. 7. Пошагово проверка электрических конденсаторов на пробой и утечку осуществляется так:

Схема проверки электрических конденсаторов на пробой и утечку под напряжением

• Ставим на тестере, никуда его не подключая, наименьший предел измерения постоянного напряжения (чаще всего – 0,2В или 200мВ), засекаем и записываем собственную погрешность прибора;
• Включаем предел измерения 20В;
• Подключаем подозрительный конденсатор в точки 3-4, тестер к 5-6, а на 1-2 подаем постоянное напряжение 24-48 В;
• Переключаем пределы напряжения мультиметра вниз вплоть до наименьшего;
• Если на любом тестер показал хоть что-то, кроме 0000.00 (на самом малом – что-то, кроме собственной погрешности), проверяемый конденсатор не годен.

На этом методическая часть диагностики заканчивается и начинается творческая, где все инструкции – собственные знания, опыт и соображение.

Пара импульсников

ИБП статья особая, вследствие их сложности и схемного разнообразия. Здесь мы, для начала, рассмотрим пару образцов на широтно-импульсной модуляции (ШИМ), позволяющей получить наилучшее качество ИБП. Схем на ШИМ в рунете много, но не так страшен ШИМ, как его малюют…

Для светодизайна

Просто зажечь светодиодную ленту можно от любого описанного выше БП, кроме того, что на Рис. 1, выставив требуемое напряжение. Хорошо подойдет СНН с поз. 1 Рис. 3, таких несложно сделать 3, для каналов R, G и B. Но долговечность и стабильность свечения светодиодов зависят не от приложенного к ним напряжения, а от протекающего через них тока. Поэтому хороший блок питания для светодиодной ленты должен включать в себя стабилизатор тока нагрузки; по-технически – источник стабильного тока (ИСТ).

Блок питания для светодиодной ленты

Одна из схем стабилизации тока светоленты, доступная для повторения любителями, приведена на Рис. 8. Собрана она на интегральном таймере 555 (отечественный аналог – К1006ВИ1). Обеспечивает стабильный ток ленты от БП напряжением 9-15 В. Величина стабильного тока определяется по формуле I = 1/(2R6); в данном случае – 0,7А. Мощный транзистор VT3 – обязательно полевой, от сквозняка из-за заряда базы биполярного ШИМ просто не сформируется. Дроссель L1 намотан на ферритовом кольце 2000НМ K20x4x6 жгутом 5хПЭ 0,2 мм. К-во витков – 50. Диоды VD1 ,VD2 – любые кремниевые ВЧ (КД104, КД106); VT1 и VT2 – КТ3107 или аналоги. С КТ361 и т.п. диапазоны входного напряжения и регулировки яркости уменьшатся.

Работает схема так: вначале времязадающая емкость С1 заряжается по цепи R1VD1 и разряжается через VD2R3VT2, открытый, т.е. находящийся в режиме насыщения, через R1R5. Таймер генерирует последовательность импульсов с максимальной частотой; точнее – с минимальной скважностью. Безинерционный ключ VT3 формирует мощные импульсы, а его обвязка VD3C4C3L1 сглаживает их до постоянного тока.

Примечание: скважность серии импульсов есть отношение периода их следования к длительности импульса. Если, напр., длительность импульса 10 мкс, а промежуток между ними 100 мкс, то скважность будет 11.

Ток в нагрузке нарастает, и падение напряжения на R6 приоткрывает VT1, т.е. переводит его из режима отсечки (запирания) в активный (усилительный). Это создает цепь утечки тока базы VT2 R2VT1+Uпит и VT2 также переходит в активный режим. Ток разряда С1 уменьшается, время разряда увеличивается, скважность серии растет и среднее значение тока падает до нормы, заданной R6. В этом и есть суть ШИМ. На минимуме тока, т.е. при максимальной скважности, С1 разряжается по цепи VD2-R4-внутренний ключ таймера.

В оригинальной конструкции возможность оперативной регулировки тока и, соответственно, яркости свечения, не предусмотрена; потенциометров на 0,68 Ом не бывает. Проще всего регулировать яркость, включив после наладки в разрыв между R3 и эмиттером VT2 потенциометр R* на 3,3-10 кОм, выделено коричневым. Передвигая его движок вниз по схеме, увеличим время разряда С4, скважность и уменьшим ток. Другой способ – шунтировать базовый переход VT2, включив потенциометр примерно на 1 МОм в точки а и б (выделено красным), менее предпочтителен, т.к. регулировка получится более глубокой, но грубой и острой.

К сожалению, для налаживания этого полезного не только для светолент ИСТ нужен осциллограф:

1. Подают на схему минимальное +Uпит.
2. Подбором R1(импульс) и R3 (пауза) добиваются скважности 2, т.е. длительность импульса должна быть равна длительности паузы. Давать скважность меньше 2 нельзя!
3. Подают максимальное +Uпит.
4. Подбором R4 добиваются номинальной величины стабильного тока.

Для зарядки

На Рис. 9 – схема простейшего ИСН с ШИМ, пригодного для зарядки телефона, смартфона, планшета (ноутбук, к сожалению, не потянет) от самодельной солнечной батареи, ветрогенератора, мотоциклетного или автомобильного аккумулятора, магнето фонарика-«жучка» и др. маломощных нестабильных случайных источников электропитания. См. на схеме диапазон входных напряжений, там не ошибка. Этот ИСН и в самом деле способен выдавать на выход напряжение, большее входного. Как и в предыдущем, здесь наличествует эффект перемены полярности выхода относительно входа, это вообще фирменная фишка схем с ШИМ. Будем надеяться, что, прочитав внимательно предыдущее, вы в работе этой крохотульки разберетесь сами.

Простой импульсный блок питания с ШИМ для зарядки телефона

Попутно о заряде и зарядках

Заряд аккумуляторов весьма сложный и тонкий физико-химический процесс, нарушение которого в разы и десятки раз снижает их ресурс, т.е. к-во циклов заряд-разряд. Зарядное устройство должно по очень малым изменениям напряжения АКБ вычислять, сколько принято энергии и регулировать соответственно ток заряда по определенному закону. Поэтому зарядное устройство отнюдь и отнюдь не БП и заряжать от обычных БП можно только АКБ в устройствах со встроенным контроллером заряда: телефонах, смартфонах, планшетах, отдельных моделях цифровых фотокамер. А зарядка, которая зарядное устройство – предмет отдельного разговора.

На десерт

Года 3 тому назад в новостях промелькнуло мало замеченное, но любопытное сообщение: количество произведенных мировым электронпромом транзисторов, включая транзисторные структуры в чипах, превзошло количество зерен хлебных злаков, выращенных за всю историю человечества, кроме риса. Пока еще природа впереди…

Содержание

1. Слово к кулибиным
2. Чего можно ожидать?
3. Коллекторы
4. Покупные СК
5. Самодельные СК
6. Концентраторы света
7. Батареи
8. Покупные СБ
9. СБ и самоделки
10. Установка и юстировка
11. В заключение
> Обсуждение

Интерес к альтернативной энергетике неуклонно растет. Причин тому множество, и вполне объективных. Самый мощный и стабильный источник экологически чистой энергии – Солнце. Хотя по себестоимости утилизированная солнечная энергия пока уступает производимой в промышленных масштабах, ее преобразователи в тепло или электричество – солнечные панели – приобретают или мастерят своими руками многие. Дом с дающими электричество солнечными батареями и генераторами тепла – солнечными коллекторами – на крыше, в наши дни не редкость и в местах с достаточно суровым климатом, см. рис. Тем более что такое достоинство излучения Солнца, как полная независимость от техногенной среды и природных катаклизмов, заменить пока нечем.

Дом с солнечным тепло- и электроснабжением

Картинка для иллюстрации недаром взята «зимняя»: современные модели солнечных коллекторов способны давать в систему отопления теплоноситель с температурой +85 градусов Цельсия в пасмурный день при морозе –20 снаружи. По цене такие гелиоустановки достаточно доступны, но требуют для изготовления развитой производственной базы. Если же стоит задача обеспечить ГВС на даче или в загородном доме в теплое время года, когда автономное отопление выключено, то сделать пригодный для этого солнечный коллектор своими руками вполне возможно. А при наличии навыков домашнего мастера среднего уровня – установку, которая и зимой поможет отопительному котлу сэкономить немалую толику топлива, а хозяевам – деньги на него. Возможны и другие применения самодельных солнечных коллекторов; хотя бы – подогрев воды в бассейне. Цены фирменных образцов этого вида явно несуразны в сравнении с их возможностями, и там нет ничего, чего нельзя было бы сделать самому.

С автономным солнечным энергоснабжением дело сложнее. Скажем прямо: солнечных электростанций общего пользования, по всем параметрам превосходящих традиционные ТЭЦ, ГЭС и АЭС, на сегодняшний день не существует. И, пока генерация электроэнергии от Солнца не будет перенесена в космос и для этого не будет использоваться его спектр полностью, вряд ли возможна. В Евразии крайние северные точки, где срок окупаемости больших гелиоэлектростанций оказывается хоть немного меньше срока их службы – острова Эгейского моря и Туркмения.

Однако индивидуальная покупная солнечная электростанция может оказаться выгодной и в средне-высоких широтах при условии тщательного технико-экономического расчета и выбора подходящей модели; не последнюю роль в этом играет стабильность электроснабжения в данной местности. А понятие солнечная батарея своими руками может иметь вполне определенный и положительный для владельца экономический смысл, если соблюдены некоторые необременительные и бесплатные условия ее изготовления и эксплуатации, в следующих случаях:

• На даче, если батарея выставляется на Солнце (засвечивается) только на время ее посещения, об этом см. далее.
• Для зарядки мобильных телефонов или электропитания радиоприемников, нетбуков и т.п. вдали от цивилизации.
• В загородном доме для постоянного жилья – для электропитания маломощных, неприхотливых и не жизненно важных, но действующих долгое время потребителей: ламп освещения, внутренних и наружных, ноутбуков, компьютеров с UPS и т.п. «Накручивают» на счетчике они все-таки немало, но, если рассчитывать только на них, то сложность создания и стоимость постройки солнечной электростанции падают в разы.
• 

  Надувная лодка с электроприводом от солнечной батареи

  Охотникам, рыболовам, туристам, натуралистам, фотографам-пейзажистам и анималистам и прочим, проводящим много времени на природе, как мобильный и достаточно мощный источник энергии. Взгляните, напр., на рис. справа; к этой лодке мы еще вернемся. Запас хода по спокойной воде в пасмурный день – от 30 км; в ясный день летом практически неограничен. Ход настолько малошумен, что позволяет подбираться на дистанцию съемки или выстрела к таким осторожным птицам, как дикие гуси.

Как же приобрести или сделать самому эти полезные устройства, чтобы потом не жалеть о зря выброшенных деньгах? Вот этому и посвящена настоящая статья. С небольшой добавкой о солнечных концентраторах, или гелиоконцентраторах. Эти устройства собирают излучение Солнца в плотный пучок, прежде чем передать его на преобразование. В некоторых случаях добиться требуемых технических показателей установки иным путем невозможно.

В целом материал организован в 5 разделов с подразделами:

1. Существенные особенности использования солнечной энергии.
2. Солнечные коллекторы (СК), покупные и самодельные.
3. Солнечные концентраторы.
4. Солнечные батареи (СБ), в том же порядке.
5. Правильная установка и юстировка СК и СБ.
6. Вывод в заключение.

Слово к кулибиным

Любители делают солнечные батарейки из самых разных подручных материалов: полупроводниковых диодов, транзисторов, разобранных допотопных селеновых и купроксных выпрямителей, самостоятельно окисленных на электроплитке медных пластин и др. Максимум, что удается от них запитать – приемник или плеер с током потребления до 50-70 мА на средней громкости. Больше принципиально невозможно; почему – см. в разд. об СБ.

Однако порицать любителей технических экспериментов было бы совершенно глупо. Томас Альва Эдисон сказал однажды: «Все знают, что это сделать невозможно. Находится невежда, который этого не знает. Он-то и делает изобретение». В любом случае прикосновение к тонкостям высоких технологий и глубинам материи (а СБ – зримый пример того и другого) дает знания и умение их применять, т.е. сообразительность. А они – капитал, который никогда не обесценивается и доходность которого выше любых ценных бумаг.

Тем не менее, даже самые общие теоретические основы всего дальнейшего материала таковы, что самое «чуть-чуть на пальцах» выливается не в статьи – в книги. Поэтому мы далее ограничимся теми образцами на разные случаи жизни, которые можно изготовить самостоятельно дома, не вполне забыв, чему в школе учили (их, между прочим, не мало); это во-первых. Во-вторых, из них ограничимся устройствами, реально дающими тепло или ток, пригодные для бытовых и хозяйственных нужд. Некоторые утверждения автора вам тогда придется принять на веру, или обратиться к фундаментальным источникам.

Чего можно ожидать?

Вот пример разговора по телефону с торговым менеджером фирмы, продающей СБ: «А при каких условиях ваша батарея развивает заявленную мощность?» – «При любых!» – «И в Мурманске (за Полярным кругом) зимой тоже?» – молчание, отбой.

Теперь посмотрим на верхнюю карту рис. ниже. Там – районирование РФ по инсоляции специально для нужд гелиоэнергетики. Не для аграриев, растения за миллиарды лет эволюции жизни научились использовать солнечный свет экономнее. Допустим, мы живем в месте, где поток энергии Солнца 4 кВт/ч на 1 кв. м в день. В средних широтах, от весеннего до осеннего равноденствия и с учетом изменения высоты стояния Солнца в течение дня и по сезону, продолжительность светового дня примем что-то около 14 час. Точнее для конкретного географического пункта можно рассчитать на онлайновых калькуляторах, есть такие.

Ресурсы солнечной энергетики в России

Тогда поток энергии Солнца у нас выходит на круг 4/14 = 0,286 кВт/кв. м или 286 Вт/кв. м. При КПД гелиоустановки 25% (а это хороший показатель), с квадрата удастся снять 71,5 Вт мощности, тепловой или электрической. Если средне-долговременной потребляемой мощности (см. далее) нужно 2 кВт (это типичный случай), то панель преобразователя нужна площадью 2000/71,5 = 27,97 или 28 кв. м; это 7х4 м. КПД 25% – не занижено ли? Да, из панелей можно выжать и больше. Значительная часть дальнейшего материала посвящена тому, как именно.

Примечание: для справки – солнечная постоянная, т.е. плотность потока энергии Солнца во всем спектре излучения от сверхдлинных радиоволн до сверхжесткого гамма-излучения, в космосе на земной орбите составляет 1365,7 Вт/кв. м. На экваторе в полдень в дни равноденствия (Солнце в зените) – около 1 кВт/кв. м. Торговцы частенько этого не знают, но вы-то имейте в виду.

Хорошо, а как же тогда обещания производителей? Панель, допустим, 1х1,5 м, и для нее заявляют мощность в 1 кВт. Вроде бы и не против физики с астрономией, но выглядит в средних широтах под шубой атмосферы явно нереально. Правильно заявляют, не врут. Только измерена мощность на их испытательном стенде под специальными лампами. Если хотят быть со мной честными до конца, пусть приезжают и светят ими на мою панель, а электричество для этого берут где угодно.

Карта под первой нужна, чтобы дополнительно определиться с ценовой категорией или выбором конструкции предполагаемой установки. СБ и, особенно, СК, способные работать в пасмурную погоду, сложнее и дороже тех, которые действуют только на прямом свету. В году 365х24 = 8760 часов. С учетом того, что в высоких широтах летом продолжительность светового дня больше, СК или СБ могут в Якутске или Анадыре оказаться окупаемыми в течение расчетного срока эксплуатации, а в Подмосковье или Рязани – нет. Т.е. имейте также ввиду, что гелиоэнергетика как выгодное подспорье обычной возможна не только в Сахаре или пустыне Мохаве.

Промежуточный итог

Из этого раздела следует важный для всего дальнейшего вывод: присматривая панель для покупки или повторения, интересуйтесь прежде всего площадью эффективно воспринимающей (или поглощающей) свет поверхности, а уж по ней подсчитывайте все остальное. Причем может оказаться, что по маркетинго-потребительским представлениям панель вроде бы худшая в данном конкретном случае выйдет выгоднее «крутой».

Коллекторы

Принцип работы

В основе работы любого СК лежит парниковый эффект. Сущность его хорошо известна: возьмем открытую с одной стороны камеру с поглощающей свет поверхностью. Закроем ее крышкой, прозрачной для видимого света (желательно также – ультрафиолета, УФ), но хорошо отражающей тепловое (инфракрасное, ИК) излучение. Этим условиям в значительной степени удовлетворяют силикатное стекло и оргстекла; почти полностью – кварцевое стекло и др. минеральные стекла на основе плавленого кварца.

Примечание: называть пропускающие УФ стекла минеральными вообще-то неправильно, т.к. силикатное стекло тоже минеральное. Лучше было бы сохранить прежнее название «кварцевое стекло», т.к. большую часть шихты для выплавки УФ-прозрачных стекол составляет дробленый кварц. Есть еще турмалиновые стекла, но не для быта – в переплавку на них идут кристаллы драгоценных камней.

Солнечный свет, попав в камеру, поглотится ею, и камера нагреется. Чтобы избежать теплопотерь, снабдим ее теплоизоляцией. Тогда тепловая энергия превратится в ИК, но через крышку оно выйти наружу и рассеяться не сможет. Теперь ИК не остается ничего иного, как греть помещенный внутрь теплообменник с теплоносителем или продуваемый через камеру воздух. Если их нет, температура внутри будет повышаться до тех пор, пока разность температур внутри и снаружи не «продавит» избыточное тепло сквозь теплоизоляцию и не установится термодинамическое равновесие.

Модель абсолютно черного тела

Что такое АЧТ

Чтобы лучше разобраться в дальнейшем, вам нужно знать, как работает пирамидальная, или игольчатая, модель абсолютно черного тела (АЧТ); поскольку другие нам не понадобятся, далее, если речь пойдет о модели АЧТ, «пирамидально-игольчатая» везде опускаем. В рунете, и в инете вообще, о ней толком ничего не доищешься, но в лабораторной практике и технике такие успешно применяются. Как она устроена – ясно из рис. справа. А в данном случае – поглощение света в СК будет тем лучше, чем ее покрытие или сама конфигурация эффективно поглощающей поверхности (ЭПП) ближе по свойствам к модели АЧТ.

Примечание: АЧТ называется тело, поглощающее электромагнитное излучение любой частоты. Древесная сажа, напр. – не АЧТ, при фотосъемке через ИК-фильтр она выглядит светло-серой. Пирамидально-игольчатая модель АЧТ способна поглощать любые, не только электромагнитные, колебания. Так, в акустике поролоновыми пирамидками оклеивают внутренние поверхности звукомерных камер.

Покупные СК

Если вы решили купить солнечный коллектор, вам придется столкнуться с вилкой цен за 1 кв. м поглощающей площади в 2000-80 000 руб. И учтите, на вид выставляется только итоговая стоимость, а площадь ЭПП если и прописывают, то мелким шрифтом. Также, выбирая модель, нужно обязательно поинтересоваться, комплектуется ли она накопительным баком и элементами обвязки, о них подробнее см. далее. Попробуем разобраться, чем объясняется такой разнобой и всегда ли он оправдан.

Примечание: теоретически срок службы СК неограничен. Практически – у более-менее приличных моделей при правильной эксплуатации составляет не менее 15 лет. Поэтому при обоснованном выборе с окупаемостью проблем не возникает, лишь бы климат позволял их использовать.

Виды и назначение

В быту более всего применяются СК 3-х видов конструктивного исполнения, см. рис. Слева – плоский СК, в центре – вакуумный, справа – компактный. Все они могут выполняться как безнапорными, на термосифонной циркуляции, так и напорными. Первые в 1,5-5 раз дешевле напорных аналогов, т.к. в них проще обеспечить прочность и герметичность. Безнапорные СК греют теплоноситель относительно медленно, поэтому предназначены более для ГВС в теплое время года. Обвязка простая и недорогая; иногда совмещается с панелью в один конструктив.

Солнечные коллекторы бытового назначения

В напорных теплоноситель либо прокачивается циркуляционным насосом (что делает их энергозависимыми), либо в теплообменник подается водопроводная вода. Это, разумеется, требует конструкции прочнее и надежнее, плюс сложная энергозависимая обвязка и управляющий ею контроллер. Растет соответственно и цена. Но только напорные СК пригодны для отопления дома в холодное время года, т.к. греют быстро. Большинство моделей – всесезонные; продаваемые в РФ, с учетом климатических условий, чаще всего рассчитаны на совместную работу с котлом отопления, т.е. являются вспомогательными устройствами.

Напорные СК бывают прямого и косвенного нагрева. В первом случае СК включается непосредственно в контур СО (системы отопления). Во втором – первый, воспринимающий солнечную энергию, контур СК заполняется антифризом, а вторичный теплоноситель нагревается в теплообменнике 2-го контура.

Вторые, естественно, дороже, т.к. способны работать в мороз в любом климате. Первые применяются преимущественно для отопления весной и осенью. Тем не менее, именно напорные СК прямого нагрева (одноконтурные) скорее всего окажутся выгодными для индивидуальной СО: в межсезонье, на очень малой мощности, КПД котла на твердом топливе сильно падает. Но как раз в это время тепловой мощности СК на дом и хватит, стоят же одноконтурные относительно недорого. Нужно только предусмотреть в СО соответствующую запорно-распределительную арматуру и осенью до настоящих холодов СК отключать и опорожнять.

Плоские

Устройство плоского солнечного коллектора

Схема плоского СК приведена на рис. справа; принцип действия полностью соответствует описанному выше. Работоспособны такие, как правило, только в теплое время года. КПД, в зависимости от конструктивного исполнения, лежит в пределах 8-60% Воду выдают с температурой до 45-50 градусов. Напорными выпускаются крайне редко, усложнение конструкции при этом делает их неконкурентоспособными с вакуумными. Уплотнения теплообменника рассчитаны на заполнение только водой, т.к. летом в антифризе нет нужды. На цену (подчеркнем – за 1 кв. м ЭПП; нужно каждый раз пересчитывать самому по данным спецификации) влияют в основном следующие факторы:

• Покрытие (прозрачная изоляция) стекла.
• Разновидность самого стекла.
• Конструкция и качество поглощающей панели.

Покрытие стекла играет роль прежде всего просветляющей пленки в оптических приборах: уменьшает преломление света на границе раздела сред и светопотери на боковое отражение. В правильно установленных летних СК (см. в конце, перед заключением) эти потери невелики или, в южных краях, вовсе незаметны. Кроме того, покрытие истирается несомой ветром пылью и гарантия на него чаще всего не распространяется. Поэтому покрытие – первое, на чем возможно сэкономить. Если заметна разница в цене за счет покрытия для схожих по техданным моделей – берите «голую», скорее всего не разочаруетесь.

Собственно стекло – важнейший элемент и ориентироваться при выборе нужно прежде всего по нему:

1. Минеральное – пропускает УФ, что намного усиливает парниковый эффект.
2. Текстурированное (структурированное) – имеет на поверхности специальный микрорельеф, обеспечивающий практически равную эффективность на прямом и рассеянном свете, т.е. в ясную и пасмурную погоду.
3. Минеральное структурированное – сочетает оба эти качества и вдобавок практически не дает бокового отражения в довольно большом диапазоне углов падения без просветления.
4. Силикатное с присадками – структурированное или нет, не пропускает УФ, неважно отражает ИК и дает без просветления значительное боковое отражение. На КПД более 20% с ним рассчитывать не следует.
5. Органическое – с любыми усовершенствованиями через 5-7 лет максимум помутнеет от пыли, но отдельные его виды способны обеспечить максимальные значения КПД.

Исходя из этого, для СК постоянного пользования выбор следует делать в пользу минерального структурированного стекла. Оно позволяет обойтись меньшей площадью СК и зачастую в конечном итоге выиграть на стоимости всей установки. На даче выходного дня важна также скорость нагрева воды и начальная стоимость коллектора, поэтому туда более подойдет СК с оргстеклом. Установка, кроме дешевизны, будет компактнее и легче; на будни и на зиму ее можно закрывать чехлом или вовсе уносить в дом, так что износостойкость в данном случае фактор не определяющий.

Свойства светопоглощающих покрытий

Под хорошим стеклом КПД СК от конструкции поглощающей панели (абсорбера) зависит мало. Не то – поглощающее покрытие (зачернение) ЭПП. Свойства различных покрытий солнечных абсорберов показаны на рис. справа. Закономерность – как всегда, чем эффективнее, тем и дороже. Здесь опять необходимо просчитывать разные модели, выходя на минимум стоимости 1 кв. м панели. И вообще, при любых расчетах СК, надо помнить, как отченаш – наибольшая экономия достигается сокращением необходимой площади панели (панелей). Заодно проверяются и продавцы: если, скажем, в спецификации заявлена селективная покраска и обещают КПД 75% – посылайте их на испытательный стенд под лампы, там жарко, как в аду. Ясно ведь, что КПД всей установки не может быть выше, чем ее части.

О баке

Накопительный бак для СК необходим не только удобства ради. На карте выше даны среднегодовые значения инсоляции. Для летней установки при расчете их можно повысить примерно в 1,7 раза, а для сезонной весна-лето-осень – на 25%. Но и это будет только средним значением, теперь по сезону. А в зависимости от погоды величина инсоляции может «прыгать» день ото дня в 1,5-3 раза в зависимости от местного климата. Накопленная в баке нагретая вода, при условии хорошей его теплоизоляции, примет излишек тепла в ясный жаркий день и отдаст в пасмурный. В результате действительный КПД установки возрастает на четверть-треть. А в конечном итоге, грамотно поколдовав над местными данными, в средней полосе РФ частенько удается сократить требуемую площадь ЭПП вдвое и более против определенной прикидочным расчетом, приведенным выше. Соответственно – и затраты на установку.

Описываемые ниже вакуумные СК без бака-теплоаккумулятора неработоспособны. В них он либо включен в готовый конструктив, либо входит в комплект поставки. А вот с плоскими СК ситуация прямо противоположная и напоминает положение дел с фототехникой во время агонии «мокрой» пленочной фотографии. Тогда, напр., за отличную зеркальную «Минолту» с зум-объективом просили аж $190. А самый дрянной фотоувеличитель стоил где-то $600. Т.е., взял одно, без другого уже не обойдешься, так что – выворачивай карманы.

Применительно к плоским СК, цены на опциональные или рекомендуемые фирменные баки для них выглядят завышенными просто безобразно. Поэтому, если вы умеете мастерить, бак лучше делать самому, выдержав только предписанный в спецификации на панель его объем. И не верьте угрозам торговцев – самодельный бак можно сделать ничуть не худшим «фирмы». Как – об этом далее, в разделе о самоделках.

Вакуумные

Вакуумные СК способны нагревать теплоноситель до 80-85 градусов, а их КПД достигает 74% и только у самых дешевых бывает ниже 50%. Частично это определяется конструкцией поглощающей панели из рядов труб; промежутки между ними действуют наподобие модели АЧТ, только по одной координате. Но главную роль для обеспечения высокой эффективности здесь играет то, что теплообменник располагается в вакуумной колбе или системе таких колб. Дело тут не в теплоизоляции (для излучений вакуум ее вовсе не дает), а в отсутствии конвекции воздуха в камере. Это позволяет распределить температуру по поверхности теплообменника оптимальным образом. В газонаполненной камере конвекционные потоки ее выравнивают.

На рис. показано устройство 2-х самых употребительных видов вакуумных СК. Слева – 1-контурный летний или сезонный. Примерно так устроена показанная выше на рис. с типами СК российская «Дачница». Заправляются такие водой, ее температура на выходе – под 60 градусов. Здесь особенно ясно видна роль вакуума: если в колбу натечет воздух, его конвекция выровняет температуру внутренней трубки и никакой «термосифонки» в ней не будет.

Устройство вакуумных солнечных коллекторов

Оболочка колбы выполняется из стекол разных видов, см. выше. Внутренняя трубка – приемник энергии (ПЭ) и теплообменник. Много споров, вплоть до взаимных оскорблений и поношений на форумах, порождает вопрос: что лучше зачернять – внутреннюю трубку снаружи или внутреннюю поверхность оболочки? С точки зрения наивысшего КПД – ПЭ. При этом потери ИК минимальны, т.к. оболочка выполняется их хорошо отражающего ИК стекла. Именно так устроены приборы для измерения инсоляции – актинометры, только там вместо трубок сферы.

Недорогую безнапорную вакуумную СК для мест с небольшой инсоляцией и сиянием поэтому лучше брать с зачернением ПЭ, однако в южных регионах со среднегодовой инсоляцией более 4 кВт*ч/день при величине сияния свыше 2000 час/год она в разгар лета может закипеть, а это почти всегда означает разгерметизацию и полный выход из строя. Здесь надежнее будет система с зачернением оболочки изнутри.

Также с зачернением оболочки изнутри выполняются СК напорные (врезка слева вверху на рис.) В таком случае ценой некоторой утечки ИК через оболочку достигается высокая его концентрация по оси колбы, что необходимо для хорошего и быстрого прогрева сильного потока воды. Дополнительно в самых эффективных 1-контурных напорных СК зачерняют еще центральную (подающую) трубу, но греет она преимущественно обтекающий ее восходящий поток.

Справа на рис. – 2-контурная СК с тепловой трубкой и двойной колбой из стекла разных сортов. Именно такие и питают СО круглый год теплоносителем с температурой под 90 градусов: концентрация ИК на тепловой трубке обеспечивает испарение теплоносителя 1-го контура. Который, между прочим, совсем не вода. Поэтому 2-контурные СК саморемонту не подлежат. Эффективность денег стоит, и в данном случае больших. Поэтому, копаясь в прайсах-прейскурантах, сугубое внимание обращаем на:

• Производит ли поставщик расчет установки по данным измерений на месте.
• Входит ли в комплект поставки обвязка (см. ниже).
• Осуществляют ли фирменные специалисты подключение установки к имеющейся СО.
• Гарантируются ли в таком случае заявленные параметры.
• Как долго действует гарантия.
• Предоставляется ли и сколько стоит плановое и внеочередное техобслуживание.

Подключение и обвязка

Круглогодичные напорные СК для предотвращения замерзания и разрыва зимой заполняются антифризом. Упрощенная схема их подключения показана слева на рис: контроллер по соотношению температур на подаче, обратке и в баке «раскручивает», насколько требуется, циркуляционный насос.

Подключение напорных солнечных коллекторов

Напорные отопительные гелиосистемы комплектуются аккумулирующим баком с теплоизоляцией. В РФ более всего продаются системы, предназначенные для подключения к действующей СО с котлом. Водонагреватель для системы солнечного отопления должен иметь соответствующую конструкцию, в центре на рис. Кроме дополнительного змеевика для подключения котла (в баке вверху), нижний, запитываемый от СК, разделяется на 2 части; верхняя примерно вдвое больше нижней и навивается конусом, внизу в баке. Нижняя спираль возбуждает конвективный ток воды, а верхняя осуществляет теплоотдачу в него.

Такое решение необходимо, чтобы температура обратки котла не упала ниже 45 градусов, иначе в нем может выпасть кислотный кондесат, быстро выводящий котел из строя. Когда Солнце не светит и СК котлу помочь ничем не может, в конической спирали образуется водяная пробка, не позволяющая холодной «подушке» подняться вверх к змеевику котла.

Помимо специального бака, при включении СК в домашнюю СО необходима и обвязка для него, справа на рис. Прежняя обвязка котла (на рис. условно не показана) полностью сохраняется! Котел «чувствует» работу СК только как потепление погоды! Собственно процедура подключения солнечной системы к СО несложна: подачу и обратку СО отключают от котла и подключают к баку СК. А соответствующие патрубки котла подключают к штуцерам верхнего теплообменника бака СК.

О модульных СК

Описанные выше системы представляют собой цельные конструктивы. Но в продаже есть и модульные СК, набираемые из панелей до получения нужных параметров, напр, российский «Гелиопласт», см. рис. справа. Подключая панели параллельно или последовательно, можно получить либо больший поток теплоносителя, либо большую его температуру. Стоимость модульных СК немала, напр. 1 панель «Гелиопласта» стоит около $300. Однако, переключая трубопроводы трехходовыми вентилями, можно всю систему переводить из режима «весна-осень» на «лето» и обратно. Или, к примеру, «душ/кухня – бассейн».

Примечание: модульные СК, как более дорогие, рассчитаны на эксплуатацию при любых плюсовых температурах, или – от +(10-15), и в пасмурную погоду.

Компактные

Осталось упомянуть о компактных СК. Используются они, как правило, для подогрева воды в бассейнах, чтобы большими техногенного вида конструкциями пейзаж не портить. Цены относительно техпараметров – несусветные; Мерседес-Бенц с его «за звездочку», тут, как говорится, отдыхает. Конструкция несложна и вполне повторяема своими руками, см. в разделе о концентраторах света.

Самодельные СК

Для самостоятельного изготовления доступны более всего плоские дачно-загородные летние СК для ГВС. Сезонно-отопительные оказываются настолько сложными и трудоемкими, что проще и выгоднее выходит купить готовую панель. Зато по части самоделок из подручных материалов умельцы иногда создают образцы, уступающие лучшим промышленным разве что по внешнему виду, но обходящиеся буквально в копейки. Пойдем по порядку.

Ящик, стекло, утепление

Корпус самодельного плоского СК лучше всего делать из дерева, фанеры, ОСП и т.п. Долговечность и стойкость ему придаст двукратная пропитка водно-полимерной эмульсией перед покраской. Толщину днища желательно брать от 20 мм (лучше – от 40), чтобы от термических деформаций не образовались щели. На боковины пойдет доска (120-150)х20. Ниже корпус делать нежелательно, т.к. усилится утечка ИК сквозь стекло. Снаружи окрашивают как угодно, а внутри – как подложку «пирога», см. ниже. Размеры в плане рассчитываются исходя из величины инсоляции и требуемой мощности.

Стекло лучше взять подешевле и полегче, органическое. Хорошо подойдет монолитный поликарбонат толщиной 4 мм: его светопропускание приемлемо, 0,92, цена невысока, а относительно небольшой коэффициент преломления обеспечит небольшое боковое отражение. Плохое пропускание УФ частично компенсируется малой теплопроводностью. По поверхностной износостойкости поликарбонат – одно из лучших органических стекол, для дешевой самоделки его хватит.

Утепляют корпус пенопластом; для летнего СК достаточно 20-30 мм. Утепляют в 2 слоя равной толщины с прокладками из алюминиевой фольги, но об этом ниже. Утеплять ящик прочности ради нужно изнутри. Если вы читали статьи об утеплении зданий, учтите: при разности температур, которую плоский СК обеспечивает, и при достаточно высокой температуре снаружи говорить о блужданиях точки росы не приходится.

Абсорбер света самодельного солнечного коллектора

Непременное дополнение к утеплению – герметизация всех стыков и мест проводки трубопроводов силиконом. Сквозь малейшую щелочку с током воздуха «высвистит» столько тепла, что толку от СК если и будет, так только «для вида». Сначала герметизируют корпус (до покраски); после установки теплообменника – трубки, а стекло укладывают на «колбаску» герметика, нанесенную в выбранную по верху бортов четверть. Дополнительно фиксируют сверху рамкой, скобками и т.п.

Пирог

«Пирог» (см. рис. справа) в данном случае – хорошо поглощающая ИК-излучение подложка и быстро, пока ИК-кванты не успели «удрать», отдающая тепло в теплообменник. Основа «пирога» ­– алюминиевая пластина. Медь подходит хуже из-за высокой теплоемкости. Дополнительные экраны из фольги большую часть «беглецов» возвращают обратно; дерево и пенопласт для ИК – материалы не вполне непрозрачные.

Вторая изюминка «пирога» – покраска. Красят заодно с уже установленным на хомутах теплообменником. Красить нужно масляной (медленно сохнущей) черной краской на пигменте «Сажа газовая»; его можно приобрести в художественных магазинах. Краски на основе синтетических пигментов в ИК-лучах будут совсем не черными.

После покраски нужно подождать, пока краска не подсохнет до сухого отлипа, т.е. на ней после легкого нажатия пальцем должен остаться его отпечаток, а сам палец не испачкаться. Тогда красочное покрытие пробивают поролоновым тампоном или очень мягкой торцевой кистью. Последнее лучше, но требует определенного навыка, чтобы не проткнуть еще мягкое покрытие насквозь. В итоге получится пленка, довольно-таки напоминающая по свойствам модель АЧТ.

Примечание: очень хороший вариант – старая тонкостенная штампованная отопительная батарея. Тогда не нужно искать алюминий. Только красить надо, как описано выше, а не оставлять как было, см. рис.

 

 

Теплообменник

Самый простой и достаточно эффективный теплообменник – спиральный из тонкостенного пропиленового шланга, см. рис. справа. Он сам по себе уже похож на модель АЧТ. Медный такой же будет еще лучше, но значительно дороже. Однако у плоского спирального теплообменника есть неприятное свойство: в любом положении, кроме строго горизонтального, со временем неизбежно завоздушивание: при нагреве из воды выделяется растворенный в ней воздух, а восходящих дуг, где ему можно скапливаться – хоть отбавляй. Тем не менее, теплообменник в виде плоской спирали может найти применение в самодельном СК для бассейна с компактным концентратором, см. далее.

Солнечный коллектор из шланга

Лучший теплообменник – зигзагообразный из медной трубки с просветом диаметром 10-12 мм. Почему именно таким? Потому, что для быстрейшего нагрева воды в баке тепловая мощность камеры СК должна быть немного больше той, которую способен принять теплообменник с водой и при заданной разнице температур; для самодельных СК – 15-25 градусов. Иначе температура воды на выходе будет сначала слишком низкой, и ей придется сделать много оборотов в системе, пока бак нагреется.

Второй параметр, который обусловил выбор трубки – сопротивление току воды. При увеличении просвета трубы с 5 до 10 мм оно падает быстро, а далее – медленнее. Третий фактор – минимально допустимый радиус ее изгиба, 5 диаметров для тонкостенной трубки без покрытия (для сплит-систем кондиционеров). Тогда ширина петель зигзага получается 100 мм, что как раз оптимально с точки зрения теплопередачи. И можно пользоваться обычным ручным трубогибом.

Примечание: эти соотношения справедливы для описанного «пирога» на алюминиевой подложке. Что касается штампованных радиаторов отопления, то там все просчитано до нас. То, что хорошо отдает тепло, хорошо его и поглощает. Это одна из аксиом термодинамики.

Не зная этих обстоятельств, можно совершить типичные ошибки, см. рис. Слева – толстая труба с широкими петлями не примет сразу все генерируемое ящиком тепло. Плохой КПД, медленный нагрев. В центре наоборот, мощность камеры для данного теплообменника недостаточна. КПД может быть приемлемым, но греться бак будет все равно долго. Кроме того – кошмарная работа по сборке, выявлению и устранению утечек («Все герметичные стыки текут» – один из законов Мерфи). Справа – все вроде бы ОК, включая покрытие теплообменника (радиатор старого холодильника). Но просвет трубки – 3-4 мм, этого мало. «Не протолкнувшемуся» к воде ИК деваться некуда, кроме как зря наружу, а повышенное сопротивление току жидкости (вода – не фреон) гарантирует низкий КПД и медленный нагрев.

Малоэффективные теплообменники самодельных солнечных коллекторов

Примечание: КПД описанного выше СК при аккуратном исполнении превышает 20%, что сопоставимо с промышленными образцами данного типа.

Снова бак

Пришло время заняться баком-аккумулятором вплотную: без него от СК толку будет чуть. Начнем с расчета объема – нам нужно за день взять от Солнца все, что позволяет СК и сохранить подольше; это особенно важно, если от панели задействовано и отопление. Маленький бак скоро прогреется и затем СК будет «кочегарить» без пользы, т.к. разогреваться до бесконечности он не может. В слишком большом баке вода за день не успеет нагреться до температуры, которую способен обеспечить СК, и мы опять же не используем полностью тепловой потенциал данной площади. Почему берем – за день? Потому, что рассчитываем на сезонное использование с подогревом, а к ночи уже может понадобиться отопление. Летом же на даче – чтобы помыться, не дожидаясь вечера; желательно – нескольким людям.

Пусть места у нас не совсем хмурые, и 4 кВт*ч/день мы получаем. Тогда, см. выше, Солнышко на 1 кв. м изливает мощность 286 Вт. Размеры ЭПП возьмем 1х1,5 м (это для примера, сделаете большую – хуже не будет), т.е. площадь ЭПП – 1,5 кв. м; КПД СК примем 20%. Получаем: 286 Вт х 1,5 х 0,2 = 85,6 Вт, это тепловая мощность нашей панели. 1 Вт = 1 Дж*с, т.е. каждую секунду СК выдает в трубу (подающую) 85,6 Дж. А за 12 световых часов – 85,6 х 12 х 3600 = 3 697 720 Дж или 3 697,72 кДж.

Сколько воды сможет принять это в себя? Зависит от разности температур. Возьмем исходную в 12 градусов (мелкозаглубленный водопровод весной/осенью или колодец); конечную – 45 градусов, т.е. нагрев будет на 33 градуса. Теплоемкость воды – 1 ккал/л или 4,1868 кДж/л (1 кал – 4,1868 Дж). При нагреве на 33 градуса 1 л воды примет 4,1868 х 33 = 138,1644 кДж. Емкость понадобится всего-то чуть больше 26 л. Летом, при высоком стоянии Солнца и длинном световом дне – под 50 л. Или, в расчете на несколько ясных дней кряду и хорошей теплоизоляции бака – до 200 л. Что, в общем-то и сложилось стихийно: баков, больших, чем из бочки, любители не делают.

Погодите, но ведь люди-то под солнечным душем моются? Отопление – шут пока с ним, ясно, что тут нужны как минимум 4 панели. И теплопотери не мешало бы учесть, хотя бы 20% от накопленного за ночь. Верно, на то и техника, чтобы обходить ограничения упрямой теории. К слову: «Нет ничего практичнее хорошей теории» – это все тот же великий практик Эдисон. Только технические выкладки и расчеты оказываются куда более громоздкими, поэтому даем просто результат – схемы баков с питанием от водопровода и с ручным наполнением, см. рис.

Схемы баков для самодельных солнечных коллекторов

Идея – чтобы одному можно было помыться летом уже спустя 1,5-2 часа после включения СК. Т.е., отбираем верхний нагретый слой воды; в случае ручного наполнения – заборником из гибкого шланга на поплавке. Длину гибкого звена нужно брать умеренную: при слишком коротком в полном баке шланг встанет торчком, а слишком длинный при низком уровне воды ляжет на стенку бака.

Расположение патрубков рассчитано так, чтобы при любом использовании горячие и холодные потоки как можно меньше перемешивались, т.е. мы нарочно расслаиваем воду по температуре. Лучший сосуд для бака – бочка, уложенная на бок. Тогда шлам (отстой) займет малую часть его емкости. Утепление – пенопласт от 50 мм. И нужно предусмотреть еще 1 сливной патрубок с запорным вентилем в наинизшей точке всей системы, при входе обратки в СК. Еще не забудьте – отборный патрубок обратки должен быть приподнят над днищем, иначе шлам скоро засорит СК, а чистить его трудно. Трубы – обычные водопроводные, от 1/2 до 3/4 дюйма. Гибкое звено – армированный ПВХ шланг для полива; его поплавок – пенопласт.

Примечание: возвышение стока обратки над днищем взято в расчете на обычную в РФ жесткость питьевой воды до 12 нем. градусов. По санитарным нормам ее предельное значение – 29 нем. градусов. Тогда возвышение обратки нужно брать 80-100 мм, а патрубок подачи горячей поднять над ним на те же 20-30 мм.

О воздушно-солнечных СК

Иногда бывает необходимо греть от Солнца не воду, а воздух. Не обязательно для отопления; допустим, для сушки урожая или сбора. Вследствие малой теплоемкости воздуха конструкция воздушного СК должна иметь ряд особенностей. Подробнее о них, а заодно о применении СК для воздушного отопления (для сезонной дачи это весьма актуально), можно узнать из ролика:

Видео: самодельное воздушно-солнечное отопление

Необычные самоделки

Воздушный солнечный коллектор из алюминиевых банок

Мастер-любитель не был бы им, если бы не стремился все сделать по-своему из подручного хлама. И, надо сказать, результаты бывают удивительные. Все оригинальные самодельные СК обозреть в одной публикации невозможно, возьмем 3 для примеров, так сказать, разного знака.

На рис. – воздушный, т.е. проще водяного, СК из пивных банок. Не будем хихикать в кулак или возмущаться: «Да я же столько не выпью!» Поглядим технически. Сама идея весьма даже здравая: провалы между рядами банок приближают способность панели поглощать свет к модели АЧТ. Но! Материалы – алюминий, дерево, силиконовый герметик. Их коэффициенты температурного расширения (ТКР) существенно различны. Стыков – более 200. Элементарный подсчет с учетом закона больших чисел показывает, что, если к концу первого сезона эксплуатации панель не потечет сильно, это чудо.

А вот солнечный коллектор из пластиковых бутылок на рис. ниже выглядит не столь изящным, но вполне работоспособен. В сущности, это цепочка линейных светоконцентраторов, см. далее. Емкости собираются в «колбасы», как при постройке теплиц, парников, беседок и т.п. легких построек из бутылок, но нанизываются не на жесткий стержень, а на прозрачный ПВХ шланг. Тыльная сторона «колбас» оклеивается алюминиевой фольгой, хотя бы рукавом для запекания. В данном случае используется тот факт, что вода сама по себе неплохо поглощает ИК. КПД установки невелик, зато стоимость – судите сами. А за Солнце налога пока не берут.

Самодельный солнечный коллектор из пластиковых бутылок

Еще интересная самоделка из бутылок – узбекский «Илдар», см. рис. ниже. Принцип действия тот же; в наших краях весьма желательно нижнюю поверхность бутылок фольгировать. При монтаже на южном скате крыши не требуется рам, подпорок, переборки кровли и усиления ригеля (несущего каркаса) крыши. Стыков много, но стыкуются сходные по ТКР материалы, так что надежность достаточная. Самым крепким будет стык по поз. Б, когда бутылки напяливаются друг на друга. Повторяют «Илдар» мало, а зря. Видимо, смущает то, что ток воды показан обратный термосифонному. Но термосифонный напор гораздо слабее гравитационного из бака, так что «Илдар» вполне работоспособен.

Солнечный коллектор из бутылок “Илдар”

Примечание: в бутылочных СК длину 1 «колбасы» нужно в средних широтах брать около 3 м, а в параллель соединять таких побольше, сколько бутылок есть или сколько место позволяет.

Концентраторы света

Светоконцентратор – система зеркал или линз, собирающая свет с освещенной площади и перенаправляющая его в определенное место. Светоконцентраторы не делают всю гелиоустановку компактнее, как иногда пишут. Плюс, точнее – минус, в том, что коэффициент светопропускания собирающей системы редко достигает 0,8; чаще всего – 0,6-0,7, а для самоделок – порядка 0,5. Солнечный концентратор, или гелиоконцентратор, позволяет решить следующие задачи:

1. Упростить конструкцию приемника излучения, сделать самую сложную часть гелиосистемы компактнее и уменьшить количество требующих герметизации стыков в ней.
2. Увеличить освещенность приемника излучения и тем самым усилить светопоглощение.
3. Повысить температуру теплоносителя, что дает возможность полнее использовать накопленную энергию.
4. Упростить процедуру ориентации приемника излучения на Солнце; в ряде случаев возможна однократная юстировка по меридиану и углу места.

Пп. 1 и 3 позволяют в промышленных установках добиться большего общего КПД системы. Дома сделать такие установки сложно, т.к. требуется система непрерывной точной ориентации на Солнце. А вот пп. 2 и 4 могут помочь домашнему умельцу.

Примечание: любой гелиоконцентратор собирает только прямые лучи. Если вы рассчитываете на использование своей установки и в пасмурную погоду, светоконцентраторами можно не заниматься.

Основные схемы солнечных концентраторов показаны на рис; там везде 1 – собирающая система, 2 – светоприемник. Бывают еще компактные концентраторы, одним из них займемся ниже. А пока – схемы в) и д) требуют непрерывного отслеживания Солнца; схема в), кроме того – изготовления параболического зеркала. Можно приспособить спутниковую тарелку, но цены на них, надо полагать, знаете. И нужно делать электронику, управляющую прецизионным 2-координатным электромеханическим приводом. Схема с линзой Френеля г) иногда используется для повышения эффективности малогабаритных солнечных батарей, но они при этом гораздо быстрее деградируют, см. далее.

Мы займемся линейными концентраторами, пп. а) и б), как наиболее пригодными для самодельных гелиоустановок. Схема в виде полуцилиндрического зеркала а) в общем рассмотрена ранее, вместе с бутылками. Можно только добавить, что ориентировать ее (см. далее) можно как по меридиану, так и перпендикулярно ему в зависимости от того, как требуется направить ток воды в трубе-приемнике. Этот концентратор ускоряет нагрев воды, но при ориентации по меридиану значительно сокращает длительность светового дня для приемника, т.к. при углах падения сбоку более примерно 45 градусов от нормали свет вообще не улавливает. Переотражение в нем всегда однократное. Коэффициент светопропускания в системе алюминиевая фольга + ПЭТ 0,35 мм – около 0,7.

Концентратор из зеркал косого падения б) улавливает свет в пределах углов падения от нормали в 60 градусов и более. Может выполняться линейным и точечным. Видимое сокращение светового дня летом в южных краях с ним почти незаметно. Однако утром и вечером КПД установки сильно падает, т.к. свет тогда испытывает до 4-5 переотражений. Для справки: коэффициент отражения оптически полированного алюминия – 0,86; оцинкованной стали – около 0,6.

Все же для желающих сделать такой приводим профиль зеркал, см. рис. Шаг сетки выбирается исходя из реальных размеров установки. Учтите, что юстировка нужна хоть и однократная, но точная: 22 июня или в ближайшие к нему дни в астрономический (не поясной!) полдень крылья сводят/разводят и подгибают так, чтобы каустика (яркая полоса сконцентрированного света) легла точно по трубе-приемнику. Ее диаметр – около 100 мм, материал – тонкий зачерненный металл.

Профиль солнечного концентратора с зеркалами косого падения

Больший интерес для самодельщика представит, вероятнее, 1 из видов компактных неориентируемых концентраторов, см. след. рис. Его вообще не нужно наводить на Солнце: установленный горизонтально, он собирает его лучи в пределах углов падения до 75 градусов от нормали, которая в данном случае направлена в зенит. Т.е., берем описанный выше СК из шланга, свитого в спираль, снабжаем этим концентратором, и получаем подогреватель воды для бассейна.

Компактный неориентируемый солнечный концентратор

Чтобы свести лучи Солнца в точку, пояса концентратора нужны параболического профиля (врезка слева вверху на рис.), но у нас приемник протяженный круглый, поэтому можно обойтись коническими. Какие при этом размеры и соотношения нужно выдержать, ясно из рис. Крайний пояс (обозначен красным) эффективности устройства почти не увеличивает, без него лучше обойтись. Светопропускание – около 0,6, поэтому толк от этого концентратора будет только в ясный летний день. Но бассейн-то как раз тогда и нужен.

Батареи

Теперь займемся солнечными батареями (СБ). Для начала – немного теории, без этого не понять, что и когда в них хорошо и плохо. И как правильно выбрать СБ для покупки или сделать самому.

Принцип работы

В основе СБ лежит элементарный полупроводниковый фотоэлектрический преобразователь (ФЭП), см. рис. справа; если кто-то углядит там «нескладушки» со школьной электростатикой, учтите: заряды получают энергию от постороннего источника – Солнца. Способность полупроводников пропускать электрический ток описывается зонной теорией проводимости, созданной в 30-х годах прошлого века трудами в основном советских физиков. Штука это очень сложная, ее понимание требует знания квантовой механики и ряда других дисциплин. Очень упрощенно (да простит физик-технолог, если прочтет) принцип действия ФЭП выглядит следующим образом:

Устройство фотоэлектрического преобразователя (ФЭП)

1. В кристалл кремния высокой чистоты вводятся, каждая в свою область, донорные и акцепторные примеси из металлов, атомы которых способных встраиваться в кристаллическую решетку кремния, не нарушая ее; это т. наз. легирование. n-область (катод) легирована донорами; p-область (анод) – акцепторами.
2. Доноры создают в своей области избыток электронов; акцепторы в своей – равных им по величине положительных зарядов – дырок, это вполне корректный физический термин. Электроны и дырки от легирующих присадок это т. наз. неосновные носители зарядов. Дырки – не античастицы позитроны, это просто места, где электрона не хватает. Дырки могут блуждать (дрейфовать) в пределах кристалла, т.к. акцепторы все время перехватывают друг у друга электроны.
3. Электроны с дырками притягиваются друг к другу, стремясь взаимно нейтрализоваться (рекомбинировать).
4. В кристалле (вот тут-то вовсю и разыгрываются его квантовые свойства) свободно соединиться за конечный промежуток времени они не могут, поэтому в пограничном слое образуются большие объемные заряды соответствующего знака; в целом же пограничный слой электрически нейтрален.
5. Солнечная энергия как бы выбрасывает электроны из пограничного слоя в катод и на отрицательный электрод-токосъемник.
6. Дырки за электронами последовать не могут, т.к. дрейфовать способны только в пределах кристалла.
7. Электронам ничего не остается, как пройти по электрической цепи и отдать полученную от Солнца энергию потребителю, это и есть электрический фототок.
8. Оказавшись в анодной области, электроны получают очередной «пинок» от квантов солнечного света, который не дает им рекомбинировать с дырками и запускает в цепь снова и снова, пока кристалл освещен.

Еще слово к кулибиным

За самодельные СБ берутся чаще всего радиолюбители и электронщики. Как правило, в основах теории полупроводников они разбираются. Для них, на всякий случай, поясним, чем отличается ФЭП от похожего на него диода, и почему выжать значительный фототок из кристаллов диодов/транзисторов не получится:

• Степень легирования анода и катода ФЭП на порядки, и даже на много порядков выше, чем у активных электронных компонент.
• Катод и анод легированы примерно в одинаковой степени, насколько позволяет планарно-эпитаксиальная технология.
• Пограничная область широкая (назвать ее p-n переходом в данном случае можно только с большой натяжкой), чтобы было больше «рабочего пространства» для квантов света, а объемный заряд в ней весьма велик. В производстве компонент электронных схем стремятся к обратному, чтобы повысить быстродействие.

Особенности структуры ФЭП исходят из того, что он не приемник электроэнергии в виде приложенного напряжения, а ее генератор. Отсюда следуют выводы, важные уже для любых пользователей:

1. Т.к. попавших в кристалл квантов света всегда больше, чем свободных электронов там, лишние кванты тратят свою энергию на возбуждение атомов кристалла, отчего он со временем портится, это т.наз. деградация или старение ФЭП. Попросту говоря, СБ изнашивается, как и любая техника, и со временем садится, как и любая электрическая батарея.
2. Прохождение электрического тока при подключении ФЭП к цепи потребителя ускоряет деградацию, т.к. принудительно дрейфующие в кристалле электроны, так сказать, бьют по атомам и постепенно выбивают их со своих мест.
3. Запас энергии в ФЭП определяется величиной объемного заряда, солнечный свет только инициирует его перераспределение.
4. ФЭП и состоящие из них СБ боятся загрязнений: постепенно проникая (диффундируя) в кристалл, они нарушают его структуру. «Ядовитые» примеси есть и в воздухе, а «смертельная» для фотоэффекта их доза ничтожна.

П. 3 требует дополнительных пояснений. Именно: СБ не способна выдавать экстраток. К примеру, стартерная аккумуляторная батарея (АКБ) емкостью в 90 А/ч кратковременно выдает ток в 600 А. Теоретически – еще много более, пока не взорвется от перегрева. Но, если в спецификации на СБ написано «Ток КЗ (короткого замыкания) 6А», то больше из нее и не выжать никакими способами.

Примечание, на всякий случай: легировать кремний до бесконечности нельзя, он превратится просто в грязный металл («высокая» степень легирования выражается десятичной дробью со многими нулями после запятой). А в металлах внутреннего фотоэффекта не бывает. Эффект Холла можно с трудом нащупать, но фотоэффект принципиально невозможен: зону проводимости металлов заполняет вырожденный электронный газ, он просто не пустит кванты внутрь, оттого металлы и блестят. Да, зона в данном случае – не область пространства, а совокупность состояний частиц, описываемая системой квантовых уравнений.

Устройство

Один ФЭП без нагрузки создает разность потенциалов 0,5 В. Она определяется квантовыми свойствами кремния и ни от каких внешних условий не зависит. Под нагрузкой напряжение ФЭП падает, т.к. его внутреннее сопротивление велико. Квантовая механика закона Ома не отменяет. Поэтому напряжение батареи берут с полуторным запасом: если, к примеру, 12 В СБ набирается из модулей на 0,5 В, то их берут по 36 на столб, что даст напряжение ХХ (холостого хода) в 18 В. На полуторную перегрузку по напряжению питания рассчитываются все потребители постоянного тока. Ток КЗ одного ФЭП – от нескольких до сотен мА; он зависит от площади экспонированной (освещенной) поверхности элемента.

В продажу и на сборку поступают модули (элементы) из многих ФЭП, соединенных на общей подложке последовательно, параллельно или и так, и этак; их напряжение ХХ и ток КЗ указываются в спецификации на изделие. С этим связано распространенное заблуждение, что, мол, СБ нужно набирать только из элементов на 0,5 В, а другие – некондиция. Наоборот, модули от добросовестного производителя на, скажем, 6V 4W, т.е. на 6 В и 0,67 А, будут надежнее самосборных с теми же параметрами. Хотя бы потому, что здесь ФЭП выращены на одной пластине и их параметры точно совпадают.

В схеме солнечной батареи SB (см. рис.) модули PE соединяются в столбы E, обеспечивающие нужное напряжение; как правило – 12, 24 или 48 В. Столбы для получения требуемого рабочего тока соединяются параллельно. Т.к. модули в столбах не обязательно выполнены из одного и того же кристалла, внутренние сопротивления столбов несколько различаются, «плывет» и напряжение под нагрузкой. Через столбы малость помощнее (с меньшим внутренним сопротивлением) потечет обратный ток, а от него деградация ФЭП происходит стремительно. Радиолюбителям можно вспомнить, что, если диод хоть чуть-чуть приоткрыть «со стороны», он начинает пропускать и обратный ток, на этом основана работа тиристора. Поэтому столбы блокируются от «обратки» диодами VD. Чаще всего используют диоды Шоттки, т.к. падение напряжения на них невелико и дополнительного охлаждения на больших токах им не требуется. Но иногда (см. далее, о СБ-самоделках) может понадобиться и диод с p-n переходом.

Электрическая принципиальная схема солнечной батареи с обвязкой

При включении/выключении мощных потребителей неизбежно возникают т. наз. переходные процессы, сопровождающиеся экстратоками. Всего на несколько мс, но нежной СБ этого хватит, чтобы быстро сесть. Поэтому к СБ для питания мощных устройств обязательно необходима буферная АКБ GB. Управляет распределением токов в СБ контроллер C; это управляемый источник тока, регулирующий и ограничивающий рабочий ток СБ совместно с током заряда АКБ. В простейшем случае разряд АКБ – свободный сообразно уровню потребления. Инвертор I преобразует постоянный ток от АКБ в переменный 220 В 50 Гц или другой, какой требуется.

Примечание: обвязка справа на схеме (C, I, GB) может обслуживать несколько или много SB. Тогда получим солнечную электростанцию (СЭС).

Очень важные обстоятельства, следующие из вышесказанного: первое, АКБ должна быть включена в схему постоянно. Строить СБ по схеме «глухих» UPS, в которых АКБ дает ток только при пропадании сети – значит обречь СБ на быструю деградацию вследствие экстратоков. Ресурс АКБ в «проточной» схеме существенно снижается, но тут уж ничего не поделаешь, разве что использовать дорогие АКБ с гелевым электролитом. Так что не надо и еще раз не надо конструировать СБ с компьютерными UPS. Второе – рабочий ток нужно брать примерно 80% от тока КЗ. Если, к примеру, по расчету вышел ток первичной цепи 12 В в 100 А, то СБ нужно проектировать на 120 А.

Третье – в данной схеме при глубоком разряде АКБ возможен обратимый системный отказ, когда все исправно, а тока нет. Поэтому в реальных СЭС обвязку дополняют сигнализацией переразряда АКБ (пищит еще противнее, чем UPS без сети) и автоматикой, выключающей инвертор, если хозяева проигнорировали сигнал. В самых дорогих СЭС инвертор имеет несколько выходов, проводка 220 В – несколько ветвей, и автоматика отключает потребителей в порядке, обратном их приоритету; холодильник, напр., последним.

Конструкция электрической солнечной панели

СБ без обвязки принято называть солнечной панелью. Ее конструкция (см. рис.) обеспечивает прежде всего уменьшение световой деградации, затем – эффективное использование света и механическую прочность. Первое дает главным образом специальное стекло, отсекающее кванты, которые наверняка не дадут тока; чувствительность ФЭП к лучам разных зон спектра существенно неравномерна. Некоторую фильтрацию света дает и пленка ЭВА, но она более предназначена для повышения эффективности: уменьшает светопреломление и боковое отражение, т.е. просветляет покрытие. Стекло, ЭВА и элементы под ней «слеплены» в единый пирог без воздушных зазоров, так что подобная конструкция – не для любителей. ПЭТ-подкладка, во-первых, механический демпфер(кристаллический кремний – вещество хрупкое, а пластины элементов тонкие). Во-вторых, она изолирует модули от корпуса панели электрически, но обеспечивает теплоотдачу греющихся в работе элементов, т.к. ПЭТ получше других пластиков проводит тепло. О диодах уже было сказано. Весь пирог помещается в прочный металлический корпус (он же служит теплоотводом) и тщательно герметизируется.

Гибкая солнечная батарея

Примечание: в продажу поступают и гибкие СБ, см. рис. справа. Они могут быть дешевле и эффективнее жестких панелей той же мощности, но помните – эти СБ не рассчитаны на преобразование отдаваемого тока. Применяются гибкие СБ в основном для питания потребителей постоянного тока небольшой мощности в разного рода мобильных или удаленных необслуживаемых объектах.

 

Покупные СБ

Чтобы подготовиться к покупке или изготовлению СБ или СЭС, нужно усвоить понятия пикфактора, пикового и долговременного энергопотребления. В быту это проще, чем в сложных энергосистемах. Допустим, у вас на щитке со счетчиком стоят автоматы защиты или пробки на 25 А. Тогда от сети вы можете взять до 220х25=5500 Вт или 5,5 кВт. Это и есть ваше пиковое потребление, но, если рассчитывать электросеть на пик, то она выйдет неоправданно дорогой: мощные потребители не включаются надолго и все сразу.

Электрики при расчете электросетей берут пикфатор = 5; соответственно, долговременная потребляемая мощность будет 0,2 от пиковой. В нашем случае – 1,1 кВт. Однако, если рассчитать СЭС на такой пик, то емкость АКБ получится слишком большой, сама батарея – дорогой, а ее ресурс – гораздо меньше нормального. Для минимизации стоимости СЭС ее пикфактор нужно брать вдвое меньше, 2,5. В СЭС СБ «тянут» долговременную нагрузку, а пики берет на себя АКБ, т.е. нам в данном случае нужна СБ на 2,2 кВт и АКБ, способная отдавать 5,5 кВт в течение часа или 1,1 кВт в течение 12 час (темное время суток).

Экономика

Цена СБ на рынке держится в пределах 50-55 руб. за 1 Вт мощности для поликремниевых батарей (см. ниже) и 80-85 руб./Вт для монокремниевых. Но тут вмешиваются дополнительные обстоятельства:

• КПД монокремниевых СБ более чем вдвое выше чем поликремниевых (22-38% против 9-18%) и они долговечнее.
• Мощность поликремниевых СБ в пасмурную погоду падает меньше, и по истечении срока службы они полностью деградируют медленнее.
• Коэффициент использования энергии (КПД по энергии) буферной кислотной АКБ составляет 74%, а прочие их типы, кроме ужасно дорогих литиевых, для буферизации СБ подходят плохо.

С учетом этих факторов и климатических условий РФ цена 1 Вт выравнивается и оказывается около 130-140 руб./Вт. СБ на 1,1 кВт, таким образом, обойдется где-то в 140-150 тыс. руб. Надолго ли ее хватит? Сроки службы СБ никак не регламентированы; производители дают обычно 5, 10, 15 и 25 лет. Что по данным выходного контроля 5 лет не протянет, идет в продажу поэлементно для самосборки. Учтите, самодельщики!

Цена готовой СБ, разумеется, растет сообразно сроку службы. По изучении фирменных деклараций и подсчетов наиболее окупаемыми оказываются СБ на 15 лет. Здесь есть коварная тонкость: СБ выпускаются кондиций Grade A, Grade B, Grade C и Ungrade (некондиция). Соответственно, мощность СБ к концу срока службы падает на величину до 5%, 5-30% и свыше 30%. Однако, если вы купите СБ Grade A на 5 лет, то рассчитывать, что она потом протянет еще 25, пока не зачахнет на 30%, нельзя. Вследствие возрастания нагрузки на оставшиеся исправными ФЭП в элементе процесс деградации развивается лавинообразно: поли- держатся еще полгода-год, а моно- 2-4 месяца.

Итак, считаем дальше. При правильном выборе первичного постоянного напряжения (см. далее) за 15 лет понадобится 1 замена АКБ стоимостью около 70 тыс. руб. Плюс обвязка, провода, шины, коммутационные элементы, металлоконструкции или работы на крыше, это еще примерно 150 тыс. руб. Около 30 тыс. обойдется аккумуляторная; ставить АКБ в жилых помещениях категорически нельзя. Имеем:

1. СБ – 150 000 руб.
2. АКБ – 140 000 руб.
3. Обвязка – 150 000 руб.
4. Аккумуляторная – 30 000 руб.

Итого 470 000 руб. СЭС под ключ той же мощности обойдется примерно в 1,2-1,5 млн. руб. Но насколько оправдано то или другое?

В 15 годах 15х24х365=131 400 часов. Мы за это время потребим 131 400х1,1=144 540 кВт/ч. 1 кВт/ч от своей СЭС обойдется в 470 000/144 540 = 3,25 руб. Действующие расценки (от 3,15 до более чем 6 руб.) вы знаете. Выгода вроде не очень, учитывая, что эти «пол-лимона» нужно еще где-то взять, не влезая в долги по теперешним кредитным ставкам. Тем не менее, строить себе СЭС уже оправдано в таких случаях:

• В удаленных труднодоступных местах с нестабильным энергоснабжением. Жизнь дороже любых тарифов. Хотя бы тепличных растений и домашних животных, дающих пропитание и доход.
• В товарных хозяйствах, требующих непрерывного энергообеспечения, тех же теплицах или, допустим, птичниках. Можно строиться на дешевой земле без инфраструктуры, а затраты на СЭС, возможно, сразу же окажутся меньше стоимости прокладки фидера электропитания.
• В больших домовладениях, систематически перебирающих базовый лимит потребления.
• В коллективном пользовании. Пример: СЭС на 15 кВт пиковых (3 средних дома) обойдется где-то в 1,5 млн. руб. самостроем или 2,5 млн. руб. под ключ. «Сбросившись» с соседями/родственниками, получим те же 500 000 руб. и 5 кВт на дом, но стабильно и безо всяких сношений с энергокомпаниями.

У кого брать?

Однако бежать «за батарейками» рано. На рынке СБ ситуация очень сложная: высокий и неупорядоченный, на грани ажиотажного, спрос во всем мире порождает жесткую и зачастую недобросовестную конкуренцию. Мировой лидер в данном сегменте – КНР, и благодаря не «китайским» ценам (они вовсе не демпинговые), а действительному качеству. Но Китай – страна очень неоднозначная; шанхайско-уханьских оффшорных подвальчиков, маскирующиеся под надежные госпредприятия, там хватает. С другой стороны, западные «киты» отрасли в панике под угрозой банкротства пускаются во все тяжкие, лишь бы товар вперить, не щадя своего доброго имени.

Инженерный калькулятор с солнечной батареей

В России по части выбора производителя есть неплохая отдушина. Электроника и полупроводниковая промышленность СССР и РФ по научно-техническому уровню всегда были на высоте; первые ЦП Intel, между прочим, делались из советского кремния, Силиконовая долина тогда еще разворачивалась. Но по валу советско-российская электроника заметна в мире никогда не была; работали в основном «на войну». В перестройку в продаже замелькали изделия лучше тогдашних мировых, но конкурировать с «акулами» было уже поздно. К примеру – см. рис. Работает безотказно до сих пор, расчеты к статье на нем делались. А у его более дорогих и с меньшими возможностями ровесников Casio и Texas Instruments клавиши стерлись и СБ сели уже давно.

Ныне в РФ действуют несколько предприятий, располагающих чистыми помещениями, обученным персоналом, инженерно-техническими кадрами и опытом работы в данной сфере. На плаву они держатся благодаря правильной рыночной тактике: закупают у проверенных китайских поставщиков компоненты СБ, пропускают через собственных входной контроль и собирают в панели по всем правилам технологии. Заявленным параметрам их продукции можно верить безусловно. К сожалению, таких после прошедших пертурбаций осталось немного:

1. Телеком-СТВ в Зеленограде, торговая марка ТСМ.
2. РЗМКП, Рязань, ТМ RZMP.
3. НПП «Квант», Москва, складные переносимые СБ.

В последнее время на рынке СБ хорошо продвигается МикроАРТ (ТМ «Инвертор»), и вроде бы не зря. Но фальстартов в данном сегменте было и было, так что к «Инвертору» нужно еще присмотреться. Есть еще одно обстоятельство: пленка ЭВА. Она должна быть морозостойкой, иначе при минусовых температурах грубеет, постепенно отслаивается и СБ выходит из строя. Поэтому при выборе нужно обязательно смотреть диапазон рабочих температур и допустимое время воздействия минимальной. Или, в конечном итоге – срок гарантии в данных климатических условиях.

Какие брать?

То, что утверждения вроде «моно – круто, поли – отстой» скорее эмоциональны, чем обоснованы, вам, наверное, уже ясно. Разница между ними, кстати, не столь уж принципиальна. Кремниевые болванки высшей кондиции, наиболее однородно перекристаллизовавшиеся, идут на большие чипы. 1 кондиция – на среднюю степень интеграции, 2-я – на дискретные компоненты, и только 3-я – на СБ. «Моно» отличаются от «поли» тем, что в первых на срезе одного кристалла в болванке (кристаллита) выращивается несколько ФЭП или 1 большой; в поликремниевых СБ мелкие ФЭП занимают каждый примерно по 1-му также мелкому кристаллиту.

Поликристаллический и монокристаллические модули солнечных батарей

Однако производители и торговцы-жулики пытаются выдать вовсе негодные поли- за моно-, заменяя обозначение сходным по смыслу, но с буквой «м» в начале: мультикристаллические, микроструктурные и т.п. Поэтому напоминаем: поликристаллические модули СБ синего цвета, чаще всего с заметной иризацией (переливами цветов), слева на рис. Монокристаллические очень темные, до совершенно черных; иризация если и есть, то заметна мало, справа там же. А вообще-то на глаз или электрическими измерениями определить качество модуля невозможно, нужен лабораторный химический, кристаллографический и микроструктурный анализ. Чем торговцы-прощелыги вовсю и пользуются.

О первичном напряжении

Чаще всего рекомендуют брать СБ на 12 В. Мол, можно включать 12-вольтовые лампочки-экономки и не нужен спецконтроллер. Во-первых, оборудование постоянного тока на 24, 36 и 48 В вовсе не «спец», это стандартные значения ряда напряжений. Во-вторых, доля экономок в энергопотреблении – всего ничего, а отдельная проводка для них нужна. Но главное не в этом.

Выше подсчитано – для среднего дома нужна буферная АКБ на 5,5 кВт пиковых. Ток от нее при часовом разряде будет 5500/12 = 458,(3) или приближенно 460 А. В широкой продаже есть банки для АКБ емкостью до 210-240 А/ч, из них набирают стартерные АКБ тяжелой спецтехники. Не говоря о стоимости, без запараллеливания АКБ не обойтись, а работать в параллель АКБ любят не больше элементов СБ и по тем же причинам; это общее свойство всех источников постоянного тока. В итоге – АКБ за 100-120 тыс. руб. прослужит от силы 5-6 лет, и за 15 лет понадобится 2-3 ее замены.

А теперь возьмем «первичку» DC в 48 В. Лучше бы 60-72, постоянный ток до 100 В безопасен, только СБ таких не делают. В смысле воздействия на организм человека 50/60 Гц – самые опасные частоты, только деваться уже некуда, их значения сложились исторически. Тогда получим при часовом разряде 5500/48 = 114,58(6) А и емкость АКБ 120 А/ч. Это обычная автомобильная батарея, плюс можно использовать долговечные герметизированные AGM, GEL, OpzS, если денег на них не жалко. И прослужит худшая изо всех (автостартерная) не менее 8 лет, а то и все 15. А обойдется вдвое дешевле огромной.

Схема солнечной электростанции с буферной батареей на 48 В

Есть еще один нюанс. Взгляните на рис. – схему СЭС с первичкой 48 В. Справа внизу – главный автомат на 175 А. Для 12 В понадобится на 700 А. Видели ли вы такие в продаже? Постоянного тока? Сколько стоят? Плюс прочая сильноточная коммутация, автоматика, провода и шины. В общем, если отбросить торговые накрутки, то первичная цепь на 48 В сокращает стоимость СЭС вдвое и более.

Примечание: и упаси вас боже подключать СЭС к уличному вводу! Придется платить дядям по счетчику за свои расходы и труды. Нужно после счетчика поставить пакетник (это уже абонентская проводка и здесь вы полный хозяин, только о ТБ не забывайте) и переключаться обратно с Солнца на общую сеть, вдруг понадобится. Скажем, при замене АКБ или длительном ненастье.

СБ и самоделки

Первое, что надо знать гелиоэнергетику-любителю – в продажу вразброс идут модули отбракованные, которые 5 точно не прослужат. Даже если вы организуете дома чистое производство, они уже «отравлены» ядом медленного действия – вредными примесями. Вдобавок, чтобы сделать фирменный «пирог», нужна камера с глубоким вакуумом, поэтому собрать СБ придется в вентилируемом ящике, а значит – элементы подпадают под атмосферные влияния. Без отвода омического тепла модули СБ деградируют буквально на глазах. Так что на срок службы более 2-3 лет лучше не рассчитывать.

Тем не менее, самоделки могут быть полезными, т.к. 100 Вт их мощности обойдется менее чем в 3000 руб. Какие именно – посмотрим чуть ниже, а пока задержимся на технологии сборки. Достаточно полно она показана здесь:

Видео: изготовление солнечной батареи своими руками

Конструкторы для самостоятельной сборки солнечных батарей

Добавить можно немногое. Первое, не берите в работу явный брак, рассылаемый навалом, слева на рис. Лучше купить конструктор, см. рис. справа. Они комплектуются флюсовыми карандашами и специальными проводниками, что намного уменьшает паечный брак.

Неправильная сборка солнечных батарей

Паять обычным паяльником с канифольным флюсом (справа на рис. слева) тоже не нужно. Контактные площадки модулей серебрёные (кремний не паяется), слой серебра тоненький и держится еле-еле. В домашних условиях он наверняка выдерживает только 1-кратную пайку (на производстве автоматами – 3-кратную), причем паяльником с бронзовым никелированным жалом. Не пытайтесь залудить его, таким паяльником паяют всухую.

Впрочем, умельцы СБ паяют и обычными паяльниками со всяческими предосторожностями; как – можно посмотреть здесь:

Видео: лужение и пайка контактов

Третий момент – до сборки модули нужно откалибровать и столбы собирать из пластин с примерно одинаковыми параметрами (см.видео ниже). Набрать из некондиции модулей на 48-вольтовые столбы почти никогда не удается, так что самодельные СБ делают 12-вольтовыми или 6-вольтовыми.

Видео: калибровка элементов

Теперь о случаях, когда сделать солнечную батарею самому имеет полный смысл. Первый – описанная выше лодка-«резинка». Схема ее энергоустановки – на рис. ниже. Такая же подойдет и для дачи, только вместо мотора нужно включить инвертор 12VDC/220VAC 50 Hz на 200-300 Вт. Для телевизора, небольшого холодильника и музыкального центра этого хватит. Выключатель S2 рабочий, S1 – ремонтно-аварийный и для зимнего хранения.

Электрическая схема маломощной мобильной солнечной электростанции

Штука здесь в том, что падение напряжения на обычном диоде при увеличении тока через него возрастает. Ненамного, но в сочетании с ограничительным резистором Rp (то и другое рассчитано под свинцово-кислотную АКБ 12В 60А/ч!) перегрузка СБ по току длится даже при полностью «пустой» АКБ не более 2-3 мин. Если такая ситуация возникает раз в день, то СБ прослужит от 4 лет, т.е. больше, чем самосбор из некондиции. А бензиновый движок за это время съел бы топлива на сумму, много большую стоимости установки.

Второй случай – зарядка для мобильника. Для нее лучше купить готовый модуль на 6V 5W; схема к нему – на рис:

Схема зарядки мобильного телефона от солнечной батареи

Выключатель S1 и яркий белый светодиод D3 – тестовые. Если же вы хотите повозиться именно с солнечными модулями, то предлагаем ролики (см. ниже). В данном случае на СБ пойдет и явный брак поштучно, цена копеечная. Кстати, это хорошая практика работы с солнечными элементами прежде чем браться за большую СБ, и полезное приспособление будет.

Видео: мини солнечная батарея для зарядки телефона – сборка и тестирование

Установка и юстировка

Установка солнечных батарей и коллекторов стационарной конструкции производится чаще всего на крыше. Тут возможны 2 решения: либо разобрать часть кровли и включить корпус СК/СБ в силовую схему ригеля крыши (ее каркаса без кровельного пирога), а затем загерметизировать зазор, либо установить панель на подставках из металлических штырей, проходящих сквозь кровлю. А стропила, на которые пришелся крепеж, усилить поперечинами.

Первый способ, разумеется, труднее и требует довольно сложных строительных работ. Однако с его помощью решается не только проблема ветроустойчивости панели. Совсем небольшой подогрев корпуса со стороны чердака намного уменьшает вероятность отслоения пленки ЭВА и увеличивает надежность всей установки. Поэтому в местах с сильными морозами/ветрами он безусловно предпочтителен.

Что касается передвижных (мобильных) или отдельно стоящих наземных панелей, то их монтируют на объемный каркас либо подставку (опору) из металла, дерева и др. Если панель будет на каркасе, его нужно чем-то обшить, чтобы задувший сзади ветер не заставил панель продемонстрировать свои аэродинамические качества, довольно-таки неплохие.

Ориентировать на максимум среднегодовой (среднесезонной) инсоляции (юстировать) неподвижные панели нужно по возможности точнее. Курочка по зернышку клюет, а копейка рубль бережет – в данном случае эти поговорки сказываются в полной мере применительно к сроку окупаемости установки. Азимут выставляют точно по меридиану. Если вы для этого пользуетесь компасом, нужно учесть магнитное склонение места; в GPS или ГЛОНАСС устройствах – включить соответствующую поправку. Можно и отбить полуденную линию (это и есть меридиан), как описано в школьных учебниках по природоведению, географии, астрономии или, скажем, в руководствах по постройке солнечных часов.

Наклон панели по углу места ? в зависимости от его географической широты ? вычисляют для разных случаев с поправкой на наклон земной оси ?=23,26 градуса, вследствие которого высота стояния Солнца в средних широтах меняется по сезонам года:

• Для летних установок ? = ?-?; если ?=<0, панель укладывается горизонтально.
• Для сезонных весна-лето-осень ? = ?
• Для круглогодичных ? = ?+?

Если в последнем случае выйдет ?>90 градусов – вы за Полярным кругом, и зимняя панель вам не нужна. Далее для простоты и точности по углу ? вычисляют величину подъема северного края панели в единицах длины как h = Lsin?, где L – протяженность панели с юга на север. Скажем, панель длиной 2 м установлена вдоль по меридиану. ? вышел в 30 градусов. Тогда северный край (sin 30 градусов = 0,5) нужно поднять на 1 м. При sin? = 1 или около того панель ставится вертикально.

В заключение

Россию, что ни говори, нельзя назвать страной, идеальной для развития солнечной энергетики. Но невелика честь взять, что плохо лежит. А вот прийти к поставленной цели вопреки всему и когда всё против тебя – это большой успех надолго, если только цель достойная и полезная. Примеров в истории много: Голландия, Чили (окультуривание бесплодных земель), Япония – промышленный гигант, почти начисто лишенный источников сырья, в мире как в целом – освоение КВ-радиоволн радиолюбителями (специалисты во всеоружии тогдашних теорий считали их никуда не годными), а в России – хотя бы постройка Транссибирской магистрали, до сих пор аналогов себе не имеющей. Тут самодельшикам есть где разгуляться и, если случится «русское солнечное чудо», наверняка в этом будет и немалая их заслуга.

Содержание

1. Что изменилось в эфире?
2. Требования к антеннам
3. О вибраторных антеннах
4. О спутниковом приеме
5. О параметрах антенн
6. О тонкостях изготовления
7. Виды антенн
8. О «полячках» и усилителях
9. С чего начать?
> Обсуждение

Когда-то хорошая телевизионная антенна была дефицитом, покупные качеством и долговечностью, мягко говоря, не отличались. Сделать антенну для «ящика» или «гроба» (старого лампового телевизора) своими руками считалось показателем мастерства. Интерес к самодельным антеннам не угасает и в наши дни. Ничего странного тут нет: условия приема ТВ кардинально изменились, а производители, полагая, что в теории антенн ничего существенно нового нет и не будет, чаще всего приспосабливают к давно известным конструкциям электронику, не задумываясь над тем, что главное для любой антенны – ее взаимодействие с сигналом в эфире.

Что изменилось в эфире?

Во-первых, почти весь объем ТВ-вещания в настоящее время осуществляется в диапазоне ДМВ. Прежде всего из экономических соображений, в нем намного упрощается и удешевляется антенно-фидерное хозяйство передающих станций, и, что еще более важно – потребность в его регулярном обслуживании высококвалифицированными специалистами, занятыми тяжелым, вредным и опасным трудом.

Второе – ТВ-передатчики теперь покрывают своим сигналом практически все более-менее населенные места, а развитая сеть связи обеспечивает подачу программ в самые глухие углы. Там вещание в обитаемой зоне обеспечивают маломощные необслуживаемые передатчики.

Третье, изменились условия распространения радиоволн в городах. На ДМВ промышленные помехи просачиваются слабо, но железобетонные многоэтажки для них – хорошие зеркала, многократно переотражающие сигнал вплоть до его полного затухания в зоне, казалось бы, уверенного приема.

Четвертое – ТВ-программ в эфире сейчас очень много, десятки и сотни. Насколько это множество разнообразно и содержательно – другой вопрос, но рассчитывать на прием 1-2-3 каналов ныне бессмысленно.

Наконец, получило развитие цифровое вещание. Сигнал DVB T2 – штука особенная. Там, где он еще хоть чуть-чуть, на 1,5-2 дБ, превышает шумы, прием отличный, как ни в чем ни бывало. А чуть дальше или в стороне – нет, как отрезало. К помехам «цифра» почти не чувствительна, но при рассогласовании с кабелем или фазовых искажениях в любом месте тракта, от камеры до тюнера, картинка может рассыпаться в квадратики и при сильном чистом сигнале.

Требования к антеннам

В соответствии с новыми условиями приема, изменились и основные требования к ТВ-антеннам:

• Такие ее параметры, как коэффициент направленного действия (КНД) и коэффициент защитного действия (КЗД) ныне определяющего значения не имеют: современный эфир очень грязный, и по малюсенькому боковому лепестку диаграммы направленности (ДН), хоть какая-то помеха, да пролезет, и бороться с ней нужно уже средствами электроники.
• Взамен особое значение приобретает собственный коэффициент усиления антенны (КУ). Антенна, хорошо «облавливающая» эфир, а не смотрящая на него сквозь маленькую дырочку, даст запас мощности принятого сигнала, позволяющий электронике очистить его от шумов и помех.
• Современная телевизионная антенна, за редчайшими исключениями, должна быть диапазонной, т.е. ее электрические параметры должны сохраняться естественным образом, на уровне теории, а не втискиваться в приемлемые рамки путем инженерных ухищрений.
• ТВ-антенна должна согласовываться в кабелем во всем своем рабочем диапазоне частот без дополнительных устройств согласования и симметрирования (УСС).
• Амплитудно-частотная характеристика антенны (АЧХ) должна быть возможно более гладкой. Резким выбросам и провалам непременно сопутствуют фазовые искажения.

Последние 3 пункта обусловлены требованиями приема цифровых сигналов. Настроенные, т.е. работающие теоретически на одной частоте, антенны можно «растянуть» по частоте, напр. антенны типа «волновой канал» на ДМВ с приемлемым отношением сигнал/шум захватывают 21-40 каналы. Но их согласование с фидером требует применения УСС, которые либо сильно поглощают сигнал (ферритовые), либо портят фазовую характеристику на краях диапазона (настроенные). И «цифру» такая антенна, отлично работающая на «аналоге», будет принимать плохо.

В связи с этим, из всего великого антенного многообразия, в данной статье будут рассмотрены антенны для телевизора, доступные для самостоятельного изготовления, следующих типов:

1. Частотнонезависимая (всеволновая) – не отличается высокими параметрами, но очень проста и дешева, ее можно сделать буквально за час. За городом, где эфир почище, она вполне сможет принимать цифру или достаточно мощный аналог не небольшом удалении от телецентра.
2. Диапазонная логопериодическая. Ее, образно выражаясь, можно уподобить рыболовецкому тралу, уже при облавливании сортирующему добычу. Она тоже довольно проста, идеально согласуется с фидером во всем своем диапазоне, абсолютно не меняет в нем параметры. Техпараметры – средние, поэтому более подойдет для дачи, а в городе в качестве комнатной.
3. Несколько модификаций зигзагообразной антенны, или Z-антенны. В диапазоне МВ это весьма солидная конструкция, требующая немалого умения и времени. Но на ДМВ она вследствие принципа геометрического подобия (см. далее), настолько упрощается и съеживается, что вполне может быть использована как высокоэффективная комнатная антенна при почти любых условиях приема.

Примечание: Z-антенна, если использовать предыдущую аналогию – частый бредень, сгребающий все, что есть в воде. По мере замусоривания эфира она было вышла из употребления, но с развитием цифрового ТВ вновь оказалась на коне – во всем своем диапазоне она так же отлично согласована и держит параметры, как «логопедка».

Точное согласование и симметрирование почти всех описанных далее антенн достигается благодаря прокладке кабеля через т.наз. точку нулевого потенциала. К ней предъявляются особые требования, о которых подробнее будет сказано далее.

О вибраторных антеннах

В полосе частот одного аналогового канала можно передать до нескольких десятков цифровых. И, как уже сказано, цифра работает при ничтожном отношении сигнал/шум. Поэтому в очень удаленных от телецентра, куда сигнал одного-двух каналов еле добивает, местах, для приема цифрового ТВ может найти применение и старый добрый волновой канал (АВК, антенна волновой канал), из класса вибраторных антенн, так что в конце уделим несколько строк и ей.

О спутниковом приеме

Делать самому спутниковую антенну нет никакого смысла. Головку и тюнер все равно нужно покупать, а за внешней простотой зеркала кроется параболическая поверхность косого падения, которую с нужной точностью может выполнить далеко не всякое промышленное предприятие. Единственное, что под силу самодельщикам – настроить спутниковую антенну, об этом читайте тут.

О параметрах антенн

Точное определение упомянутых выше параметров антенн требует знания высшей математики и электродинамики, но понимать их значение, приступая к изготовлению антенны, нужно. Поэтому дадим несколько грубые, но все же поясняющие смысл определения (см. рис. справа):

К определению параметров антенн

• КУ – отношение принятой антенной на основной (главный) лепесток ее ДН мощности сигнала, к его же мощности, принятой в том же месте и на той же частоте ненаправленной, с круговой, ДН, антенной.
• КНД – отношение телесного угла всей сферы к телесному углу раскрыва главного лепестка ДН, в предположении, что его сечение – круг. Если главный лепесток имеет разные размеры в разных плоскостях, сравнивать нужно площадь сферы и площадь сечения ею главного лепестка.
• КЗД – отношение принятой на главный лепесток мощности сигнала к сумме мощностей помех на той же частоте, принятой всеми побочными (задним и боковыми) лепестками.

Примечания:

1. Если антенна диапазонная, мощности считаются на частоте полезного сигнала.
2. Поскольку совершенно ненаправленных антенн не бывает, за такую принимают полуволновой линейный диполь, ориентированный по направлению электрического вектора поля (по его поляризации). Его КУ считается равным 1. ТВ программы передаются с горизонтальной поляризацией.

Следует помнить, что КУ и КНД не обязательно взаимосвязаны. Есть антенны (напр. «шпионская» – однопроводная антенна бегущей волны, АБВ) с высокой направленностью, но единичным или меньшим усилением. Такие смотрят вдаль как бы сквозь диоптрический прицел. С другой стороны, существуют антенны, напр. Z-антенна, у которых невысокая направленность сочетается со значительным усилением.

О тонкостях изготовления

Все элементы антенн, по которым протекают токи полезного сигнала (конкретно – в описаниях отдельных антенн), должны соединяться между собой пайкой или сваркой. В любом сборном узле на открытом воздухе электрический контакт скоро нарушится, и параметры антенны резко ухудшатся, вплоть до полной ее негодности.

Особенно это касается точек нулевого потенциала. В них, как говорят специалисты, наблюдается узел напряжения и пучность тока, т.е. его наибольшее значение. Ток при нулевом напряжении? Ничего удивительного. Электродинамика ушла от закона Ома на постоянном токе так же далеко, как Т-50 от воздушного змея.

Места с точками нулевого потенциала для цифровых антенн лучше всего выполнять гнутыми из цельного металла. Небольшой «ползучий» ток на сварке при приеме аналога на картинке, скорее всего, не скажется. Но, если принимается цифра на границе шумов, то тюнер из-за «ползучки» может не увидеть сигнала. Который при чистом токе в пучности дал бы стабильный прием.

О пайке кабеля

Оплетка (да и центральная жила нередко) современных коаксиальных кабелей делаются не из меди, а из стойких к коррозии и недорогих сплавов. Паяются они плохо и, если долго греть, можно пережечь кабель. Поэтому паять кабели нужно 40-Вт паяльником, легкоплавким припоем и с флюс-пастой вместо канифоли или спиртоканифоли. Пасты жалеть не нужно, припой сразу же растекается по жилкам оплетки только под слоем кипящего флюса.

Частотнонезависимая антенна с горизонтальной поляризацией

Виды антенн

Всеволновая

Всеволновая (точнее, частотнонезависимая, ЧНА) антенна показана на рис. Она – две треугольных металлических пластинки, две деревянных рейки, да много медных эмалированных проволок. Диаметр проволоки значения не имеет, а расстояние между концами проволок на рейках – 20-30 мм. Зазор между пластинами, к которым припаяны другие концы проволок – 10 мм.

Примечание: вместо двух металлических пластин лучше взять квадрат из одностороннего фольгированного стеклотекстолита в вырезанными по меди треугольниками.

Ширина антенны равна ее высоте, угол раскрыва полотен – 90 градусов. Схема прокладки кабеля показана там же на рис. Точка, отмеченная желтым – точка квази-нулевого потенциала. Припаивать в ней оплетку кабеля к полотну не нужно, достаточно туго подвязать, для согласования хватит емкости между оплеткой и полотном.

ЧНА, растянутая в окне шириной 1,5 м, принимает все метровые и ДЦМ каналы почти со всех направлений, кроме провала около 15 градусов в плоскости полотна. В этом ее преимущество в местах, где возможен прием сигналов от разных телецентров, не нужно вращать. Недостатки – единичный КУ и нулевой КЗД, поэтому в зоне действия помех и вне зоны уверенного приема ЧНА не годится.

Примечание: есть и другие типы ЧНА, напр. в виде двухвитковой логарифимической спирали. Она компактнее ЧНА из треугольных полотен в том же диапазоне частот, поэтому иногда используется в технике. Но в быту это преимуществ не дает, сделать спиральную ЧНА сложнее, с коаксиальным кабелем согласовать труднее, поэтому не рассматриваем.

На основе ЧНА был создан очень популярный когда-то веерный вибратор (рога, рогулька, рогатка), см. рис. Его КНД и КЗД что-то около 1,4 при довольно гладкой АЧХ и линейной ФЧХ, так что для цифры он подошел бы и сейчас. Но – работает только на МВ (1-12 каналы), а цифровое вещание идет на ДМВ. Впрочем, на селе, при подъеме на 10-12 м, может сгодиться для приема аналога. Мачта 2 может быть из любого материала, но крепежные планки 1 – из хорошего ненамокающего диэлектрика: стеклотекстолита или фторопласта толщиной не менее 10 мм.

Веерный вибратор для приема МВ ТВ

Пивная всеволновка

Антенны из пивных банок

Всеволновая антенна из пивных банок явно не плод похмельных галлюцинаций спившегося радиолюбителя. Это действительно очень хорошая антенна на все случаи приема, нужно только сделать ее правильно. Причем исключительно простая.

В основе ее конструкции следующее явление: если увеличивать диаметр плеч обычного линейного вибратора, то рабочая полоса его частот расширяется, а прочие параметры остаются неизменными. В дальней радиосвязи с 20-х годов используется т.наз. диполь Надененко, основанный на этом принципе. А пивные банки по размерам как раз подходят в качестве плеч вибратора на ДМВ. В сущности, ЧНА и есть диполь, плечи которого неограниченно расширяются до бесконечности.

Простейший пивной вибратор из двух банок годится для комнатного приема аналога в городе даже без согласования с кабелем, если его длина не более 2 м, слева на рис. А если собрать из пивных диполей вертикальную синфазную решетку с шагом в полволны (справа на рис.), согласовать ее и отсимметрировать с помощью усилителя от польской антенны (о нем речь еще пойдет), то благодаря сжатию главного лепестка ДН по вертикали такая антенна даст и хороший КУ.

Усиление «пивнухи» можно еще увеличить, добавив заодно КЗД, если сзади нее поместить экран из сетки на расстоянии, равном половине шага решетки. Монтируется пивная решетка на мачте из диэлектрика; механические связи экрана с мачтой – тоже диэлектрические. Остальное ясно из след. рис.

Синфазная решетка из пивных диполей

Примечание: оптимальное количество этажей решетки – 3-4. При 2-х выигрыш в усилении будет небольшим, а большее трудно согласовать с кабелем.

Видео: изготовление простейшей антенны из пивных банок

«Логопедка»

Логопериодическая антенна (ЛПА) представляет собой собирающую линию, к которой попеременно подключаются половинки линейных диполей (т.е. куски проводника длиной в четверть рабочей волны), длина и расстояние между которыми меняются в геометрической прогрессии с показателем меньше 1, в центре на рис. Линия может быть как настроенной (с КЗ на противоположном от места подключения кабеля конце), так и свободной. ЛПА на свободной (ненастроенной) линии для приема цифры предпочтительнее: она выходит длиннее, но ее АЧХ и ФЧХ гладкие, а согласование с кабелем не зависит от частоты, поэтому на ней мы и остановимся.

Конструкция логопериодической антенны

ЛПА может быть изготовлена на любой, до 1-2 ГГц, наперед заданный диапазон частот. При изменении рабочей частоты ее активная область из 1-5 диполей смещается вперед-назад по полотну. Поэтому, чем ближе показатель прогрессии к 1, и соответственно меньше угол раскрыва антенны, тем большее усиление она даст, но при этом возрастает ее длина. На ДМВ от наружной ЛПА можно добиться 26 дБ, а от комнатной – 12 дБ.

ЛПА, можно сказать, по совокупности качеств идеальная цифровая антенна, поэтому остановимся на ее расчете несколько подробнее. Основное, что нужно знать, что увеличение показателя прогрессии (тау на рис.) дает прирост усиления, а уменьшение угла раскрыва ЛПА (альфа) увеличивает направленность. Экран для ЛПА не нужен, он на ее параметры почти не влияет.

Расчет цифровой ЛПА имеет особенности:

1. Начинают его, ради запаса по частоте, со второго по длине вибратора.
2. Затем, взяв обратную величину от показателя прогрессии, рассчитывают самый длинный диполь.
3. После самого короткого, исходя из заданного диапазона частот, диполя, добавляют еще один.

Поясним на примере. Допустим, наши цифровые программы лежат в диапазоне 21-31 ТВК, т.е. в 470-558 МГц по частоте; длины волн соответственно – 638-537 мм. Также допустим, что нам нужно принимать слабый зашумленный сигнал вдали от станции, поэтому берем максимальный (0,9) показатель прогрессии и минимальный (30 градусов) угол раскрыва. Для расчета понадобится половина угла раскрыва, т.е. 15 градусов в нашем случае. Раскрыв можно еще уменьшить, но длина антенны непомерно, по котангенсу, возрастет.

Считаем В2 на рис: 638/2 = 319 мм, а плечи диполя будут по 160 мм, до 1 мм можно округлять. Расчет нужно будет вести, пока не получится Bn = 537/2 = 269 мм, и затем просчитать еще один диполь.

Теперь считаем А2 как В2/tg15 = 319/0,26795 = 1190 мм. Затем, через показатель прогрессии, А1 и В1: А1 = А2/0,9 = 1322 мм; В1 = 319/0,9 = 354,5 = 355 мм. Далее последовательно, начиная с В2 и А2, умножаем на показатель, пока не дойдем до 269 мм:

• В3 = В2*0,9 = 287 мм; А3 = А2*0,9 = 1071 мм.
• В4 = 258 мм; А4 = 964 мм.

Стоп, у нас уже меньше 269 мм. Проверяем, уложимся ли по усилению, хотя и так ясно, что нет: чтобы получить 12 дБ и более, расстояния между диполями не должны превышать 0,1-0,12 длины волны. В данном случае имеем для В1 А1-А2 = 1322 – 1190 = 132 мм, а это 132/638 = 0,21 длины волны В1. Нужно «подтянуть» показатель к 1, до 0,93-0,97, вот и пробуем разные, пока первая разница А1-А2 не сократится вдвое и более. Для максимума в 26 дБ нужно расстояние между диполями в 0,03-0,05 длины волны, но не менее 2-х диаметров диполя, 3-10 мм на ДМВ.

Примечание: остаток линии за самым коротким диполем, обрезаем, он нужен только для расчета. Поэтому реальная длина готовой антенны получится всего около 400 мм. Если наша ЛПА наружная, это очень хорошо: можно уменьшить раскрыв, получив большую направленность и защиту от помех.

Видео: антенна для цифрового ТВ DVB T2

О линии и мачте

Диаметр трубок линии ЛПА на ДМВ – 8-15 мм; расстояние между их осями – 3-4 диаметра. Учтем еще, что тонкие кабели-«шнурки» дают на ДМВ такое затухание на метр, что все антенно-усилительные ухищрения сойдут на нет. Коаксиал для наружной антенны нужно брать хороший, диаметром по оболочке от 6-8 мм. Т.е., трубки для линии должны быть тонкостенными цельнотянутыми. Подвязывать кабель к линии снаружи нельзя, качество ЛПА резко упадет.

Крепить наружную ЛПА к мачте нужно, разумеется, за центр тяжести, иначе малая парусность ЛПА превратится в огромную и трясущуюся. Но соединять металлическую мачту прямо с линией тоже нельзя: нужно предусмотреть диэлектрическую вставку не менее 1,5 м длиной. Качество диэлектрика большой роли тут не играет, пойдет проолифленное и покрашенное дерево.

Об антенне «Дельта»

Если ДМВ ЛПА согласуется с кабелем усилителем (см. далее, о польских антеннах), то к линии можно пристроить плечи метрового диполя, линейные или веерные, как у «рогатки». Тогда получим универсальную МВ-ДМВ антенну отличного качества. Такое решение использовано в популярной антенне «Дельта», см. рис.

Антенна “Дельта”

Зигзаг в эфире

Z-антенна с рефлектором дает усиление и КЗД такие же, как ЛПА, но главный лепесток ее ДН более чем вдвое шире по горизонтали. Это может быть важно на селе, когда есть прием ТВ с разных направлений. А дециметровая Z-антенна имеет небольшие в плане размеры, что существенно для комнатного приема. Но ее рабочий диапазон теоретически не безграничен, перекрытие по частоте при сохранении приемлемых для цифры параметров – до 2,7.

Z-антенна МВ

Конструкция Z-антенны МВ показана на рис; красным выделен путь прокладки кабеля. Там же слева внизу – более компактный кольцевой вариант, в просторечии – «паук». По нему хорошо видно, что Z-антенна родилась как комбинация ЧНА с диапазонным вибратором; есть в ней кое-что и от ромбической антенны, которая в тему не вписывается. Да, кольцо «паука» не обязательно должно быть деревянным, это может быть обруч из металла. «Паук» принимает 1-12 МВ каналы; ДН без рефлектора – почти круговая.

Классический же зигзаг работает или на 1-5, или на 6-12 каналах, но для его изготовления нужны только деревянные рейки, медный эмалированный провод c d = 0,6-1,2 мм да несколько обрезков фольгированного стеклотекстолита, поэтому даем размеры, через дробь для 1-5/6-12 каналов: А = 3400/950 мм, Б, С = 1700/450 мм, b = 100/28 мм, В = 300/100 мм. В точке Е – нулевой потенциал, здесь нужно оплетку спаять с металлизированной опорной пластиной. Размеры рефлектора, тоже 1-5/6-12: А = 620/175 мм, Б = 300/130 мм, Г = 3200/900 мм.

Диапазонная Z-антенна с рефлектором дает усиление в 12 дБ, настроенная на один канал – 26 дБ. Чтобы на основе диапазонного зигзага построить одноканальный, нужно взять сторону квадрата полотна по середине ее ширины в четверть длины волны и пересчитать пропорционально все прочие размеры.

Народный зигзаг

Как видим, Z-антенна МВ – довольно сложное сооружение. Но ее принцип показывает себя во всем блеске на ДМВ. Z-антенну ДМВ с емкостными вставками, сочетающая в себе достоинства «классики» и «паука», сделать настолько просто, что она еще в СССР заслужила звание народной, см. рис.

Народная ДМВ антенна

Материал – медная трубка или алюминиевый лист толщиной от 6 мм. Боковые квадратики цельные из металла или затянутые сеткой, или закрытые жестянкой. В двух последних случаях их нужно пропаять по контуру. Коаксиал резко гнуть нельзя, поэтому ведем его так, чтобы он дошел до бокового угла, а затем не выходил за пределы емкостной вставки (бокового квадратика). В т. А (точка нулевого потенциала) оплетку кабеля электрически соединяем с полотном.

Примечание: алюминий не паяется обычными припоями и флюсами, поэтому алюминиевая «народная» годится для наружной установки только после герметизации электрических соединений силиконом, в ней ведь все на винтах.

Видео: пример двойной треугольной антенны

Волновой канал

Антенна волновой канал

Антенна волновой канал (АВК), или антенна Удо-Яги из доступных для самостоятельного изготовления способна дать наибольшие КУ, КНД и КЗД. Но принимать цифру на ДМВ она может только на 1 или 2-3 соседних каналах, т.к. относится к классу остро настроенных антенн. Ее параметры за пределами частоты настройки резко ухудшаются. АВК рекомендуется применять с очень плохих условиях приема, причем для каждого ТВК делать отдельную. К счастью, это не очень сложно – АВК проста и дешева.

В основе работы АВК – «сгребание» электромагнитного поля (ЭМП) сигнала к активному вибратору. Внешне небольшая, легкая, с минимальной парусностью, АВК может иметь эффективную апертуру в десятки длин волн рабочей частоты. Укороченные и поэтому имеющие емкостный импеданс (полное сопротивление) директоры (направители) направляют ЭМП к активному вибратору, а рефлектор (отражатель), удлиненный, с индуктивным импедансом, отбрасывает к нему то, что проскочило мимо. Рефлектор в АВК нужен всего 1, но директоров может быть от 1 до 20 и более. Чем их больше, тем выше усиление АВК, но уже полоса ее частот.

От взаимодействия с рефлектором и директорами волновое сопротивление активного (с которого снимается сигнал) вибратора падает тем больше, чем ближе к максимуму усиления настроена антенна, и согласование с кабелем теряется. Поэтому активный диполь АВК делают петлевым, его исходное волновое сопротивление не 73 Ом, как у линейного, а 300 Ом. Ценой его снижения до 75 Ом АВК с тремя директорами (пятиэлементную, см. рис. справа) удается настроить почти что на максимум усиления в 26 дБ. Характерная для АВК ДН в горизонтальной плоскости приведена на рис. в начале статьи.

Элементы АВК соединяются со стрелой в точках нулевого потенциала, поэтому мачта и стрела могут быть любыми. Очень хорошо подходят пропиленовые трубы.

Расчет и настройка АВК под аналог и цифру несколько различны. Под аналог волновой канал нужно рассчитывать на несущую частоту изображения Fи, а под цифру – на середину спектра ТВК Fс. Почему так – здесь объяснять, к сожалению, нет места. Для 21-го ТВК Fи = 471,25 МГц; Fс = 474 МГц. ДМВ ТВК расположены вплотную друг к другу через 8 МГц, поэтому их настроечные частоты для АВК рассчитываются просто: Fn = Fи/Fс(21 ТВК) + 8(N – 21), где N – номер нужного канала. Напр. для 39 ТВК Fи = 615,25 МГц, а Fс = 610 МГц.

Чтобы не записывать множество цифр, удобно размеры АВК выражать в долях длины рабочей волны (она считается как Л = 300/F, МГц). Длину волны принято обозначать малой греческой буквой лямбда, но, поскольку в интернете греческого алфавита по умолчанию нет, мы условно обозначим ее большой русской Л.

Размеры оптимизированной под цифру АВК, по рис., таковы:

U-петля: УСС для АВК

• Р = 0,52Л.
• В = 0,49Л.
• Д1 = 0,46Л.
• Д2 = 0,44Л.
• Д3 = 0,43л.
• a = 0,18Л.
• b = 0,12Л.
• c = d = 0,1Л.

Если не нужно большого усиления, но важнее уменьшение габаритов АВК, то Д2 и Д3 можно убрать. Все вибраторы выполняются из трубки или прутка диаметром 30-40 мм для 1-5 ТВК, 16-20 мм для 6-12 ТВК и 10-12 мм на ДМВ.

АВК требует точного согласования с кабелем. Именно небрежным выполнением устройства согласования и симметрирования (УСС) объясняется большинство неудач любителей. Самое простое УСС для АВК – U-петля из того же коаксиального кабеля. Ее конструкция ясна из рис. справа. Расстояние между сигнальными клеммами 1-1 140 мм для 1-5 ТВК, 90 мм для 6-12 ТВК и 60 мм на ДМВ.

Теоретически длина колена l должна быть в половину длины рабочей волны, так и значится в большинстве публикаций в интернете. Но ЭМП в U-петле сосредоточено внутри заполненного изоляцией кабеля, поэтому нужно обязательно (для цифры – особенно обязательно) учитывать его коэффициент укорочения. Для 75-омных коаксиалов он колеблется в пределах 1,41-1,51, т.е. l нужно брать от 0,355 до 0,330 длины волны, и брать точно, чтобы АВК была АВК, а не набором железок. Точное значение коэффициента укорочения всегда есть в сертификате на кабель.

В последнее время отечественная промышленность начала выпускать перенастраиваемые АВК для цифры, см. рис. Идея, надо сказать, отличная: передвигая элементы по стреле, можно точно настроить антенну под местные условия приема. Лучше, конечно, чтобы это делал специалист – поэлементная настройка АВК взаимозависима, и дилетант непременно запутается.

АВК для цифрового ТВ

О «полячках» и усилителях

У многих пользователей польские антенны, ранее прилично принимавшие аналог, цифру брать отказываются – рвется, а то и вовсе пропадает. Причина, прошу прощения, похабно-коммерческий подход к электродинамике. Стыдно порой бывает за коллег, сляпавших такое «чудо»: АЧХ и ФЧХ похожи то ли на ежа-псориазника, то ли лошадиный гребень с выломанными зубьями.

Единственно, что хорошо в «полячках» – их усилители для антенны. Собственно, они и не дают сим изделиям бесславно помереть. Усилители «поячек», во-первых, широкополосные малошумящие. И, что еще важнее – с высокоомным входом. Это позволяет при той же напряженности ЭМП сигнала в эфире подать на вход тюнера в несколько раз большую его мощность, что дает возможность электронике «выдрать» цифру из совсем уж безобразных шумов. Кроме того, вследствие большого входного сопротивления польский усилитель – идеальное УСС для любых антенн: что ни цепляй ко входу, на выходе – точно 75 Ом без отраженки и ползучки.

Однако при очень плохом сигнале, вне зоны уверенного приема, польский усилитель уже не тянет. Питание на него подается по кабелю, и развязка по питанию отнимает 2-3 дБ отношения сигнал/шум, которых может как раз и не хватить, чтобы цифра пошла в самой глубинке. Тут нужен хороший усилитель ТВ сигнала с раздельным питанием. Располагаться он будет, скорее всего, возле тюнера, а УСС для антенны, если оно требуется, придется делать отдельно.

Усилитель ТВ сигнала ДМВ

Схема такого усилителя, показавшая почти 100% повторяемость даже при выполнении начинающими радиолюбителями, приведена на рис. Регулировка усиления – потенциометром Р1. Дроссели развязки L3 и L4 – стандартные покупные. Катушки L1 и L2 выполняются по размерам на монтажной схеме справа. Они входят в состав полосовых фильтров сигнала, поэтому небольшие отклонения их индуктивности не критичны.

Однако топологию (конфигурацию) монтажа нужно соблюдать точно! И точно также обязателен металлический экран (metal shield), отделяющий выходные цепи от прочей схемы.

С чего начать?

Мы надеемся, что и опытные мастера найдут в этой статье некоторое количество полезных им сведений. А новичкам, еще не чувствующим эфир, начинать лучше всего с пивной антенны. Автор статьи, отнюдь и отнюдь не дилетант в данной области, в свое время был немало удивлен: простейшая «пивнушка» с ферритовым согласованием, как оказалось, и МВ берет не хуже испытанной «рогатки». А что стоит сделать ту и другую – см. текст.

Содержание

1. Основные понятия
2. Какой нужен генератор?
3. Выбор по ветру
4. О безопасности
5. Ветер, аэродинамика, КИЭВ
6. Чего ожидать от классики?
7. Вертикалки
8. ВСУ Бирюкова
9. Лопастники
10. Мини и микро
11. Парусники
12. Самодельный генератор
13. Вывод
14. Видео: технология производства ветрогенераторов
> Обсуждение

Россия в отношении ветроэнергетических ресурсов занимает двоякое положение. С одной стороны, благодаря огромной общей площади и обилию равнинных местностей ветра в целом много, и он большей частью ровный. С другой – наши ветры преимущественно низкопотенциальные, медленные, см. рис. С третьей, в мало обжитых местностях ветры буйные. Исходя из этого, задача завести на хозяйстве ветрогенератор вполне актуальна. Но, чтобы решить – покупать достаточно дорогое устройство, или сделать его своими руками, нужно как следует подумать, какой тип (а их очень много) для какой цели выбрать.

Ветроэнергетические ресурсы России

Основные понятия

1. КИЭВ – коэффициент использования энергии ветра. В случае применения для расчета механистической модели плоского ветра (см. далее) он равен КПД ротора ветросиловой установки (ВСУ).
2. КПД – сквозной КПД ВСУ, от набегающего ветра до клемм электрогенератора, или до количества накачанной в бак воды.
3. Минимальная рабочая скорость ветра (МРС) – скорость его, при которой ветряк начинает давать ток в нагрузку.
4. Максимально допустимая скорость ветра (МДС) – его скорость, при которой выработка энергии прекращается: автоматика или отключает генератор, или ставит ротор во флюгер, или складывает его и прячет, или ротор сам останавливается, или ВСУ просто разрушается.
5. Стартовая скорость ветра (ССВ) – при такой его скорости ротор способен провернуться без нагрузки, раскрутиться и войти в рабочий режим, после чего можно включать генератор.
6. Отрицательная стартовая скорость (ОСС) – это значит, что ВСУ (или ВЭУ – ветроэнергетическая установка, или ВЭА, ветроэнергетический агрегат) для запуска при любой скорости ветра требует обязательной раскрутки от постороннего источника энергии.
7. Стартовый (начальный) момент – способность ротора, принудительно заторможенного в потоке воздуха, создавать вращающий момент на валу.
8. Ветродвигатель (ВД) – часть ВСУ от ротора до вала генератора или насоса, или другого потребителя энергии.
9. Роторный ветрогенератор – ВСУ, в которой энергия ветра преобразуется во вращательный момент на валу отбора мощности посредством вращения ротора в потоке воздуха.
10. Диапазон рабочих скоростей ротора – разность между МДС и МРС при работе на номинальную нагрузку.
11. Тихоходный ветряк – в нем линейная скорость частей ротора в потоке существенно не превосходит скорость ветра или ниже ее. Динамический напор потока непосредственно преобразуется в тягу лопасти.
12. Быстроходный ветряк – линейная скорость лопастей существенно (до 20 и более раз) выше скорости ветра, и ротор образует свою собственную циркуляцию воздуха. Цикл преобразования энергии потока в тягу сложный.

Примечания:

1. Тихоходные ВСУ, как правило, имеют КИЭВ ниже, чем быстроходные, но имеют стартовый момент, достаточный для раскрутки генератора без отключения нагрузки и нулевую ССВ, т.е. абсолютно самозапускающиеся и применимы при самых слабых ветрах.
2. Тихоходность и быстроходность – понятия относительные. Бытовой ветряк на 300 об/мин может быть тихоходным, а мощные ВСУ типа EuroWind, из которых набирают поля ветроэлектростанций, ВЭС (см. рис.) и роторы которых делают порядка 10 об/мин – быстроходные, т.к. при таком их диаметре линейная скорость лопастей и их аэродинамика на большей части размаха – вполне «самолетные», см. далее.

Какой нужен генератор?

Электрический генератор для ветряка бытового назначения должен вырабатывать электроэнергию в широком диапазоне скоростей вращения и обладать способностью самозапуска без автоматики и внешних источников питания. В случае использования ВСУ с ОСС (ветряки с раскруткой), обладающих, как правило, высокими КИЭВ и КПД, он должен быть и обратимым, т.е. уметь работать и как двигатель. При мощностях до 5 кВт этому условию удовлетворяют электрические машины с постоянными магнитами на основе ниобия (супермагнитами); на стальных или ферритовых магнитах можно рассчитывать не более чем на 0,5-0,7 кВт.

Примечание: асинхронные генераторы переменного тока или коллекторные с ненамагниченным статором не годятся совершенно. При уменьшении силы ветра они «погаснут» задолго до того, как его скорость упадет до МРС, и потом сами не запустятся.

Отличное «сердце» ВСУ мощностью от 0,3 до 1-2 кВт получается из автогенератора переменного тока со встроенным выпрямителем; таких сейчас большинство. Во-первых, они держат выходное напряжение 11,6-14,7 В в довольно широком диапазоне скоростей без внешних электронных стабилизаторов. Во-вторых, кремниевые вентили открываются, когда напряжение на обмотке достигнет примерно 1,4 В, а до этого генератор «не видит» нагрузки. Для этого генератор нужно уже довольно прилично раскрутить.

В большинстве случаев автогенератор можно непосредственно, без зубчатой или ременной передачи, соединить с валом быстроходного ВД, подобрав обороты выбором количества лопастей, см. ниже. «Быстроходки» имеют малый или нулевой стартовый момент, но ротор и без отключения нагрузки успеет достаточно раскрутиться, прежде чем вентили откроются и генератор даст ток.

Выбор по ветру

Прежде чем решать, какой сделать ветрогенератор, определимся с местной аэрологией. В серо-зеленоватых (безветренных) областях ветровой карты хоть какой-то толк будет лишь от парусного ветродвигателя (и них далее поговорим). Если необходимо постоянное энергоснабжение, то придется добавить бустер (выпрямитель со стабилизатором напряжения), зарядное устройство, мощную аккумуляторную батарею, инвертор 12/24/36/48 В постоянки в 220/380 В 50 Гц переменного тока. Обойдется такое хозяйство никак не менее $20.000, и снять долговременную мощность более 3-4 кВт вряд ли получится. В общем, при непреклонном стремлении к альтернативной энергетике лучше поискать другой ее источник.

В желто-зеленых, слабоветренных местах, при потребности в электричестве до 2-3 кВт самому можно взяться за тихоходный вертикальный ветрогенератор. Их разработано несть числа, и есть конструкции, по КИЭВ и КПД почти не уступающие «лопастникам» промышленного изготовления.

Если же ВЭУ для дома предполагается купить, то лучше ориентироваться на ветряк с парусным ротором. Споров и них много, и в теории пока еще не все ясно, но работают. В РФ «парусники» выпускают в Таганроге на мощность 1-100 кВт.

В красных, ветреных, регионах выбор зависит от потребной мощности. В диапазоне 0,5-1,5 кВт оправданы самодельные «вертикалки»; 1,5-5 кВт – покупные «парусники». «Вертикалка» тоже может быть покупной, но обойдется дороже ВСУ горизонтальной схемы. И, наконец, если требуется ветряк мощностью 5 кВт и более, то выбирать нужно между горизонтальными покупными «лопастниками» или «парусниками».

Примечание: многие производители, особенно второго эшелона, предлагают комплекты деталей, из которых можно собрать ветрогенератор мощностью до 10 кВт самостоятельно. Обойдется такой набор на 20-50% дешевле готового с установкой. Но прежде покупки нужно внимательно изучить аэрологию предполагаемого места установки, а затем по спецификациям подобрать подходящие тип и модель.

О безопасности

Детали ветродвигателя бытового назначения в работе могут иметь линейную скорость, превосходящую 120 и даже 150 м/с, а кусочек любого твердого материала весом в 20 г, летящий со скоростью 100 м/с, при «удачном» попадании убивает здорового мужика наповал. Стальная, или из жесткого пластика, пластина толщиной 2 мм, движущаяся со скоростью 20 м/с, рассекает его же напополам.

Кроме того, большинство ветряков мощностью более 100 Вт довольно сильно шумят. Многие порождают колебания давления воздуха сверхнизкой (менее 16 Гц) частоты – инфразвуки. Инфразвуки неслышимы, но губительны для здоровья, а распространяются очень далеко.

Примечание: в конце 80-х в США был скандал – пришлось закрыть крупнейшую на тот момент в стране ВЭС. Индейцы из резервации в 200 км от поля ее ВСУ доказали в суде, что резко участившиеся у них после ввода ВЭС в эксплуатацию расстройства здоровья обусловлены ее инфразвуками.

В силу указанных выше причин установка ВСУ допускается на расстоянии не менее 5 их высот от ближайших жилых строений. Во дворах частных домовладений можно устанавливать ветряки промышленного изготовления, соответствующим образом сертифицированные. На крышах ставить ВСУ вообще нельзя – при их работе, даже у маломощных, возникают знакопеременные механические нагрузки, способные вызвать резонанс строительной конструкции и ее разрушение.

Примечание: высотой ВСУ считается наивысшая точка ометаемого диска (для лопастных роторов) или геомерической фигуры (для вертикальных ВСУ с ротором на древке). Если мачта ВСУ или ось ротора выступают вверх еще выше, высота считается по их топу – верхушке.

Ветер, аэродинамика, КИЭВ

Самодельный ветрогенератор подчиняется тем же законам природы, что и заводской, рассчитанный на компьютере. И самодельщику основы его работы нужно понимать очень хорошо – в его распоряжении чаще всего нет дорогих суперсовременных материалов и технологического оборудования. Аэродинамика же ВСУ ох как непроста…

Ветер и КИЭВ

Для расчета серийных заводских ВСУ используется т. наз. плоская механистическая модель ветра. В ее основе следующие предположения:

• Скорость и направление ветра постоянны в пределах эффективной поверхности ротора.
• Воздух – сплошная среда.
• Эффективная поверхность ротора равна ометаемой площади.
• Энергия воздушного потока – чисто кинетическая.

При таких условиях максимальную энергию единицы объема воздуха вычисляют по школьной формуле, полагая плотность воздуха при нормальных условиях 1,29 кг*куб. м. При скорости ветра 10 м/с один куб воздуха несет в себе 65 Дж, и с одного квадрата эффективной поверхности ротора можно, при 100% КПД всей ВСУ, снять 650 Вт. Это весьма упрощенный подход – все знают, что ветер идеально ровным не бывает. Но на это приходится идти, чтобы обеспечить повторяемость изделий – обычное в технике дело.

Плоскую модель игнорировать не следует, она дает четкий минимум доступной энергии ветра. Но воздух, во-первых, сжимаем, во-вторых, очень текуч (динамическая вязкость всего 17,2 мкПа*с). Это значит, поток может обтекать ометаемую площадь, уменьшая эффективную поверхность и КИЭВ, что чаще всего и наблюдается. Но в принципе возможна и обратная ситуация: ветер стекается к ротору и площадь эффективной поверхности тогда окажется больше ометаемой, а КИЭВ – больше 1 относительно его же для плоского ветра.

Приведем два примера. Первый – прогулочная, довольно тяжеловесная, яхта может идти не только против ветра, но и быстрее его. Ветер имеется в виду внешний; вымпельный ветер все равно должен быть быстрее, иначе как он судно потянет?

Второй – классика авиационной истории. На испытаниях МИГ-19 оказалось, что перехватчик, который был на тонну тяжелее фронтового истребителя, по скорости разгоняется быстрее. С теми же движками в том же планере.

Теоретики не знали, что и думать, и всерьез засомневались в законе сохранения энергии. В конце концов оказалось – дело в выступающем из воздухозаборника конусе обтекателя РЛС. От его носка к обечайке возникало уплотнение воздуха, как бы сгребавшее его со сторон к компрессорам двигателей. С тех пор ударные волны прочно вошли в теорию как полезные, и фантастические летные данные современных самолетов в немалой степени обусловлены их умелым использованием.

Аэродинамика

Развитие аэродинамики принято делить на две эпохи – до Н. Г. Жуковского и после. Его доклад «О присоединенных вихрях» от 15 ноября 1905 г. стал началом новой эры в авиации.

До Жуковского летали на поставленных плашмя парусах: полагалось, что частицы набегающего потока отдают весь свой импульс передней кромке крыла. Это позволяло сразу избавиться от векторной величины – момента количества движения – порождавшей зубодробительную и чаще всего неаналитическую математику, перейти к куда более удобным скалярным чисто энергетическим соотношениям, и получить в итоге расчетное поле давления на несущую плоскость, более-менее похожее на настоящее.

Такой механистический подход позволил создать аппараты, способные худо-бедно подняться в воздух и совершить перелет из одного места в другое, не обязательно грохнувшись на землю где-то по пути. Но стремление увеличить скорость, грузоподъемность и другие летные качества все больше выявляло несовершенство первоначальной аэродинамической теории.

Идея Жуковского была такова: вдоль верхней и нижней поверхностей крыла воздух проходит разный путь. Из условия непрерывности среды (пузыри вакуума сами по себе в воздухе не образуются) следует, что скорости верхнего и нижнего потоков, сходящих с задней кромки, должны отличаться. Вследствие пусть малой, но конечной вязкости воздуха там из-за разности скоростей должен образоваться вихрь.

Вихрь вращается, а закон сохранения количества движения, столь же непреложный, как и закон сохранения энергии, справедлив и для векторных величин, т.е. должен учитывать и направление движения. Поэтому тут же, на задней кромке, должен сформироваться противоположно вращающийся вихрь с таким же вращательным моментом. За счет чего? За счет энергии, вырабатываемой двигателем.

Для практики авиации это означало революцию: выбрав соответствующий профиль крыла, можно было присоединенный вихрь пустить вокруг крыла в виде циркуляции Г, увеличивающей его подъемную силу. Т.е., затратив часть, а для больших скоростей и нагрузок на крыло – большую часть, мощности мотора, можно создать вокруг аппарата воздушный поток, позволяющий добиться лучших летных качеств.

Это делало авиацию авиацией, а не частью воздухоплавания: теперь летательный аппарат мог сам создавать себе нужную для полета среду и не быть более игрушкой воздушных потоков. Нужен только двигатель помощнее, и еще и еще мощнее…

Снова КИЭВ

Но у ветряка мотора нет. Он, наоборот, должен отбирать энергию у ветра и давать ее потребителям. И здесь выходит – ноги вытащил, хвост увяз. Пустили слишком мало энергии ветра на собственную циркуляцию ротора – она будет слабой, тяга лопастей – малой, а КИЭВ и мощность – низкими. Отдадим на циркуляцию много – ротор при слабом ветре будет на холостом ходу крутиться как бешеный, но потребителям опять достается мало: чуть дали нагрузку, ротор затормозился, ветер сдул циркуляцию, и ротор стал.

Закон сохранения энергии «золотую середину» дает как раз посерединке: 50% энергии даем в нагрузку, а на остальные 50% подкручиваем поток до оптимума. Практика подтверждает предположения: если КПД хорошего тянущего пропеллера составляет 75-80%, то КИЭВ так же тщательно рассчитанного и продутого в аэродинамической трубе лопастного ротора доходит до 38-40%, т.е. до половины от того, чего можно добиться при избытке энергии.

Современность

Ныне аэродинамика, вооруженная современной математикой и компьютерами, все более уходит от неизбежно что-то да упрощающих моделей к точному описанию поведения реального тела в реальном потоке. И тут, кроме генеральной линии – мощность, мощность, и еще раз мощность! – обнаруживаются пути побочные, но многообещающие как раз при ограниченном количестве поступающей в систему энергии.

Известный авиатор-альтернативщик Пол Маккриди еще в 80-х создал самолет, с двумя моторчиками от бензопилы мощностью в 16 л.с. показавший 360 км/ч. Причем шасси его было трехопорным неубирающимся, а колеса – без обтекателей. Ни один из аппаратов Маккриди не вышел на линию и не встал на боевое дежурство, но два – один с поршневыми моторами и пропеллерами, а другой реактивный – впервые в истории облетели вокруг земного шара без посадки на одной заправке.

Парусная яхта на подводных крыльях

Парусов, породивших изначальное крыло, развитие теории тоже коснулось весьма существенно. «Живая» аэродинамика позволила яхтам при ветре в 8 узл. встать на подводные крылья (см. рис.); чтобы разогнать такую громадину до нужной скорости гребным винтом, требуется двигатель не менее 100 л.с. Гоночные катамараны при таком же ветре ходят со скоростью около 30 узл. (55 км/ч).

Есть и находки совершенно нетривиальные. Любители самого редкого и экстемального спорта – бейсджампинга – надев апециальный костюм-крыло, вингсьют, летают без мотора, маневрируя, на скорости более 200 км/ч (рис. справа), а затем плавно приземляются в заранее выбранном месте. В какой сказке люди летают сами по себе?

Бейсджампер в видгсьюте

Разрешились и многие загадки природы; в частности – полет жука. По классической аэродинамике, он летать не способен. Точно так же, как и родоначальник «стелсов» F-117 с его крылом ромбовидного профиля тоже не способен подняться в воздух. А МИГ-29 и Су-27, которые некоторое время могут лететь хвостом вперед, и вовсе ни в какие представления не укладываются.

И почему тогда, занимаясь ветродвигателями, не забавой и не орудием уничтожения себе подобных, а источником жизненно важного ресурса, нужно плясать непременно от теории слабых потоков с ее моделью плоского ветра? Неужели не найдется возможности продвинуться дальше?

Чего ожидать от классики?

Однако от классики отказываться ни в коем случае не следует. Она дает основу, не оперевшись на которую нельзя подняться выше. Точно так же, как теория множеств не отменяет таблицу умножения, а от квантовой хромодинамики яблоки с деревьев вверх не улетят.

Итак, на что можно рассчитывать при классическом подходе? Посмотрим на рисунок. Слева – типы роторов; они изображены условно. 1 – вертикальный карусельный, 2 – вертикальный ортогональный (ветряная турбина); 2-5 – лопастные роторы с разным количеством лопастей с оптимизированными профилями.

Сравнение эффективности ВСУ разных типов

Справа по горизонтальной оси отложена относительная скорость ротора, т.е., отношение линейной скорости лопасти к скорости ветра. По вертикальной вверх – КИЭВ. А вниз – опять же относительный крутящий момент. Единичным (100%) крутящим моментом считается такой, который создает насильно заторможенный в потоке ротор со 100% КИЭВ, т.е. когда вся энергия потока преобразуется во вращающее усилие.

Такой подход позволяет делать далеко идущие выводы. Скажем, количество лопастей нужно выбирать не только и не столько по желательной скорости вращения: 3- и 4-лопастники сразу много теряют по КИЭВ и вращательному моменту по сравнению с хорошо работающими примерно в том же диапазоне скорстей 2- и 6-лопастниками. А внешне похожие карусель и ортогонал обладают принципиально разными свойствами.

В целом же предпочтение следует отдавать лопастным роторам, кроме случаев, когда требуются предельная дешевизна, простота, необслуживаемый самозапуск без автоматики и невозможен подъем на мачту.

Примечание: о парусных роторах поговорим особо – они, похоже, в классику не укладываются.

Вертикалки

ВСУ с вертикальной осью вращения имеют неоспоримое для быта преимущество: их узлы, требующие обслуживания, сосредоточены внизу и не нужен подъем наверх. Там остается, и то не всегда, упорно-опорный самоустанавливающийся подшипник, но он прочен и долговечен. Поэтому, проектируя простой ветрогенератор, отбор вариантов нужно начинать с вертикалок. Основные их типы представлены на рис.

Вертикальные ветрогенераторы

ВС

На первой позиции – самый простейший, чаще всего называемый ротором Савониуса. На самом деле его изобрели в 1924 г. в СССР Я. А. и А. А. Воронины, а финский промышленник Сигурд Савониус бессовестно присвоил себе изобретение, проигнорировав советское авторское свидетельство, и начал серийный выпуск. Но внедрение в судьбе изобретения значит очень много, поэтому мы, чтобы не ворошить прошлое и не тревожить прах усопших, назовем этот ветряк ротором Ворониных-Савониуса, или для краткости, ВС.

ВС для самодельщика всем хорош, кроме «паровозного» КИЭВ в 10-18%. Однако в СССР над ним работали много, и наработки есть. Ниже мы рассмотрим усовершенствованную конструкцию, не намного более сложную, но по КИЭВ дающую фору лопастникам.

Примечание: двухлопастный ВС не крутится, а дергается рывками; 4-лопастный лишь немного плавнее, но много теряет в КИЭВ. Для улучшения 4-«корытные» чаще всего разносят на два этажа – пара лопастей внизу, а другая пара, повернутая на 90 градусов по горизонтали, над ними. КИЭВ сохраняется, и боковые нагрузки на механику слабеют, но изгибные несколько возрастают, и при ветре более 25 м/с у такой ВСУ на древке, т.е. без растянутого вантами подшипника над ротором, «срывает башню».

Дарье

Следующий – ротор Дарье; КИЭВ – до 20%. Он еще проще: лопасти – из простой упругой ленты безо всякого профиля. Теория ротора Дарье еще недостаточно разработана. Ясно только, что начинает он раскручиваться за счет разности аэродинамического сопротивления горба и кармана ленты, а затем становится вроде как быстроходным, образуя собственную циркуляцию.

Вращательный момент мал, а в стартовых положениях ротора параллельно и перпендикулярно ветру вообще отсутствует, поэтому самораскрутка возможна только при нечетном количестве лопастей (крыльев?) В любом случае на время раскрутки нагрузку от генератора нужно отключать.

Есть у ротора Дарье еще два нехороших качества. Во-первых, при вращении вектор тяги лопасти описывает полный оборот относительно ее аэродинамического фокуса, и не плавно, а рывками. Поэтому ротор Дарье быстро разбивает свою механику даже при ровном ветре.

Во-вторых, Дарье не то что шумит, а вопит и визжит, вплоть до того, что лента рвется. Происходит это вследствие ее вибрации. И чем больше лопастей, тем сильнее рев. Так что Дарье если и делают, то двухлопастными, из дорогих высокопрочных звукопоглощающих материалов (карбона, майлара), а для раскрутки посередине мачты-древка приспосабливают небольшой ВС.

Ортогонал

На поз. 3 – ортогональный вертикальный ротор с профилированными лопастями. Ортогональный потому, что крылья торчат вертикально. Переход от ВС к ортогоналу иллюстрирует рис. слева.

Карусельный и ортогональный роторы

Угол установки лопастей относительно касательной к окружности, касающейся аэродинамических фокусов крыльев, может быть как положительным (на рис.), так и отрицательным, сообразно силе ветра. Иногда лопасти делают поворотными и ставят на них флюгерки, автоматически держащие «альфу», но такие конструкции часто ломаются.

Центральное тело (голубое на рис.) позволяет довести КИЭВ почти до 50% В трехлопастном ортогонале оно должно в разрезе иметь форму треугольника со слегка выпуклыми сторонами и скругленными углами, а при большем количестве лопастей достаточно простого цилиндра. Но теория для ортогонала оптимальное количество лопастей дает однозначно: их должно быть ровно 3.

Ортогонал относится к быстроходным ветрякам с ОСС, т.е. обязательно требует раскрутки при вводе в эксплуатацию и после штиля. По ортогональной схеме выпускаются серийные необслуживаемые ВСУ мощностью до 20 кВт.

Геликоид

Геликоидный ротор, или ротор Горлова (поз. 4) – разновидность ортогонала, обеспечивающая равномерное вращение; ортогонал с прямыми крыльями «рвет» лишь немного слабее двухлопастного ВС. Изгиб лопастей по геликоиде позволяет избежать потерь КИЭВ из-за их кривизны. Хотя часть потока кривая лопасть и отбрасывает, не используя, но зато и загребает часть в зону наибольшей линейной скорости, компенсируя потери. Геликоиды используют реже прочих ветряков, т.к. они вследствие сложности изготовления оказываются дороже равных по качеству собратьев.

Бочка-загребушка

На 5 поз. – ротор типа ВС, окруженный направляющим аппаратом; его схема представлена на рис. справа. В промышленном исполнении встречается редко, т.к. дорогостоящий отвод земли не компенсирует прироста мощности, а материалоемкость и сложность производства велики. Но самодельщик, боящийся работы – уже не мастер, а потребитель, и, если нужно не более 0,5-1,5 кВт, то для него «бочка-загребушка» лакомый кусок:

Вертикальный ротор с направляющим аппаратом

• Ротор такого типа абсолютно безопасен, бесшумен, не создает вибраций и может быть установлен где угодно, хоть на детской площадке.
• Согнуть «корыта» из оцинковки и сварить каркас из труб – работа ерундовая.
• Вращение – абсолютно равномерное, детали механики можно взять самые дешевые или из хлама.
• Не боится ураганов – слишком сильный ветер не может протолкнуться в «бочку»; вокруг нее возникает обтекаемый вихревой кокон (мы с этим эффектом еще столкнемся).
• А самое главное – поскольку поверхность «загребушки» в несколько раз больше таковой ротора внутри, КИЭВ может быть и сверхединичным, а вращательным момент уже при 3 м/с у «бочки» трехметрового диаметра такой, что генератору на 1 кВт с предельной нагрузкой, как говорится, лучше и не дергаться.

Видео: ветрогенератор Ленца

ВСУ Бирюкова

В 60-х в СССР Е. С. Бирюков запатентовал карусельную ВСУ с КИЭВ 46%. Немного позже В. Блинов добился от конструкции на том же принципе КИЭВ 58%, но данных о ее испытаниях нет. А натурные испытания ВСУ Бирюкова были проведены сотрудниками журнала «Изобретатель и рационализатор». Двухэтажный ротор диаметром 0,75 м и высотой 2 м при свежем ветре раскручивал на полную мощность асинхронный генератор 1,2 кВт и выдерживал без поломки 30 м/с. Чертежи ВСУ Бирюкова приведены на рис.

Позиции:

1. ротор из кровельной оцинковки;
2. самоустанавливающийся двухрядный шариковый подшипник;
3. ванты – 5 мм стальной трос;
4. ось-древко – стальная труба с толщиной стенок 1,5-2,5 мм;
5. рычаги аэродинамического регулятора оборотов;
6. лопасти регулятора оборотов – 3-4 мм фанера или листовой пластик;
7. тяги регулятора оборотов;
8. груз регулятора оборотов, его вес определяет частоту вращения;
9. ведущий шкив – велосипедное колесо без шины с камерой;
10. подпятник – упорно-опорный подшипник;
11. ведомый шкив – штатный шкив генератора;
12. генератор.

Бирюков на свою ВСУ получил сразу несколько авторских свидетельств. Во-первых, обратите внимание на разрез ротора. При разгоне он работает подобно ВС, создавая большой стартовый момент. По мере раскрутки во внешних карманах лопастей создается вихревая подушка. С точки зрения ветра, лопасти становятся профилированными, и ротор превращается в быстроходный ортогонал, причем виртуальный профиль меняется соответственно силе ветра.

Во-вторых, профилированный канал между лопастями в рабочем диапазоне скоростей работает как центральное тело. Если же ветер усиливается, то в нем также создается вихревая подушка, выходящая за пределы ротора. Возникает такой же вихревой кокон, как вокруг ВСУ с направляющим аппаратом. Энергия на его создание берется от ветра, и тому на поломку ветряка ее уже не хватает.

В-третьих, регулятор оборотов предназначен прежде всего для турбины. Он держит ее обороты оптимальными с точки зрения КИЭВ. А оптимум частоты вращения генератора обеспечивается выбором передаточного отношения механики.

Примечание: после публикаций в ИР за 1965 г. ВСУ Бирюкова канула в небытие. Ответа от инстанций автор так и не дождался. Судьба многих советских изобретений. Говорят, какой-то японец стал миллиардером, регулярно читая советские популярно-технические журналы и патентуя у себя все, заслуживающее внимания.

Лопастники

Как у сказано, по классике горизонтальный ветрогенератор с лопастным ротором – наилучший. Но, во-первых, ему нужен стабильный хотя бы средней силы ветер. Во-вторых, конструкция для самодельщика таит в себе немало подводных камней, из-за чего нередко плод долгих упорных трудов в лучшем случае освещает туалет, прихожую или крыльцо, а то и оказывается способен только раскрутить самого себя.

По схемам на рис. рассмотрим подробнее; позиции:

• Фиг. А:

1. лопасти ротора;
2. генератор;
3. станина генератора;
4. защитный флюгер (ураганная лопата);
5. токосъемник;
6. шасси;
7. поворотный узел;
8. рабочий флюгер;
9. мачта;
10. хомут под ванты.

• Фиг. Б, вид сверху:

1. защитный флюгер;
2. рабочий флюгер;
3. регулятор натяжения пружины защитного флюгера.

• Фиг. Г, токосъемник:

1. коллектор с медными неразрезными кольцевыми шинами;
2. подпружиненные меднографитовые щетки.

Примечание: ураганная защита для горизонтального лопастника диаметром более 1 м совершенно необходима, т.к. создать вокруг себя вихревой кокон он не способен. При меньших размерах можно добиться выносливости ротора до 30 м/с с лопастями из пропилена.

Итак, где нас ждут «спотыки»?

Лопасти

Профилировка и крутка лопасти ВСУ

Рассчитывать добиться мощности на валу генератора более 150-200 Вт на лопастях любого размаха, вырезанных из толстостенной пластиковой трубы, как часто советуют – надежды беспросветного дилетанта. Лопасть из трубы (если только она не настолько толстая, что используется просто как заготовка) будет иметь сегментный профиль, т.е. его верхняя, или обе поверхности будут дугами окружности.

Сегментные профили пригодны для несжимаемой среды, скажем, для подводных крыльев или лопастей гребного винта. Для газов же нужна лопасть переменного профиля и шага, для примера см. рис.; размах – 2 м. Это будет сложное и трудоемкое изделие, требующее кропотливого расчета во всеоружии теории, продувок в трубе и натурных испытаний.

Генератор

При насадке ротора прямо на его вал штатный подшипник скоро разобьется – одинаковой нагрузки на все лопасти в ветряках не бывает. Нужен промежуточный вал со специальным опорным подшипником и механическая передача от него на генератор. Для больших ветряков опорный подшипник берут самоустанавливающийся двухрядный; в лучших моделях – трехъярусный, Фиг. Д на рис. выше. Такой позволяет валу ротора не только слегка изгибаться, но и немного смещаться из стороны в сторону или вверх-вниз.

Примечание: на разработку опорного подшипника для ВСУ типа EuroWind ушло около 30 лет.

Аварийный флюгер

Принцип его работы показывает Фиг. В. Ветер, усиливаясь, давит на лопату, пружина растягивается, ротор перекашивается, обороты его падают и в конце концов он становится параллельно потоку. Вроде бы все хорошо, но – гладко было на бумаге…

Попробуйте в ветреный день удержать за ручку параллельно ветру крышку от выварки или большой кастрюли. Только осторожно – вертлявая железяка может садануть по физиономbии так, что расквасит нос, рассечет губу, а то и выбьет глаз.

Плоский ветер бывает только в теоретических выкладках и, с достаточной для практики точностью, в аэродинамических трубах. Реально же ураган ветряки с ураганной лопатой корежит больше, чем вовсе беззащитные. Лучше все-таки менять исковерканные лопасти, чем делать заново все. В промышленных установках – другое дело. Там шаг лопастей, по каждой в отдельности, отслеживает и регулирует автоматика под управлением бортового компьютера. И делаются они из сверхпрочных композитов, а не из водопроводных труб.

Токосъемник

Это – регулярно обслуживаемый узел. Любой энергетик знает, что коллектор со щетками нужно чистить, смазывать, регулировать. А мачта – из водопроводной трубы. Не залезешь, раз в месяц-два придется весь ветряк валить на землю и потом опять поднимать. Сколько он протянет от такой «профилактики»?

Видео: лопастной ветрогенератор + солнечная панель для электроснабжения дачи

Мини и микро

Но с уменьшением размеров лопастника трудности падают по квадрату диаметра колеса. Изготовление горизонтальной лопастной ВСУ своими силами на мощность до 100 Вт уже возможно. Оптимальным будет 6-лопастный. При большем количестве лопастей диаметр ротора, рассчитанного на ту же мощность, будет меньше, но их окажется трудно прочно закрепить на ступице. Роторы о менее чем 6 лопастях можно не иметь в виду: 2-лопастнику на 100 Вт нужен ротор диаметром 6,34 м, а 4-лопастнику той же мощности – 4,5 м. Для 6-лопастного зависимость мощность – диаметр выражается следующим образом:

• 10 Вт – 1,16 м.
• 20 Вт – 1,64 м.
• 30 Вт – 2 м.
• 40 Вт – 2,32 м.
• 50 Вт – 2,6 м.
• 60 Вт – 2,84 м.
• 70 Вт – 3,08 м.
• 80 Вт – 3,28 м.
• 90 Вт – 3,48 м.
• 100 Вт – 3,68 м.
• 300 Вт – 6,34 м.

Оптимальным будет рассчитывать на мощность 10-20 Вт. Во-первых, лопасть из пластика размахом более 0,8 м без дополнительных мер защиты не выдержит ветер более 20 м/с. Во-вторых, при размахе лопасти до тех же 0,8 м линейная скорость ее концов не превысит скорость ветра более чем втрое, и требования к профилировке с круткой снижаются на порядки; здесь уже вполне удовлетворительно будет работать «корытце» с сегментным профилем из трубы, поз. Б на рис. А 10-20 Вт обеспечат питание планшетки, подзарядку смартфона или засветят лампочку-экономку.

Мини- и микроветрогенераторы

Далее, выбираем генератор. Отлично подойдет китайский моторчик – ступица колеса для электровелосипедов, поз. 1 на рис. Его мощность как мотора – 200-300 Вт, но в режиме генератора он даст примерно до 100 Вт. Но подойдет ли он нам по оборотам?

Показатель быстроходности z для 6 лопастей равен 3. Формула для расчета скорости вращения под нагрузкой – N = v/l*z*60, где N – частота вращения, 1/мин, v – скорость ветра, а l – длина окружности ротора. При размахе лопасти 0,8 м и ветре 5 м/с получаем 72 об/мин; при 20 м/с – 288 об/мин. Примерно с такой же скоростью вращается и велосипедное колесо, так что свои 10-20 Вт от генератора, способного дать 100, мы уж снимем. Можно ротор сажать прямо на его вал.

Но тут возникает следующая проблема: мы, потратив немало труда и денег, хотя бы на моторчик, получили… игрушку! Что такое 10-20, ну, 50 Вт? А лопастный ветряк, способный запитать хотя бы телевизор, дома не сделаешь. Нельзя ли купить готовый мини-ветрогенератор, и не обойдется ли он дешевле? Еще как можно, и еще как дешевле, см. поз. 4 и 5. Кроме того, он будет еще и мобильным. Поставил на пенек – и пользуйся.

Второй вариант – если где-то валяется шаговый двигатель от старого 5- или 8-дюймового дисковода, или от привода бумаги или каретки негодного струйного или матричного принтера. Он может работать как генератор, и приделать к нему карусельный ротор из консервных банок (поз. 6) проще, чем собирать конструкцию наподобие показанной на поз. 3.

В целом по «лопастникам» вывод однозначен: самодельные – скорее для того, чтобы помастерить всласть, но не для реальной долговременной энергоотдачи.

Видео: простейший ветрогенератор для освещения дачи

Парусники

Парусные ветрогенераторы

Парусный ветрогенератор известен давно, но мягкие полотнища его лопастей (см. рис.) начали делать с появлением высокопрочных износостойких синтетических тканей и пленок. Многолопастные ветряки с жесткими парусами широко разошлись по миру как привод маломощных автоматических водокачек, но их техданные ниже даже чем у каруселей.

Однако мягкий парус как крыло ветряка, похоже, оказался не так-то прост. Дело не в ветроустойчивости (производители не ограничивают максимально допустимую скорость ветра): яхсменам-парусникам и так известно, что ветру разорвать полотнище бермудского паруса практически невозможно. Скорее шкот вырвет, или мачту сломает, или вся посудина сделает «поворот оверкиль». Дело в энергетике.

К сожалению, точных данных испытаний не удается найти. По отзывам пользователей удалось составить «синтетические» зависимости для установки ВЭУ-4.380/220.50 таганрогского производства с диаметром ветроколеса 5 м, массой ветроголовки 160 кг и частотой вращения до 40 1/мин; они представлены на рис.

Характеристики ВЭУ-4.380/220.50

Разумеется, ручательств за 100% достоверность быть не может, но и так видно, что плоско-механистической моделью тут и не пахнет. Никак не может 5-метровое колесо на плоском ветре в 3 м/с дать около 1 кВт, при 7 м/с выйти на плато по мощности и далее держать ее до жестокого шторма. Производители, кстати, заявляют, что номинальные 4 кВт можно получить и при 3 м/с, но при установке их силами по результатам исследований местной аэрологии.

Количественной теории также не обнаруживается; пояснения разработчиков маловразумительны. Однако, поскольку таганрогские ВЭУ народ покупает, и они работают, остается предположить, что заявленные коническая циркуляция и пропульсивный эффект – не фикция. Во всяком случае, возможны.

Тогда, выходит, ПЕРЕД ротором, по закону сохранения импульса, должен возникнуть тоже конический вихрь, но расширяющийся и медленный. И такая воронка будет сгонять ветер к ротору, его эффективная поверхность получится больше ометаемой, а КИЭВ – сверхединичным.

Пролить свет на этот вопрос могли бы натурные измерения поля давления перед ротором, хотя бы бытовым анероидом. Если оно окажется выше, чем с боков в стороне, то, действительно, парусные ВСУ работают, как жук летает.

Самодельный генератор

Из сказанного выше ясно, что самодельщикам лучше браться или за вертикалки, или за парусники. Но те и другие очень медленные, а передача на быстроходный генератор – лишняя работа, лишние затраты и потери. Можно ли сделать эффективный тихоходный электрогенератор самому?

Да, можно, на магнитах из ниобиевого сплава, т. наз. супермагнитах. Процесс изготовления основных деталей показан на рис. Катушки – каждая из 55 витков медного 1 мм провода в термостойкой высокопрочной эмалевой изоляции, ПЭММ, ПЭТВ и т.п. Высота обмоток – 9 мм.

Детали самодельного генератора на супермагнитах

Обратите внимание на пазы под шпонки в половинах ротора. Они должны быть расположены так, чтобы магниты (они приклеиваются к магнитопроводу эпоксидкой или акрилом) после сборки сошлись разноименными полюсами. «Блины» (магнитопроводы) должны быть изготовлены из магнитомягкого ферромагнетика; подойдет обычная конструкционная сталь. Толщина «блинов» – не менее 6 мм.

Вообще-то лучше купить магниты с осевым отверстием и притянуть их винтами; супермагниты притягиваются со страшной силой. По этой же причине на вал между «блинами» надевается цилиндрическая проставка высотой 12 мм.

Обмотки, составляющие секции статора, соединяются по схемам, также приведенным на рис. Спаянные концы не должны быть натянуты, но должны образовывать петли, иначе эпоксидка, которой будет залит статор, застывая, может порвать провода.

Заливают статор в изложнице до толщины 10 мм. Центрировать и балансировать не нужно, статор не вращается. Зазор между ротором и статором – по 1 мм с каждой стороны. Статор в корпусе генератора нужно надежно зафиксировать не только от смещения по оси, но и от проворачивания; сильное магнитное поле при токе в нагрузке будет тянуть его за собой.

Видео: генератор для ветряка своими руками

Вывод

И что же мы имеем напоследок? Интерес к «лопастникам» объясняется скорее их эффектным внешним видом, чем действительными эксплуатационными качествами в самодельном исполнении и на малых мощностях. Самодельная карусельная ВСУ даст «дежурную» мощность для зарядки автоаккумулятора или энергоснабжения небольшого дома.

А вот с парусными ВСУ стоит поэкспериментировать мастерам с творческой жилкой, особенно в мини-исполнении, с колесом 1-2 м диаметром. Если предположения разработчиков верны, то с такого можно будет снять, посредством описанного выше китайского движка-генератора, все его 200-300 Вт.

Сделать же каркас (рангоут) для парусного ротора несложно. Кроме того, парусные ВСУ безопасны, а звуков от них, инфра- и слышимых, не обнаруживается. И высоко понимать ротор не нужно, достаточно одного диаметра колеса.

Видео: технология производства ветрогенераторов

Содержание

1. Принцип действия
2. Пояснения к схеме
3. ТТН
4. Подбор W2
5. Конструктивное исполнение
6. Монтаж и подключение
7. Настройка
8. Индикация состояния и диагностика
9. А что еще через него можно включать?
10. Итоговый нюанс
> Обсуждение

Представим себе ситуацию: обычная городская квартира. Пробки или главный автомат – на 16 А; больше не позволяет лимит потребляемой мощности. Имеется электробойлер. Хозяйка включает утюг и принимается за глажку; в этот момент автоматически включается на подогрев остывший бойлер. Ток потребления превышает норму, пробки или автомат выбивают, квартира обесточивается. Досадно, и на компьютере пропала важная информация.

А теперь представим себе другую ситуацию: возле счетчика на стене висит коробочка немного больше сигаретной пачки. «Почуяв», что общий ток потребления возрос и остатка на водонагреватель уже не хватит, она разрывает цепь электропитания ТЭНа, а когда все выглажено и утюг отключен, восстанавливает ее, и бойлер с некоторым запозданием продолжает греть.

Более того, коробочка мгновенно включает и выключает бойлер сообразно включению/выключению терморегулятора утюга: она не содержит электромеханических коммутационных устройств, срабатывает не медленнее чем за 10 мс (электромеханический контактор – не быстрее 20 мс) и квартирный автомат «не видит» переключения потребителей. Сколько бы ни продолжалась глажка, бойлер не успеет сильно остыть, и общий расход электроэнергии не увеличится.

Такая вот «коробочка» – устройство автоматического отключения бойлера – и описана далее в статье.

Принцип действия

Схема устройства приведена на рисунке. Его основа – измерительный трансформатор типа ТТН (трансформатор ток – напряжение) ТМ1. Первичная обмотка ТМ1 (W1) – виток или полтора эмалированной меди большого сечения – включена в разрыв фазного провода L. Ее индуктивность и активное сопротивление ничтожны и не оказывают никакого влияния на электроснабжение квартиры. Вторичная обмотка W2 – много витков тонкого провода. Те, кто знает электродинамику, сразу поймут, что при наличии ферромагнитного магнитопровода НАПРЯЖЕНИЕ U на вторичной обмотке будет прямо пропорционально ТОКУ I первичной, и по его величине можно судить о величине тока в измеряемой цепи.

Электрическая принципиальная схема устройства автоматического отключения электробойлера

Выпрямительный диод VD1 и накопительный конденсатор С1 совместно с ТМ1 составляют измерительный узел. Коэффициент преобразования выбран 1:1,5, т.е. при токе в измеряемой цепи 30 А напряжение на С1 составит 45 В. Такой, достаточно высокий, коэффициент преобразования выбран для устранения гистерезиса устройства по току. Если взять его, скажем, 5:1 (6 В на С1 при 30 А измеряемых), то при настройке устройства на 6 А обратное восстановление вторичной цепи происходит при 5,7 А. 0,3 А разницы при 220 В это 66 Вт, т.е. одна-две лампы освещения могут «сбить с толку» устройство.

Ограничительный резистор R1, регулировочный потенциометр R2, стабилитрон VD2, светодиод LED1, шунт утечки R3 и транзистор VT1 составляют узел управления и индикации срабатывания. Принцип его работы очевиден: R2 настраивают устройство на нужный ток. Когда напряжение на его движке превысит напряжение пробоя стабилитрона плюс 2 В (падение напряжения на светодиоде), VT1 открывается, замыкая на общий провод цепь управляющего электрода тиристора VS1, тот закрывается и размыкает цепь питания бойлера. LED1 при этом загорается за счет тока базы VT1, сигнализируя о срабатывании устройства.

Диодный мост VD2-VD6, делитель напряжения R5/R4 и тиристор VS1 составляют узел коммутации. Он собран по обычной схеме с шунтированием диагонали диодного моста. При этом через ТЭН бойлера и тиристор протекают синусоидальные однополярные импульсы тока с частотой 100 Гц. Через R5/R4 в начале каждого импульса (когда напряжение достигнет примерно 2 В) тиристор открывается и пропускает ток. При падении напряжения до примерно 0,5 В тиристор закрывается и «ждет» следующего импульса.

При срабатывании узла управления открывающие импульсы через открытый VT1 «уходят в землю», по окончании очередной полуволны 220 В 100 Гц тиристор закрывается, а следующая не пройдет через противоположно направленные плечи VD2-VD6. При использовании в качестве VS1 тиристоров производства 70-х из старого хлама мощность бойлера составляет 90% от номинальной, а с современными оптотиристорами – 97-98%.

Ограничительный резистор R6 и светодиод LED2 составляют узел индикации подключения бойлера. Свечение LED2 свидетельствует, что питание на бойлер подано через устройство.

Примечание: LED2 сигнализирует только о подаче напряжения. Нагрев бойлера включает/выключает, как и прежде, его термостат.

Двухполярный переключатель S1.1/S1.2 предназначен для включения бойлера напрямую при неисправности схемы. Надежность устройства весьма высока; схема построена так, что большинство из возможных неисправностей приводят не к отключению, а наоборот к постоянной подаче напряжения на бойлер, как будто «коробочки» вовсе нет, но предназначено устройство для того, чтобы избавить от хлопот, а не добавлять их. S1.1/S1.2 – со световой индикацией включения, чтобы видно было, запитан бойлер через «коробочку» или напрямую.

Пояснения к схеме

Устройство разрабатывалось исходя из принципа «дубовости»: поставил, подключил и забыл. Именно этим объясняется некоторая архаичность схемотехнических решений.

К примеру, вместо ТМ1, который нужно мотать, можно было бы применить компактный датчик тока на магниточувствительных электронных компонентах. Но такой датчик пропускает дальше в схему кратковременные выбросы напряжения – импульсные помехи (ИП). ИП – основной источник неисправностей электроники, подключаемой непосредственно к сети, а источников их в современной квартире более чем достаточно. ТТН же в сочетании с накопительным конденсатором подавляет ИП полностью без дополнительных фильтров.

Номинал R1 может быть от 1 до 5,6 кОм. Его уменьшение увеличивает предельное значение тока срабатывания; увеличение – уменьшает его. VD1 – на напряжение 4,7-5,6 В. Этого вполне достаточно, чтобы устранить гистерезис по току срабатывания. LED1 и LED2 – повышенной яркости; их свечение хорошо видно уже при токе в 2 мА.

Транзистор VT1 должен быть достаточной мощности, т.к. его ток базы может превышать 10 мА. Рассеиваемая мощность – не менее 5 Вт; максимально допустимое коллекторное напряжение – от 50 В. В оригинальной конструкции использован старый советский КТ815Г; подойдут любые его аналоги или более мощные.

Мост VD2-VD6 и тиристор VS1 – на ток не менее 20 А. Ток потребления бытовых бойлеров не превышает 10 А; двойной «военный» запас по току вместо полуторного промышленного или 30% бытового делает мост и тиристор практически вечными. VS1 должен быть установлен на радиаторе площадью 30-50 кв. см.

S1.1/S1.2 – на ток 10 А со встроенной световой индикацией, как указано выше. Можно взять и помощнее, но давать для S1.1/S1.2 большой запас по току особого смысла нет: включается он в исключительных случаях и часто не переключается.

ТТН

Магнитная индукция в магнитопроводе ТМ1 составляет доли тесла (Тл), поэтому наматывать его можно хоть на железе из консервной банки или на Ш-образном феррите. Трансформаторная сталь все же предпочтительнее: индукция насыщения феррита намного меньше, и при резких сильных скачках напряжения в сети ИП могут проникать в схему. Площадь сечения – от 1 кв. см. Больше – не страшно, но возрастут массогабариты устройства.

В оригинале ТМ1 намотан на каркасе сгоревшего трансформатора «базарного» китайского сетевого адаптера питания. Радиолюбители знают, что перематывать «китайца» бесполезно: высококоэрцитивный ферромагнитный сплав, из пластин которого набран сердечник, чувствителен к нагреву, при перегорании ухудшает свои свойства и перемотанный очень быстро опять сгорает. Но в качестве ТТН такой трансформатор работает без заметного нагрева при максимальном токе в первичной обмотке.

Конструкция трансформатора ТМ1

Конструкция и данные ТМ1 показаны на рисунке. Первичная обмотка W1 – виток или полтора из сложенных вместе 10-12 медных эмалированных проводов диаметром 1,0-0,8 мм по меди, или обрезок медной эмалированной шины соответствующего сечения. Плотность тока j в W1 желательно выдерживать до 4 А/кв.мм во избежание магнитного насыщения сердечника от ИП. Коэффициент преобразования до некоторой степени зависит от магнитных свойств материала сердечника и площади его поперечного сечения, поэтому при изготовлении ТМ1 на случайном магнитопроводе количество витков вторичной обмотки W2 придется подобрать.

Подбор W2

Подбор делаем исходя из соотношения 1 А – 1 В переменного напряжения; тогда после выпрямления на С1 получим как раз 40-45 В. Мотаем W2, допустим, 200 витков, для скорости работы. Ищем дома достаточно мощный потребитель. Допустим, есть электрочайник на 1300 Вт. При 220 В в сети его ток потребления 1300/220 = 6 А по закону Ома.

Включаем W1 ТМ1 в разрыв цепи питания чайника (только не забываем налить воду; чайник без воды нельзя включать и в качестве балласта), мультиметром в режиме измерения переменного напряжения меряем «переменку» на W2. Допустим, оказалось 1,7 В. При 30 А с такой обмоткой получим 30/6 = 5х1,7 = 8,5 В, а нам нужно 30 В. Нужное количество витков W2 будет 30/8,5 = 3,53х200 (исходное количество витков) = 706. Округляем до 700 или 750; отклонение напряжения на W2 на 20% на работу устройства существенного влияния не оказывает. Диаметр провода значения не имеет, лишь бы обмотка поместилась в окне каркаса.

Конструктивное исполнение

При работе устройства выделяется примерно 5 Вт тепла. Это немного, но в глухом корпусе при постоянном включении в сеть тепловой режим может оказаться тяжеловат, поэтому нужно предусмотреть вентиляционные отверстия. Корпус – любая подходящая диэлектрическая коробочка. Монтаж – на печатной плате.

Вход с выходом сети и отвод на бойлер подключаются через стандартные клеммники. Чтобы не перепутать провода, их желательно разнести подальше друг от друга и замаркировать. Движок R2 – под шлиц, т.к. регулировка (см. далее) осуществляется один раз при установке устройства. В корпусе – отверстие напротив движка R2, или его выводят на корпус, а после регулировки заклеивают скотчем. LED1, LED2 и S1.1/S1.2 выводятся на переднюю панель.

Монтаж и подключение

Устройство монтируется либо в квартирном электрощитке, либо на стене между счетчиком и главной распределительной коробкой. Включается в разрыв фазы, как указано. На вход заводятся провода от счетчика; на выход – вся остальная квартира, кроме бойлера. Бойлер подключается к отводу для него. Подключение, разумеется, производится при обесточенной квартире с соблюдением правил электробезопасности.

Подробнее о том, как устанавливать сам накопительный, а также проточный водонагреватель читайте по ссылке.

Настройка

Прежде всего определяем запас по току квартиры. Допустим, постоянные потребители – освещение, телевизор, компьютер и т.п. в сумме дали 700 Вт; это при 220 В будет 3,2 А. Автомат, допустим, на 16 А. Остается 12,8 А, это будет 12,8х220 = 2816 Вт; 2,8 кВт.

Потом ищем ближайшего МЕНЬШЕГО по мощности потребителя. Скажем, есть пылесос на 1400 Вт, то же электрочайник, утюг на 2,2 кВт и микроволновка на 2,8 квт. Выбираем утюг, чтобы в дальнейшем избежать непредвиденных отключений. Можно включить чайник с пылесосом, они в сумме дадут 2,7 кВт, но шумно будет.

Далее отключаем бойлер его штатным автоматом, ставим движок R2 в крайнее нижнее положение по схеме. Затем включаем утюг и плавно вращаем движок R2 до тех пор, пока красный светодиод не погаснет и не загорится желтый. Все, регулировка окончена, можно «врубать» бойлер и жить спокойно.

Индикация состояния и диагностика

При нормальной работе устройства должны светиться либо LED1 (желтый), либо LED2 (красный). Если не горят или горят оба сразу – устройство неисправно, нужно до ремонта или замены включить S1.1/S1.2. Для диагностики включаем в сеть то, на чем настраивали: желтый должен погаснуть, а красный засветиться. Однако возможно, что изменилось напряжение сети; в таком случае может понадобиться повторная регулировка.

А что еще через него можно включать?

Можно включать «омические» потребители: утюг, чайник, электрокамин. Микроволновку, холодильник, кондиционер, компьютер, телевизор и все, где кроме простой электроспирали есть хоть какая-то электроника, нельзя: при питании однополярными импульсами такие устройства либо вовсе не будут работать, либо быстро выйдут из строя. В бойлере электроники нет, там термостат на биметаллической пластине. Освещение тоже нельзя: практика показывает, что любые лампочки при питании однополярными импульсами быстро сгорают.

Итоговый нюанс

Первые эксплуатанты устройства, ознакомившись с его работой, решили переставить его на цепь питания розетки у гладильной доски, благо туда идет отдельная ветвь проводки. Т.е., они отдали приоритет бойлеру: при перегрузке по току отключается утюг. Но, конечно, приоритеты в своем жилье каждый определяет сам.

Содержание

1. О готовых комплектах
2. Совсем просто
3. Начинаются сложности
4. Кабель или эфир?
5. Созрели вишни в саду у дяди Вани…
6. Сервер и система
7. Камеры
8. Усовершенствования простых камер
9. Размещение камер
10. Монтаж системы
11. Настройка
12. Архив бы утрамбовать…
13. Информация к размышлению
14. Видео: видеонаблюдение своими руками дома или на даче
> Обсуждение

Видеонаблюдение своими руками – это и совсем просто, и просто просто, и очень сложно. Совсем просто – если нужно из кухни присмотреть за квартирой, не отрываясь от готовки или стирки. Просто просто – потому что технически создание системы видеонаблюдения доступно пользователю домашнего компьютера среднего уровня, а финансово обойдется не более чем в 10-12 тыс. руб, если только не покупать готовый набор, а комплектовать самому. И очень сложно – если деньги нужно потратить не на собственное спокойствие душевное до первого проникновения чужака, а на действительную безопасность.

Постараемся разобраться в этом клубке проблем. Заодно посмотрим, можно ли все же реализовать видеонаблюдение своими руками, чтобы оно было эффективным и во что оно обойдется. И прежде всего уясним себе, что в данном случае речь идет о четырех весьма и весьма различных системах:

• Присмотр за квартирой без выезда – совсем просто и дешево.
• Присмотр за временно покинутой квартирой, офисом, производственным помещением в обустроенном регионе – просто, но дороже.
• Домашняя система видеонаблюдения постоянно обитаемого загородного дома или задействованной удаленной производственной площади (охраняемый склад, ферма) – просто и недешево.
• Видеонаблюдение за дачей, удаленным полем/садом, временно используемой производственной площадью – очень сложно, дорого и вообще проблематично.

О готовых комплектах

В интернете море разливанное предложений готовых комплектов видеонаблюдения, проводных или беспроводных. Что о них можно сказать, если считать все вполне надежными?

Во-первых, цены явно вздуты: комплект из одной камеры и видеорегистратора дешевле 15 000 руб. вряд ли найдется. Но одна камера, понятное дело, полного обзора не даст; для этого нужно их хотя бы 4-5. Такой комплект дешевле 35 000 руб. не купишь. Выходит, за каждую дополнительную камеру нужно выложить 20 000/(3-4) = (6667-5000) руб. А точно такая же отдельно стоит не более 2500 руб. Разница в 10 000 и более за пару дополнительных чипов в регистраторе – это уж чересчур. Лучше попытаться собрать самому.

Во-вторых, продавцы скромно умалчивают, что «беспроводное» в данном случае означает локальную связь камер с регистратором, а не собственный выход в интернет WAN (Worldwide Area Network; глобальная, или всемирная, информационная сеть, ГИС; LAN, Local Area Network – локальная информационная сеть, ЛИС). Да, в беспроводном видеонаблюдении регистратор может быть удален от камер, но насколько? Обещания в 10 или даже 30 км (!) – абсурд. Для радиуса зоны уверенного приема (ЗУП) в 10 км на МВ/ДМВ нужна мощность не менее 15 Вт, излучаемая антенной, поднятой не менее чем на 20-25 м над наивысшей точкой рельефа окружающей местности. Если даже допустить, что, благодаря каким-то невероятным ухищрениям технологии коробочка на батарейках и выдаст столько в антенну, то в широкую продажу ее не пустят – для такой дальнобойности нужна отдельная на каждое устройство лицензия Минсвязи и выделенная Частотнадзором частота. Поинтересуйтесь в крупных телекомпаниях, просто ли им получить разрешение на новый передатчик?

В-третьих, готовые наборы ПО для удаленного контроля по интернету не комплектуются и гарантии, что внедрить систему в инет получится, производители не дают. Либо сиди и все время смотри на монитор (который, кстати, должен поддерживать мультиэкранный режим), либо никакого контроля в реальном времени.

Общий вывод – бюджетное видеонаблюдение нужно делать самому из покупных вразнобой компонент, и самому же настраивать. Подводных камней на этом фарватере немало, так что плыть по нему придется путем извилистым. Ну что ж, пока – малый вперед!

Примечание: контроль офиса/склада/цеха/территории в нерабочее время в большом городе при разносе камер и регистратора более чем на 100-150 м весьма и весьма проблематичен из-за помех и легкости глушения такой системы. В сельской местности можно отнести контроль до 1 км, а работу глушилки сразу распознать и считать сигналом тревоги.

Совсем просто

Локальное видеонаблюдение в квартире может вовсе не потребовать никаких дополнительных затрат и быть организовано буквально в течение 3-10 мин. Что для этого нужно? Веб-камера (вебка), USB или беспроводная, да ноутбук или планшет. В продаже есть и смартфоны, понимающие вебку. Создание системы видеоприсмотра сводится к инсталляции вебки – и смотрите себе, мирно ли сопит носиком во сне ваш маленький или не шкодит ли любимая кошка.

Второй вариант – на случай, если ноут со встроенной вебкой, выход в инет через домашний Wi-Fi роутер и есть вторая точка выхода – тот же планшет или смартфон. Тут и покупать ничего не нужно – связываемся сами с собой как угодно, хотя бы через соцсеть или какую-то знакомку, и контролируем на здоровье.

Видео: простое виденаблюдение для квартиры своими руками

Начинаются сложности

Удаленная система наблюдения, совмещающая в себе контрольные и охранные функции, технически вполне реализуема своими силами, но организационно сложнее на порядки. По правде говоря, если бюджет позволяет, лучше заказать ее в лицензированной организации. Если же браться самому, то нужно владеть кое-какой информацией специального характера. Постараемся помочь читателю разобраться в этом вопросе. Начнем с организационных и морально-этических принципов, имеющих тем не менее, вполне конкретное техническое и денежное выражение.

Против лома нет приема

Самый простой способ избежать видеонаблюдения – вывести его из строя. Преступники не мудрствуют лукаво: камень из рогатки или шарик с краской из пейнтбольного ружья по камере – всего лишь мелкое хулиганство и материальный ущерб. Комок грязи или снежок по ее объективу вообще ненаказуемы; максимум – админпротокол. А путь свободен.

Принцип 1: врачу, исцелися сам, или главное – безопасность камер. Как ее обеспечить? Далее посмотрим.

С честным лицом и открытым забралом

Хороший пожарник – тот, который спит на службе. Почему? Потому, что у него нигде ничего не горит. Хороший сантехник – тот, который в дежурке забивает козла, а то и распивает бутылочку с коллегами. Почему? Потому, что у него все везде проходит по трубам как надо куда надо и нигде ничего не течет.

Хорошее видеонаблюдение – то, которое отвадит злоумышленника. Схватить злодея за шкирку и поволочь торжествующе в органы, может быть, и приятно. Но для общества полезнее, когда и он, и хозяин спокойно спят, не помышляя о криминале.

Принцип 2: организовать видеонаблюдение необходимо, исходя из абсолютного приоритета профилактики несанкционированного проникновения.

И в дождь, и в грязь должна работать связь

Преступники, если нужно, и помудрствовать могут, и умеют, а войны высоких технологий давно уже перешли из фантастики в быт. Те же производители охранных систем предлагают в широком ассортименте разные сканеры, антижучки, детекторы, глушилки и т.п. Цены – доступные. Во всяком случае, меньше стоимости урожая клубники или яблок с ухоженных 6 соток, не считая картошки и помидоров. И пользоваться можно неоднократно.

Принцип 3: основа надежности системы видеонаблюдения – надежные и защищенные каналы связи, как внутренние (между камерами и сервером), так и входящие/исходящие.

Солдат спит, служба идет

Вероятность вычислить и взять взломщика и вора спустя 12 час. после эпизода стремительно приближается к 0. Свыше 75% взломов и краж раскрываются в течение суток по совершении; потом – «глухарь». Но смотреть не отрываясь на дисплей невозможно, и зачем, к примеру, уезжать всей семьей в отпуск ради лишнего беспокойства?

Принцип 4: система видеонаблюдения должна быть спящей, т.е. должна уметь сама распознавать факт нарушения и давать тревогу.

Кабель или эфир?

Беспроводное видеонаблюдение, бесспорно, экономит много денег на кабеле и земляных/строительных работах по его скрытой прокладке. Но оно же весьма уязвимо для глушения и просто радиопомех, которых в теперешнем эфире хоть отбавляй. Гарантий конфиденциальности информации тоже нет: кодер, способный выдержать современные инфоатаки, и остронаправленную антенну в камеру не встроишь.

Поэтому единственный, пожалуй, случай, когда беспроводное наблюдение оправдывает себя – внутренний контроль обширного помещения: многокомнатной квартиры, офиса, торгового зала. А как организовать наружное видеонаблюдение, не опутываясь паутиной проводов и не роя траншеи, мы далее разберемся.

Созрели вишни в саду у дяди Вани…

Олигархи для своих загородных резиденций сами видеонаблюдение не делают. А для рядового гражданина наиболее актуальны две задачи: присмотр за квартирой или небольшим офисом в отсутствие хозяев и контроль обстановки на даче. Вторая необходима не только безопасности ради – знать погоду там перед поездкой никак не помешает.

Вместе с тем, видеонаблюдение для дачи сложнее всего по всем статьям, включая труднодоступность в ненастье и ненадежность электроснабжения. Поэтому на нем мы остановимся подробнее; все прочее будет проще. Отдельные существенные для объектов охраны иного рода моменты будут отмечены особо.

Интернет

Локальное беспроводное видеонаблюдение, как уже указано, с дачи до городского дома не дотянется, да и в городе будет более-менее надежно работать лишь в пределах не очень большого объекта. В городе организовать удаленный контроль по интернету сравнительно просто: выход в него на объекте, как правило, уже есть. Нужно только проверить его пропускную способность (см. ниже), перейти, если потребуется, на более дорогой тарифный план для ее увеличения и настроить всю систему; об этом мы тоже поговорим.

Но на дачу оптику, витую пару или коаксиал протянуть нереально, а перебить протянутые элементарно просто. Фактически единственная возможность организовать видеонаблюдение через интернет для дачи – 3G модем или другой мобильный (эфирный) интернет (EDGE, GPRS). Однако такие системы, мягко говоря, избытком пропускной способности не страдают при любых заявленных характеристиках. И гарантий ее никакой провайдер не даст: эфир же – погода, помехи, условия прохождения радиоволн.

Вместе с тем, как будет показано ниже, интернет-канал для видеонаблюдения должен стабильно обеспечивать пропускную способность около 1 Мбит/с. Как ее проверить на месте? Подручных есть 4 способа:

1. Скачать программу тестирования интернета на скорость и прокачать ею канал с места. Источников бесплатных программ сколько угодно, хотя бы speedtest.net. Результат далеко не всегда отражает действительность, поэтому лучше проверить несколько раз в часы пик интернета разными программами. И нужно будет указать или показать на карте хост приемника информации; до домашнего компьютера тестирование не проводится.
2. Скачать фильм торрент-трекером и наблюдать, какую он покажет скорость закачки. Способ хорош тем, что дает реальную скорость передачи сплошного потока видео и аудио до экрана, а это нам и нужно. Однако трекер может показать не скорость соединения, а скорость отдачи источника, поэтому качать нужно файлы, которые отдают не менее 10-12 сидов (обладателей их, осуществляющих раздачу).
3. Пообщаться со знакомыми по скайпу с вебкой, настроенной на 25-30 FPS (frames per second), 25-30 кадров в секунду. Если звук с картинкой проходят, лишь изредка подхрипывая или ненадолго (до 2-3 с) рассыпаясь на квадратики, подключение по скорости пройдет.
4. Поиграть часа 3-4 в World Of Tanks онлайн. По 3G это редко удается, но, если уж получается – канал отличный.

Непременное условие тестирования – его нужно производить на объекте и с устройства (сервера системы), к которому будут в дальнейшем подключены камеры. Для дачи это может быть нетбук с 3G модемом. Понятное дело, что придется купить у провайдера еще одну точку входа и вносить за нее абонплату. Если объект постоянно обитаемый и инет уже есть, этот расход, разумеется, отпадает.

Об IP адресе

IP (Internet Protocol Address) точки входа с объекта должен быть фиксированным. Если IP абонента плавающий, то настроить программу управления наблюдением, в т.ч. и передачу картинок владельцу, весьма и весьма проблематично, даже если сервер системы имеет функцию DDNS (которую специалисты непочтительно, но метко называют веб-мордой). А самый популярный бесплатный софт IVIDEON, о котором речь еще пойдет, понимает только фиксированный IP.

Узнать, фиксирован ли ваш IP, очень просто: в Яндексе в строке поиска набрать, без кавычек, «IP адрес». Если IP фиксирован, то первым результатом он и будет, напр. 96.222.76.190 IPv6. Запишите его – он еще понадобится.

Если эфирный модем простой, похожий на флешку, IP наверняка плавающий. Фиксированный IP провайдеры дают контрактным абонентам с прошитыми провайдером модемами. Чтобы включиться на контракт, придется предъявить паспорт и заключить договор, но зато вы получите массу преимуществ; в частности – уменьшенную абонплату и набегающие со временем льготы.

Примечание: в контракте, в зависимости от тарифного плана, указывается максимальная скорость канала. Учтите – это максимум, который по эфиру гарантировать физически невозможно. К примеру, если вы выбрали тариф на 64 кбит/с, то больше и не будет даже до рождения Фарадея, Максвелла, Герца и Попова. Но трафик на 1 Мбит/с в зависимости от условий приема может упасть до тех же 64 кбит/с, и провайдер тут не виноват.

LAN

Второй скользкий момент – выход в инет абонентов локальной сети. Предусмотрен ли он тарифным планом или контрактом? Дело в том, что видеонаблюдение проще всего организовать при помощи камер D-Link, но у каждой из них будет свой IP. А, к примеру, в сети PeopleNet хост понимает только IP зарегистрированного модема. Чтобы посмотреть видео с камеры издали, его нужно записать на HDD сервера системы, а уж оттуда стянуть по инету любым другим возможным способом. Популярные доступные программы управления наблюдением делать это не позволяют.

С плавающим IP такая проблема не возникнет в принципе, но будут другие, о которых уже сказано. Поэтому, планируя установку видеонаблюдения, обязательно выясните у своего провайдера, не придется ли за каждую камеру вносить отдельную абонплату и вообще, будет ли хост работать с D-Link.

Сервер и система

Структурная схема удаленного видеонаблюдения

Простое видеонаблюдение собирается по структурной схеме, приведенной на рисунке. При выполнении некоторых мер, описанных ниже, в качестве сервера подойдет любой нетбук или подержанный компьютер. Хотите еще проще? Да, возможно. Но для себя, а не от воров.

Если на сервере есть хотя бы 6 USB портов (один – для мышки), то и камеры можно взять USB и обойтись без локальной сети. Как самую дешевую вебку сделать всепогодной и антивандальной, будет описано далее. Но! USB соединение плохо защищено от помех, и длина кабеля со всеми изворотам не может быть более 15-20 м. USB-2 на максимальной скорости 2 Мбит/с работоспособно, по ТУ, при длине кабеля до 5 м. И доступные управляющие софты рассчитаны на IP-камеры.

К слову, IP-камера вовсе не значит, что она сама по себе выходит в инет и передает картинку хозяину. IP-камеры имеют IP- и MAC-адреса (MAC-адрес – физический идентификатор устройства в сети), но для выхода в инет им, как и всем, необходим провайдер и хост. И модем, если инет мобильный. К примеру, если есть 8 IP-камер, то, чтобы снять картинки со всех них непосредственно по проводному инету, нужно купить 8 точек выхода и вносить восьмикратную абонплату.

Роутер может быть любым. Сложный маршрутизатор не нужен, подойдет самый простой коммуникатор (свич, хаб). Эфирный порт нужен, если в системе есть беспроводные камеры.

Современные роутеры – это, фактически, вполне приличные компьютеры, к которым, для настройки, к примеру, можно подключить дисплей, клавиатуру, мышку. Есть у них и собственный WAN. Однако компьютеры они специализированные; установить на такой и настроить программу управления системой если и можно, то опытному специалисту. ОС, кстати, чаще всего Linux. Так что вся система обойдется гораздо дешевле, если для сервера взять дешевый б/у комп и простой дешевый хаб.

О HDD

Читатель, компьютерно грамотный и въедливый, может язвительно спросить: а, простите, архив-то где храниться будет? Настроить сервер на передачу всех картинок сразу хозяину сложно, и мобильный инет такой поток постоянно точно не потянет. А тогда какой же винт нужен на локальном сервере? На нетбуках и б/у таких не бывает.

Между прочим, бывают. При 8 FPS с 5 камер на 600 TVL (см. далее) за неделю при активности кадра 50% набегает около 10 ГБ архива данных. Жесткий диск на 120 ГБ не считался редкостью и 8 лет тому назад, а теперь? И если хранить архив, как говорится, весь сплошняком и не глядя, то раз в неделю придется покупать аж 2 DVD болванки. Если же не лениться просматривать в ускоренном режиме и пропалывать, то 4-мя DVD в год под архив обойтись вполне реально.

Примечание: активность кадра – отношение количества изменившихся на новом кадре пикселов к их общему количеству, считая по «сырой картинке», карте битов. Размер сжатого видео от активности кадра зависит очень сильно. Только не ищите аналога с JPEG: в потоке видео полностью передается лишь каждая 15-я картинка (сжатая хотя бы тем же JPEG), а для промежуточных кадров – параметры их изменения относительно опорных. Если в кадре дядька с мешком и топором медленно крадется по колышущейся от ветерка траве, активность кадра будет 20-30%.

О UPS

Нужен ли для такой системы UPS? Вопрос, казалось бы, праздный – ведь без электричества ничего и не увидишь. Верно, но для неотапливаемой дачи есть нюанс: зимой, на морозе, аккумулятор UPS мгновенно засульфатируется и полностью выйдет из строя. Да и прочему оборудованию, если оно непрофессиональное, минус в плюс не пойдет. Так что, по окончании сбора урожая, когда воровать уже нечего, всю технику лучше отвезти домой до весны.

Камеры

Итак, считаем, что вопросы выхода в интернет решены, более-менее надежный канал связи у нас есть. Установка видеонаблюдения начнется с выбора камер и разработки схемы их размещения; эти вопросы тесно взаимосвязаны. От них зависит и все остальное, поэтому хаб, прокладку кабелей, обжимку разъемов, монтаж и настройку системы отложим на потом.

Какие они бывают

Камеры видеонаблюдения делятся на две большие категории – открытые и скрытые. Имея в виду преимущественно профилактическое назначение системы, предпочтение следует отдать открытым, они и дешевле. Но в некоторых случаях могут понадобиться и скрытые, поэтому рассмотрим те и другие.

Открытые

Основные виды открытых камер показаны на рисунке. Первая слева – консольная беспроводная; такие бывают и проводные. Самые дешевые, предназначены для фиксированного обзора внутри помещений. Проводную консольную камеру несложно самому сделать антивандальной и приспособить для наружки, о чем будет сказано.

Открытые камеры видеонаблюдения

Следующая – наружная с жестким креплением. Как правило, такие стоят дорого и снабжаются инфракрасной подсветкой, зум-объективом, встроенным детектором движения с распознаванием образов, средствами защиты от глушения. Стоят дорого, и увлекаться ими для себя не нужно: применение таких камер оправдано для контроля очень больших пространств и зон внимания снаружи от периметра.

Третья слева – внутренняя позиционируемая полноповоротная (PTZ). Довольно дороги, но одна такая, закрепленная на потолке, для полного обзора комнаты заменяет 4 консольных. Если те не усовершенствованы своими силами, как будет описано далее.

Последняя – купольная всепогодная антивандальная. Помимо полного набора функций наружной камеры и PTZ, описанного выше, такие чаще всего снабжаются еще и автономной системой позиционирования, позволяющей осуществлять сканирование всей полусферы независимо от компьютера.

Стоят купольные камеры дорого, но по соотношению функциональность/цена не имеют себе равных. Хотя бы одну такую необходимо забить в бюджет системы, если планируется видеонаблюдение для дома или дачи.

Скрытые

Первая слева на рисунке – сверхминиатюрная. «Скрытость» вроде бы должна достигаться простым уменьшением размера, но специалисты, образно выражаясь, с двух сторон баррикады, такие не уважают: их легко обнаруживает неопытный, но внимательный и настороженный нарушитель при соответствующей психологической установке. Зашита от глушилок и антижучков чаще всего никакая. В общем, дорогие игрушки.

Скрытые камеры видеонаблюдения

Следующие три – маскируемые, под потолочный светильник, детектор движения и пожарный извещатель соответственно. Злодеи-профи над таким смеются и нередко, завершая визит, оставляют на них издевательские надписи вроде: «Хозяин, замени лампочку!» или «Мужик, я думал, ты умнее…»

Но для рабочего наблюдения в офисе или цехе маскируемые камеры, тем более, что среди них есть недорогие, подходят неплохо – они не так раздражают персонал, как бесстыдно пялящиеся «зырики».

И две последние – камеры потайные. Их замуровывают в стены, встраивают в подвесные потолки и т.п. В опытных руках потайные камеры – мощнейшее средство оперативной разработки. Много преступлений и тщательно оберегаемых секретов разоблачается с их помощью. Но профилактическая роль – нулевая, и стоят очень дорого, поэтому для домашнего видеонаблюдения не рекомендуются.

Выбор по параметрам

Разрешение

На рисунке показаны картинки с камер с разрешением 450 TVL (TelevisionLines), ТВ-строк, 600 TVL и растровая с матрицы в 2 Мрх. Разница в детализации и геометрии тестовой картинки бьет в глаза, но физиономию злодея из «Звездных войн» Дарта Вейдера опознать можно везде. И личность реального нарушителя тоже можно будет опознать, не пользуясь криминалистическими софтами.

Помимо цены, камеры малого разрешения для удаленного видеонаблюдения имеют еще одно огромное преимущество: требуется в разы или десятки раз меньшая пропускная способность канала связи и место под архив. В YourTube сюжет с такой камеры рейтинга не наберет, по подглядывание с последующим обнародованием – это уже не личная безопасность, а паранойя вкупе с УК.

Матрица и фокус

Если планируется круглогодичное уличное видеонаблюдение (сад/огород, частный дом, склад, производственная площадка и т.п.), то приобретает значение тип матрицы: CCD (Couple Charged Device, прибор с зарядовой связью, ПЗС) или CMOS (Complementary Metal-Oxide-Semiconductor, комплементарная металл-окисел-полупроводник, К-МОП). CCD дешевле, но для наружки не годятся: от нагрева прямым Солнцем летом сильно шумят, а от холодов зимой за 2-3 сезона деградируют.

Примечание: в спецификациях отечественных производителей К-МДП, металл-диэлектрик-полупроводник, это то же самое, что и К-МОП.

Альтернативные производители в спецификациях маскируют CCD аббревиатурами собственного приготовления, да еще и меняют из время от времени, поэтому в паспорте наружной камеры должно быть четко прописано: «Тип матрицы – CMOS».

Важен также размер матрицы по диагонали. Он выражается в долях дюйма: матрица 1/3 будет 25,4/3 = 8,47 мм, а 1/4 – 25,5/4 = 6,35 мм. По идее, чем больше матрица, тем шире ее динамический диапазон, расстояние по яркости от уровня шумов до уровня белого. Но тогда для получения того же угла обзора потребуется и большее фокусное расстояние объектива, а от этого падает глубина резкости. При большой матрице может потребоваться зум-объектив, а это не очень хорошо. Помимо дороговизны, важные для расследования детали фона могут оказаться смазанными.

Примечание: при одной и той же оптике по картинке с матрицы 1/3 на 450 TVL опознать субъекта легче, чем с матрицы 1/4 на 600 TVL.

Специалисты по поводу размера матриц ломали и ломают копья, но простому пользователю для себя достаточно знать следующее:

• Для обзора комнаты – матрица любая.
• Для периметра дома – пойдет любая CMOS.
• Для обзора придомовой территории со стен, см. ниже – CMOS 1/3 450-600 TVL.
• Для обзора участка с крыши – CMOS 1/3 на 600-800 TVL.

Картинки с предварительно подобранных камер нужно сравнить при покупке – камеры разных производителей по ее качеству существенно различаются. В спецификациях на камеры часто дают и фокусное расстояние объектива с глубиной резкости. Первое для указанных параметров будет в пределах 4-7 мм, а глубина резкости должна быть от 0,6-1,5 м до бесконечности. Для непрофессионального наблюдения объектив желателен с фиксированным фокусным расстоянием и постоянной наводкой на резкость. Фокусируемый зум-объектив и дорог, и не так надежен.

Детектор движения

Принцип детектора движения (ДД) прост: пока в кадре ничего не происходит, камера спит – ничего не снимает и не нагружает канал связи; он остается в распоряжении других камер, что-то заметивших. Использование камер с ДД позволяет снизить требования к связи или к тому же каналу подключить больше камер.

ДД сейчас снабжаются и простейшие дешевые камеры. Часто такие брать не советуют: мол, к чему ДД, если он не может отличить упомянутого злого дядьку от приблудного барбоса или набежавшей на Солнце тучки?

Очень даже к чему, и как раз потому, что замечает любые изменения. Барбос может вытоптать клумбу или нагадить, и от него нужно избавляться. Без фенологии (знания и учета природных явлений) нельзя организовать как рентабельное товарное хозяйство, так и существенное подспорье к собственному столу.

Пример: при просмотре архива замечено, что на даче был легкий заморозок, которого в городе, где всегда теплее, не отмечено. Значит, огурцы будут горчить, и лучше их собрать на корнишоны, чтобы не выбрасывать потом, а все-таки съесть или выгодно продать.

Что же касается офиса, то в помещении избыточная чувствительность к движению не помеха: в нерабочее время все, что может случиться, не нужно и должно быть отмечено.

Светочувствительность и подсветка

Галогенный прожектор с детектором движения

При повышении чувствительности камеры с 1 лк (сумеречная) до 0,1 лк (ночная) цена возрастает в несколько раз. То же самое – если камера оборудована ИК подсветкой. Нужно ли это? Лучше за часть разницы в цене купить галогенный прожектор с ДД (см. рис.), или отдельно ДД и к нему лампочку-экономку в наружном плафоне.

Помимо экономии, здесь для профилактики сыграет роль психология. Внезапно вспыхнувший яркий свет – недвусмысленный сигнал нарушителю: «Чувак, ты попалился! Делай ноги, пока не взяли!». Если же нарушитель вовсе «отмороженный» – наркоман, радикал определенного рода – то по светлой четкой картинке опознать его будет легче, чем по мутной и тусклой ИК.

Частота кадров

Для удаленного наблюдения нужно брать камеру с минимальной частотой кадров 8 FPS. Почему именно 8? Если по каналу связи прошла картинка с вебки при 25-30 FPS, то при 8 FPS он потянет 4-5 камер без звука, что достаточно для полного обзора.

С другой стороны, хорошо подготовленный спецагент реагирует на внезапный раздражитель (свет, к примеру, см. выше) за 0,15-0,2 с. 8 FPS дадут на каждый кадр 1/8 = 0,125 с, что быстрее, и нарушитель будет зафиксирован.

Видео о камерах для видеонаблюдения

Усовершенствования простых камер

Оптика

Видеокамера с расширяющей линзой

Взгляните на рисунок. На камеру наложена миносовая – (11-15) диоптрий линза для очков; она выделена несколько более насыщенным цветом. Такие продаются диаметром 70 мм, и на камере закрепляются охватывающими ее проволочными скобками, т.е. камеру не разбираем, и гарантия не теряется.

Что это дает? Угол обзора расширяется с 60 до 90-110 градусов. Одна такая камера в верхнем углу комнаты даст полный ее обзор, и не нужна дорогая купольная или 4 по углам, смотрящих наперекрест. Картинка, правда, от линзы еще больше поплывет, но мы ведь не фильм снимаем, а объект опознать все равно возможно будет.

При наружном размещении 4 самодельных «суперширика», установленных посередине стен, дадут полный обзор по кругу. Завершит систему купольная камера на крыше. Возле углов здания останутся небольшие мертвые зоны, но опытный преступник только вздохнет: «Близок локоть, да не укусишь!» Использовать их для проникновения невозможно.

Скафандр для вебки

Антивандальная всепогодная веб-камера

Теперь взгляните на следующий рисунок. Сообразительный самодельщик взял да и засунул дешевенькую вебку Genius в корпус галогенного прожектора. Внутрь за рефлектор положил несколько мешочков силикагеля, чтобы конденсата не было, а кабельный ввод после подключения залил церезином.

Получилось вдвое дешевле самой дешевой наружной камеры, но стабильно работает от –17 (ниже не было) до +45 при нагреве прямым Солнцем. В жару, правда, заметно шумит, но разобрать картинку можно.

Камнем из рогатки или стрелой из спортивного лука стекло разбивается при попадании в пределах около 10 градусов от нормали; фактически – при прямом. Пуля из спортивной пневматической винтовки или револьвера под патрон Флобера при таком ракурсе оставляет на стекле щербинку, а при угле встречи более 30 градусов все вышеуказанные снаряды рикошетят. При подвеске на стене с наклоном, как описано ниже, рикошетит и пейнтбольный шарик при стрельбе из любой возможной позиции.

Размещение камер

Правильным размещением камер можно добиться экономии кабеля такой, что беспроводное наблюдение на участке в 12 соток становится ненужным. Основной принцип уже описан – 4 на стенах, купольная на крыше. Нужно еще определить высоту подвеса и угол наклона; это иллюстрирует рисунок.

Размещение камеры видеонаблюдения на стене

Слева – совсем плохо: большая мертвая зона под стеной, и зря тратим разрешение камеры на подглядывание за улицой. В центре – можно, но не нужно: мертвая зона остается, камера висит слишком низко, а выстрелом или броском из-за забора можно разбить стекло или объектив.

А вот справа – оптимум. Полный обзор, и швырок на повреждение возможен только из просматриваемого пространства.

Для обзора дачного участка стеновые камеры нужно разместить попарно с разным наклоном на концах конька крыши; очень хорошо, если крыша вальмовая. Картинка с дачных камер нужна почетче, чем с домовых – смотреть нужно довольно далеко. Но вся система в целом выйдет дешевле, и канал связи может быть послабее: дорогая купольная камера высокого разрешения на крыше уже не нужна.

Эти соображения справедливы, если угол обзора расширен, как описано выше, или изначально составляет 90 и более градусов. ДД со вспыхивающей подсветкой размещаются по стенам возле камер, или, для дачи, 2 под парами камер.

Монтаж системы

Монтаж видеонаблюдения по сравнению с другими электрокоммуникациями имеет существенные особенности:

• Кабель нужен комбинированный: коаксиал или витая пара в одной оболочке с жилами питания.
• К камерам на территории кабель прокладывают в траншее затянутым в трубу.
• Земляные работы ведут по возможности скрытно, пользуясь услугами вполне доверенных лиц; случайный дешевый забулдыга за пузырь или дозу сдаст не задумываясь, а темные личности между собой договариваются легко.
• Электропитание камер нужно брать от сервера системы; камера, включенная в ближайшую розетку – все равно что пароль, написанный на заборе.
• Сервер, хаб, UPS и прочее системное оборудование размещаются компактно в поле зрения одной из камер.

Настройка

Камеры

Камеры D-Link (кстати, их так называют по имени фирмы, впервые их разработавшей и выпустившей на рынок) комплектуются ПО с инструкцией по установке, поэтому опишем вкратце лишь существенное:

1. Собираем и настраиваем LAN; тут можно привлечь специалиста, секретов пока нет.
2. Выходим в интернет с сервера.
3. Подключаем к LAN ОДНУ камеру.
4. Устанавливаем ее ПО и запускаем.
5. Софт камеры сам ее найдет и выдаст ее IP и MAC.
6. На сервере в строку поиска любого браузера вводим полученный IP; откроется панель управления камерой, где можно будет, к примеру, настроить FPS, и увидеть картинку.
7. Точно так же инсталлируем остальные камеры по очереди.

Примечание: битрейт (скорость передачи значимой информации; Bit Rate) не трогаем или выставляем постоянный CBR, constant bit rate).

Далее настраиваем удаленный доступ. Это задача уже не для дилетанта, и ПО камеры недостаточно: нужно настроить через WAN-интерфейсы интернет-шлюз между сервером и получателем информации. Проще, к сожалению, нельзя – не будет конфиденциальности. Серьезные продавцы камер и провайдеры оказывают такую услугу; случайных копьютерных гуру привлекать не нужно. Но потом для пользователя все просто: на получателе в браузере набираем IP камеры и, через двоеточие – присвоенный при настройке номер ее порта; на экране откроется панель управления с картинкой.

Управляющие программы

D-Link обеспечивает высокую степень конфиденциальности и защищенности информации, но пользоваться им, как видим, сложно и хлопотно. Платные плагины к D-Link, упрощающие работу с системой, стоят также немало. Поэтому широкое распространение получили автономные программы управления камерами. Они позволяют получать картинку с любой камеры, с любой вебки в сети, хоть на смартфон, и записывать ее в архив.

Более всего распространены две: Ivideon и WebcamXP. Обе их можно скачать бесплатно и установить без затруднений, как и любой другой пользовательский софт. Нужно только знать IP камеры, о чем уже говорилось. Но разница между Ivideon и WebcamXP довольно существенна.

Ivideon

Абсолютно бесплатна; надежных источников раздачи и руководств по установке – море. Но позволяет только записывать видео в реальном времени с одной камеры. Есть плагины, позволяющие автоматически переключаться с камеры на камеру, но отмечено много глюков. В общем, очень хорошая программа для вебок, но для видеонаблюдения с полным обзором подходит неважно.

Примечание: Ivideon имеет ДД без распознавания. ДД камеры он не заменяет – обратной связи нет, движение определяется по принятым кадрам. Т.е., камеры никогда не спят и все время нагружают канал связи.

WebcamXP

В бесплатной версии на одну камеру позволяет регулировать скорость съемки; например, делать кадр раз в секунду, или через 0,5 с, или через 2 с и т.п. Многокамерная триал-версия дается бесплатно на 2 месяца, потом нужно платить. Позволяет планировать включение/выключение камер, можно настраивать кодек, задавать путь сохранения архива, скачивать издали по FTP и HTTP. Но работает только под WindowsXP и выше. Накладывает собственный логотип на изображение, что не всегда допустимо. В целом, для самодельного непрофессионального наблюдения – пока безальтернативный вариант.

Примечание: пытаться обмануть, попользовавшись триалом, а затем удалив и скачав заново – бесполезно.

Архив бы утрамбовать…

Самое слабое звено самодельного видеонаблюдения – его владелец. Просмотр и просеивание архива потребует не менее 3-4 часов еженедельно, и работа эта утомительна. Нет ли доступных софтов, которые сами бы прореживали архив?

К сожалению, программ, которые сами могли бы понять, что вам интересно и нужно, нет и пока не предвидится. Домашних, для рядовых пользователей, прореживателей архивов, как таковых, нет вообще. На домашний компьютер можно поставить ZoneMinder, но пользование этой программой требует наличия навыков программирования хотя бы среднего уровня.

Информация к размышлению

Размышлять будем о даче. И о других случаях, когда нужно видеонаблюдение с полным обзором по интернету. Как видим, начальные единовременные затраты составят около 10 000 руб, никак не менее, а затем по 400-600 руб./мес., или 4800-7200 ежегодно. Пользованию системой придется уделять немало времени и сил. А в случае чего – можно только наблюдать; объект далеко и мгновенно не доступен.

Поэтому, прежде чем браться за видеонаблюдение, подумаем хорошенько: а не скинуться ли всем миром, как в дачных товариществах издавна заведено, и не нанять ли сторожа с собачкой? Пусть он и не герой, но нападение на человека при исполнении или обученную и зарегистрированную служебную собаку – это уже не воровство с хулиганством. Это совсем другие статьи УК, и сроки другие. И преступники прекрасно это знают.

Видео: видеонаблюдение своими руками дома или на даче

Содержание

1. Как развивались АОС
2. Беремся за сигнализацию
3. Как что делать?
> Обсуждение

Честно обеспечить свое благосостояние всегда было трудно, а потерять праведно нажитое при пожаре или краже – обидно, и опять зарабатывать нужно… Охранно-пожарная сигнализация (ОПС) позволяет свести риск пропажи имущества от несчастья к минимуму, а ставки страховых взносов для оборудованного ею жилья существенно ниже. В наше время появилось еще одно благоприятное обстоятельство – монтаж пожарной сигнализации своими руками может произвести человек, знакомый с азами электротехники и домашних работ, а узаконивание правильно собранной системы чаще всего не требует соблюдения сложных формальностей.

Неужели? ОПС – дело серьезное, на сигнал тревоги должно отреагировать МЧС. И установка пожарной сигнализации по закону должна производиться лицензированной организацией, это всем известно. Да, но современная электроника настолько упростила построение автоматических охранных систем (АОС), повысив в то же время их функциональность и надежность, что, образно выражаясь, сытые волки бдительно охраняют пасущееся стадо: профессионалы имеют стабильный доход, сосредоточившись исключительно на охранных функциях, а граждане, не напрягая бюджет, обеспечивают свою безопасность.

Чтобы разобраться, почему охранно-пожарная сигнализация своими руками стала вполне реальной, и как ее правильно сделать, давайте вкратце ознакомимся с эволюцией АОС, устройством их в целом и составных частей, и принципами организации охранных служб жилых помещений.

Как развивались АОС

До чипов и герконов

Первоначально АОС строились в виде цепочки размыкающихся термодатчиков: пружинные контакты спаивались сплавами Вуда или Розе с температурой плавления 70-86 градусов. Принудительно замыкалась цепочка ручным извещателем с нормально замкнутыми контактами. Все это вместе образовывало шлейф Ш. От нагрева припой плавился, контакты расходились, цепь рвалась, включенное в нее реле тоже с нормально замкнутыми контактами отпускало, его контакты замыкались и включали сигнал тревоги. Нажав кнопку извещателя, можно было дать тревогу вручную.

Такие системы худо-бедно работали как локальные, но для связи с центральным пультом требовалась длинная линия (ЛС), подверженная неисправностям и имеющая собственные сопротивление утечки, сопротивление проводов, емкость и индуктивность, что могло вызвать как ложную сработку, так и несработку по действительной опасности.

Схемы построения прежних и современных ОПС

Поэтому на пультах стали включать лучи – шлейфы с ЛС – в диагональ электрического моста, а в его противоположную диагональ – балансный контур БК (см. рис). Луч характеризовался уже не сопротивлением шлейфа R_Ш, а полным сопротивлением (импедансом) абонента Z_А. Регулируя БК, добивались равенства его импеданса Z_К импедансу абонента Z_А. При таком условии потенциалы в диагонали моста 1-2 оказывались равными, а напряжение U_1-2=0. При сработке датчика возникало U_1-2>0, что и включало тревогу.

Мостовая схема АОС позволила внести важное усовершенствование: параллельно извещателю стали включать резистор строго определенной величины R_Ш. Это позволило по величине U_1-2 судить о характере сработки: если в цепи остался R_Ш, то это кто-то нажал кнопку извещателя, тогда U_1-2 будет примерно вдвое меньше максимального; это сигнал «Внимание». Если разомкнулся датчик, то увидим четкий обрыв цепи и максимум U_1-2; это – «Тревога».

Такая система была не весьма надежной: малейшая неисправность давала ложную сработку, выезжал наряд, а затем монтер, выражая в произвольной форме свои мысли по этому поводу, шел искать и устранять. Ложные сработки уменьшали степень доверия к АОС и от наряда до монтера объект оставался открытым. Более того, брызги припоя иногда попадали между разомкнувшимися контактами, и датчик, «пискнув», опять успокаивался. Бывали случаи, когда преступники стреляли по датчикам из пневматического ружья через форточку, и, увидев, что наряд уехал, знали, что у них есть не меньше часа на «дело».

Много хлопот доставляли и БК: параметры ЛС сильно «плавали». Работника с электротехническим образованием на пульт милиция и пожарники встречали с распростертыми объятиями, но зачастую вскоре приходилось подписывать заявление «по собственному»: зарплата была маленькой (не лезет же на нож и под пули), а нервотрепки не меньше, чем у оперов.

В обширных объектах, состоящих из многих абонентов (универмаг, почтамт) лучи из помещений сводили в локальный пульт – приемно-контрольный прибор (ПКП), автоматически дававший сигнал тревоги по телефонной линии при сработке какого-то из лучей. Это позволяло снизить зависимость БК от состояния ЛС, которые находились уже в ведении связистов, но уменьшало надежность: грамотно покопавшись в ПКП, можно было отключить от пульта весь объект и орудовать там в свое удовольствие.

Тогда же делались попытки использовать параллельное включение датчиков с термобиметаллическими нормально разомкнутыми контактами, зашунтированными R_Ш. По идее, это позволило бы по величине U_1-2 судить с удаленного пульта и о месте сработки, чего последовательная система никак не позволяет. Однако открытый биметалл оказался крайне ненадежным: датчик с окислившимися контактами заранее никак не заявлял о себе, и потом молчал, как рыба об лед, когда огонь уже полыхал вовсю.

Герконы

Герметизированные магнитоуправляемые контакты – герконы – произвели первую революцию в АОС и ОПС. Герконы выдерживают миллиарды срабатываний без окисления контактных поверхностей, а проблема сработки по температуре легко решилась применением удерживающих магнитов из материалов с точкой Кюри в 70 градусов: при нагреве магнит переставал магнитить, и контакты размыкались.

Принцип устройства геркона позволяет сделать его переключающимся, что дает надежный датчик, пригодный и для последовательной, и для параллельной ОПС. Правда, точность определения места сработки аналоговыми способами оставалась низкой, поэтому параллельные аналоговые ОПС распространения не получили. Тем не менее, именно благодаря герконам появилась пожарная сигнализация в квартире: надежность и дешевизна датчиков обеспечивали стоимость системы, доступную даже рядовому советскому потребителю.

К «герконной эпохе» относятся и первые дымовые датчики, но отнюдь и отнюдь не бытовые: сработка по дыму обеспечивалась ионизацией зазора между неподвижными контактами, для чего он подсвечивался ампулкой с радиоактивным изотопом. Монтеры сигнализации боялись таких датчиков, в толстом стальном корпусе и замаркированных знаком радиационной опасности, как огня, и применялись они редко, на особо важных объектах.

Тогда же начали преобразовываться и ПКП: применение микросхем средней степени интеграции и аналого-цифровых преобразователей (АЦП) позволило упростить БК или вовсе от них отказаться и замерять параметры луча непосредственно. Появились и первые беспроводные ПКП с автономным питанием, независимо от телефонных линий дававшие тревогу на пульт по системе «Алтай» – прообразе современной мобильной связи, изобретенной в СССР еще в 50-х годах.

Чипы и лазеры

Подлинный переворот в ОПС произвели и сделали ее общедоступной большие интегральные микросхемы (БИС, чипы) и миниатюрные полупроводниковые лазеры. Коснулось это всех звеньев ОПС, и в новую систему органично вписались лучшие из прежних достижений (см. на рисунке ранее по тексту внизу).

Многофункциональный датчик-извещатель ОПС

Датчики с помощью лазерных детекторов контролируют температуру и задымленность сразу по нескольким параметрам, что исключает ложную сработку (см. рис. слева). Некоторые датчики совмещают в себе функции детекторов движения, о них будет сказано далее. «Умные» датчики могут быть и автономными, снабженными встроенным аккумулятором.

ПКП наших дней – компьютеризованное устройство, способное работать как с «умными» младшими коллегами, так и со старыми, но абсолютно безотказными и очень дешевыми герконами. Это позволило включить в состав бытовых ОПС СПУ – сигнально-пусковое устройство, по сигналу ПКП или непосредственно от датчика включающее табло-указатели, мигалки, сирены и открывающее клапаны автоматической системы пожаротушения.

Современные ОПС – цифро-аналоговые параллельно-адресные: в каждом датчике прошит его электронный адрес, и ПКП точно знает, где что произошло. Аналоговые датчики с помощью развитого ПО также достаточно точно контролируются по параметрам шлейфа. Сигнал тревоги подается по GSM на мобильный телефон владельца и на компьютер охранной организации. Тревога может дублироваться непосредственно от чипованного датчика, а включение СПУ – помимо него от КПП.

Датчики движения на тех же чипах и инфракрасных лазерах сделали ОПС действительно охранными: они контролируют весь объем помещения или площадь двора. Сигнал лазерного сканера преобразуется в код, а процессор ПКП непрерывно сравнивает коды один за другим, отсеивая помехи от погоды, осадков, мелких безопасных объектов.

Возможности современной полнофункциональной ОПС представлены на рисунке. Стоит такая весьма дорого, но систему попроще, для квартиры вполне надежную, можно собрать и самому. Как – будет описано далее, а пока посмотрим, что нужно и чего можно добиться вообще:

Структура современной полнофункциональной ОПС

1. Источник бесперебойного питания (ИБП) необходим, чтобы ОПС продолжала действовать в обесточенной квартире;
2. ПКП;
3. Универсальные датчики-оповещатели: слева группа автономных, напр. в гараже;
4. Датчики движения;
5. Электронный замок;
6. Герконовый противовзломный контактор;
7. Табло-указатель;
8. Локальный сигнализатор тревоги;
9. Дисплей с пультом управления;
10. Автомат ОПС.

Дадим некоторые пояснения. Во-первых, герконовые датчики вскрытия пока держатся на своем месте, не конкурируя с датчиками движения, и дело не только в дешевизне и надежности. Маленький герконовый контактор легко скрыть, его работа не обнаруживается антисканером. Поиски такого «клопа» (а неизвестно, есть ли он вообще) при умелой установке требуют столько времени, что и взлом теряет смысл.

Во-вторых, вместо любого из устройств по поз. 7, 8 может быть подключено СПУ. В-третьих, по поз.10: питание ОПС обязательно должно производиться от отдельного автомата, включенного ПЕРЕД квартирным, иначе надежная работа системы не гарантируется. И, наконец, пульт с дисплеем по коду доступа позволяет самостоятельно сбрасывать, тестировать и перенастраивать ОПС.

Оргсруктура

Коренное улучшение технической базы повлекло за собой и усовершенствование организационной структуры ОПС: на пульт МЧС абоненты заводятся редко, это дорого и перегружает как оборудование, так и персонал. Роль концентратора сигналов взяли на себя частные охранные фирмы. Горит или крадется не везде и не всегда, и они при приемлемой нагрузке могут набрать много абонентов, что при небольшой абонплате обеспечивает приличный доход.

Хозяевам такая система тоже выгодна: частный лицензированный охранник охотно проконсультирует, поможет советом, ему не занимать опыта во взаимодействии с МЧС и полицией. А поскольку хозяин все-таки платит ему свои кровные, то и потребовать в случае чего проще, чем с госструктуры.

Беремся за сигнализацию

Нужен ли проект?

Проект пожарной сигнализации нужен, и не столько по формальным соображениям. Только охранник с большим опытом сможет точно указать места расположения приборов, их типы и схему соединения. Иначе пламя может разбушеваться до непоправимого, а злоумышленник, сразу углядев «самопал» (они в сигнализации прекрасно разбираются), только хмыкнет и, «забомбив хату», рассядется привольно в любимом хозяйском кресле, попивая хозяйский коньячок, покуривая хозяйскую сигару, нежно поглаживая торбу на коленях, туго набитую хозяйским добром и поглядывая иронически на датчики в полной боевой готовности.

Однако охранные фирмы, в общем справедливо полагая, что главное – реальная безопасность, а не бумаги, нередко идут на поблажки потенциальным абонентам: проект соглашаются делать подешевле, эскизный, или ограничиваются еще более дешевой консультацией: где какие датчики ставить, где поместить ПКП, каким кабелем и как все соединять.

Потом, проверив работу, берут на охрану, а по документам проводят от себя задним числом. Хозяину от этого не хуже: раз договор подписан и квартира уже на пульте, на охранников ложится вся мера ответственности. Компоненты современной ОПС совершенно надежны, техническое обслуживание пожарной сигнализации сводится к периодической проверке ее работоспособности и готовности, которую совместно с дежурным охранной организации вполне может провести и сам владелец, так что и по сервису проблем, как правило, не возникает.

Как что делать?

Закон не запрещает самому делать ОПС, только на пульт такую не возьмут. Придется ограничиться выводом тревоги на мобильный, но и это уже серьезное подспорье в несчастье: МЧС и полиция обязаны реагировать на любые сигналы граждан. Поэтому опишем, какое для какого случая оборудование выбирать, и как правильно собрать его в работоспособное целое.

ПКП

Типы современных ПКП показаны на рисунке. Первый слева – профессиональный многолучевой аналого-цифровой. Такие могут работать с любыми схемами ОПС, соединяться каскадно, обеспечивая охрану объектов любой степени сложности и вести диалог с компьютером охранной организации, фиксируя и передавая полную картину развития обстановки. В быту не применяются.

Следующий – полупрофи, цифровой для параллельных адресных ОПС. Он показан открытым, т.к. снаружи это глухая коробка. Справа внизу в нем – ИП; рядом – аккумулятор, довольно мощный, как видно, на несколько часов, до суток, автономной работы.

Слева верху – электронный блок, а на пустом месте около него в круглосуточно охраняемых помещениях располагается пульт управления, но обычно его относят подальше. Дело в том, что такое сердце ОПС, хоть и снабжено системой самозащиты, все же самое уязвимое место охранной системы. Работу процессора можно засечь специальным сканером, наподобие того, как делают угонщики автомобилей, и вмешаться в нее нежелательным для владельца образом.

Поэтому ПКП настоятельно рекомендуется размещать в потаенном, труднодоступном и достаточно хорошо электрически экранированном месте, скажем, в железобетонном подвале. Что же касается последовательного интерфейса RS482, которым связаны ПКП и пульт, то сигналы его очень хорошо закодированы, и пробиться по нему к процессору невозможно.

Полупрофессиональные ПКП в быту применяются в элитных усадьбах индивидуально или коллективно в жилых комплексах: один такой ПКП позволяет подключать к нему до 255 датчиков.

Следующий – многолучевой бытовой ПКП. Это уже доступное по цене рядовому гражданину устройство. Предназначен такой прибор для частных домовладений с надворными постройками: кроме обслуживания герконовых и чипованных проводных лучей, он может обрабатывать сигналы от 2-8, в зависимости от модели, беспроводных датчиков.

Крайний справа – простейший квартирный ПКП. Обслуживают самые дешевые модели всего один луч (в квартире больше и не нужно), но, как и все вышеперечисленные, могут передавать сигнал на мобильный номер. Номер в недорогих бытовых ПКП без доступа по коду со своего пульта прошивается при покупке или в охранной фирме, поэтому телефон с ним нужно держать при себе заряженным и с не пустым счетом: мобильные операторы берут плату за прием сообщений по GSM.

Бытовые ПКП обязательно комплектуются подробной инструкцией с типовыми схемами ОПС, перечнем типов и моделей совместимых с прибором датчиков и рекомендациями по монтажу системы. Нередко в комплект входит маячок-мигалка для входной двери и наклейка «Объект под охраной». Это весьма полезные дополнения: их наличие чаще всего заставляет злодеев и вандалов убраться восвояси.

ПКП должен соответствовать евростандарту EN54, что обеспечивается сертификатами ССПБ, LPCB или VdS.

Датчики

Датчики и их соединительные провода – ключевой узел ОПС, определяющий ее надежность в целом. Прежде всего – о проводах. Телефонной «лапшой», непрочной и ненадежной, датчики уже не соединяют: в продаже есть множество видов сигнальных двух- и многожильных кабелей в круглой внешней оболочке, которые можно и проложить по стенам так, чтобы не бросались в глаза, и спрятать под декоративной обшивкой. Но о собственно датчиках следует поговорить подробнее.

Выбор

Герконовый датчик ОПС

Для квартиры оптимальный вариант – старые добрые герконовые «колпачки», см. рис. На кухню желателен чипованный, реагирующий, кроме тепла, и на задымление. Если в квартире хранятся значительные ценности, то возле мест их расположения лучше поставить полнофункциональные, с детекторами движения.

В частном доме полезен будет датчик движения во дворе со встроенным СПУ, нагруженным на фонарь освещения. И непрошеных гостей отпугнет, и самому в темноте не придется спотыкаться: СПУ подсветит.

Многофункциональные датчики обязательно снабжаются индикаторным светодиодом, а простейшие могут быть с ним или без него. Первые предпочтительнее: свечение или наоборот, погасание индикатора свидетельствуют о неисправности датчика. При ложной сработке не нужно лазить по потолку с тестером – плохой датчик сразу виден.

Размещение

Нормы размещения датчиков ОПС

Нормы на размещение датчиков ОПС на первый взгляд весьма либеральны, см. рис: не далее 4,5 м от стены или угла и не более 9 м между датчиками. Но так сделано только ради удобства конфигурирования конкретной ОПС, а на самом деле расположение датчиков – дело тонкое.

Во-первых, при размещении их на стенах до потолка должно быть не менее 0,2 м, иначе датчик может оказаться в дымовом кармане и дать ложную сработку. Видали прокуренные комнаты? Там ведь более всего закопчены верхние углы. Во-вторых, при балках на потолке датчики нужно размещать на их нижних поверхностях, а не на боковых или в межбалочном пространстве, по той же причине.

И, наконец, датчик обозревает не всю полусферу, а его чувствительность зависит от расстояния до источника опасности. Контролируемая площадь в виде круга в пустом помещении зависит от высоты потолка так:

По дыму:

• До 3,5 м – до 85 кв. м.
• 3,5-6 м – до 70 кв. м.
• 6-10 м – до 65 кв. м.
• От 10 м – до 55 кв. м.

По пламени:

• До 3,5 м – до 25 кв. м.
• 3,5-6 м – до 20 кв. м.
• 6-9 м – до 15 кв. м.
• Свыше 9 м – не контролируемо; возгорание превратится в пожар прежде, чем сработает датчик.

«До» перед площадью значит, что это максимально достижимая величина – в пустой комнате с пропорциями в плане 3/4. Точный расчет расположения датчиков в обитаемых комнатах требует компьютерного моделирования либо глаза опытного специалиста. Если ОПС делается самостоятельно без вывода на пульт охраны, то можно считать, что один датчик в жилой комнате «видит» внизу квадрат со стороной L, равной высоте потолка до 4 м. Размещать крайние датчики нужно на половине этого расстояния от ближайшей стены, а промежуточные – на расстоянии L друг от друга. В длинных и узких помещениях исходят прежде всего из расстояния между датчиками.

Пример: коридор в хрущевке 1,75х4 м; высота потолка – 2,5 м. Нужны два датчика, расположенные в 1,75/2=0,875 от торцевых стен. В спальне той же хрущевки 2,5х4,5 м нужны тоже два датчика в 1,25 м от торцевых стен.

Подключение

Включение извещателей ИП-212 в двухпроводный шлейф ОПС

Подключение датчиков пожарной сигнализации производится строго по инструкции к ним. Шлейф луча всегда заканчивается терминирующим резистором R. Его величина указывается в инструкции к ПКП. По умолчанию R=470 Ом, но могут потребоваться номиналы в 680 Ом или 910 Ом. Поясним подробнее лишь два часто запрашиваемых момента.

Первый – включение пятиклеммных датчиков ИП-212, отлично себя зарекомендовавших, в двухпроводный шлейф. Как это сделать – показано на рисунке слева.

Подключение шлейфа к дачикам ОПС

Второй – подключение обычных датчиков с одной клеммной колодкой. Провода кабеля должны заходить/выходить в клеммник ЗЕРКАЛЬНО, как показано на рис. справа.

Третий – датчики с двумя клеммниками. Левая колодка – ДЛЯ ШЛЕЙФА, который подключается по инструкции или как описано. А вот с правой следует разобраться уже при покупке: она предназначена для автономного включения СПУ; некоторые самые распространенные схемы таких датчиков показаны на последнем рисунке.

Если контакты шлейфа (клеммы 1-4) и СПУ (клеммы 6-8) электрически разделены, как на крайней правой позиции, то нужно выяснить допустимые напряжения и ток либо мощность СПУ. Если же контакт общий, как на остальных трех позициях, то напряжение – 12 В при токе до 200 мА, причем на СПУ оно пойдет от шлейфа, т.е. нагружать датчик лампочками, звонками и т.п. нельзя – выйдет из строя ПКП.

Схемы извещателей с выходом на СПУ

***

От души пожелаем всему или всем, что или кто вознамерится проигнорировать вашу ОПС, полной неудачи: гашения в зародыше или приговора по всей строгости закона.

Содержание

1. Прежде всего
2. УЗО – что и как
3. Выбор УЗО
4. Ток утечки и общая схема защиты
5. Подключение УЗО в квартире
6. УЗО без земли
7. Видео: подключение УЗО
8. Ну вот, выбило…
9. Видео: ошибки при подключении УЗО
10. Вывод
> Обсуждение

Подключение УЗО (устройства защитного отключения) – общепринятая в мировой практике мера повышения электробезопасности потребителей. Счет спасенных УЗО человеческих жизней идет на миллионы, а применение УЗО в сетях энергоснабжения многоквартирных и частных жилых домов, жилых массивов и промышленных объектов предотвращает миллиардный ущерб от пожаров и аварий.

Но правило Галена: «Все есть яд и все есть лекарство» справедливо не только в медицине. Внешне несложное, УЗО при бездумном или безалаберном применении может не только ничего не предотвратить, но и стать источником неприятностей. По аналогии: кто-то построил Кижи одним топором, кто-то может им же кой-какой шалашик соорудить, а кому-то топор и в руки давать нельзя, отрубит себе что-нибудь. Так что давайте познакомимся с УЗО поосновательнее.

Прежде всего

Любой серьезный разговор об электричестве обязательно коснется правил электробезопасности, и не зря. Электрический ток не несет видимых признаков опасности, действие его на человеческий организм развивается мгновенно, а последствия могут быть длительными и тяжелыми.

Но в данном случае речь пойдет не об общих правилах производства электромонтажных работ, которые и так хорошо известны, а о другом: УЗО в старую советскую систему электроснабжения TN-C, в которой защитный проводник объединен с нейтралью, вписывается очень плохо. Долго было неясно, вписывается ли вообще.

Все издания ПУЭ однозначно требуют: в цепях защитных проводников запрещается установка коммутирующих устройств. Формулировка и нумерация пунктов менялись от редакции к редакции, но суть понятна, как говорится, и птице марабу. Но как быть с рекомендациями к применению устройств защитного отключения? Они – коммутирующие устройства, и в то же время включаются в разрыв как фазы, так и НУЛЯ, который одновременно и защитный проводник?

Наконец, в 7-й актуальной редакции ПУЭ (ПУЭ-7А; Правила устройства электроустановок (ПУЭ), 7 издание, с дополнениями и изменениями, М. 2012) п. 7.1.80 все-таки поставил точки над i: «Не допускается применять УЗО, реагирующие на дифференциальный ток, в четырехпроводных трехфазных цепях (система TN-C)». Вызвано такое ужесточение, вопреки прежним рекомендациям, зафиксированными случаями электротравматизма ПРИ СРАБАТЫВАНИИ УЗО.

Поражение электротоком из-за неправильного подключения УЗО

Поясним на примере: Хозяйка за стиркой, в машине пробило на корпус ТЭН, как показано на рисунке желтой стрелкой. Поскольку 220 В ток распределяет по всей длине ТЭНа, на корпусе окажется что-то около 50 В.

Тут вступает в силу следующий фактор: электрическое сопротивление человеческого тела, как и любого ионного проводника, зависит от приложенного напряжения. С его увеличением сопротивление человека падает, и наоборот. Скажем, в ПТБ приводится абсолютно обоснованная расчетная величина в 1000 Ом (1 кОм), при потной распаренной коже или в состоянии опьянения. Но тогда при 12 В ток должен быть 12 мА, а это больше неотпускающего (судорожного) тока в 10 мА. Кого-то когда-то било 12 В? Даже вдрызг пьяного в джакузи с морской водой? Наоборот, по тем же ПТБ 12 В – абсолютно безопасное напряжение.

При 50-60 В на мокрую распаренную кожу ток не превысит 7-8 мА. Это сильный, болезненный удар, но ток меньше судорожного. Возможно, понадобится лечение от последствий, но до реанимации с дефибрилляцией дело не дойдет.

А теперь «защитимся» УЗО, не понимая сути дела. Его контакты размыкаются не мгновенно, а в течение 0,02 с (20 мс), и не абсолютно синхронно. С вероятностью в 0,5 первым разомкнется НУЛЕВОЙ контакт. Тогда, образно говоря, потенциальный резевуар ТЭНа со скоростью света (буквально) наполнится до 220 В по всей его длине, и на корпусе окажется 220 В, а ток через тело пройдет 220 мА (красная стрелка на рисунке). Менее чем на 20 мс, но 220 мА – это два с лишним мгновенно убивающих значения в 100 мА.

Так что же, в старых домах УЗО ставить нельзя? Все-таки можно, но осторожно, с полным пониманием дела. Нужно правильно выбрать УЗО и правильно его подключить. Как? Об этом будет рассказано далее в соответствующих разделах.

УЗО – что и как

УЗО в электрике появились одновременно с первыми ЛЭП в виде релейной защиты. Назначение всех УЗО остается неизменным по сей день: отключать подачу электроэнергии при возникновении аварийной ситуации. Как индикатор аварии в подавляющем большинстве УЗО (и во всех бытовых УЗО) используется ток утечки – при его повышении сверх заданного предела УЗО срабатывает и размыкает цепь электропитания.

Затем УЗО начали применять для защиты от пробоя и возгорания отдельных электроустановок. До поры, до времени, УЗО оставались «противопожарными», они реагировали на ток, исключающий зажигание дуги между проводами, менее 1 А. «Пожарные» УЗО выпускаются и применяются по сей день.

Видео: что такое УЗО?

УЗО-Е (емкостные)

С развитием полупроводниковой электроники начались попытки создать УЗО бытовые, предназначенные для защиты человека от поражения электротоком. Они работали по принципу емкостного реле, реагирующего на реактивный (емкостный) ток смещения; при этом человек работает как антенна. На том же принципе построен всем известный индикатор-фазоуказатель с неонкой.

УЗО-Е обладают исключительно высокой чувствительностью (доли мкА), могут быть выполнены практически мгновенно срабатывающими и абсолютно равнодушны к заземлению: ребенок, стоящий на изолирующем полу и дотянувшийся пальчиком до фазы в розетке, ничего не ощутит, а УЗО-Е его «почует» и отключит напряжение, пока он не уберет палец.

Но УЗО-Е имеют принципиальный недостаток: в них поток электронов тока утечки (ток проводимости) есть следствие возникновения электромагнитного поля, а не его причина, поэтому они крайне чувствительны к помехам. Нет теоретической возможности «научить» УЗО-Е отличать маленького шелапута, расковырявшего «интересную штучку», от заискрившего на улице трамвая. Поэтому УЗО-Е применяются лишь изредка для защиты спецоборудования, совмещая прямые свои обязанности с индикацией прикосновения.

УЗО-Д (дифференциальные)

«Вывернув» УЗО-Е «наоборот», удалось найти принцип работы УЗО «умного»: нужно идти непосредственно от первичного потока электронов, а утечку определять по разбалансу (разнице) полных токов в СИЛОВЫХ проводниках. Если от потребителя оттекает ровно столько же, сколько к нему ушло, все в порядке. Если пошел разбаланс – где-то течет, нужно отключать.

Разница по-латыни differentia, по-английски difference, поэтому такие УЗО назвали дифференциальными, УЗО-Д. В однофазной сети достаточно сравнить величины (модули) токов в фазном проводе и нейтрали, а при подключении УЗО в трехфазной сети – полные векторы токов всех трех фаз и нейтрали. Существенная особенность УЗО-Д – в любой схеме электропитания защитный и прочие проводники, не передающие потребителю мощность, должны проходить мимо УЗО, иначе неизбежны ложные срабатывания.

Для создания бытовых УЗО-Д потребовалось довольно много времени. Во-первых, нужно было точно определить величину тока разбаланса, безопасную для человека при времени воздействия, равном времени срабатывания УЗО. УЗО-Д, настроенные на неощутимый или на меньший неотпускающего ток, оказывались большими, сложными, дорогими, а наводки «ловили» лишь немного хуже УЗО-Е.

Во-вторых, нужно было разработать высококоэрцитивные ферромагнитные материалы для дифференциальных трансформаторов, см. ниже. Радиоферрит вообще не годился, не держал рабочую индукцию, а УЗО-Д с трансформаторами на железе оказывались слишком медленными: собственная постоянная времени даже небольшого железного трансформатора может достигать 0,5-1 с.

УЗО-ДМ

Принцип работы дифференциального электромеханического УЗО

К 80-м годам исследования успешно завершились: ток по опытам на добровольцах выбрали 30 мА, а быстродействующие дифтрансформаторы на феррите с индукцией насыщения в 0,5 Тл (Тесла) позволили с вторичной обмотки снимать мощность, достаточную для непосредственного привода электромагнита размыкателя. В быту появились дифференциальные электромеханические УЗО-ДМ. В настоящее время это самый распространенный тип бытовых УЗО, так что ДМ опускают, а говорят или пишут просто УЗО.

Дифференциальное электромеханическое УЗО работает так, см. рис справа:

• Без утечки токи в фазном и нулевом проводниках по известному из школьной физики правилу буравчика возбуждают в ферритовом кольце равные по величине, но противоположно направленные магнитные потоки Ф1 и Ф2, которые подавляют друг друга. Результирующий магнитный поток в сердечнике Ф=0, и ЭДС намотанной на феррит вторичной обмотки равна нулю.
• При появлении утечки (скажем, при прикосновении человека к корпусу неисправной электроустановки, как на рисунке) один из токов становится больше, в феррите появляется магнитный поток, наводящий во вторичной обмотке ЭДС.
• Под током от вторичной обмотки электромагнит оттягивает защелку контактуры размыкателя, и контакты под действием пружины размыкаются.
• Кнопкой «Тест», создавая искусственно разбаланс токов в УЗО, проверяют его работоспособность; флажком или кнопкой с самофиксацией производят повторное включение после срабатывания.
  

  Внешний вид трехфазного и однофазного УЗО

Внешний вид с пояснениями обозначений на корпусе трехфазного и однофазного УЗО показан на рисунке сверху.

Примечание: кнопкой «Тест» УЗО положено проверять ежемесячно и при каждом повторном включении.

Электромеханическое УЗО защищает только от утечки, но его простота и «дубовая» надежность позволили объединить в одном корпусе УЗО и токовый защитный автомат. Для этого потребовалось всего лишь сделать тягу фиксатора размыкателя двойной и завести ее в электромагниты токовый и УЗО. Так появился дифференциальный автомат, обеспечивающий полную защиту потребителей.

Внешний вид дифавтомата (слева) и УЗО (справа)

Однако дифавтомат – не УЗО и автомат в отдельности, это следует четко помнить. Внешние различия (силовой рычаг, вместо флажка или кнопки повторного включения), как рисунке – это только внешность. Важное отличие УЗО от дифференциального автомата сказывается при установке УЗО в системах электроснабжения без защитного заземления (TN-C, автономное электропитание), см. ниже раздел о подключении УЗО без земли.

Важно: отдельное УЗО предназначено для защиты ТОЛЬКО от утечки. Его номинальный ток показывает, до какой его величины УЗО сохраняет работоспособность. УЗО на номиналы 6,3 и 160 А с одинаковым разбалансом в 30 мА дают одинаковую степень защиты. В дифавтоматах ток отсечки автомата всегда меньше номинального тока УЗО, чтобы УЗО не сгорело при перегрузке сети.

УЗО-ДЕ

В данном случае «Е» означает не емкость, а электронику. УЗО-ДЕ выполняются встроенными непосредственно в розетку или электроустановку. Разность токов в них улавливает полупроводниковый магниточувствительный датчик (датчик Холла или магнитодиод), его сигнал обрабатывается микропроцессором, а цепь размыкает тиристор. УЗО-ДЕ, помимо компактности, имеют следующие достоинства:

1. Высокая чувствительность, сравнимая с УЗО-Е, в сочетании с помехоустойчивостью УЗО-ДМ.
2. Как следствие высокой чувствительности – способность реагировать на ток смещения, т.е., УЗО-ДЕ упреждающее, отключит напряжение, прежде чем оно кого-то ударит независимо от наличия заземления.
3. Высокое быстродействие: для «раскачки» УЗО-ДМ необходим хотя бы один полупериод 50 Гц, т.е. 20 мс, и хотя бы одна опасная полуволна должна пройти через тело, чтобы УЗО-ДМ сработало. УЗО-ДЕ способно срабатывать при напряжении «пробойной» полуволны в 6-30 В и отсечь ее в зародыше.

Недостатки УЗО-ДЕ прежде всего высокая стоимость, собственное энергопотребление (ничтожное, но при падении напряжения сети УЗО-ДЕ может не сработать) и склонность к отказам – электроника все-таки. За рубежом чипованные розетки широко распространились еще в 80-х; в некоторых странах их применение в детских комнатах и учреждениях обязательно по закону.

У нас УЗО-ДЕ пока мало известны, а зря. Пререкания папы с мамой по поводу затрат на розетку с «защитой от дурака» не сравнимы с ценой детской жизни, даже если в квартире бесчинствует неисправимый вредина и баламут.

Индексы УЗО-Д

В зависимости от устройства и назначения к наименованию УЗО могут добавляться основные и дополнительные индексы. По индексам можно сделать предварительный выбор УЗО для квартиры. Основные индексы:

• AС – срабатывают от разбаланса переменной составляющей тока. Выполняются, как правило, противопожарными, на разбаланс 100 мА, т.к. не могут защитить от кратковременной импульсной утечки. Недороги и весьма надежны.
• A – реагируют на разбаланс как переменного, так и пульсирующего токов. Основное исполнение – защитные на 30 мА разбаланса. Возможны ложные срабатывания/несрабатывания в системе TN-C в любом случае, а в TN-C-S при плохом заземлении и/или наличии мощных потребителей со значительной собственной реактивностью и/или импульсными блоками питания (ИБП): стиральная машина, кондиционер, варочная поверхность, электродуховка, кухонный комбайн; в меньшей степени – посудомойка, компьютер, домашний кинотеатр.
• В – реагируют на ток утечки любого рода. Это либо промышленные УЗО «пожарного» типа на 100 мА разбаланса, либо встроенные УЗО-ДЕ.

Дополнительные индексы дают представление о дополнительных функциональных возможностях УЗО:

1. S – селективное по времени срабатывания, оно регулируется в пределах 0,005-1 с. Основная область применения – в энергоснабжении объектов, запитанных по двум лучам (фидерам) с автоматом ввода резерва (АВР). Регулировка времени срабатывания необходима, чтобы при пропадании основного луча успел сработать АВР. В быту иногда применяются в элитных коттеджных поселках или особняках. Все селективные УЗО – пожарные, на разбаланс 100 мА, и требуют установки после себя защитных 30 мА УЗО на ток меньшей ступени, см. далее.
2. G – быстродействующие и сверхбыстродействующие УЗО с временем срабатывания 0,005 с и менее. Применяются в детских, учебных, лечебных учреждениях и в других случаях, когда недопустим «проскок» хотя бы одной поражающей полуволны. Исключительно электронные.

Примечание: бытовые УЗО чаще всего не индексируются, а различаются по исполнению и току разбаланса: электромеханические на 100 мА – АС, они же на 30 мА – А, встроенные электронные – В.

УЗО-Р

Почти неизвестная неспециалистам разновидность УЗО – не дифференциальные, срабатывающие по току в защитном проводнике (Р, РЕ). Применяются в промышленности, в военной технике и в других случаях, когда потребитель создает сильные помехи и/или имеет собственную реактивность, способную «сбить с толку» даже УЗО-ДМ. Могут быть как электромеханическими, так и электронными. Чувствительность и быстродействие для бытовых условий – неудовлетворительны. Обязательно высококачественное обслуживаемое заземление.

Выбор УЗО

Чтобы правильно подобрать УЗО, индекса мало. Нужно также выяснить следующее:

• Покупать отдельно УЗО с автоматом или дифавтомат?
• Подобрать или рассчитать значение отсечки по экстратоку (перегрузке);
• Определить номинальный (рабочий) ток УЗО;
• Определить требуемый ток утечки – 30 или 100 мА;
• Если вышло, что для общей защиты нужно «пожарное» УЗО на 100 мА, определить, сколько, где и каких требуется вторичных «жизненных» УЗО на 30 мА.

Отдельно или вместе?

В квартире с проводкой TN-C о дифавтомате можно забыть: ПУЭ запрещает, а проигнорировать, так электричество само скоро напомнит. В системе TN-C-S дифавтомат обойдется дешевле двух раздельных устройств, если намечена реконструкция проводки. Если же токовый автомат уже стоит, то дешевле выйдет согласованное с ним по рабочему току отдельное УЗО. Писания на тему: УЗО с обычным автоматом несовместимо – дилетантская несусветица.

На какую перегрузку рассчитывать?

Ток отсечки автомата (экстраток) равен максимально допустимому току потребления квартиры (дома), умноженному на 1,25 и дополненному до ближайшего большего значения из стандартного ряда токов 1, 2, 3, 4, 5, 6.3, 8, 10, 13, 16, 20, 25, 32, 35, 40, 50, 63, 80, 100, 125, 160, 250, 400, 630, 1000, 1600, 2500, 4000 и 6300 А.

Максимальный ток потребления квартиры должен быть записан в ее техпаспорте. Если нет – можно узнать в эксплуатирующей здание организации (обязаны сообщать по закону). В старых домах и новых бюджетных максимально допустимый ток, как правило, 16 А; в новых обычных (семейных) – 25 А, в бизнес-классе – 32 или 50 А, а в люксах 63 или 100 А.

Для частных домовладений максимальный ток рассчитывают по лимиту потребляемой мощности из техпаспорта (уж его-то прописать инстанции не упустят) из расчета 5 А на киловатт, с коэффициентом 1,25 и дополнением до ближайшего большего стандартного значения. Если в техпаспорте прямо прописано значение максимального тока потребления, за основу расчета берут его. Добросовестные проектировщики на плане электропроводки прямо указывают ток отсечки главного автомата, так что и считать не приходится.

Номинальный ток УЗО

Номинальный (рабочий) ток УЗО берут на ступень выше тока отсечки. Если ставится дифавтомат, его выбирают ПО ТОКУ ОТСЕЧКИ, а токовый номинал УЗО заложен в нем конструктивно.

Видео: УЗО или дифавтомат?

Ток утечки и общая схема защиты

Для квартиры с проводкой TN-C-S не будет ошибкой без лишних размышлений взять УЗО на разбаланс 30 мА. Системе квартире TN-C далее будет посвящен отдельный раздел, а вот для частных домов ясных и окончательных рекомендаций сразу дать нельзя.

По п. 7.1.83 ПУЭ рабочий (естественный) ток утечки не должен превышать 1/3 тока разбаланса УЗО. Но в доме с электрическим теплым полом в прихожей, освещением двора и электроподогревом гаража зимой рабочий ток утечки может достигать 20-25 мА при жилой площади и в 60, и в 300 квадратов.

В целом, если нет теплицы с электроподогревом грунта, прогреваемой водяной скважины, а двор освещается экономками, на вводе после счетчика бывает достаточно поставить пожарное УЗО с номинальным током на ступень выше тока отсечки автомата, а на каждую группу потребителей – по защитному УЗО с таким же номинальным током. Но точный расчет может сделать только специалист по результатам электрических измерений уже готовой проводки.

Примеры расчета

Как рассчитать УЗО, разберем на примерах для разных случаев.

Первый – новая квартира с проводкой TN-C-S; по техпаспорту лимит потребляемой мощности 6 кВт (30 А). Проверяем автомат – стоит на 40 А, все ОК. УЗО берем на ступень или две выше по номинальному току – 50 или 63 А, не важно – и на ток разбаланса в 30 мА. О токе утечки не думаем: его в пределах нормы должны обеспечить строители, а нет – так пусть сами и исправляют бесплатно. Впрочем, подрядчики таких проколов не допускают – знают, чем пахнет замена электропроводки по гарантии.

Второй. Хрущевка, пробки на 16 А. Ставим стиралку на 3 кВт; ток потребления – около 15 А. Для ее защиты (и защиты от нее) нужно УЗО с номиналом 20 или 25 А на 30 мА разбаланса, но 20 А УЗО редко бывают в продаже. Берем УЗО на 25 А, но в любом случае ОБЯЗАТЕЛЬНО нужно пробки убрать, а поставить вместо них автомат на 32 А, иначе возможна ситуация, описанная вначале. Если проводка явно не выдержит кратковременного броска в 32 А, ничего не поделаешь, нужно ее менять.

В любом случае нужно давать заявку в энергослужбу на замену счетчика и реконструкцию электропроводки, с заменой или без замены. Процедура эта не очень сложная и хлопотная, а новый счетчик с индикацией состояния проводки в дальнейшем сослужит добрую службу, см. раздел о сработках и неисправностях. А зарегистрированное при реконструкции УЗО позволит потом бесплатно вызывать электриков для измерений, что тоже весьма неплохо на будущее.

Третий. Коттедж с лимитом потребления в 10 кВт, что дает 50 А. Общая утечка по результатам измерений – 22 мА, причем дом дает 2 мА, гараж – 7, а двор – 13. Ставим общий дифавтомат на 63 А отсечки и 100 мА разбаланс, дом с гаражом запитываем раздельно через УЗО на 80 А номинальных и 30 мА разбаланса. Двор в таком случае лучше оставить вовсе без своего УЗО, но светильники для него взять во влагозащищенных корпусах с заземлительной клеммой (промышленного типа), и завести их земли прямо на контур заземления, так будет надежнее.

Подключение УЗО в квартире

Типовая схема включения УЗО в квартире

Типовая схема подключения УЗО в квартире приведена на рисунке. Видно, что общее УЗО включается как можно ближе к вводу, но после счетчика и главного (подъездного) автомата. Там же на врезке показано, что в системе TN-C общее УЗО включать нельзя.

При необходимости отдельных УЗО для групп потребителей их включают сразу же ЗА соответствующими автоматами, выделено желтым на рисунке. Номинальный ток вторичных УЗО берут на ступень-две выше, чем у «своего» автомата: для ВА-101-1/16 – 20 или 25 А; ВА-101-1/32 – 40 или 50 А.

Но это в новых домах, а в старых, где защита нужнее всего: земли нет, проводка аховая? Кто-то там обещал просветить на предмет подключения УЗО без земли. Верно, как раз до этого дело и дошло.

УЗО без земли

Способ подключения УЗО без защитного заземления

Процитированный в начале п 7.1.80 существует в ПУЭ не в гордом одиночестве. Он дополнен пунктами, разъясняющими, как все-таки (ну нет в наших домах контуров заземления, нету!) «впихнуть» УЗО в систему TN-C. Суть их сводится к следующему:

1. Ставить общее УЗО или дифавтомат на квартиру с проводкой TN-C недопустимо.
2. Потенциально опасные потребители должны быть защищены отдельными УЗО.
3. Защитные проводники розеток или розеточных групп, предназначенных для подключения таких потребителей, должны быть кратчайшим путем заведены на ВХОДНУЮ нулевую клемму УЗО, см. схему справа.
4. Допускается каскадное включение УЗО при условии, что верхние (ближние к электровводу УЗО) менее чувствительны, чем оконечные.

Человек сообразительный, но незнакомый с тонкостями электродинамики (чем, кстати, грешат и многие дипломированные электрики-силовики) может возразить: «Погодите, а в чем проблема-то? Ставим общее УЗО, заводим на его входной ноль все РЕ – и готово, защитный проводник не коммутируется, заземлились без земли!» Так, да не так.

Отрезок РЕ с соответствующим отрезком нуля и эквивалентным сопротивлением потребителя R образуют петлю, охватывающую магнитопровод дифтрансформатора, см. принцип работы УЗО-Д. Т.е., на магнитопроводе появляется ПАРАЗИТНАЯ обмотка, нагруженная на R. Хотя R мало (48,4 Ом/кВт), на синусоиде в 50 Гц влиянием паразитной обмотки можно пренебречь: длина волны излучения – 6000 км.

Электромагнитное поле установки и шнура к ней также исключаем из рассмотрения. Первое сосредоточено внутри аппарата, иначе он не пройдет сертификацию и не поступит в продажу. В шнуре же провода проходят вплотную друг к другу, и их поле сосредоточено между ними независимо от частоты, это т. наз. Т-волна.

Но при пробое на корпус электроустановки или при наличии наводок в сети по паразитной петле проскакивает короткий мощный импульс тока. В зависимости от конкретных факторов (просчитать которые точно может только специалист с опытом научной работы и на мощном компьютере) возможны два варианта:

• «Анти-дифференциальный» эффект: всплеск тока в паразитной обмотке компенсирует разбаланс токов в фазе и нуле и УЗО будет, что называется, мирно сопеть носиком в подушку, когда на проводах уже повисла скрюченная головешка. Случай исключительно редкий, но крайне опасный.
• Также возможен «супер-дифференциальный» эффект: наводка усиливает разбаланс токов, и УЗО срабатывает без утечки, побуждая хозяина к тягостным размышлениям: почему то и дело выбивает УЗО, если в квартире все исправно?

Величина обоих эффектов сильно зависит от размеров паразитной петли; тут сказывается ее открытость, «антенность». При длине РЕ до полуметра эффекты пренебрежимо малы, но уже при его длине в 2 м вероятность несработки УЗО возрастает до 0,01% По цифрам это мало, но по статистике – 1 шанс из 10 000. Когда речь идет о человеческой жизни, это недопустимо много. А если в квартире без заземления проложена паутина из «защитных» проводников, то чего удивляться, если УЗО «вышибает» при включении зарядки мобильника.

В квартире с повышенной пожароопасностью допустимо, при обязательном наличии индивидуальных УЗО потребителей, включенных по рекомендуемой схеме, ставить и общее ПОЖАРНОЕ УЗО на 100 мА разбаланса и с номинальным током на ступень выше, чем у защитных, независимо от тока отсечки автомата. В описанном выше примере для хрущевки нужно подключить УЗО и автомат, но не дифавтомат! При выбивании автомата УЗО должно остаться в работе, иначе резко возрастает вероятность несчастного случая. Поэтому УЗО по номиналу нужно брать на две ступени выше автомата (63 А для разобранного примера), а по разбалансу – на ступень выше оконечных 30 мА (100 мА). Еще раз: в дифавтоматах номинал УЗО делают на ступень выше тока отсечки, поэтому для проводки без земли они не годятся.

Видео: подключение УЗО

Ну вот, выбило…

А почему срабатывает УЗО? Не как, это уже описано, а почему? И что делать, если сработало? Раз выбило, значит, что-то не так?

Верно. Просто включать после срабатывания нельзя, пока не найдена и не устранена его причина. А найти, где что «не так» можно и самому без каких-либо особых знаний, инструмента и приборов. Большую помощь в этом окажет обычный квартирный электросчетчик, если только он не совсем уж антикварный.

Как найти виновного?

Первое, выключаем все выключатели, вынимаем все из розеток. Вечером для этого придется воспользоваться фонариком; лучше сразу при установке рядом с УЗО прикрепить к стене крючок и повесить на него дешевенький светодиодный фонарик.

Далее, пробуем включить УЗО. Включилось? Ищем «негодника» среди потребитетелей; как – чуть ниже. Если же нет, нужно проверить УЗО и проводку.

Отключаем подъездный или главный квартирный автомат. Не включается? Виновата электромеханика УЗО; нужно отдавать в ремонт. Самому копаться нельзя – устройство жизненно важное, и после ремонта нужна проверка на специальном оборудовании.

Включилось, но при подаче напряжения опять выбило при пустой проводке? В УЗО либо внутренний разбаланс дифтрансформатора, либо залипла кнопка «Тест», либо неисправна проводка.

Индикация неисправности электропроводки на счетчике

Пробуем включить под напряжением, смотря на счетчик. Если хотя бы на миг вспыхнул индикатор «Земля» (см. рис), или раньше было замечено, что он подмигивает – утечка в проводке. Нужно проводить измерения. Если УЗО установлено в порядке реконструкции проводки и зарегистрировано в энергослужбе, нужно вызывать муниципальных электриков, они обязаны проверить. Если УЗО «самодуйное» – платить специализированной фирме. Услуга, впрочем, не из дорогих: современное оборудование позволяет за 15 мин. найти утечку в стене с точностью до 10 см.

Но прежде чем звонить в фирму, нужно открыть и осмотреть розетки. Экскременты насекомых дают прекрасную утечку с фазы на землю.

Проводка не внушает опасений, даже отключали посекционно автоматами, но УЗО выбивает «на пустом»? Неисправность внутри него. И разбаланс, и залипание «Теста» вызывают чаще всего не конденсат или интенсивное использование, а все те же «таракашкины какашки». В Ростове-на-Дону отмечен случай, когда в совершенно ухоженной квартире в УЗО было обнаружено гнездилище… туркестанских уховерток, невесть как туда попавших. Здоровенных, с огромными мощными церками (щипцами на хвосте), страшно злющих и кусачих. В квартире они никак себя не проявляли.

Индикация электросчетчиком реактивности потребителя

УЗО срабатывает при подключении потребителей, но признаков КЗ нет? Включаем все, особенно потенциально опасных (см. раздел о классификации УЗО по индексам), пробуем включитьУЗО, опять смотря на счетчик. На этот раз возможно, помимо «Земли», свечение индикатора «Реверс»; иногда его обозначают «Возврат», след. рис. Это свидетельствует о наличии в цепи большой реактивности, емкости или индуктивности.

Искать дефектного потребителя нужно в обратном порядке; сам по себе он может не дотянуть УЗО до срабатывания. Поэтому включаем все, затем по очереди отключаем подозрительных, и пробуем включать. Включилось, наконец-то? Это он и есть, «реверсивный». В ремонт, но уже не электрикам, а «бытовушникам».

В квартирах с проводкой TN-C-S возможен случай, когда четко определить источник срабатывания УЗО не удается. Тогда вероятная причина – плохая земля. Еще сохраняя защитные свойства, заземление уже не отводит высшие составляющие спектра помех, и защитные проводники работают как антенна, аналогично квартире TN-C с общим УЗО. Чаще всего такое явление наблюдается в периоды наибольшего пересыхания и промерзания почвы. А что делать? Напрягать эксплуатанта здания, пусть доводит контур до нормы, обязан.

О фильтрах

Одним из основных источников сбоев в работе УЗО являются помехи от бытовой техники, а эффективным способом борьбы с ними – поглощающие ферритовые фильтры. Видали набалдашники-«шишки» на компьютерных шнурах? Это они и есть. Ферритовые кольца для фильтров можно купить в радиомагазине.

Самодельные поглощающие ферритовые фильтры

Но для силовых ферритовых поглотителей определяющее значение имеют магнитная проницаемость феррита и магнитная индукция насыщения в нем. Первая должна быть не менее 4000, а лучше – 10 000, а вторая – не менее 0,25 Тл.

Фильтр на одном кольце (вверху на рис.) можно встроить с «шумящую» установку, если она не гарантийная, как можно ближе в сетевому вводу. Работа эта для опытного специалиста, поэтому точная схема не приводится.

Несколько же колец можно просто надеть на сетевой шнур (на рис. внизу): с точки зрения электродинамики все равно, обмотан проводник вокруг магнитопровода или наоборот. Чтобы не резать фирменный литой шнур, нужно купить вилку, гнездовую колодку и кусок трехжильного кабеля. Продаются и готовые сетевые шнуры с ферритовыми поглотителями помех, но стоит такой дороже, чем самодельный сборный по частям.

Видео: ошибки при подключении УЗО

Вывод

Как уже сказано вначале, УЗО – не панацея от электрической опасности. Оно многократно уменьшает вероятность поражения электротоком, но электричество все равно не терпит бездумного и безответственного обращения с ним.

Наилучший вариант развития мер электробезопасности – повсеместное применение чипованных розеток и встроенных в электроустановки электронных дифференциальных УЗО. В таком случае даже система электроснабжения TN-C, сохранив свою экономичность, могла бы стать вполне безопасной.

Содержание

1. Важно к важному
2. Устройство розетки
3. Виды розеток
4. Инструменты и материалы
5. Приемы работы
6. Работаем с арматурой
7. Итог
8. Видео: профессиональная установка розеток
> Обсуждение

Установка розеток своими руками – одна из самых частых домашних работ. Казалось бы, ничего сложного. Но вспомним законы Мэрфи, выведенные отнюдь не «чайником». Один из них гласит: «Если устройство все равно никак не хочет работать, так возьми, наконец, и прочитай инструкцию!».

Чтобы электророзетка, это незатейливое в общем-то устройство, не стала источником забот, а то и опасности, особенно в современных высоконагруженных квартирных сетях, о ней и способах ее установки нужно знать довольно много. Правила установки розеток актуальны также с точки зрения электромагнитной совместимости: при правильной их установке и надлежащим образом выполненной проводке необходимость в дорогостоящих фильтрах-подавителях помех и дополнительных защитных устройствах, как правило, не возникает.

Важно: розетка – электрическое распределительное устройство и, как таковое, требует при работе соблюдения всех мер техники безопасности согласно ПТБ. В частности – наличия на месте работы помощника (по ПТБ – «наблюдающего за работой»), обученного оказывать первую помощь при поражении электротоком.

Важно к важному

При установке электроарматуры своими руками необходимо соблюдать следующие правила:

• Электромонтажные работы производить в обесточенной квартире.

То есть, сначала нужно выполнить все вспомогательные операции: выбить штробы, насверлить лунки и отверстия, уложить кабель, без подключения, а подключать провода в последнюю очередь.

• Каждый очередной подключаемый провод прежде всего проверять фазоуказателем.

Одно из общих положений ПТБ гласит: «При работе на электроустановках следует помнить, что напряжение на обесточенных токоведущих частях может внезапно появиться в любой момент.»

• Монтаж розетки или выключателя производить, не допуская контакта оголенных проводников с телом.

Основные приемы работы, позволяющие производить монтаж бытовой электроарматуры «не трогая медь» описаны далее.

• При поражении электротоком помнить, что главное в этом случае – скорость реагирования наблюдающего.

Воздействие электротока в 10 мА в течение 0,2 с (скорость реакции ловкого сообразительного человека без специальной подготовки) вызывает непроизвольные нелицеприятные высказывания. То же, в течение 1 с – озноб, дрожь, болезненные ощущения, которые в течение дня могут усилиться до степени, требующей госпитализации. То же, в течение 10 с или более – обморок и фибрилляцию сердечной мышцы, требующую срочной медицинской помощи в течение 15 мин, иначе будет поздно.

То есть, если мастера «прихватило», нужно дернуть его за одежду и грохнуться вместе на пол, а не бежать в прихожую отключать автомат. Лучше вместе полежать с ушибами или переломами, чем одному в земле, а второму – под следствием.

Устройство розетки

[tip] Здесь и далее на схемах контакты и провода фазные (линейные, L) условно обозначены красным цветом; нулевые (нейтраль, N) – синим, а защитные (заземляющие, P) – желтым с зеленой полосой.[/tip]
Электрическая розетка состоит из контактной колодки в сборе, декоративной крышки с невыпадающим винтом (винтами) и подрозетника. Колодка снабжена:

1. Крепежными лапками, цельнолитыми неподвижными (на рис. слева) или подвижными распирающимися на винтах, на рис. в центре и справа.
2. Контактами, фазным и нулевым, идентичными по конструкции, и заземляющим, расположенным отдельно.
3. Клеммами для подключения проводов к контактам.

Контактные колодки розеток

Примечания: 

1. Колодки с подвижными лапками на винтах устанавливать в подрозетник несколько сложнее (см. далее), но такая конструкция позволяет регулировать положение колодки по высоте и наклону точно по стене. Нужно только следить при покупке, чтобы лапки были двузубыми. Колодка с однозубыми лапками скоро расшатается, см. на рис. в центре.
2. Клеммы могут как крепиться к контактам винтами, так быть выполненными заодно с контактами. Последние – надежнее. Первые перед установкой розетки необходимо перебрать, смазать сопрягаемые части токопроводящей пастой (холодным припоем) и стянуть винтами натуго.
3. Клеммы со стороны проводов могут быть как винтовыми, так и «ёршиками», в которые оголенные концы проводов просто вставляются. Последние очень надежны, но не допускают переборки: провод приходится вытаскивать с силой, а ершик при этом ломается. Винтовые клеммы перед заведением проводов смазывают холодным припоем.

Виды розеток

Розетки с выключателями могут быть как одинарными, так и объединенными в один конструктив с общей крышкой и подрозетником, см. рис. слева. Последнее – розеточный модуль. Несколько розеток, установленных на стене в ряд, называют розеточной группой, на рис. в центре. Установка выключателя, как в составе модуля, так и отдельного, производится в обычный подрозетник.

Виды розеток, розеточная группа и розеточный модуль в электромонтажном коробе

В состав розеточного модуля могут входить также розетки сигнальные (телефон, телевидение, интернет), таймер, «защита от дурака», отключающая розетку при прикосновении к фазному контакту и др. Сложные розеточные модули чаще всего входят в состав электромонтажных коробов, на рис. справа.

О коробах следует сказать особо. По ПТБ, ПУЭ и требованиям электромагнитной совместимости силовые и сигнальные провода не должны соприкасаться и пересекать друг друга, поэтому электрокороба выполняются секционированными, и каждая секция выходит к своим клеммам. При укладке кабелей в короб нужно следить за условными обозначениями в секциях, чтобы потом не перекладывать все.

Розетка-выручалочка

Накладная розетка

Простое, но очень полезное изобретение – современная накладная розетка, см. рис. Она позволяет:

• Производить замену розетки при «полностью убитом» подрозетнике, не нарушая декоративного покрытия стены: крышка совершенно закрывает крепежную накладку.
• Заменять старые розетки на евро, не меняя подрозетника и не трогая стены.
• Ставить розетки на обшивку стены по обрешетке, не выясняя расстояния до базовой стены.
• В комплекте со специальным подрозетником, см. ниже, устанавливать розетки в гипсокартонную обшивку с повышенной прочностью и надежностью.
• С ним же монтировать пожаробезопасные розетки в деревянные стены – даже при возникновении дуги она прежде всего замыкается через металлическую обойму, не распространяясь далее по проводам. Защита срабатывает, или провода отгорают в клеммах, прежде чем огонь доберется до дерева.

Опасный курьез

Выдвижные розетки

По потребительским качествам полной противоположностью накладной является уверенно набирающая популярность в Европе выдвижная розетка, см. рис. Оправдывают дизайном: мол, «блямбочка» задвинутой розетки не портит интерьер. Но, простите, розетка, в которую ничего никогда не включают, вообще не нужна, а выдвинутый из стены или пола (да, да, делают и так!) модуль создает травмо-, электро- и пожароопасность. Сообщений о происшествиях из-за выдвижных розеток более чем достаточно, но маркетологи, опираясь на потребительскую психологию, все равно успешно продвигают сие «достижение» на рынке.

Нормы и правила

Низко расположенные розетки

Современные нормы на установку бытовой электроарматуры вполне либеральны: высота установки выключателя в 160 см от пола, а розетки в 80 см уже не обязательны, а только рекомендованы. Широко распространена установка розеточных модулей в 30 см от пола, см. рис. Негласно минимальной считается высота в 25 см; при меньшей резко возрастает вероятность аварии во время влажной уборки. Уменьшение высоты установки розеток не вызывает возражений электриков, если в квартире есть УЗО (устройство защитного отключения). Количество розеток в квартире никак не ограничивается.

В детской же, наоборот, рекомендуется розеточные модули с выключателями освещения и защитой от прикосновения устанавливать в 150-170 см. от пола. В таком случае самые маленькие не смогут до них дотянуться, а у тех, кто постарше и уже умеет обращаться с электричеством, меньше будет соблазна пощелкать или потыкать без толку – руку тянуть высоко.

Однако некоторые правила заделки проводов в розетки следует все же соблюдать. Они намного уменьшают вероятность аварии и облегчают поиск неисправностей.

Во-первых, у электриков принято, чтобы фазный контакт находился ближе к окну. Если положение розетки относительно окна неоднозначно, фаза должна быть слева, если стоять лицом к розетке.

Заделка кабеля в розетку

Во-вторых, заводить провода минимальной длины сразу в клеммы нельзя: из-за тепловых деформаций стены и кабеля контакты со временем нарушаются, а надежно перезаделать коротенькие кончики в новую розетку будет очень сложно. Подключение розетки нужно производить, пропустив кабель под контактной колодкой (там всегда есть зазор специально для этого), как показано на рисунке. Если кабель круглый и слишком толстый, нужно снять кусок его оболочки и провести провода, расположив в ряд.

В-третьих, при обводке колодки проводами ноль и защиту нужно вести с одной стороны, а фазу – с противоположной. Это также показано на рисунке.

В-четвертых, в каждую клемму можно завести два провода, но это сделано лишь для электрического соединения между собой розеток в группах и модулях. Запитывать через розетки стационарные светильники, удаленные группы и модули, не говоря уж о потребителях «на соплях», ни в коем случае нельзя, см. след. рис.

Соединение розеток в модуле

Тут возникает вопрос: а во что же это такая проводка обойдется, если от счетчика тянуть отдельную ветвь к каждой группе? Всего лишь в розеточный модуль со встроенным клеммником, по одному на комнату или менее того. Такие модули называют еще модулями с мини-щитками. Вот при разводке по помещению от мини-щитка статистика не показывает увеличения аварийности. Суть такова, что мощность должна потребляться по месту подключения, а не уходить через розеточную клемму далеко.

Подключение выключателя

Наконец, о такой операции, как монтаж выключателя. Технически выключатель устанавливается в такой же подрозетник теми же способами, что и розетка, см. ниже. Но при монтаже однополюсного выключателя его необходимо включать в разрыв ФАЗНОГО провода; включение в разрыв нуля недопустимо! Фаза и ноль в двухполюсном выключателе должны быть расположены единообразно с розетками (фаза – слева).

В любом случае к выключателю нужно спускать петлю кабеля, и ноль с защитой оставлять неразделанными, на рис. слева. Ради экономии кабеля подводить к выключателю случайные провода, а разделанную фазу кабеля оставлять в распределительной коробке (дозе) под потолком, как это делалось раньше, недопустимо, на рис. справа.

Инструменты и материалы

Для работы с электроарматурой в квартире понадобятся следующие инструменты и материалы:

1. Фазоуказатель (индикатор фазы).
2. Отвертки 4-6 мм, прямая и крестовая.
3. Пассатижи с изолирующими рукоятками.
4. Кусачки-бокорезы №1 или №2.
5. Монтажный нож.
6. Изолента виниловая и х/б.
7. Для переноса розеток – изолирующие колпачки С-типа (не для сигнальных разъемов, см. на рис. ниже в центре) и токопроводящая паста (холодный припой).
8. Силиконовый герметик в самой мелкой упаковке; расход – граммы.
9. Для монтажа новых или переноса розеток – электродрель.
10. Для монтажа розеток на гипсокартон – сверло-коронка 67 мм или перьевое сверло 32 мм, в зависимости от способа установки, см. далее.
11. Для монтажа на бетон – коронка по бетону диаметром 70-75 мм и высотой 45 мм.
12. Мелкие сверла, дюбели под саморезы-блошки.
13. Для новичков – съемник изоляции.

Примечание: при описанных далее приемах работы изолента может понадобиться как демпфер, для обмотки участков кабеля, проходящих сквозь отверстия, а не в качестве изоляции.

О съеме изоляции и прочих рабочих операциях нужно поговорить особо.

Приемы работы

Съем изоляции

Профессионалы снимают изоляцию с проводов так: бокорезами, держа их тыльной стороной губок к концу провода, надкусывают изоляцию, не доводя лезвия губок до меди, и дергают. Тут главное – поднатореть до автоматизма. Автор этих строк, будучи еще молодым кабельщиком IV разряда, однажды на спор зачистил таким способом телефонный кабель-пятисотку (500 пар, 1000 проводов). Осмотр оппонентами под микроскопом не обнаружил ни одного закуса цельных медных жил 0,32 мм. Хуже всего всем было потом: спорили на ящик водки.

Однако у новичка закусы от бокорезов – скорее правило, чем исключение. Закус становится очагом коррозии, местного разогрева при максимальной нагрузке и нередко приводит к неисправностям. Поэтому для начала лучше обзавестись съемником изоляции, тем более что он позволяет и снимать оболочку кабеля, не перегибая его и не надрезая ножом.

Съемники изоляции и изолирующие колпачки

Съемников изоляции, ручных и автоматических, существует много видов. Для ручной работы чаще всего используются съемники-щипцы (на рис. слева) и съемники-клещи, справа на рис. Щипцы необходимо регулировать под провод, что замедляет работу, но для новичка именно они предпочтительнее:

• Диаметр токоведущей жилы и толщина изоляции проводов даже ведущих производителей несколько различаются: теперешние профи клещами работают фактически как бокорезами, не докусывая для гарантии. Точная регулировка винтом позволяет на проводе из одной бухты на 100% избежать закусов.
• Щипцы нужно дергать продольным, а не боковым, как клещи, движением, что без навыка куда удобнее, особенно если концы короткие.
• Щипцами, вывернув до отказа регулировочный винт, можно резать кабель.
• Щипцы стоят дешевле клещей.

Сращивание проводов

При переносе розеток (см. ниже) скорее всего, придется наращивать кабель. Современные методы монтажа электропроводки настоятельно не рекомендуют делать сростки проводов, но не срывать же облицовку и не штробить стену ради одной розетки!

Электропровода сращивают скруткой таким образом:

1. С концов проводов снимают изоляцию на 4-5 см.
2. Оба провода берут, не сильно зажимая, утконосами, держа их в левой руке, за изолированные участки.
3. Провода должны располагаться параллельно, вплотную друг к другу.
4. Обрезы изоляции должны совпадать.
5. Пассатижами в правой руке скручивают жилы по часовой стрелке.
6. По скрутке еще раз проходят пассатижами со скольжением при легком нажиме.
7. Концом плоской отвертки наносят на скрутку холодный припой.
8. Быстро, пока паста на схватилась, надевают изолирующий колпачок, проворачивая также по часовой стрелке.
9. По застывании припоя в раструб колпачка выдавливают силикон.

Работаем с арматурой

Замена подгоревшей

В таком случае оптимальный вариант – установка накладной розетки в старый подрозетник, тем более что розеточные колодки отдельно не продаются, а старый подрозетник, возможно, повело от времени.

Перенос

Модульный блок

Перенос розеток на новое место в процессе обшивки стен сводится к наращиванию кабеля до нужной длины и прокладки его в обрешетке до начала собственно обшивки. Сращивание проводов производится как описано выше. Кабель ведут параллельно полу на высоте старой розетки, прикрепляя к стене хомутиками. Новую розетку монтируют либо на обшивку, либо на базовую стену, см. ниже. Важно на новом месте оставить достаточно длинный, от 15 см, «хвост» кабеля, это упростит монтаж розетки.

Если же стены отделаны, а розетку необходимо «вытащить» из-за шкафа, да еще и добавить гнезд, то лучший вариант – угловой модульный блок, см. рис. Его можно на штатных креплениях установить в углу, под подоконником или в любом подходящем месте. В старую розетку блок просто включается вилкой навсегда.

Но старую розетку, перед тем как загородить, необходимо перебрать: полностью разобрать, зачистить все внутренние контакты (скажем, контактных ламелей с клеммой) и собрать на холодном припое. Клеммы перед заделкой в них проводов также смазать припоем. Непосредственно перед включением блока снять крышку розетки, смазать припоем контактные ламели, поставить крышку, включить блок и больше не трогать. При соблюдении этих правил старая розетка никогда не напомнит о себе.

Монтаж на бетон

Для установки розетки в бетонную стену важно знать толщину будущей отделки: край подрозетника должен быть вровень со стеной плюс-минус 1,5 мм. Стандартная высота подрозетника – 40 или 44 мм. При «пухлой» отделке может понадобиться подушка из фанеры, слева на рис. Крепить подрозетник желательно саморезами в дюбелях. Если в нем крепежные отверстия не предусмотрены, их можно просверлить самому, но линия крепежных отверстий должна располагаться перпендикулярно линии контактов, на рис. – справа!

Установка подрозетников на бетон

Если стена уже отделана, или отделка будет тоньше, нужно коронкой выбрать под подрозетник лунку с запасом по диаметру и глубине. Перед установкой подрозетника лунку заполняют алебастровым или гипсовым раствором. Затем быстро выравнивают подрозетник и, пока раствор не схватился, заворачивают в него пару «блошек» для надежности, см. рис. в центре.

Выравнивать подрозетник удобно по шаблону из фанеры или доски толщиной в высоту отделки, с отверстием по диаметру подрозетника. Но самое главное – перед установкой подрозетника не забудьте продернуть в него кабель! Законы Мэрфи, знаете ли.

Установка в гипсокартон

Установка розетки в гипсокартон производится с помощью специальных подрозетников для гипсокартона со скользящими (слева на рис.) или поворотными (в центре там же) фиксирующими упорами.

Подрозетники для гипсокартона

Технология элементарна:

• Коронкой сверлят отверстие 67 мм.
• Выводят в него кабель, продергивают в подрозетник.
• Ставят подрозетник на место.
• Если упоры скользящие, тянут ленту-фиксатор до упора и откусывают лишнее.
• Если упоры поворотные, до упора завинчивают тянущие их саморезы; лапки сами повернутся как надо.
• Зачищают провода, заводят в клеммы, ставят в подрозетник колодку до упора и, поочередно заворачивая, затягивают винты лапок колодки.
• Ставят крышку, проверяют прилегание к стене; при необходимости ослабляют винты лапок колодки и регулируют ее.

Установка подрозетника в гипсокартон с повышенной надежностью

Если лист гипсокартона еще не на стене, есть накладные розетки и подрозетник с поворотными лапками, можно закрепить розетки понадежнее (см. рис.справа):

1. Пером и лобзиком выбирают отверстие под металлическую обойму розетки.
2. Сверлят отверстия под саморезы лапок подрозетника.
3. Стягивают обойму с подрозетником в пакет; упоры подрозетника при этом не нужны.
4. Устанавливают колодку и крышку розетки.

При описанном способе монтажа розеток в гипсокартон под обоймой колодки образуется большое пространство, что облегчает заделку кабеля и возможное его наращивание в дальнейшем.

Итог

Как видим, при соблюдении некоторых простых правил установка розеток и выключателей в квартире своими руками – дело несложное. Элементарная аккуратность – и все будет работать как часы, а шипение, зудение и запах подгоревшей изоляции никогда не послышатся.

Видео: профессиональная установка розеток

Содержание

1. Медь, земля и дозы
2. Этапы работы
3. Схема электроснабжения
4. Готовим план
5. Электрооборудование комнат
6. Инструмент и материалы
7. Приступаем к замене
8. Штукатурная интермедия
9. Завершение
10. А можно без бумаг обойтись?
11. Замена проводки в деревянном доме
12. Видеоурок: электрика в квартире и доме своими руками
> Обсуждение

Замена электропроводки в квартире своими руками, как правило, приурочивается к капитальному ремонту. И составляет, пожалуй, самую сложную его часть. Соответственно – и цена. В областном городе в средней полосе РФ профессиональная замена проводки стоит примерно 1000 руб. на 1 кв.м общей площади жилья. Браться за самостоятельную замену проводки нужно лишь в том случае, если ремонт необходим, а вы стеснены в средствах.

Медь, земля и дозы

Замена электропроводки в жилом помещении держится на трех китах:

1. Замена алюминиевых проводов на медные.
2. Переход со схемы электропитания TN–C (глухозаземленная нейтраль) на TN–C–S (с защитным заземлением потребителей).
3. Переход от разводки проводов разветвлением на подключение групп отдельными ветвями.

Поясним по порядку:

Алюминиевая электропроводка благодаря своей дешевизне и экологичности (добыча и выплавка меди тогда были чрезвычайно вредными производствами) получила широкое распространение в мире в 30-х – 60-х годах. Однако со временем выяснилось, что алюминий для электропроводов непригоден:

• В течение 20 лет в цепях под током в металле происходят изменения, суть которых полностью не ясна до сих пор; прежде всего – алюминий становится очень хрупким, и на проводку из него буквально дышать нельзя.
• При малейшем попадании влаги алюминий подвержен электрокоррозии, распространяющейся под оболочку; целый на вид провод оказывается истонченным до волоска; отсюда – внезапные отказы, самые аварийные.

• Алюминий – мягкий металл. Из-под винтов клемм он выдавливается, скрутки ослабевают, а пайка алюминия сложна, дорога и относится к числу вредных производств. Поэтому алюминиевые контакты ненадежны.

У проводов ЛЭП срок службы менее 20 лет, и там пороки алюминия не сказываются. Но в квартирной проводке алюминий ныне запрещен.

Советская схема электроснабжения TN–C применялась вынужденно, из-за необходимости массовой электрификации с условиях острого дефицита цветных металлов и большой протяженности коммуникаций в огромной стране. С 1997 г. в РФ принята система электроснабжения TN–C–S, обеспечивающая безопасность потребителей независимо от состояния электросети. От СССР осталось множество незаземленных многоэтажек, но раз проблема есть, ее нужно решать; не «сверху», так своими силами.

Разветвительная схема разводки также применялась вынужденно, и по тем же причинам, что и TN–C. При этом к более мощным проводам квартирного ввода по их длине подключались ответвления к группам. Ответвления делались в распределительных коробках – электродозаторах (дозах); главная квартирная доза располагается рядом со счетчиком.

Каждое ответвление – снятая изоляция и скрутка либо клеммы: ненадежно и чувствительно к замоканию. Ныне еще не узаконена (но дело к тому идет), но общеупотребительна разводка ветвями: от ввода к каждой группе подключений идет отдельный цельный кусок кабеля в двойной или тройной изоляции. Никаких скруток и клемм, влаги не боится.

Этапы работы

Расходы на монтаж электропроводки можно сократить вдвое и более. Дело в том, что замена электропроводки производится в пять этапов:

1. Разработка схемы электроснабжения квартиры (дома).
2. Составление плана разводки электропроводки, его утверждение и регистрация совместно со схемой электроснабжения.
3. Устройство ремонтной времянки.
4. Прокладка электропроводки.
5. Установка механизмов (выключателей, автоматов), УЗО, точек подключения (розеток) и стационарных электроприборов (осветительных приборов, теплого пола, стиральной машины, кондиционера, электродуховки и т.п.).

До начала работ по замене электропроводки должно быть по возможности устроено защитное заземление или обеспечено защитное зануление. Однако его устройство – тема отдельной статьи.

Разводка электропроводки по точкам осуществляется на последнем этапе в ходе установки механизмов, автоматики, точек подключения и электроприборов.

На каждом из этапов замены электропроводки можно сэкономить. В целом можно уменьшить расходы наполовину и более – до 650-450 руб/квадрат, в зависимости от того, что у вас получится самостоятельно, а что придется поручить специалистам.

Схема электроснабжения

Взгляните на рисунок в разделе. Пока только взгляните. Дадим некоторые пояснения. Во-первых: kWA – счетчик электроэнергии; УЗО – устройство защитного отключения. Во-вторых – схема электропитания выполняется однолинейной.

Однолинейная схема электроснабжения квартиры

Обратите внимание на две косые черточки, перечеркивающие обозначение провода. Это значит, что в реале там два провода – фазный L и нулевой N (нейтраль), проложенные вместе. Защитный провод PE не перечеркнут, значит он идет отдельно. Если ввод трехфазный, то черточек на обозначениях его проводов будет три. Системы с изолированной нейтралью, в быту не применяющейся, не касаемся.

Теперь рассмотрите рисунок внимательно. Это однолинейная схема электропитания элитной квартиры на 200 кв. м. Если вам в ней в общем все понятно, вы сможете вычертить свою схему электроснабжения, даже если у вас нет электротехнического образования и чертить вы не умеете.

В худшем случае у вас получится аляповатый эскиз. Но по нему ищущий подработку студент-старшекурсник или пенсионер-электрик сможет за полвечера и недорого вычертить правильную схему. А если поручить схему практикующему специалисту с приличной и без того зарплатой, то влетит это в копеечку. Хлопот же вас не убавится: ведь ему нужны исходные данные.

Продумываем электроснабжение

Правильная электропроводка в доме зависит прежде всего от потребляемой мощности. В коттеджных поселках дают лимит потребления 10-20 кВт на жилье, но в городской квартире это нереально: либо все время будет выбивать автомат в подъезде, либо, что еще хуже, погорит домовая проводка. А в старых домах, где чаще всего замена проводки и требуется, заложен «хрущевский» лимит в 1,3 кВт; на пределе – 2 кВт.

Однако все сразу никто не включает. Даже летом, когда работают кондиционеры, они включаются не в такт. Здесь случайность работает на потребителя: при среднестатистической потребляемой мощности в 4,3 кВт домовая проводка держится. Этот лимит и закладываем в основу расчета. Правда, если летом вы затеете стирку или глажку, кондиционер с бойлером придется выключать, иначе главный автомат вырубит всю квартиру. Но с этим уж придется примириться.

Не вдаваясь в подробности расчета, сразу дадим данные для средней городской квартиры в 40-100 кв. м общей площади:

• Главный автомат – от 25 до 32 А в зависимости от площади. Для дотошных: коэффициент запаса по току – 1,3-1,5. Давать 2 в многоквартирках нельзя: общая проводка «чахлая».
• Квартирное УЗО – 50 А 30 мкА разбаланс.
• Кухня – две ветви проводки по 4 кв. мм; на каждой – автомат на 25 А и УЗО 30 А 30 мкА. Запитка ванной – из кухни; на схеме не обозначается, см. ниже.
• Кондиционер – ветвь 2,5 кв.мм; автомат – 16 А, УЗО – 20 А 30 мкА.
• Розеточные цепи и цепи освещения – по одной и той и другой в каждую комнату, кроме ванной и санузла; в них – только освещение; о ванной разговор еще впереди. Сечение прододов – 2,5 кв.мм; автоматика отключения не нужна, вполне хватит общеквартирной.

Вот и все исходники для однолинейной схемы электропитания квартиры. Можно чертить.

Рисунок: графические схемы для “наглядности”:

Вычерчиваем схему

За основу можно взять схему, приведенную на самом первом рисунке. Ее верх, от выхода из счетчика, остается неизменным, нужно только изменить численные данные. Марка УЗО значения не имеет: если вы в конечном итоге поставите вместо АСТРО-УЗО другие, это ничего не нарушает.

В случае сомнений относительно обозначений – см. Приложение к ПУЭ (Правила устройства электроустановок потребителей) или ГОСТ 2.755-87 (CT СЭВ 5720-86). Следите только за номером ГОСТа: в поиске почему-то выскакивает уйма ссылок на ГОСТ 2.721-74 и даже ГОСТ 7624-55, от которых сейчас толку не больше, чем от Морального кодекса строителя коммунизма, в свое время лично отредактированного дорогим товарищем и незабвенным генсеком Леонидом Ильичом.

При вычерчивании схемы соблюдайте размеры условных обозначений элементов: их масштабирование не допускается. Если, к примеру, электрический конденсатор обозначается двумя параллельными линиями толщиной 0,5 мм и длиной 10 мм на расстоянии 2 мм одна от другой, то так тому и быть, даже если он один на листе ватмана А0.

Готовим план

Теперь рассмотрите рисунок, сопровождающий этот раздел. Это уже ПЛАН электропроводки: вот во что превращается схема, когда нужно делать руками. Дадим к плану пояснения:

1. В каждую комнату от счетчика должны идти как минимум две ветви – на цепи освещения и розетки.
2. Поскольку в обычной квартире один санузел, ДСУ (система дополнительного уравнивания потенциалов), не нужна. Ее ветвь на схеме обозначена пунктиром.
3. В ванной обозначьте только потолочный светильник во влагозащищенном исполнении и бойлер, если он там установлен. Ванная – случай особый и сложный, до нее речь еще дойдет.
4. Обозначайте только ветви к точкам подключения (розеткам) и стационарным электроустановкам. Стационарными считаются установки, жестко закрепленные на несущих конструкциях, или запитанные не через разъемное соединение. К примеру: бойлер и теплый пол – стационарные, а стиралка, посудомойка и электродуховка – нет. То, что они подключены к другим коммуникациям, электриков не касается и не волнует.
5. Не загромождайте схему мелочами наподобие светодиодной подсветки потолка, удлинителя на балкон и т.п. Инспекторов такие вещи только раздражают, и вполне приличный план может быть «зарублен».
6. Ни в коем случае не показывайте ветви на балкон или лоджию! Для городской квартиры это грубейшее нарушение ПУЭ. Эти помещения должны запитываться от розеток в других комнатах.

План электропроводки в квартире (кликабельно)

А теперь подскажем, как упростить подготовку плана:

• Возьмите в ДЭЗе или БТИ план вашей квартиры.
• Отсканируйте; если большой – кусками.
• В фотошопе склейте куски, и уберите старые обозначения проводки, стационарных электроприборов и точек подключения.
• Нанесите новые в соответствии со схемой и по образцу приведенного плана электропроводки. Это удобнее делать уже не в фотошопе, а в CorelDraw или другом векторном графическом редакторе, импортировав исходный растровый файл, а затем экспортировав готовый план обратно в растр. Не забудьте сохранить векторную заготовку! Планы, выполненные дилетантами, почти в 100% случаев возвращаются на доработку с замечаниями.
• В фотошопе разделите большое изображение в нужном масштабе на части размером в область печати вашего принтера, распечатайте и склейте в большой лист так, чтобы линии совпадали. Если чуть разъезжаются, можно дочертить от руки.

Примечания:

1. Если санузел отнесен далеко от кухни (как, например, в квартирах чешской планировки), то предусмотренную для него группу розеток, описанную далее, в разделе о кухне, следует разместить в смежной с ванной комнате.
2. Группы розеток в смежных комнатах желательно располагать точно одна против другой через стену. В таком случае, просверлив стену, можно обе группы запитать одной ветвью, сэкономив кабель и трубу.
3. В квартирах-«трамвайчиках» (анфиладная планировка) в дальней от счетчика комнате группы розеток, но не более двух, допустимо (на практике, не по ПУЭ) запитывать последовательно, одну от другой. В таком случае, если ближняя группа запитана сквозь стену из гостиной, экономится еще полветви.
4. Бра и другой местный свет также на практике допустимо запитывать от розеток или последовательно в пределах комнаты, если в ней есть еще и потолочный светильник.
5. Потолочные светильники должны быть запитаны каждый отдельной ветвью. Запитывать их друг через друга или от розеток недопустимо: цепи общего освещения считаются жизненно важными.
6. Ряды точечных светильников на потолке считаются и обозначаются на плане как люстра. Ветвь для них выводится в центр потолка, а разводка при монтаже делается как безопаснее и удобнее.

Готовые схему электропитания и план электропроводки в квартире нужно зарегистрировать и утвердить в энергослужбе. Проверка и процедура регистрации – бесплатны.

Важно: плану электропроводки следует уделить самое сугубое внимание. Оптимально, с толком составленный план по сравнению с халтурным экономит затраты вдвое и более.

Электрооборудование комнат

Для составления плана электропитания со знанием дела нужно прежде всего определиться, сколько и каких точек подключения и стационарных потребителей будет в доме. Разумеется, в своем доме вы хозяин, и разработать единую методику составления плана для любых вариантов планировки невозможно. Но нижеследующие указания могут вам пригодиться.

Ванная

Электрооборудование ванной – крепкий орешек. С одной стороны, только высокая влажность делает помещение ванной особо опасным по степени поражения электротоком. Плюс к этому – забрызганный пол и обнаженный распаренный человек в горячей воде. Сопротивление его тела падает больше, чем у вдрызг пьяного: ток замыкания через тело может превышать 5 А (!), а это между безусловно смертельным ударом и обугливанием. Поражающее действие электротока зависит от времени воздействия, и при такой его силе времени срабатывания УЗО никак не достаточно, чтобы наверняка предотвратить беду.

С другой стороны – мощные электроустановки: стиральная машина, бойлер, с большим собственным током утечки, работающие при повышенной температуре и влажности. В таких условиях оголенные контакты под напряжением, хоть и под крышкой розетки, будут источником опасности электрошока.

ПУЭ допускают установку в ванной розеток через разделительный трансформатор или УЗО, но это решение вынужденное еще более, чем система TN–C в свое время. Об УЗО уже сказано, а что касается разделительного трансформатора, то этот пункт просто скопирован из раздела о промышленном электрооборудовании за неимением лучшего.

Установка разделительного трансформатора – задача технически достаточно сложная и предмет отдельного описания. Рекомендации наподобие – запихнуть РТР под подвесной потолок в ванной – плод если не невежества, то подспудного стремления к извращенному электросуициду. По букве ПТБ и ПУЭ в ванной может быть только потолочный светильник во влагозащищенном исполнении. Но по духу и сути тех же ПТБ и ПУЭ электроснабжение ванной можно организовать следующим образом:

• Электрошнуры бойлера и вентилятора заменить на длинные, чтобы их хватило, через отверстие в стене, до розеток на кухне или в смежной с санузлом комнате. Бойлер не снабжается штатным шнуром, а потеря гарантии на недорогой вентилятор – беда невелика, тем более что почти 100% гарантийного возврата вентиляторов сводятся к негарантийным случаям. Разумеется – шнуры трехжильные, с защитным проводником.
• Приобрести удлинитель без шнура, но с заземляющими контактами (евро), на три гнезда, с фигурными отверстиями сзади для подвески на стену, и снабдить его тоже трехжильным шнуром.
• Все три шнура через отверстие в стене в углу над плинтусом вывести в кухню, или смежную комнату, снабдить евровилками, и уложить в ПВХ короб: в углу и понизу он в глаза бросаться не будет.
• Вилка бойлера включается в розетку «на постоянно» – нигде ни в каких правилах не оговорено предельное время включения вилки в розетку. Также и вилка вентилятора, если он «интеллектуальный» и срабатывает по температуре и влажности.
• Удлинитель подвешивается в ванной на саморезы в дюбелях.
• Стиральная машина включается в удлинитель на постоянно. В остальные два гнезда можно включать световое обрамление зеркала и фен.
• Вилка удлинителя включается в розетку в смежной комнате по мере надобности.

Таким образом, в ванной не будет оголенных концов под напряжением постоянно, и при соблюдении элементарных мер предосторожности, опасность поражения электротоком будет сведена к нулю. А по ПУЭ и ПТБ удлинитель, хоть бы и со шнуром в коробе и повешенный на стену – всего лишь удлинитель, а не розетка.

Туалет

В туалет, как и в ванную, пойдет лишь одна осветительная ветвь для потолочного светильника. Светильники туалета и ванной можно запитать последовательно по одной ветви: электрики не придираются.

Кухня

Для кухни, таким образом, понадобятся две ветви проводки: для ванной и для собственных нужд. Если санузел отнесен от кухни, то ветвь для ванной пойдет в смежную с ней комнату, но опишем мы ее здесь.

Сечение провода – 4 кв.мм и защитная автоматика для обеих ветвей одинаковы и описаны выше. Но точки подключения различаются: для собственной ветви кухни нужны не одна, как для ванной, а две тройных розетки. Постоянно в них будут включены посудомойка, электродуховка, кухонный комбайн и точечное освещение. Запитывать галогенки на исподе подвесного шкафа отдельной ветвью, как иногда рекомендуют, неэкономно и неправильно по ПУЭ.

Одна из оставшихся точек пойдет под кухонный вентилятор, а в другую на постоянно включается удлинитель, подвешенный, как в ванной, на стену или на шкаф. В него можно включать тостер, пылесос при уборке и пр. Холодильник включается в розетку дополнительной группы на противоположной стене.

Розетки ванной и основной группы желательно расположить за нижним кухонным шкафом вплотную под столешницей, но подальше от раковины. Если нижний шкаф с задней стенкой, выпилить в ней проем. Для прохода шнуров задние уголки столешниц обрезать – и не видно, и шнуры свободно проходят.

Осветительная ветвь в кухню – такая же, как и везде.

Прихожая и коридор

Сюда нужны две ветви: для розетки и для света. Если коридор длинный, и в нем нужны две точки освещения, то ближнюю к розетке выполняют в виде бра и запитывают от нее. А дальняя точка будет уже потолочным светильником, запитанным по своей ветви.

Детская

ПУЭ требует для детских учреждений расположения розеток и выключателей на высоте не менее 180 см от пола. Но это касается только учреждений, да и ребенок вырастет, а комната останется за ним.

Если же чадо любимое с нежного возраста проявляет повышенный интерес к технике, розетку в детской нужно поставить с защитным диском. От розетки с запираемой на ключ крышкой мелкая индивидуальность может надуться и подавить в себе склонности, которые, возможно, в дальнейшем станут залогом жизненного успеха.

Жилые комнаты

Не вдаваясь в тонкости топологии, скажем сразу: для запитки потолочных светильников и двух групп розеток в жилых комнатах достаточно 2N+1 ветвей, где N – количество комнат. Поясним на примере трехкомнатной квартиры:

1. Гостиная – 1 ветвь основной розеточной группы, 1 – дополнительной, 1 – осветительная.
2. Спальня – 1 ветвь основной группы, 1 осветительная. Дополнительная группа запитана сквозь стену от дополнительной группы гостиной.
3. Детская – 1 ветвь основной группы, 1 осветительная. Дополнительная группа запитана сквозь стену от дополнительной группы спальни.
4. От спальни или детской, смотря по планировке, запитывается сквозь стену дополнительная группа кухни.

Всего же на 2-3 комнатную квартиру понадобится 12-15 ветвей, включая кондиционер. Ветвь для кондиционера должна оканчиваться розеткой, хотя он – стационарное устройство. По двум причинам: для безопасности и удобства обслуживания, и потому, что сплит снабжен штатным литым шнуром, обрезав который, теряем гарантию.

На какой высоте будут розетки?

Оптимальная высота расположения розеток – 25-35 см от пола. Тянуться к ним достаточно удобно, в глаза не бросаются, мебели не мешают. Исключение – розетка кондиционера. Ее располагают повыше, чтобы его шнур дотягивался и не болтался на виду. Излишек шнура можно свернуть в бухту и засунуть на корпус настенного блока сверху; высота же размещения розеток нигде и никак не регламентирована.

Не старайтесь «оброзетиться» сверх меры – это только снизит надежность проводки. Две группы, по одной двойной в каждой, вполне достаточно. На крайний случай – в одно посадочное место помещается тройная розетка, но такая не может быть встроенной.

Инструмент и материалы

Инструмент для замены электропроводки вам понадобится следующий:

• Перфоратор с буром по бетону 16-20 мм, корончатым сверлом 90-100 мм, долотом по бетону 25-30 мм и набором сверл, тоже по бетону.
• Болгарка с кругом по камню.
• Паяльник на 40-60 Вт.
• Индикатор-фазоуказатель.
• Тестер-мультиметр.
• Пассатижи, отвертки и бокорезы с изолированными рукоятками.
• Фонарик.
• Монтажный нож.
• Строительный уровень и шнур для отбивки маршрута штробов.
• Шпатель для замазки алебастром.
• Переносная электролампа.

О материалах следует поговорить особо.

Клеммники

Описываемый способ замены электропроводки исключает ее скрутки и спайки по длине, и проводка получается абсолютно стойкой к замоканию. Все соединения будут выполнены во вводном щитке (ВЩ) на клеммниках и в конечных точках. Клеммники продаются секциями по 10 контактов (5 пар). Вам понадобится 3-4 секции; лучше сразу взять три, а прикупить никогда не поздно.

При покупке обратите внимание на материал корпуса – полиэтилен плох, любой другой подойдет. А самое главное – в отверстия для проводов должно входить по два провода диаметром 2,5 мм. Лучше сразу взять клеммники с прямоугольными отверстиями, в которых провода зажимаются не непосредственно винтом, а специальной пластинкой.

Подрозетники

Монтажные коробки под розетки и выключатели (подрозетники) могут быть любыми, но обязательно снаружи должны иметь выступы, чтобы держались в алебастре.

Марка кабеля

«Крутой» и дорогой кабель NYM вовсе не так уж крут: его по ТУ производителя нельзя прокладывать в сыром бетоне (а где гарантия, что стены всегда будут сухими?) и на улице. Поэтому, на выбор – отечественные кабели ВВГ или ПУНП. Первый дороже, но его изоляция надежнее. Но и на квартирную проводку, проложенную ПУНП, нареканий не обнаруживается.

Все эти кабели – с одножильными проводами, и это один из способов экономии при замене проводки: многожильные гораздо дороже, а в стене ненадежны. Если прокладку проводки будут делать работники по найму, то вас они про себя помянут: кабели жесткие, особенно ПУНП. Но вам-то оно карман не тянет. А если вы не обидчивы и не лишены чувства юмора, то можно и послушать: хорошие электрики ругаются виртуозно, не хуже авиамехаников.

Видео: немного о видах кабеля

Старая труба или новый гофр?

Старые кабельные трубы вместе с проводами лучше выдрать безо всякой жалости: просветы труб не рассчитаны на кабель с двойной изоляцией, часто забиты, сгибы – сплюснутые и сморщенные. Лучше сдайте их и старые провода после замены на металлолом: при теперешних ценах на вторичный металл это окупит, частично или полностью, затраты на гофрошланг под кабели.

Гофр лучше брать металлический: в случае аварии ПВХ, разлагаясь в стене без доступа воздуха, выделит ядовитые газы. А заземлив металлогофры, вы еще и получите экранированную проводку, которая имеет массу достоинств и ни одного недостатка.

Вводный щит

ВЩ будет расположен на месте старой дозы. Его нужно брать подходящего размера: в нем должны будут поместиться 4 автомата, 4 УЗО, 4 клеммника и все концы проводов. В монтажные проемы ВЩ должны будут войти концы всех гофрошлангов.

Из прочих материалов вам понадобится изолента х/б (матерчатая), немного токопроводящей пасты да алебастр.

Приступаем к замене

Ремонтная времянка

Прежде всего нужно обеспечить электропитанием инструмент на время ремонта. Для этого заранее на дощечку или кусок прочного пластика прикрепляем двойную или тройную розетку и автомат на 16 А с куском кабеля 4 кв.мм. Также запасаемся длинным, чтобы хватило во все комнаты, удлинителем.

Затем обесточиваем квартиру, вывернув пробки или выключив квартирный автомат, обдалбливаем вручную дозу возле счетчика, снимаем ее и выводим наружу провода от счетчика. К ним на плотной скрутке подключаем времянку (скрутка на время ремонта допустима), тщательно изолируем стыки, и прикрепляем времянку к стене. Запитываем квартиру и приступаем к работе.

Примечание: для этой работы лучше нанять ДЭЗовского электрика, либо работать крайне осторожно – не касаться проводов частями тела и одежды, инструмент держать только за изолированные части не ниже ограничительного выступа. И весьма желательно предварительно ознакомиться с ПТБ и ПУЭ. Помните: на обесточенном проводе в любой момент может появиться напряжение! Тех электриков, которые так и не смогли или не захотели это понять, с нами уже нет.

Штробление и подрозетники

Штробы должны быть прямыми, горизонтальными или вертикальными. Наклонные и кривые штробы ведут к аварийности и травматизму. Горизонтальные штробы ведут в полуметре под потолком.

Штробить и бурить стены нужно с козел или со стремянки с боковыми упорами, какими пользуются рекламщики-наружники. Обычная стремянка от бокового усилия может опрокинуться, и вы грохнетесь вниз с тяжелым быстро вращающимся инструментом в руках.

Границы штробы проводят сначала болгаркой на глубину в диаметр гофра и на ширину долота перфоратора, затем долотом выбивают канавку. Внутри углов болгаркой делают косой рез, и долотом выбивают лунку, чтобы изгиб гофра был плавным.

Лунки для подрозетников в кирпичных стенах выбирают коронкой; в бетонных – долотом. Коронка, попав на арматурину, тут же вся осыпается, а стоит недешево. Выемку под ВЩ у счетчика также выбивают долотом.

Примечание: не выбирайте под выключатели двойную штробу. Куда проще купить гофр, в который войдет два кабеля.

Штробление – работа очень шумная, пыльная и грязная. Поэтому ее время нужно согласовать с соседями. Лучше всего – на первую половину буднего дня, когда взрослые на работе, а мамы с маленькими детьми гуляют.

Читайте подробнее о штроблении стен под электропроводку и её технике.

Прокладка проводов

Отмеряем нужные куски кабеля и гофра. Кабель в гофр затягиваем на полу. Затем в лунки на алебастровой подушке ставим подрозетники. Потом укладываем гофр к кабелем в штробы; концы проводов заводим в подрозетники. Наконец, подрозетники домазываем алебастром до уровня стены, а штробы с гофором подмазываем кусочками примерно через полметра.

Примечание: если выключатели однополюсные, то концы нуля (синий провод) сразу же скручиваем, пропаиваем и изолируем тремя слоями изоленты с заходом нижнего слоя на провод на 15-20 мм и перехлестом слоев в 50%.

В завершение укладки проводов заводим вводные концы гофров в ВЩ, смазываем проводящей пастой, схватываем жестяным хомутом на винте, а винт обрезком провода PE соединяем с заземлительной клеммой ВЩ. Прикладываем ВЩ на место, размечаем крепежные отверстия, сверлим их, вгоняем дюбели.

Обесточиваем квартиру, отключаем времянку. На весу вводим в ВЩ провода от счетчика и квартирный PE; присоединяем PE к корпусу ВЩ. Ставим ВЩ на место, крепим. Провода от счетчика тщательно изолируем, укладываем в корпус ВЩ. Пришла пора штукатурить; квартира обесточена.

О расцветке проводов

Ноль (нейтраль, N) всегда обозначен синим или голубым цветом, защитный провод PE – желтый с продольной зеленой полосой. Фазные провода могут быть белыми, красными, черными, коричневыми. Соединять между собой можно только одноцветные провода. Переход фазы на ноль, фазы на фазу и включение выключателя в разрыв нуля недопустимы.

Штукатурная интермедия

Теперь пришло время штукатуров, маляров и поклейщиков обоев. Или ваше, в новой ипостаси. Но сначала нужно в подрозетники набить поролона, бумаги или тряпок вровень со стеной, а ВЩ закрыть куском пластиковой пленки, подоткнув ее под края его обрамления. Счетчик также закрываем пленкой, но следите, чтобы не сорвать пломбу – хлопот с энергослужбой потом не оберешься. Если пломба все же повреждена, нужно немедленно сообщить энергетикам.

Завершение

После штукатурно-малярных и обойных работ подрозетники и ВЩ окажутся затертыми и заклеенными, но их легко будет нащупать и вырезать обои по контуру. Вычистив из подрозетников остатки штукатурки, устанавливаем розетки, выключатели, светильники, бойлер.

Примечание: в розетках принято провода подключать так, чтобы ноль был ближе к окну.

Затем на клеммниках в ВЩ собираем схему электропитания, но ввод от счетчика пока не подключаем. КАЖДУЮ ВЕТВЬ ПЕРЕД ВВОДОМ В КЛЕММНИК НУЖНО ПРОВЕРИТЬ ТЕСТЕРОМ НА КОРОТКОЕ ЗАМЫКАНИЕ! Теперь на короткое время запитываем квартиру, находим индикатором фазу и ноль, идущие от счетчика.

Снимаем питание, разводим отрезками провода соответствующих цветов фазу и ноль по клеммникам. ЕЩЕ РАЗ ПРОВЕРЯЕМ НА КЗ при включенных автоматах, выключаем главный автомат, запитываем квартиру, включаем главный автомат. Не «бабахнуло»? Проверяем свет, напряжение в розетках и продолжаем ремонт.

А можно без бумаг обойтись?

Как видим, добрая доля работ по замене электропроводки падает на дела бумажные. Но любой рукастый мужик испытывает не всегда оправданное, но стойкое отвращение к бумажной волоките. Так нельзя ли без бумаг обойтись?

Нет, нельзя. У электриков глаз наметанный. Первый же контроль показаний счетчика – и своим будет доложено, а там жди визита инспектора. Его же итог – большой штраф и узаконивание работ по факту, что ничуть не дешевле.

Замена проводки в деревянном доме

Проводка в деревянном доме – тема отдельная. Можно лишь отметить, что рекомендации прокладывать гофр с кабелем прямо по стенам полностью несостоятельны: открытая проводка давным-давно запрещена во всем мире.

Что можно посоветовать, если дом старый и нет кабельных каналов? Прикрыть кабельные шланги деревянными коробами. Будет ли это декоративная имитация балок и нервюр, или простая планка в углу – дело ваше, но у энергетиков с определенным скрипом пройдет.

Видеоурок: электрика в квартире и доме своими руками

Постскриптум

Замена электропроводки – едва ли не самая сложная задача для домашнего мастера. Браться за нее стоит лишь если вы сумели самостоятельно разработать схему электропитания, план проводки и оформить их должным образом. В противном случае лучше нанять специалистов: самодеятельность обойдется себе дороже, и, скорее всего, не только и не столько деньгами.

Содержание

1. Можно ли делать заземление самому?
2. Защитное и рабочее заземления
3. Части заземления
4. Зачем несколько заземлителей?
5. Как нельзя заземлять
6. О молниеотводах
7. Заземление частного дома
8. Измерение заземления
9. Квартирное заземление
> Обсуждение

Жизнь насыщается электроприборами. «Хрущевская» норма энергопотребления в 1,3 кВт на квартиру (220 В; пробки – 6 А) ныне вызывает смех. Электроприборы дают комфорт и экономят немало денег, но есть оборотная сторона медали: возрастает опасность электрошока. Поэтому без защитного заземления (а для стиральной машины – и рабочего) теперь не обойтись. Но в старых домах его нет, а частнику нужно делать самому; цены же в специализированных организациях соответствуют объему работы. Чем платить такие деньги, проще сделать заземление в доме своими руками – работа не легкая, но и не сложная.

Можно ли делать заземление самому?

Но не будет ли проблем с электриками? Штрафовать они любят.

Если заземление сделано правильно, а измерения показали сопротивление растекания тока не более 4 Ом, формального повода для придирок не возникнет. Устройство заземления дома подробно регламентируется следующими нормативными документами:

• ПТБЭ – Правила техники безопасности при эксплуатации электроустановок потребителей.
• ПУЭ – Правила устройства электроустановок потребителей.
• ПТЭЭ – Правила технической эксплуатации электроустановок потребителей.

Однако ни в одной из этих книжек ни сном, ни духом, ни прямым текстом не сказано, что заземление должна делать специализированная организация. Сделано по правилам, нормам соответствует – защищайтесь на здоровье, претензий быть не может. В настоящей статье описывается, как правильно сделать заземление частного дома и устроить заземление в квартире, если дом не заземлен.

Но! Если заземление сделано специализированной организацией по проекту, проверено и принято энергослужбой, и все-таки случилась авария, вы имеете полное право требовать возмещения ущерба. При самодельном заземлении такая возможность, разумеется, исключается. Можно заказать у энергетиков проект, оплатить приемку готового, получить на руки акт ввода в эксплуатацию. Однако практика показывает, что, если «шарахнуло», судиться с энергетиками бесполезно. А в договоре с коммерческой фирмой возмещение ущерба прописывается. Но и работа выходит очень дорогая.

Защитное и рабочее заземления

Защитное заземление спасает людей от электрошока, а включенную в сеть аппаратуру от выхода из строя при пробое какого-либо электроприбора на корпус. При наличии молниеотвода – также при ударе молнии.

Рабочее заземление при электрическом ЧП выполняет роль защитного, но оно же обеспечивает нормальную работу электрооборудования. Постоянное рабочее заземление применяется только в промышленном оборудовании. Для бытовой техники считается достаточным заземление через евророзетку. Но в реальных условиях кое-что из «бытовухи» полезно все же заземлить наглухо:

1. Стиральную машину. У нее большая собственная электрическая емкость, и во влажном помещении вполне исправная машина, даже включенная в надежно заземленную евророзетку, может безвредно, но ощутимо «щипаться».
2. Микроволновая печь. В ней, как известно, работает источник СВЧ – магнетрон большой мощности. При плохом контакте в розетке микроволновка может «сифонить» на опасном для здоровья уровне. На многих микроволновках сзади можно увидеть винтовую клемму под отдельный заземлитель, причем инструкция об этом стыдливо умалчивает: наличие такой клеммы переводит устройство из разряда бытовой техники в промышленное оборудование. А так – ну, это такой декоративный элемент.
3. Электродуховка и индукционная плита (варочная поверхность). Внутренняя проводка в них работает в тяжелых условиях, мощность же велика, так что высока и вероятность пробоя.
4. Настольный компьютер. Его импульсный блок питания (ИБП) компактности ради устроен так, что нормальную рабочую утечку дает побольше стиралки. От таких плавающих потенциалов на корпусе и производительность снижается, и «глюков» добавляется, и скорость интернета падает. Наглухо заземлить компьютер можно за любой крепежный винт сзади.

У автора этих строк скорость беспроводного интернета после правильного заземления компьютера возросла с 17,8 кбит/с до 310 кбит/с (!).

Части заземления

Заземлители – вбитые или врытые в землю металлические проводники. Не менее полуметра заземлителя должно находиться ниже максимального горизонта промерзания; в местах с плюсовой зимой – ниже горизонта просыхания, т.е. в слое почвы со стабильной влажностью. Чаще всего это обеспечивается при длине заземлителя в 2-3 м. Точные данные о необходимой длине и количестве заземлителей можно получить в местной энергослужбе.

Металлосвязь – сварная металлическая конструкция, соединяющая между собой верхние концы заземлителей и заведенная в дом в виде шины заземления. Вводов шин заземления в доме может быть несколько, но одна непременно должна заземлять вводный щит (ВЩ, или вводно-распределительное устройство – ВРУ). Заземлители с металлосвязью образуют жесткий цельный контур заземления.

Заземляющие проводники соединяют заземлительные клеммы электроустановок с шиной заземления. Они могут быть как голыми жесткими, так и гибкими многожильными в изоляции. В последнем случае их сечение должно быть не менее 4 кв.мм, а расцветка оболочки – желтая с продольной зеленой полосой. Допустим перенос заземляющего проводника с шины на шину заземления.

К шине заземления заземляющие проводники подключаются на специальные контактные площадки: зачищенные до блеска и смазанные консистентной смазкой ее участки с резьбовыми отверстиями не менее М4 под болты. Смазка, помимо защиты от окисления, нужна для предотвращение электрокоррозии (см. след. разд).

Ряд контактных площадок обозначается с одной или с двух сторон, если он на транзитном участке шины, парами косых, под углом 45 градусов, черными полосами. Сплошное окрашивание шины заземления недопустимо, но допустимо ее замоноличивание, кроме контактных рядов, в стену.

Электрическое сопротивление металлосвязи измеряется от ЗАЗЕМЛИТЕЛЬНОЙ КЛЕММЫ электроустановки до наиболее удаленной от нее наземной части контура заземления. То есть, заземляющий проводник электрически считается частью металлосвязи. Сопротивление любой металлосвязи не должно превышать 0,1 Ом.

Зачем несколько заземлителей?

Одним заземлителем нельзя обойтись, потому что земля – проводник нелинейный. Ее сопротивление сильно зависит от приложенного напряжения и площади контакта с заземлителем. У одного заземлителя площадь поверхности слишком мала, чтобы обеспечить надежную защиту. Между двумя заземлителями, разнесенными на 1-2 м, возникает потенциальная поверхность, и эффективная площадь контакта с землей возрастает в сотни раз. Но разносить заземлители слишко далеко нельзя: потенциальная поверхность разорвется, и останется просто два заземлителя. Оптимальное расстояние между заземлителями в рыхлом грунте вне зоны вечной мерзлоты – 1,2 м.

Как нельзя заземлять

Непригодное по ПУЭ заземление

П. 1.7.110 ПУЭ категорически запрещает заземлять электроустановки на любые трубопроводы. «Радиолюбительское» заземление на водяную трубу теперь также недопустимо: любой кусок пластиковой трубы в домовой разводке многократно увеличивает поражающее действие тока пробоя. А что будет, и по закону и по-свойски, если пробой у вас убьет принимающую душ жену соседа, объяснять не нужно.

Также запрещено выводить наружу заземляющие проводники и подключать их к шине заземления на неподготовленные контактные площадки. На рисунке справа – дважды непригодное к использованию заземление.

Дело тут в том, что каждый металл имеет свой электрохимический потенциал. При неизбежном снаружи увлажнении образуется гальваническая пара и начинается электрокоррозия; смазка спасает от нее только в сухом помещении. Коррозионный процесс распространяется под оболочку заземляющего проводника. Хозяин пребывает в полной уверенности, что «его заземление его бережет», но при аварии заземляющий проводник мгновенно отгорает.

Также запрещено заземлять электроустановки последовательно, друг через друга, и подключать более одного заземляющего проводника на одну контактную площадку шины заземления (рис. ниже). В первом случае одна аварийная установка «потянет» за собой другие, и все они будут создавать помехи друг другу; это называется – электромагнитная несовместимость. В обоих случаях работы по устранению аварии связаны с риском для жизни.

Правльное (справа) и неправильное (слева и в центре) подключения к заземлению

О молниеотводах

По ПУЭ объект, снабженный контуром заземления, обязательно должен оборудоваться и молниеотводом. Особенно необходим молниеотвод на даче. Дачные поселки и так места, предпочтительные для ударов молний: ведь дачники, стараясь снабдить себя водой, копают колодцы, забивают скважины на воду, прокладывают водопроводные трубы неглубоко или вообще по поверхности почвы. Дачные же строения большей частью возводятся из горючих материалов, а пожарная охрана далеко, и грозу всегда сопровождает сильный ветер.

Известны случаи, когда целые дачные поселки выгорали от удара молнии. И если на пожарище обнаружится контур заземления, но не найдется остатков молниеотвода, и властям, и соседям виновника долго искать не нужно.

Простейший молниеотвод – две заостренных арматурины, торчащие вверх от концов конька крыши на 1,2–1,5 м. С контуром они соединяются стальной проволокой не менее 6 мм, или стальной же шиной 15х3 мм, или полосой из нескольких слоев оцинковки, набранной до нужного сечения – 45 кв.мм.

Шина молниеовода не должна быть шире 60 мм, иначе при ударе молнии произойдет разбрызгивание плазмы, последствия которого разрушительны. Попросту говоря, слишком широкая шина сработает как своего рода антенна, не отводящая молнию в землю, а распространяющая ее в стороны.

Все детали молниеотвода соединяются только сваркой. Слоеную шину нужно по краям проварить прихватами с шагом 50-60 см с захватом всех слоев.

Заземление частного дома

Контур заземления частного дома может быть выполнен различными способами в зависимости от особенностей строения и свойств грунта. Три наиболее распространенных показаны на рисунке. Во всех случаях заземлители лучше делать из труб со сплющенным в острие концом. На нижнем полуметре трубы насверливают вразброс десяток-полтора отверстий 5-8 мм. Летом, в жару и сушь, в такой заземлитель можно заливать раствор соли (полпачки на ведро воды), чтобы сопротивление растекания держалось в норме.

Также во всех случаях шина заземления такая же, как для молниеотвода. Но использовать для металлосвязи «слойку» из оцинковки нельзя: быстро проржавеет.

Различные виды контуров заземления

Для дачного дома или аналогичного ему жилья, а также в качестве рабочего заземления при наличии защитного зануления строят простейший контур (на рисунке – справа). В постоянно влажном грунте или для рабочего заземления можно обойтись двумя заземлителями; для защитного заземления нужны три, расположенные в ряд или, лучше, треугольником. Размещают заземлители не ближе 1,2 м от края отмостки.

Линейный контур с двумя группами заземлителей (средний рисунок) нужно делать если присутствует хотя бы один из следующих факторов:

• Электроввод – подземный через ВЩ.
• В дом заведены коммуникации: вода, канализация, газ, связь, в любом сочетании или хотя бы одна из них.
• Долговременно (свыше 20 мин.) потребляемая мощность превышает 1 кВт.

И, наконец, полный контур заземления (левый рисунок) необходим при наличии любого из следующего:

• Электроввод – 220/380 В через ВРУ или ЩВС (щит вводный силовой).
• Общая площадь помещения – свыше 100 кв. м.
• Долговременно потребляемая мощность – свыше 3 кВт.
• Наличие стационарных электроустановок промышленного типа (с клеммой заземления; напр. – сверлильный станок, циркулярка и т.п.).
• Наличие ДГУ резервного электропитания.

Измерение заземления

Сделали вы себе контур, и вам, разумеется, хочется убедиться, надежно ли он вас защитит. Для этого нужно измерить сопротивление растекания тока в почве и сопротивление металлосвязи. Профессионалы для этого пользуются специальными приборами, как старыми советскими ПКП-3, так и современными электронными.

Вам же измерить заземление бытовым тестером нельзя: данные будут достоверными при подаче измерительного напряжения в 600 В. Вспомним: земля – нелинейный проводник. Поэтому одолжите или возьмите напрокат электронный измеритель заземлений или старый, но надежный электроиндукционный ручной мегомметр – меггер. Меггеры до сих пор в употреблении: в них нет никакой электроники, они не требуют элктропитания, нечувствительны к наводкам в измерительных проводах и не создают шумов в измеряемой цепи. Правда, металлосвязь меггером не промеряешь, но у сварного контура и правильно подключенных заземляющих проводниках она десятилетиями держится в норме.

Сопротивление же растекания меггером, включенным на омы, измеряют по схеме на рисунке. Расстояние пары измерительных электродов (они справа) до угла или края металлосвязи – 12-15 м. Электроды должны быть голыми и зачищенными до блеска; металл – любой. Электроды погружают в грунт на 0,6-1 м на расстоянии 1,2-1,5 м друг от друга.

Измерение сопротивления растекания заземления меггером

Полярность подключения меггера нужно соблюдать: защитное заземление должно выдерживать удар молнии. Обычные молнии – отрицательные, т.е. представляют собой поток электронов. Отмечены единичные случаи положительных молний: из земли прямо в небо бьет толстенный столб огня. Но разрушительная сила такой природной катастрофы примерно равна взрыву тактического ядерного заряда, только без проникающей радиации и радиоактивного загрязнения местности, так что заземление от положительной молнии не спасает.

Собственно же процедура измерения элементарна: крутят ручку меггера и смотрят, сколько показала стрелка на шкале.

Предупреждение: использовать для измерения заземления сетевое напряжение, гасящий резистор и миллиамперметр смертельно опасно!

Видео: пример монтажа комплекта заземления

Квартирное заземление

В СССР и РФ до 1997 г. электроснабжение многоквартирных домов осуществлялось по схеме с глухозаземленной нейтралью (схема TN–C). В этой схеме домовый проводник защитного заземления (PE) совмещен в нейтралью трехфазного ввода (N). Эта схема дает большую экономию металла, и в огромном СССР, при необходимости интенсивного жилищного строительства и жестком централизованном управлении энергослужбами, во времена слабой насыщенности жилья электроприборами была вполне оправдана. Но у нее есть два существенных недостатка, «во всей красе» проявивших себя в рыночном обществе века электроники:

1. Схема TN–C мало пригодна в качестве рабочего заземления: ток в нейтрали – сам по себе электропомеха.
2. В случае отгорания нуля на подстанции происходит тяжелая авария: в розетках дома оказывается фазное напряжение 380 В; электроприборы взрываются и возгораются; в доме возникает пожар. На металлических же корпусах электроустановок появляется линейное напряжение 220 В; отсюда – массовый электротравматизм со смертельными случаями.

Энергетики, нужно отдать им должное, прекрасно, как профессионалы, понимая ситуацию, даже во время ельцинской «демократии» насколько могли, ноль держали. Ныне энергоснабжающие предприятия в достаточной степени обеспечены финансами на зарплату специалистам и материалы для ремонта. Случаев отгорания нуля не отмечено уже несколько лет.

Но проблема электромагнитной совместимости из-за отсутствия рабочего заземления остается. Поэтому с 1997 г. новыми СНиП и ПУЭ предусматривается запитка многоквартирных домов по схеме TN–C–S. При этом каждый дом снабжается контуром заземления, а защитный проводник PE разводится по квартирным евророзеткам.

Как узнать, есть ли заземление в доме? Для этого нужно открыть домовый ЩВС. Этого на полном законном основании может потребовать любой владелец приватизированной квартиры, но открывать должен ДЭЗовский электрик; вы можете только смотреть в его присутствии. Даже если у вас группа допуска к электроустановкам IV или V, дающая право единоличного их осмотра.

Осмотра достаточно: если от подстанции приходят пять жил кабеля, у вас система TN–C–S, и вам эта статья вообще не нужна. Если же жил четыре – у вас TN–C, и нужно думать, как заземлиться.

Скажем сразу: сделать контур заземления для многоэтажки своими силами нереально: нужно разрешение ДЭЗа, нужен утвержденный проект, нужен большой объем земляных работ с применением спецтехники на придомовой территории (а если там детская площадка?) Если вопрос решается поквартирно, то единственный выход: защитное зануление и УЗО.

Защитное зануление

В качестве рабочего заземления защитное зануление пригодно лишь для стиральной машины. Микроволновка от него только больше «засифонит», а компьютер – заглючит. Но при нуле, соответствующем ПТБ и ПУЭ, защиту оно даст надежную.

Устройство защитного зануления сводится к подведению заземляющего проводника от этажного щитка к заземляющим контактам евророзеток. Самому заниматься этим нет смысла: за такую работу охотно и за небольшую плату берутся ДЭЗовские или РЭСовские электрики (РЭС – район электросетей; районное энергоснабжающее предприятие). Но если ноль (нейтраль) слабоват, нужно еще и ставить УЗО.

Как узнать, хороша ли у вас нейтраль? Верный признак плохого нуля – бессистемные колебания напряжения в сети при стабильной погоде. Или внезапное повышение напряжения сети вечером, при максимальной нагрузке. Если это наблюдается сразу во всем доме – ноль плохой, и нужны УЗО.

УЗО

УЗО – устройство защитного отключения. Они бывают трехфазными и однофазными, а по принципу работы – дифференциальными реле (дифреле) и электронными заземлениями.

Дифреле измеряет токи в фазе и нуле. Если утечки нет, то токи равны. Если ток в фазном проводе больше, чем в нейтрали – где-то «течет», и срабатывает аварийный контактор. Выключившее электричество дифреле обесточивает и себя, так что по устранении причины утечки его нужно включать вручную.

Дифреле выполняются либо в виде настенной розетки, либо в виде блочка, размещаемого рядом со встроенной розеткой или распределительной коробкой («дозой») возле счетчика, сразу на всю квартиру, либо в виде включаемой в розетку коробочки, в которую, в свою очередь, включается электроприбор. Первые и последние удобны, но менее надежны: в них размыкатель тиристорный, а не электромеханический.

Электронное заземление, грубо говоря, имитирует электромонтера с индикатором. Чувствительность современной электроники на порядки выше, чем у неонки, и для создания рабочей электроемкости достаточно собственной емкости монтажа. Электронные заземления монтируются непосредственно на корпусе электроустановки.

Однако все УЗО имеют два недостатка:

• УЗО совершенно непригодны в качестве рабочего заземления: они или не устранят помеху, или будут упрямо выключать и выключать совершенно исправный прибор.
• УЗО защищают только от пробоя на корпус. При отгорании нуля, когда защита более всего нужна, УЗО сами сгорают быстрее, чем успевают что-либо отключить.

Как все-таки заземлить квартиру

Но как же все-таки сделать заземление в квартире? К счастью, обрыв нуля случается не чаще, чем удар молнии. Поэтому для домов, запитанных по схеме TN–C можно рекомендовать следующий порядок заземления:

1. Для стиральной машины оборудовать евророзетку с защитным занулением. Это обойдется намного дешевле, чем разводить защитный проводник по всей квартире.
2. Дорогие устройства запитать через УЗО-дифреле. Для лампочек в нем смысла нет: сгоревшую заменить дешевле.

А затем приступить к радикальным мерам: собраться всем миром, то бишь всем домом, избрать надежного доверенного человека – владельца приватизированной квартиры, и поручить ему выяснить, во что обойдется устройство контура заземления специализированной фирмой, и смогут ли они сделать контур для вашего дома. Если по ПУЭ контур возможен, а расходы в расчете на квартиру окажутся посильными – пусть общественный ходатай, не заходя в ДЭЗ, заключает с ними договор, а все оргвопросы те уж сами уладят – это их хлеб, так что процедура отработана.

Напоследок

Электроснабжение TN–C и дома без контура заземления – не самое легкое из наследий развитого социализма. Но вспомним законы Мэрфи, среди них есть и положительные. Один их них такой: «Из всякого безвыходного положения существует по крайней мере два выхода».

Содержание

1. Немного о точечном освещении
2. Что необходимо для установки
3. Порядок монтажа
4. Планирование
5. Распределение проводов
6. Формирование отверстий под светильники
7. Подключение
8. Закрепление
9. Видео: монтаж точечного светильника в потолок
> Обсуждение

Обеспечить равномерное освещение комнаты и всех предметов и мебели, которая в ней находится, можно только с помощью распределенного источника света. С этим вряд ли справится даже самое изощренное бра, устанавливаемое в центре потолка. Ведь свет будет исходить из одного места, и в результате будут появляться тени. Для решения этой проблемы используются так называемые споты – точечные светильники маленького размера и мощности, которые равномерно распределяют по поверхности потолка. Они предназначены для монтирования исключительно системы подвесных потолков. Достаточно легко выполняется монтаж точечных светильников в потолок своими руками. Важно еще на этапе проектирования подвесного потолка озаботиться о конфигурации системы освещения.

Немного о точечном освещении

По своей конструкции точечные светильники, которые укрепляются вровень подвесному потолку, имеют лишь 30 градусов сектор освещения. Зато благодаря своей компактности, их можно монтировать достаточно плотно по всему потолку. Для обеспечения надлежащей освещенности расстояние между рядами не должно превышать 1 метра, расстояние от светильника крайнего ряда до стены не – более 60 см. Цифры приведены для помещений с потолком высотой 2,5 метра. Учитывается требование, чтобы пересечение конусов освещенности от каждого спота было расположено на высоте, превышающей основную массу предметов в комнате.

Монтировать точечное освещение можно на подвесные потолки любого типа. Установка точечных светильников в гипсокартон является наиболее простым и надежным вариантом, однако процесс монтажа никак не отличается и в случае с обшивкой потолка пластиковыми, алюминиевыми полосами или МДФ, за несколькими оговорками.

Только установка светильников в натяжной потолок должна производиться мастерами и установщиками. Это связано с технологическими особенностями материала и тем, что необходимо с использованием специального оборудования произвести закрепление плотных вставок из термостойкого пластика в местах установки светильников. Эти вставки также препятствуют растяжению материала. Во всех остальных случаях монтаж можно произвести самостоятельно.

Что необходимо для установки

Из материала понадобятся следующие элементы:

1. точечные светильники;
2. лампы;
3. провод питающий;
4. клемники или гильзы для соединения проводов;
5. изоляционная термоусадка, изолента;
6. выключатель.

устройство стандартного потолочного спота

Желательно подбирать светильники одного типа для каждого типа освещения. Соответственно к типу конструкции закупаются сами лампы необходимого количества. Важно строго проверять наличие светоотражающего слоя по конусу в основании цоколя для ламп накаливания и технические характеристики в соответствии с требованиями к светильнику. Для подвесных потолков используются лампы 40 Вт, более мощные будут значительно нагревать материал подвесного потолка и могут привести к порче конструкции или даже пожару. Галогеновые и светодиодные варианты осветительных элементов подбираются по мощности и спектру выдаваемого света.

Провод подбирается в зависимости от материала, из которого выполнен подвесной потолок. Так для гипсокартона, который является огнеупорным материалом, подойдет обычный двухжильный или трехжильный провод ВВГ-2(3)х1,5. Для таких материалов, как МДФ или пластик, необходимо подобрать пожаробезопасный вариант провода РКГМ. Провод должен быть мягким, то есть каждая жила представлена множеством мелких жилок, объединенных под одной изоляцией.

Для соединения проводов и подключения к ним светильников можно использовать специальные клемники, которые продаются в любом хозяйственном магазине. Однако болтовое соединение является обслуживаемым. Потребуется как минимум два раза в год проверять затяжку прижимных болтов. В ином случае в месте контакта клемники и провода могут начать нагреваться и обугливаться. Более надежным и долговечным вариантом является фиксация с помощью медных или меднолуженных гильз.

Предохранить места соединения необходимо с помощью изоленты или же используя специальную термоусадочную трубку для изоляции питающих проводов.

Порядок монтажа

Весь процесс монтажа светильников в потолок можно разделить на следующие этапы:

• планирование освещения;
• разводка проводки до места установки светильников;
• формирование отверстий под них;
• подключение;
• закрепление и проверка.

Зачем столь простая задача разбита на несколько этапов? Это связано с тем, что каждый пункт лучше всего выполнять на определенном этапе формирования самого потолка.

Планирование

Очень важно заблаговременно еще до обшивки потолка определиться с тем, как разместить светильники на потолке. Особенно это касается случаев, когда навесной потолок формируется с несколькими уровнями. Каждый уровень следует выделить в отдельный контур освещения, и соответственно распределять источники света, отталкиваясь от независимого использования этих контуров. Не забывайте, что расстояние между светильниками должно соблюдаться в пределах метра друг от друга, удаление от стен – на 60 см. Важно распределить светильники так, чтобы место их установки не приходилось на установленные элементы каркаса. То есть отверстия для них должны отстоять на расстоянии 25-30 мм от края отверстия под светильник до ближайшего элемента каркаса. В противном случае профиль каркаса может помешать закрепить светильник с помощью его защелки.

При распределении точечных светильников необходимо также учесть наличие и расположение на потолке и стенах люстр, бра и прочих декоративных элементов. При одновременном использовании можно отвести точечные светильники в стороны. Или же разделить контуры освещения точечными светильниками зон возле прочих источников света и остальной частью комнаты на отдельные выключатели.

Распределение проводов

Лучше всего на стадии формирования каркаса подвесного потолка распределить провода и закрепить их на каркасе заблаговременно так, чтобы при просверливании отверстий под светильники можно было достать петли провода и выполнить подключение. В крайнем случае, выполняется подвод провода к первому из них, а для всех последующих провода продеваются уже от отверстия к отверстию. Недостатком последнего варианта становиться невозможность закрепить провода на каркасе, и они просто будут лежать на поверхности материала подвесного потолка.

При нормально заблаговременном распределении провода достаточно двух- или трехжильный кабель проложить оптимальным маршрутом по всем местам установки светильников, оставляя в каждой точке петлю размером 10-15 см загнутого провода. Закрепление на каркасе следует произвести с помощью пластиковых стяжек, только не плотно и с небольшим провисанием провода, без натяжки. Это предотвратит порчу провода при термальном изменении его длины.

После этого можно приступить к обшивке подвесного потолка.

Формирование отверстий под светильники

Окончательно определиться с позицией светильников можно только после того, как потолок полностью обшит. При проектировании уже был учтен момент размещения спотов на расстоянии от элементов каркаса. Теперь же следует также учесть и пролегание швов между элементами подвесного потолка, это особенно важно при установке светильников в подвесной потолок обшитый пластиком или алюминием. Если размещение светильника приходится на стык элементов потолка, то его следует перенести на середину одной из полос.

Отверстия просверливаются с помощью специальной коронки по дереву, которой высверливаются и углубления под коробки для розеток. В этом случае получаются идеально ровные отверстия, такой вариант позволяет эффективно закрепить светильник в гипсокартоне. Диаметр отверстий должно быть подобран в соответствии с размерами используемых приборов. Он должен быть меньшим на 3-4 мм внешнего диаметра лицевой части светильника, но больше, чем габариты внутренней его части. Чаще всего выбирается размер 60 или 75 мм.

Важно: Помните, что раз просверлив отверстие, его невозможно перенести, так что лишний раз удостоверьтесь в верности его расположения.

Типичная схема подключения потолочных светильников

Подключение

После того как все отверстия высверлены, достаются наружу петли ранее проложенного провода. Или же прокладываются от отверстия к отверстию по два провода, начиная от крайнего, к которому подведен питающий провод.

Важно: Все работы по подключению проводятся только при обесточивании подходящего провода.

Петли на проложенном проводе разрезаются по изгибу и оголяются. Для подключения каждого светильника используются два небольших проводка длиной 10-12 см. Оголив по 10-15 мм провод с каждой стороны, короткие провода (поводки) одним концом зажимаются в соответствующей клемме на светильнике, а второй край проводка скручивается с питающим кабелем. Соблюдается подключение с помощью маркировки на светильнике: L– фаза, N – нуль, PE– заземление.

Закрепление

У большинства встраиваемых спотов предусмотрено крепление в виде двух скоб по бокам. Их необходимо отогнуть вверх до упора и в таком положении вставить в отверстие в потолке. Обратите внимание, чтобы провода питающие светильник не попали под зацепы. После вставки светильника зацепы самостоятельно прижимают его к потолку и надежно удерживают его там. После того как все элементы установлены можно подключать основной питающий провод к выключателю и распределительной коробке или к понижающему блоку питания, если используются низковольтные светодиодные светильники. На этом работы заканчиваются. Можно проверять работу освещения.

Видео: монтаж точечного светильника в потолок

Содержание

1. Как вообще подвешивают люстры
2. Индикатор фазы и фазировка проводов
3. Поиск проводки
4. Монтаж люстры на штатных креплениях
5. Прозвонка люстры
6. «Особенные» люстры
7. Нештатные ситуации
8. Как снимают люстры
9. Видео: инструкция по подключению люстры
> Обсуждение

Как повесить люстру к потолку своими руками? Казалось бы, что за вопрос. Сдвинуть вниз верхний колпак люстры, повесить ее на крюк, подключить провода, надвинуть колпак – вот и все. Но даже в таком, самом простейшем случае, могут возникнуть сложности. Какие? Давайте разберемся.

Как вообще подвешивают люстры

Есть четыре способа подвески люстр:

• Потолочный крюк – самый старый и самый надежный. Требует прочного потолка и специального крепления в нем.
• Стандартная монтажная планка (кронштейн) – за счет распределения нагрузки на несколько точек крепления при небольшом весе люстры достаточно надежна при креплении дюбель-гвоздями в пластиковые гильзы.
• Крестовая монтажная планка работает аналогично прямой монтажной, но имеет больше точек крепления. Применяется для люстр-плафонов, прилегающих к потолку.
• Двутавровая монтажная платформа предназначена для крепления в несколько точек тяжелых люстр.

Все эти способы крепления не позволяют подтянуть люстру вплотную к потолку в низких помещениях. Монтажные планки изогнуты, чтобы обеспечить выход проводов. Далее в настоящей статье будет описана доработка монтажной планки, позволяющая прижать люстру вплотную к потолку.

Монтаж штатных креплений люстр несложен: саморезами в обоймах-гильзах. Диаметр саморезов можно определить по крепежным отверстиям в монтажной пластине; длина самореза – 40-60 мм. Для низких потолков предпочтительно использовать люстры-плафоны, без стержня.

Гораздо более внимания следует уделить технике безопасности при монтаже люстр: при работе на возвышении даже легкий электрошок чреват падением и серьезными травмами. Также будут рассмотрены разного рода нестандартные ситуации, связанные с подвеской и монтажом люстр: подвесной потолок с люстрой, как повесить люстру на гипсокартон.

Индикатор фазы и фазировка проводов

Прежде всего нужно проверить фазировку проводов для люстры. Нулевой провод (нейтраль) – общий, а фазные провода через выключатель подключаются к секциям ламп.

Фазу/ноль проводки определяют специальным прибором – индикатором фазы. Его можно приобрести в любом магазине электротоваров. Стоит индикатор недорого. Индикаторы фазы бывают с неоновой лампочкой и гасящим резистором и электронные.

По виду индикатор похож на отвертку. При пользовании им приборчик слегка зажимают между указательным и средним пальцами правой руки в предназначенном для этого месте; оно либо выделено цветом, либо имеет насечку и отделено от жала предохранительной манжеткой. КАСАТЬСЯ ПРИ РАБОТЕ ЖАЛА ИНДИКАТОРА ОПАСНО ДЛЯ ЖИЗНИ!

При проверке фазировки большим пальцем касаются специальной металлической клеммы на торце рукоятки прибора, или кнопки в электронном индикаторе, а жалом индикатора касаются проверяемого провода. Если он фазный – лампочка вспыхивает или на дисплее появляется соответствующий символ. ПРИДЕРЖИВАТЬ ПРОВОД ДРУГОЙ РУКОЙ НЕЛЬЗЯ ДАЖЕ ЗА ИЗОЛЯЦИЮ! Индикатором работают ТОЛЬКО ОДНОЙ – ПРАВОЙ – РУКОЙ!

Перед проверкой выворачивают/выключают ОБЕ пробки. Затем оголяют концы торчащих из потолка проводов для люстры, разводят концы в стороны, пробки включают, и включают выключатель. На резиновый коврик ставят табуретку, и с нее, правой рукой, индикатором находят фазный провод или два фазных провода, если выключатель люстры двойной. Затем выключают выключатель, не трогая пробки, и опять проверяют фазировку. Теперь индикатор не должен светиться при прикосновении к любому из проводов.

Если же фаза где-то осталась, выключатель нужно переключить в разрыв фазы, а нулевой провод, если выключатель однополярный, пустить напрямую. Работа эта несложная, и ковырять стену не требуется. Но, если вы не электрик, то для нее нужно пригласить специалиста. Никакие шутки с электричеством даром не проходят.

Поиск проводки

Прежде чем сверлить в потолке отверстия под крепеж, нужно определить, где лежит проводка, чтобы при сверлении не перебить ее. Для надежности поиск проводки нужно делать под нагрузкой, т.е. под током. Дают нагрузку на проводку следующим образом:

1. Выключают пробки и выключатель люстры.
2. Торчащие из потолка провода временно наращивают до пола; стыки изолируют изолентой.
3. Вместо секций люстры тоже временно подключают патроны под лампы накаливания.
4. Вворачивают в патроны лампочки не менее чем на 60 Вт, а лучше – на 100-150 Вт.
5. Включают пробки и выключатель; можно приступать к поиску проводки.

Поиск проводки лучше всего вести электронным индикатором; индикатор с неонкой работает только в непосредственном контакте с токоведущими частями. Есть специальные приборы – искатели проводки, но стоят они дороже, а точность – не более двух толщин штукатурки. Если проводка еще и упрятана в штробы, то погрешность окажется порядка 5 см, что недостаточно. Индикатор же при любой глубине залегания дает точность в 1-2 см.

Индикатор ведут, положив палец на кнопку, по потолку перпендикулярно предполагаемому направлению проводки. Когда на дисплее появляется значок фазы, делают отметку карандашом и ведут дальше. При пропадании значка делают вторую отметку.

Затем это же место проходят в обратном направлении; получится две пары отметок. Посередине между внутренними и лежит проводка. Далее сдвигаются на 15-20 см по ходу проводки и поиск повторяют до конца рабочей зоны.

Монтаж люстры на штатных креплениях

Монтаж люстры на штатных креплениях сводится к разводке питающих проводов по секциям лампочек. При проверке фазировки проводки нулевой провод нужно сразу же как-то отметить, хотя бы отогнув его вплотную к потолку жалом индикатора. Затем выворачивают/выключают пробки и заводят в люстру провода.

В современных электроприборах нулевой провод всегда желтый с продольной зеленой полосой, а все провода заранее заведены в соединитель – клеммник. Нулевой провод проводки и подключают первым: вводят его в нулевую клемму и затягивают винт. Затем подключают фазные провода. Надвигают до места колпак – работа окончена.

А если проводка в комнате из двух проводов? Или люстра дедушкина, или антикварная, и там не видно, где фаза, а где ноль?

В первом случае к фазному проводу (ПРОБКИ – ВЫКЛЮЧЕНЫ!) добавляют небольшой отрезок такого же по сечению провода (см. рис.) и обе секции лампочек включают на одну фазу. Вся люстра будет включаться одним выключателем.

Прозвонка люстры

Если провода в люстре не маркированы, да еще и клеммника нет, то люстру нужно прозвонить. Делается это обычным тестером. ПРОЗВАНИВАТЬ ЛЮСТРУ ЛАМПОЧКОЙ-КОНТРОЛЬКОЙ ОТ СЕТИ 220 В ОПАСНО ДЛЯ ЖИЗНИ!

Для прозвонки во все патроны люстры вворачиваем ОДИНАКОВЫЕ, т.е. одной мощности и марки, лампы накаливания; лучше маломощные, на 15-25 Вт. Лампочки-экономки не годятся, с ними прозвонка ничего не даст.

Схема люстры дана на рисунке. Из нее человеку, знакомому с электротехникой или хотя бы не забывшему школьный закон Ома, видно, что, если сопротивление одной лампочки равно R, то между нулем и ФI будет R; между нулем и ФII – 0,5R, а между фазами – 1,5R. Чтобы вызвонить попарно три провода, нужно шесть измерений.

«Особенные» люстры

В последнее время в продаже появились люстры, снабженные пультом ДУ для регулировки освещенности, вентилятором, ионизатором воздуха или даже кондиционером (точнее, его испарительным блоком). При покупке таких изделий нужно соблюдать следующие правила:

• Сразу посмотрите, как она подключается. Если кроме обычного клеммника под бытовую проводку там торчат какие-то непонятные концы, потребуйте инструкцию и прочитайте.
• Если по инструкции не ясно, как подвесить самому такую люстру, спросите, входит ли в стоимость изделия его установка, и каковы гарантии продавца.
• Вдруг торговая точка работает по принципу «продал и забыл», лучше поискать то же самое в другом месте.

Люстры с дополнительными функциями – изделия достаточно специфические; фирм или мастеров, занимающихся их установкой, мало, а стоят «особенные» люстры недешево.

Нештатные ситуации

А как правильно повесить люстру на потолок, если штатного крепления нет, или его невозможно использовать? Для этого придется запастись инструментом для работы по бетону, камню, дереву, гипсокартону, и поработать.

Низкий потолок

Штатный вариант – люстра-плафон и крепление крестовой планкой. А что делать, если помещение низкое, а ставить плафон все же не хочется? В таком случае можно выгадать 10-15 см, повесив люстру со стержнем на потолок без крюка.

Для этого штатную монтажную планку выпрямляют, обрезают так, чтобы она скрывалась под колпаком, и сверлят в ней новые отверстия под саморезы. Далее люстру необходимо немного доработать:

1. С люстры снимают плафоны и, по возможности, все хрупкие детали. Лучше, если конструкция позволяет, снять сразу стержень.
2. Провода люстры вынимают из клеммника.
3. В стержне, сразу за резьбой, сверлят в ряд вдоль стержня, три отверстия 4-5 мм. Нужно только проследить, чтобы все они потом оказались под колпаком.
4. В отверстия снятого стержня пропускают леску, три куска. Их концы прикрепляют к концам проводов люстры и туго обматывают узким скотчем.
5. Ставят на место стержень, аккуратно надвигая на провода и подтягивая куски лески, пока концы проводов не выйдут из отверстий. Если какой-то зацепился, его подправляют проволочным крючком или пинцетом.
6. Если стержень несъемный, то куски лески вводят в отверстия поочередно, начиная с нижнего, и так же выводят в них провода.
7. Провода вновь вводят в клеммник.

Цель такой доработки: вывести провода сбоку, чтобы они не оказались прижаты к потолку и передавлены краем стержня. Внимание: если стержень несъемный или фигурный, колпак должен оставаться на нем. Иначе он потом не оденется из-за торчащих вбок проводов.

Далее на стержень между двумя штатными гайками устанавливают монтажную планку, и прикрепляют люстру саморезами к потолку. Скорее всего, гайки не понадобятся: в большинстве люстр планка крепится к стержню развальцовкой.

Подключают провода. Может оказаться, что клеммник теперь не помещается в колпаке – ничего страшного, его вовсе убирают, а провода соединяют пайкой; стыки изолируют изолентой. Соединять провода скруткой не рекомендуется: будут потом проблемы с мигающей люстрой.

Теперь монтируем люстру к потолку на саморезах. Саморезы в гильзы натуго не заворачиваем, иначе люстра станет косо.

Вариант для слабых, но плотных потолков: из ламината, МДФ, фанеры. Вместо монтажной планки делаем круг диаметром на 5 мм меньше внутреннего диаметра колпака. В центре – отверстие под стержень; по кругу – 4-6 отверстий под саморезы. Еще нужно будет сделать отверстие для проводов.

Если нужен крюк

Крепление люстры к бетонному потолку на планке или двутавре вопросов не вызывает. А если понравившаяся люстра – под крюк, а дома его нет? Немного работы – и очень надежный крюк можно поставить самому:

• Если используется крюк-винт, то в потолке сверлим отверстие диаметром на 10 мм больше диаметра винта, а глубиной – по длине резьбы + 10 мм.
• Резьбу крюка смазываем тонким слоем консистентной (густой) смазки.
• На резьбу винта туго накручиваем две медные проволочки диаметром 0,8 – 1,2 мм. В начале и в конце резьбы оставляем усы по 10 мм и разводим их на 90 градусов. При взгляде от конца винта усы должны расходиться в четыре стороны перпендикулярно.
• Отверстие внутри обрызгиваем из пульверизатора, или палочкой засовываем в него обильно смоченную тряпочку, держим 1-2 мин и вынимаем.
• Готовим 50-100 г алебастрового или гипсового раствора; это удобно делать с одноразовом пластиковом стаканчике. При замешивании с водой раствор нагревается. Замешиваем до сметанообразной консистенции.
• С помощью палочки (не шпателя) как можно быстрее (алебастр и гипс застывают быстро) набиваем раствор в отверстие до заполнения.
• Так же быстро, в еще жидкий раствор, заталкиваем крюк с намотанной на резьбу проволокой; усы проволоки при этом загнутся.
• Снимаем выдавившийся раствор и ждем его застывания в отверстии. Раствор должен не просто застыть, но и остыть до комнатной температуры. Для этого нужно не менее 2-х часов, но лучше подождать сутки. Теперь люстру можно вешать.

Если крюк с опорной площадкой под крепление саморезами, гнезда для них делаем так же, но проволоку берем потоньше – 0,4-0,6 мм. И придется для каждого гнезда замешивать отдельную порцию раствора – он очень быстро застывает до кашеобразного состояния.

Такие гнезда служат столетиями, не рассыхаясь, как пластик. При заворачивании/выворачивании крюка 2-3 раза гнездо не разбалтывается. При необходимости оно легко очищается от заполнения узкой стамеской и переделывается. Гипсово-алебастровое гнездо при ремонте можно заштукатурить, а затем проковырять в штукатурке отверстие под крюк.

Люстра в натяжном потолке

Установка люстры на натяжной потолок – самый сложный случай. Прежде всего: люстра с лампами накаливания и натяжной потолок несовместимы. Даже от трехрожковой люстры с лампами по 40 Вт через месяц на потолке появятся пятна, а в течение 3 месяцев он начнет расползаться. Лампочки-экономки в утопленных в потолок люстрах быстро перегорают из-за плохого теплообмена; тут единственный вариант – светодиодные лампы.

Затем, установка люстры в уже существующий натяжной потолок невозможна: его придется убрать и натянуть новый. Пытаться прорезать отверстия в уже натянутом потолке бесполезно – пленка или ткань тут же расползутся.

И наконец, прежде чем вызывать мастеров-потолочников, нужно подготовить крепление для люстры. Штатное крепление люстры не рассчитано на установку в натяжные потолки, поэтому, если люстра вешается на крюк, он должен быть установлен в потолке заранее.

Для крепления на планки или двутавр на базовый потолок нужно прикрепить подушку из водостойкой фанеры БС или МДФ, толщиной не менее 16 мм, на кронштейнах, как показано на рисунке. Деревянная или из обычной фанеры подушка в межпотолочном пространстве скоро рассохнется, и кончится это аварией.

По установленной подушке потолочники снимут размеры и сделают в полотнище отверстия, обрамленные люверсами. Через них люстра будет длинными крепежами крепиться к подушке, с зазором на «игру» потолка. Широкие отверстия дополнительно подкрепляются опорами-«пауками», но это предмет отдельного разговора.

Если же предполагается утопить люстру в натяжной потолок, то она во время обмера должна висеть на месте. Но все же люстра в натяжном потолке – не лучший вариант по расходам. Только вследствие неравномерного распределения нагрузки из-за наличия отверстий такой потолок скорее провиснет и потеряет вид, чем цельный.

Люстра на гипсокартонном потолке

Прикрепить люстру к потолку из гипсокартона тоже не просто, но все же легче, чем в комнате в натяжным потолком. Здесь возможны три случая:

• Люстра весит до 3 кг и крепится на крюк. В таком случае нужен специальный крюк-бабочка. Он состоит из пластиковой обоймы особой конструкции и винтового крючка. Под обойму бабочки сверлят в гипсокартоне отверстие, на один-два оборота ввинчивают крюк в обойму. Затем обойму вставляют до упора в отверстие и доворачивают крюк до отказа. Внутренняя часть бабочки разворачивается в лепестки, которые и фиксируют крюк.
• Люстра – до 7 кг весом. В таком случае допустимо только крепление на планках (консольное). Для каждой точки крепления используется дюбель-бабочка; попросту – моль. По конструкции он похож на обойму крюка-бабочки, и при заворачивании в него самореза точно так же раскрывается в стороны внутри межпотолочного пространства.
• Тяжелая люстра. Для ее подвески на крюк понадобится одна цанговая шпилька не менее 12 мм диаметром; для монтажа на планке – не менее двух по 8-10 мм. Для установки цанговой шпильки в базовом потолке через гипсокартон сверлят отверстия по диаметру гильзы шпильки и глубиной в ее длину. Шпильку немного вворачивают в гильзу, через отверстие в гипсокартоне вставляют в базовый потолок до упора, и опять же до упора вворачивают шпильку. Цанга расходится и расклинивается в базовом потолке, а снаружи остается резьбовый конец, на который можно навернуть крюк с резьбовым гнездом, или несколько концов – на них можно посадить подушку под кронштейн люстры.

Примечание: подвеска люстры на крюк через гипсокартон ненадежна – цанга держится в потолке на трении. Поэтому для подвески к гипсокартонному потолку лучше выбирать люстры с консольным креплением.

Как снимают люстры

А как снять люстру с потолка, если нужно? Все описанные способы крепления допускают демонтаж в порядке, обратном установке.

На первом месте, опять же, техника безопасности: выключаем выключатель, выключаем или вывинчиваем пробки. Затем с люстры снимаем все хрупкие части: хрустальные подвески и т.п. Далее отключаем провода, изолируем их оголенные концы, и только после этого приступаем к разборке крепления.

При натяжном натяжном или гипсокартонном потолке снимаем только собственно люстру. Подушки, бабочки, цанги и прочие вспомогательные детали не трогаем. Особенно это касается цанг и бабочек: это детали одноразовые, на повторный монтаж они не рассчитаны.

Видео: инструкция по подключению люстры

Содержание

1. Способы установки электрического теплого пола
2. Что потребуется для работ?
3. Распределение нагревательных элементов и узлов управления
4. Расчет материалов
5. Подготовка поверхности. Особенности утепления основы
6. Процесс монтажа
7. Видео: укладка простого кабельного теплого пола
8. Видео: укладка кабельного пола с армирующей сеткой
9. Видео: укладка пленочного (инфракрасного) теплого пола
> Обсуждение

Использование электрического теплого пола актуально в ванных комнатах для быстрого подогрева керамической плитки, обогрева лоджии, веранды или собственной бани. Кроме этого такое решение отлично подходит в качестве дополнения к основному радиаторному отоплению.

Электрические полы вполне возможно использовать в квартирах, где нет возможности установить более эффективное водяное отопление. Простота установки и доступные в продаже варианты позволяют легко смонтировать электрический теплый пол своими руками.

Если перед Вами еще стоит вопрос выбора вида теплого пола читайте о его критериях здесь.

Способы установки электрического теплого пола

Варианты установок электрических теплых полов могут существенно отличатся:

1. Монтирование в слой стяжки, после чего укладывается напольное покрытие;
2. Укладка теплого пола поверх стяжки под плитку;
3. Укладка непосредственно под напольное покрытие (пленочные полы).

Первый вариант подходит для обогрева в жилых комнатах, в ванной, в кухне, на лоджии. При этом подразумевается установка кабельных теплых полов. Под саму систему укладывается гидроизоляция и слой утеплителя. Сверху формируется небольшой слой стяжки.

Если этажом ниже находится утепленное помещение, то можно укладывать электрический теплый пол под плитку без дополнительного слоя теплоизоляции и монтирования в стяжку. Слой плиточного клея и сама плитка достаточно защищают нагревательные элементы. Однако следует уточнить в инструкции приобретаемого изделия о возможности такой укладки.

Если необходимо установить теплый пол под ламинат или линолеум, и нет желания проводить капитальные работы, связанные с заменой стяжки, то лучший теплый электрический пол для этого – пленочный (инфракрасный). При этом укладывается слой утеплителя в виде вспененного полиэтилена с фольгированной поверхностью поверх имеющейся стяжки. Далее – электроэлементы. При необходимости добавляется слой гидроизоляции и непосредственно напольное покрытие.

Виды электрических теплых полов:
1 – Кабельный; 2 – Кабельный с армирующей сеткой; 3 – Пленочный (инфракрасный).

Важно: Использовать пленочный теплый пол под плитку нельзя, как и монтировать его в стяжку.

Что потребуется для работ?

Итак, для укладки электрического пола потребуются следующие элементы и материалы:

1. Система теплых полов (нагревательный кабель, отдельно или в сочетании с укрепленной сеткой);
2. Соединительные провода;
3. Крепления;
4. Регулятор, термодатчик;
5. Система защиты УЗО;
6. Медный кабель для заземления.

Как подсчитать необходимое количество нагревательных элементов и кабеля будет описано ниже. В первую очередь следует распланировать поверхность.

Распределение нагревательных элементов и узлов управления

Вначале создается план монтажа теплого пола на бумаге. При этом учитывается, что нагревательный провод или пленка не должны монтироваться в местах, где будут стоять массивная мебель и бытовые приборы. В местах, где проходят трубы отопления или иные источники тепла, также стоит обеспечить буферную зону без нагревательных элементов. Это связано с особенностью электрических теплых полов. В отличие от гидравлических систем все нагревательные элементы одного контура греются одинаково и, если есть ограничение по выходу тепла в виде мебели без ножек или поступает дополнительное тепло извне, то элементы перегреваются и выходят из строя. Мебель в этом случае также может повредиться от перегрева.

В результате получится неправильная фигура, вписанная в прямоугольник изображающий комнату. И именно по контуру этой фигуры и внутри нее будет укладываться электрический теплый пол.

С этим связан как раз самый большой недостаток теплого пола. Перестановка мебели может существенно сказаться на работоспособности системы.

Схема-пример укладки электрической системы в ванной

Для различных помещений, даже если они разграничены символически, лучше сформировать отдельные контуры теплого пола со своими отдельными регуляторами и подводом питания. В случае заливки стяжки между ними прокладывается по поверхности пола демпферная лента.

Когда на бумаге планировка уже продумана, можно перенести разметку непосредственно на пол.

В удобном месте на стене отмечается позиция регулятора для теплого пола. В этом месте проделывается отверстие под монтажную коробку и опускается штроба до пола. После подготовительных работ и распланировки можно приступить к расчету необходимого количества материалов.

Пленочный теплый пол

Расчет материалов

Можно воспользоваться готовыми таблицами от производителя кабельного теплого пола, и согласно расчету теплопотерь каждой комнаты подбирается необходимый шаг укладки провода и его общая длина на помещение.

Для пленочных (инфракрасных) систем расчеты еще проще: следует подобрать количество элементов, которые покроют необходимую площадь.

В расчеты включается также провод для подключения регулятора и теплого пола от счетчика и от регулятора непосредственно к элементам системы.

Важно: Запрещается использовать для электрического теплого пола прямое подключение к розетке.

Согласно расчетам и полученной мощности всех теплых полов необходимо проверить общий электрический ввод на возможность выдержать такую нагрузку. Если ввод недостаточен, то произвести его замену и установить подходящие предохранители-автоматы.

Подготовка поверхности. Особенности утепления основы

При необходимости старый слой стяжки полностью демонтируется до основания. Вся поверхность очищается.

Далее укладывается слой гидроизоляции с заходом на стену примерно на 10 см. По всему периметру пола на стену закрепляется демпферная лента. Она позволит компенсировать тепловое расширение пола при нагреве. В итоге можно буде обрезать излишки гидроизоляции и демпферной ленты.

Для того чтобы тепловая энергия не уходила вниз, необходимо изолировать основу пола. В зависимости от расположения помещения и типа поверхности, а также целевой направленности системы обогрева выбирается соответствующее утепление:

• Если теплый пол – это дополнение к основной системе отопления, то достаточно использовать вспененный полиэтилен с отражающим фольгированным покрытием в качестве подложки для теплого пола (пенофол).
• Для квартир с отапливаемыми помещениями этажом ниже подойдут листы пенополистирола или экструдированного пенополистирола толщиной от 20 до 50 мм или другой прочный утеплитель подходящей толщины.
• В случае если установку теплого пола производят на неотапливаемую ранее лоджию или веранду, то формируется более основательный слой утеплителя вплоть до 100 мм пенополистирола или аналогичный слой минеральной ваты.

Поверх утеплителя укладывается армирующая сетка. Можно обойтись и без нее, так как слой стяжки будет тонким и достаточно добавить в раствор пластификатор и микрофибру. (О том, как формировать полусухую стяжку с армированием синтетическими волокнами – читайте здесь).

Стяжка кабельного электрического теплого пола в разрезе

Процесс монтажа

Перед укладкой провода проверяется его сопротивление и сверяется с паспортом. Допускается разбег примерно в 10% от паспортных данных. Монтаж электрического теплого пола может производиться как с закреплением его к армирующей сетке с помощью стяжек (не затягивая), так и с помощью специальных крепежных лент.

В случае монтирования теплого пола в ванной комнате или в бане необходимо заземлить армирующую сетку под ним и подвести заземление к регулятору. Для этого используется луженный медный провод. Собственно это и является ответом на вопрос, можно ли укладывать электрический теплый пол в бане? Да, только обязательно устанавливается модуль УЗО и заземление.

Инфракрасный теплый пол просто расстилается поверх слоя утеплителя. По технологии предложенной производителем может потребоваться закрепление специальным скотчем или за специальные ушки на полосе.

Слои пленочного пола при укладке прямо под ламинат

В местах, где провод проходит над разделительной линией двух плит перекрытия, его следует спрятать в отрезок гофротрубы, длинной в 10-15 см. Это уменьшит риск обрыва кабеля при возможных тепловых расширениях плит.

Место соединения между нагревательным кабелем и проводом питания располагает на расстоянии 10-15 см от штробы так, чтобы соединительные клипсы были утоплены впоследствии в стяжку.

Важно: Обязательно отметьте позицию места соединения на плане квартиры. Это может понадобиться впоследствии в случае вынужденного ремонта теплого пола.

Когда все элементы размещены на своих местах, еще раз проверяется сопротивление провода. Только если оно незначительно отличается от сделанных ранее замеров, можно испытывать нагревательные элементы, включив теплый пол.

От регулятора по штробе опускается гофрированная труба, другой конец которой размещается посередине между ближайшими полосами нагревательного кабеля. Вовнутрь гофрированной трубы просовывается термодатчик, с помощью которого можно регулировать работу теплого пола. Лишний раз стоит проверить, что датчик легко достается и не будет проблем с его заменой.

Если все нормально, то вся система обесточивается, и регулятор снимается до окончания всех отделочных работ. Формируется стяжка теплого пола. После её полного высыхания еще раз проверяется работа системы и, если все нормально, монтируется напольное покрытие. Если стяжка не нужна, как в случае с пленочным теплым полом, то сразу укладывается ламинат или линолеум.

Подробнее об устройстве традиционных бетонных или цементных стяжек – читайте тут.

Как видно, сделать теплый пол своими руками достаточно просто и значительно легче, чем гидравлический.

Видео: укладка простого кабельного теплого пола

Видео: укладка кабельного пола с армирующей сеткой

Видео: укладка пленочного (инфракрасного) теплого пола

Содержание

1. Виды теплого пола
2. Теплый пол как дополнение к центральному отоплению
3. Теплый пол как основная отопительная система
4. Какие и где использовать теплые полы?
5. Теплый пол и выбор напольных покрытий
6. И все-таки: что лучше греет и экономичнее?
7. Видео: водяной или электрический?
> Обсуждение

Система теплых полов предназначена для повышения эффективности радиаторного отопления или полной замены старой системы. Нельзя сказать, что теплый пол поможет сэкономить средства на отопление или обойдется дешевле, чем классическая отопительная система. По своей задаче это решение должно лишь увеличивать комфорт. Однозначно можно сказать, что сократить расходы на его установку существенно можно, только если сделать теплый пол своими руками. Однако перед монтажом стоит сперва определиться, какой теплый пол лучше водяной или электрический, и в каких ситуациях стоит отдать предпочтение одному из них.

Виды теплого пола

Основное различие теплых полов кроется в типе нагревательных элементов, которые используются в системе. На данный момент производители могут предложить следующие варианты:

1. Водяной (гидравлический) теплый пол;
2. Электрический теплый пол.

В свою очередь пол, работающий от электросети, разделяется на проводной и пленочный.

Особенности водяных полов

По установке водяные теплые полы своими руками являются самыми сложными, зато результат получается лучше, за счет правильного распределения тепловой энергии. И затраты на эксплуатацию такого пола существенно ниже, особенно если он используется как основа системы отопления.

Основная сложность заключается в капитальном характере работ по его установке. Необходимо полностью избавиться от старого напольного покрытия и стяжки. Сама обогревающая конструкция занимает существенное место. Это связано с необходимостью надежно утеплить основание пола. Только после этого укладываются трубы для циркуляции воды, и поверх делается стяжка. В результате только на сам гидравлический теплый пол требуется толщина в 5-7 см, а к этому еще добавляется слой утеплителя, который в разных ситуациях варьируется от 4 до 15 см.

Вся конструкция гидравлического решения получается довольно тяжелой, что может помешать его установить в квартире. Для этого требуются специальные разрешения и согласования. Также установка водяных полов целесообразна только в случае обогрева и подключения сразу всех помещений квартиры или дома.

Особенности электрических полов

В электросистемах тепловая энергия с помощью нагревательных элементов передается непосредственно напольному покрытию, что является одновременно и плюсом, и минусом.

В отличие от гидравлических вариантов, где теплоноситель постоянно перемещается по системе и нагрев передается по пути наименьшего сопротивления, у электрических элементы нагревают поверхность всегда одинаково. На первый взгляд это хорошо. Однако в реальных ситуациях это накладывает ряд ограничений на использование теплых полов в сочетании с различными напольными покрытиями и даже с расстановкой мебели. Более подробно вопрос об особенностях укладки электрических полов будет рассмотрен отдельно.

По конструкции электрические теплые полы различаются на кабельные и пленочные. Кабельный вариант монтируется внутрь стяжки, но это практически не влияет на ее толщину. Пленочный же вариант можно укладывать непосредственно поверх готовой стяжки, только предварительно подложив тонкий слой изоляции из вспененного полиэтилена с фольгированной поверхностью.

С помощью электрических теплых полов легко можно обогреть небольшие помещения, которые не подпадают под обогрев системы отопления: лоджии, веранды, мансарды, открытые площадки.

Перед тем как выбрать определенный тип теплого пола, следует обозначить его задачи и способ использования. Есть несколько вариантов комбинирования автономного обогрева с системой центрального отопления или можно полностью осуществлять обогрев посредством теплого пола.

Теплый пол как дополнение к центральному отоплению

Главной задачей теплого пола, который используется как дополнение к основной системе отопления, становится незначительный подогрев напольного покрытия по всей поверхности. Чаще всего такая необходимость появляется в ванной комнате и на лоджии.Какой выбрать теплый пол в этом случае?

Наиболее равномерно распределить нагрев может только электрический пол, причем любой конструкции. Это связано с неизменной температурой его элементов по всей своей протяженности при его подключении к одному регулятору.

Гидравлический теплый пол в такой ситуации несколько уступает позиции, ведь горячая вода, проходя по системе труб, постепенно остывает и пол будет прогрет неравномерно. Имеются определенные конфигурации распределения труб, в которых достигается максимальная равномерность и при использовании водяных труб. Однако как дополнение к существующей системе отопления все же легче и лучше использовать именно электрополы.

Теплый пол как основная отопительная система

При желании можно полностью отказаться от классического отопления в пользу теплых полов. В качестве основной отопительной системы лучше подойдут гидравлические системы.

Основные требования в системе отопления посредством теплых полов – это прогрев всего помещения до требуемых температур в 20-24 градуса. При этом следует учитывать неравномерность теплопотерь помещения через внешние стены, оконные проемы и перекрытия. Для таких задач электрические полы несколько уступают гидравлическим. При равномерном нагреве, тем более что места с установленными стационарно мебелью и бытовой техникой следует оставлять без нагревательных электрических элементов, неизбежно будут появляться мостики холода и участки с повышенными теплопотерями.

Правильно распределив трубы водяного теплого пола своими руками, можно добиться большей теплоотдачи под внешними стенами и снизить ее ближе к внутренней части комнаты, где излишний нагрев неуместен.

Какие и где использовать теплые полы?

Электрические

Таким образом, получаем результирующую схему. Электрические полы подходят в следующих ситуациях:

• Дополнение к основной системе отопления, учитывая варианты обогрева лоджий, веранд, мансард, ванной комнаты;
• Быстрый прогрев пола в таких местах, как ванная и туалет, на время;
• Квартиры многоэтажных домов, где установка гидравлических полов невозможна;
• Монтаж теплых полов без капитальных ремонтных работ (пленочные).

Водяные

Полы, питающиеся от водоснабжения, отлично подойдут для:

• Полной замены радиаторной системы;
• Дополнения к системе отопления при установке сразу на весь дом или квартиру (если это допустимо).

Теплый пол и выбор напольных покрытий

Имеются некоторые ограничения по установке теплых полов в комнаты, связанные в первую очередь с возможностью использования различных напольных покрытий.

Из-за того, что нагрев производится по всей площади пола, материалы с высоким показателем теплоизоляции будут препятствовать поступлению тепла от нагревательных элементов и труб внутрь помещения. Лучше сделать теплый пол в сочетании с кафельной или керамической плиткой. Специальные клеевые составы для теплых полов позволяют наилучшим образом передавать результат работы воздуху помещения.

Такие материалы, как пробка, утепленный линолеум, паркет или ковролин, сведут на нет все усилия по работе теплого пола. Точнее значительно медленнее будет проходить тепло. В результате потребуется затратить значительно больше энергии для того, чтобы пробиться через теплоизоляционный слой напольного покрытия. При этом элементы будут перегреваться, что существенно снизит их срок службы. Гидравлический теплый пол несколько легче перенесет такие условия, однако эффективность также снизится.

Теплый пол, установленный под паркет, и вовсе будет способствовать его скорому пересыханию, что отразится на его внешнем виде.

Под какие покрытия теплый пол точно можно класть?

Среди напольных покрытий, которые можно укладывать поверх теплых полов, можно перечислить следующие:

1. Неутепленный линолеум;
2. Ламинат;
3. Тонкая паркетная доска;
4. Керамическая и кафельная плитка;
5. Наливные полы.

Наиболее эффективны теплые полы в сочетание с наливными полами и кафельной плиткой. Эти материалы позволяют максимально быстро и без потерь передать тепло от элементов системы к поверхности и далее воздуху помещения.

Для гидравлических теплых полов собственно подойдут все вышеперечисленные напольные покрытия, и даже натуральный паркет в меньшей степени будет ссыхаться. И все, благодаря особенностям распределения тепла от воды к напольному покрытию. С повышением теплоизоляционных свойств покрытия работа полов не ухудшается, лишь несколько снижается ощутимый эффект. Это же касается вопроса установки теплого пола под линолеум, даже утепленный, и ковролин с низким ворсом.

С электрическими полами несколько сложнее. Под кафельную, керамическую плитки и наливные полы можно использовать только кабельные системы, потому как только они рассчитаны для заливки в толщу стяжки и раствора.

С другой стороны если решено использовать электрические нагреватели под ламинат или линолеум, то лучшего варианта, чем инфракрасный пленочный теплый пол сложно придумать. Он легко укладывается между слоями амортизирующего теплоизолятора в виде вспененного полиэтилена и непосредственно ламинатом. В таком варианте энергия от нагревательных пластин идет в большей части именно на обогрев поверхности и не растрачивается на толстый слой стяжки.

И все-таки: что лучше греет и экономичнее?

Однозначно сказать, какие полы теплее, нельзя. Правильно установленные и используемые по назначению, они все отлично справляются со своей задачей. То же самое относится и к вопросу о стоимости. Установить электрические теплые полы на весь дом можно с меньшим бюджетом, чем потребует решение с прокладкой труб водоснабжения. Однако впоследствии будет меньше трат на обогрев дома особенно при постоянном использовании системы.

С другой стороны абсолютно неразумно устанавливать водяной теплый пол отдельно на лоджии или для ванной комнаты. Дешевле и проще установить электрический. Он лучше подходит для быстрого прогрева поверхности пола при необходимости.

Подробнее об энергопотреблении электрического решения и том, какой пол экономичнее, читайте по ссылке. 

Видео: водяной или электрический?

Содержание

1. Базовые рекомендации
2. C кем согласовывать?
3. Выбор оборудования для домашней сауны
4. Как собирать готовую “квартирную” сауну?
5. Строим сауну в квартире “с нуля”
6. Видео: строим сауну в городской квартире
7. Разнообразие типов саун
8. Видео: сауна в квартире – это просто
> Обсуждение

Еще совсем недавно сауна в квартире своими руками была неосуществимой мечтой. Сейчас, несмотря на хлопотность получения разрешений, эта идея перестала быть нереальной. Тем более, обустройство сауны в многоэтажном доме допустимо, а проектирование регламентируется нормативными документами:

1. «Архитектурно – планировочные решения многоквартирных жилых зданий» (СП 31 – 107 – 2004)
2. «Здания жилые многоквартирные» (СНиП 31 – 01 – 2003).

Базовые рекомендации

Проектирование саун для использования в многоквартирном доме предусматривает выполнение ряда рекомендаций, основанных на положениях этих документов:

• Для нагрева допускается только специальная печь, изготовленная в заводских условиях, с автоматическим отключением при 1300 и после 8 часов непрерывной работы;
• Необходимо установить дренчер для разбрызгивания воды или трубу с перфорацией с присоединением вне сауны к системе внутреннего водоснабжения;
• Площадь парильной – в пределах 8 – 24 м2;
• Применяется древесина только со специальной пропиткой, которая противостоит гниению и возгоранию.

C кем согласовывать?

Проект домашней сауны в квартире, в зависимости от страны и региона необходимо согласовать с некоторыми учреждениями и организациями:

1. Государственная противопожарная служба;
2. Жилищная инспекция;
3. ТСЖ;
4. Санитарно- Эпидемиологическая служба;
5. Управление Роспотребнадзора;
6. Инспекция Государственного архитектурно-строительного надзора.

Список учреждений и служб для согласования лучше всего дополнительно уточнить в регионе проживания и установки сауны.

Выбор оборудования для домашней сауны

Варианты саун

Прежде чем начать обустройство бани в городской квартире, следует собрать также информацию о видах и типах саун, их преимуществах и недостатках, а также о способах их монтажа и возведения. Есть три варианта обзавестись сауной дома:

• Приобрести щитовую или сборную сауну;
• Заказать конструкцию в соответствии с условиями «на месте»;
• Сделать сауну самостоятельно.

Сборные (готовые) сауны

Готовые или сборные сауны производятся нескольких типов. Для тех, кто имеет навыки ремонтных работ и обращения с обычными инструментами, несложно собрать комплект самостоятельно. Для крепления щитов предусмотрены саморезы. И нужно лишь следовать приложенной инструкции с фотографиями. К тому же, сборно – щитовые конструкции можно в случае переезда забрать с собой или перевезти на дачу. К недостаткам можно отнести скудость разнообразия модификаций и конфигураций, которые, к тому же, редко совпадают с нюансами квартиры.

К лучшим сборным саунам заслуженно относятся изделия шведского производителя Tylo и финского поставщика Harvia. Такие конструкции, состоящие из модулей (ширина 80 см), монтируются без пола на раме из стали. Потерь полезного пространства не избежать, если площадь для сауны не кратна 80. Также, следует учесть вентиляционные отверстия, поэтому сауна устанавливается не вплотную к стене. Заводские конструкции, к примеру, компании Tylo, отличаются тем, что у них отсутствует пароизоляция. В результате, уменьшается эффективность работы утеплителя и снижается срок эксплуатации вагонки.

В качестве отделочного материала шведы и финны применяют хвойную древесину, предварительно обработанную и не содержащую смолу. Отечественные конструкции обшиваются древесиной из липы.

Какую печь выбрать для домашней парилки?

Одним из важных элементов любой парилки является печь или каменка. Скандинавские компании поставляют на российский рынок популярные модели – прочные, элегантные и экономичные. Изготовление сауны для финской компании Harvia связано с вековыми традициями этого производства. Высокого качества своей продукции и особой безопасности производителю удается достичь благодаря инновационным технологиям и высококачественным материалам, применяемым в производстве.  В линейке продукции финского производителя выделяется модель Combi. Она интересна тем, что ее можно использовать в 2-х режимах: русской бани и финской сауны.

На российском рынке представлена также финская компания Saunatec, которая поставляет печи Viki и Helo. Также, в каталоге этой фирмы есть «каменка президента» – печь Fantasy, специально изготовленная для президента Финляндии.

такая сборная сауна поместится в любой не слишком тесной городской квартире

Как собирать готовую “квартирную” сауну?

Сборные конструкции комплектуются печью, решетчатой мебелью, светильниками, электропроводкой, в некоторых конфигурациях – душем. При монтаже щитов следует затянуть фольгой стыки, обеспечивая тщательную герметизацию. Крыша кабины также монтируется из щитов. На бетонную поверхность пола кладут облицовочный материал, а сверху размещают решетчатые трапики. Затем следует подключить сауну к вентиляционными и электрическим системам.

Среди важных рекомендаций по установке сауны выделяют:

• Размещение конструкции: в непосредственной близости с ванной или душевой;
• Обязательное наличие гидроизоляционной основы: два слоя гидроизоляции, затем бетонная основа (читайте подробнее о том, как сделать гидроизоляцию);
• Укладку облицовочного материала рекомендуется выполнить до начала монтажа сооружения.

Если сауна выполняется на заказ, то заказчик имеет ряд преимуществ перед покупателем заводской конструкции. Размеры соответствуют помещению и условиям, а также желаниям заказчика. Кроме того, можно заказать любую конфигурацию, оснастить ее оборудованием и аксессуарами. Несомненным преимуществом является и то, что щиты могут обшиваться гипсокартоном. Это позволит выполнить внешнюю отделку сауны в соответствии с общим дизайном жилого помещения. Монтируется такая конструкция в течение 1-2 дней по тому же принципу, что и кабина, приобретенная для сборки.

Среди последних и актуальных тенденций эксперты отмечают применение 1-й и более стен, выполненных из термозакаленного стеклянного полотна, имеющего толщину больше 10 мм. Стало также модно и престижно использовать алюминиевые профили и стекло в их сочетании.

идея: обладателям больших лоджий рекомендуем задуматься о переоборудовании её части под компактную “парилку”

Строим сауну в квартире “с нуля”

К вопросу о том, как построить сауну в квартире, стоит отметить, что этот вариант дешевле других. Хотя процесс возведения отличается затратами труда и времени.

Базовые элементы

• Для каркаса кабины используют бруски из древесины, имеющих сечение 60х60 мм. Потолок и пол являются основными местами для крепления стоек каркаса. Высота инсталляции в 2,2 метра вполне достаточна, оставшееся пространство между потолком кабины и общим потолком часто используют в качестве антресолей.
• Для внешней обшивки применяют вагонку из лиственных или хвойных пород дерева. Она герметично закрывает несколько слоев утеплителя, слой полиэтилена и фольги. Хвойные породы дерева должны быть обработаны и не должны содержать смолу. Обязателен контроль герметичности всего сооружения.
• Внутренняя часть каркаса (стены и потолок) также обшивается вагонкой с «начинкой» для термо- и влагоизоляции. Пол лучше всего облицевать керамической плиткой, а поверх плитки положить деревянные решетки.
• Чтобы сохранить тепло, дверцу в кабину лучше сделать небольших размеров (70х190 см). Обычно ее изготавливают из цельного массива дерева. В целях безопасности дверь рекомендуется выполнить со вставкой из стекла или целиком выполненную из термостекла.
• При монтаже сауны крайне важно создать хорошую вентиляцию. Благодаря этому люди в сауне получают приток кислорода, регулируется режим парения и уменьшается влажность. После сеанса сауна проветривается и обеспечивается сохранность древесного материала отделки.

Электробезопасность

Важно обеспечить безопасность электрической части сауны. Для этого необходимо выполнить обязательные требования:

1. Выделить силовой кабель для подключения каменки к распределительному щитку (с сечением 4-8 мм2);
2. В пределах сауны монтировать рекомендуется только скрытую электропроводку (термостойкий кабель под обшивкой);
3. Обязательное заземление и использование УЗО, защита автоматом;
4. Использовать влагозащищенные светильники. Кроме того, чтобы избежать ожогов рекомендуется закрывать источники освещения защитными деревянными экранами.

В домах, где установлены газовые плиты, следует хорошо продумать размеры и ресурсоемкость сауны. Так как в таких домах есть ограничения по потребляемой мощности (макс. 3-4 кВт).

В домах с электрическими плитами (максимальная мощность электроэнергии 5-6 кВт), печь – каменка в 3-4 кВт не создаст затруднений с электросетью. Печь рекомендуется подсоединить к фазе электроплиты. Чтобы не создавать пиковых нагрузок, не стоит использовать электрическую плиту во время работы каменки.

Видео: строим сауну в городской квартире

Разнообразие типов саун

Мини-сауны

Наряду с «классическими» кабинами для саун существую мини – сауны. Они представляют собой конструкцию из кедровой бочки и парогенератора. Компактную мини – сауну легко можно разместить в ванной комнате квартиры или загородного дома. Она занимает совсем не много места – около 1 м2.

К тому же, она обладает целебными свойствами. Специалисты отмечают, что благодаря сеансам в такой сауне снижается вес, кожа приобретает упругость и эластичность, уходит целлюлит. Монтажом такой бани, как правило, занимаются компании, осуществляющие их продажу.

Потребляемая мощность также весьма привлекательна – около 2 кВт. Маленькая сауна оснащается пультом управления и термометром. Некоторые модели дополнительно снаряжаются системой для распыления бальзамов.

Инфракрасные решения

Большой популярностью в последнее время пользуется инфракрасная сауна. Основой инфракрасной кабины служит использование инфракрасного излучения и его свойств. Инфракрасные волны проводят тепло, которое проникает через тело и не создает дополнительную нагрузку для сердечно-сосудистой системы. При обильном потоотделении инфракрасное излучение выводит токсичные вещества, жиры и лишнюю жидкость из организма.

Турецкие парные для дома

Среди наиболее экзотичных и популярных саун находится хамам. Турецкая баня в квартире с большой площадью и несколькими уровнями – вполне реальна.

Специалисты рекомендуют выполнить ряд условий по строительству сауны дома своими руками:

• Высота помещения не меньше 2,8 м;
• Желателен куполообразный потолок;
• Горячее и холодное водоснабжение, канализация;
• Отдельная вытяжка;
• Полная паровая и гидроизоляция.

Современный хамам в квартире оснащается плиткой вместо мрамора. Чтобы поддерживать постоянную температуру, применяют систему «теплых полов». Для получения пара используется парогенератор.

Видео: сауна в квартире – это просто

Содержание

1. Принцип действия водонагревательных приборов различного типа
2. Общие советы по установке водонагревателя своими руками
3. Вариант “А”: установка накопительного водонагревателя
4. Вариант “Б”: установка проточного водонагревателя
5. Другие виды нагревателей воды
> Обсуждение

Бытовые нагреватели воды предназначены для обеспечения горячей водой отдельных квартир, загородных домов или дачных домиков. Это условие характеризуется ограниченным количеством проживающих в квартире или доме людей. Для тех, кто обладает базовыми навыками сантехнических работ, установка водонагревателя своими руками позволяет сохранить семейный бюджет и получить ни с чем несравнимое удовольствие от результата своего труда.

Для начала необходимо определить самый оптимальный вид прибора для нагрева воды. Водонагревательные агрегаты различаются:

1. по источнику питания;
2. по принципу работы.

По источнику питанию существуют две группы устройств: газовые и электрические.

По принципу работы – накопительные и проточные.

Принцип действия водонагревательных приборов различного типа

Накопительный

Нагрев воды в случае накопительного принципа работы осуществляется в резервуаре с водой. Этот вид приборов для обеспечения горячей водой является наиболее распространенным. Их популярность объясняется привлекательностью цены и отсутствием специфических требований к электропроводке.

Проточный

В проточном нагревателе вода прогревается, когда она подается через особую колбу, оснащенную электрическим нагревательным элементом. Такой прибор размещается непосредственно на кран с водой, которая поступает из водопровода. При таком принципе действия вода нагревается приблизительно до 300С. К недостаткам относится то, что проточный нагреватель требует большое количество энергии, что не всегда под силу старым постройкам. По мощности потребляемой энергии устройства подразделяются на однофазные и трехфазные. Кроме того, одним из определяющих факторов является нагревательный элемент: спираль или ТЭН. Если вода в доме или на даче жесткая, то предпочтительней спиральный элемент нагревания. Стоит отметить, что ТЭН потребляет на 10 – 20% электроэнергии меньше, чем устройство со спиралью.

Видео: немного о выборе водонагревателя

Общие советы по установке водонагревателя своими руками

Базовые этапы работ

Независимо от типа устройства для нагрева воды монтаж водонагревателя производится в полном соответствии с общими правилами безопасности и требованиями конкретных производителей. До начала работ необходимо определить состояние и условия:

• Обеспечить свободный доступ к прибору в течение всего срока эксплуатации;
• Правильно выбрать стену для крепления. К примеру, при емкости резервуара в 80 л стена должна выдерживать двойную нагрузку – 160 кг;
• Выявить состояние проводки, ее сечение и способность выдержать мощность электронагревателя (при необходимости заменить электропроводку);
• Определить состояние стояков и труб в квартире или доме (в некоторых случаях необходимо поменять трубы, чтобы обеспечить установку нагревательного прибора).

Необходимые инструменты и материалы

Кроме того, для комфортной работы необходимо заранее подготовить нужные инструменты и материалы:

перфоратор с соответствующей насадкой, рулетку, разводный и гаечные ключи, кусачки, отвертки 2-х типов, пассатижи, лента фум или паста, льняные нити, фитинги, труба из металлопластика (метраж определяется в зависимости от места и условий подключения), 2 соединительных шланга, запорные краны (2 ед. для проточного водонагревательного прибора и 3 ед. для накопительного), а также, два или три тройника – соответственно.

Вариант “А”: установка накопительного водонагревателя

Шаг 1: крепление нагревателя

Пошаговая инструкция для установки накопительного водонагревателя проста и выполнима:

1. На выбранной стене отметить место для крепления агрегата. С помощью рулетки измерить расстояние между отверстиями анкеров прибора;
2. Нанести места отверстий на стену. С помощью перфоратора высверлить отверстия (2 или 4 в зависимости от конструкции);
3. Вставить дюбеля и забить или закрутить крючки.

Важное примечание для крепления устройства: нужно измерить расстояние от отверстий в анкерах до самой верхней точки прибора. Чтобы надеть его на крючки, должно быть соблюдено такое же расстояние на стене: от дюбелей до потолка плюс небольшой запас.

Шаг 2: подключение прибора к водоснабжению

Когда устройство уже закреплено на стене, можно приступать к подключению водонагревателя. Самые простые и легкие условия для осуществления этой процедуры, когда выведены места подключения. Остается только соединить их с вводом и выходом прибора посредством труб или гибких шлангов. Герметичность соединения с помощью гибких шлангов обеспечивается уплотнительной резиновой прокладкой. Ввод холодной воды в нагревательное устройство обозначен синим цветом и именно на него устанавливается особый клапан, который позволяет сбросить избыточное давление. Для комфортного технического обслуживания рекомендуется установить дополнительный тройник перед запорным краном и подсоединить его. В дальнейшем он позволит спускать воду из резервуара. Важно обеспечить герметичность – наматывать фум ленту или нити с пастой на все места, где были произведены соединения.

Стандартная схема подключения накопительного водонагревателя:

Выход горячей воды на приборе обозначен красным цветом. Его нужно соединить с краном горячей воды. После этого следует открыть вентили холодной и горячей воды, подождать, пока из крана для горячей воды выйдет весь воздух, и потечет вода. Одновременно отследить, нет ли нарушений герметичности в местах соединений.

Шаг 3: подводка электропитания

Следующий этап – подключение водонагревателя к питанию, где способ определяется лишь предпочтениями нового владельца водонагревательного прибора. Контакты на клеммах прибора обозначены следующим образом:

• А – фаза (коричневый провод);
• N – ноль (голубой цвет провода);
• Заземление (желтый или любой другой цвет в трехжильном кабеле).

После соединения следует подать напряжение. В результате, на устройстве загорится световой индикатор активности. Затем согласно инструкции производителя нужно отрегулировать температурный режим. Водонагревательное устройство накопительного типа установлено и готово к использованию.

Видеоинструкция по установке водонагревателя

Вариант “Б”: установка проточного водонагревателя

Небольшой вес и компактные размеры такого устройства позволяют осуществить установку проточного водонагревателя, к примеру, под раковину на кухне. Быстрый нагрев воды, который обеспечивает этот прибор, выдвигает особые требования к проводке и счетчику электроэнергии: кабель от четырех до шести мм2, счетчик от 40 А, автоматический выключатель от 32 до 40 А.

Для водонагревающих устройств проточного типа существует два способа инсталляции – временный и стационарный.

Временное подключение

Временное подключение использует душевой шланг, а при возобновлении централизованного горячего водоснабжения, его можно просто закрыть и не использовать. Временному типу необходимо осуществление подачи холодной воды. Для этого в трубу поступления холодной воды врезается тройник, устанавливается запорный вентиль, гибкий шланг соединяется с вводом водонагревающего устройства. Затем нужно открыть вентиль холодной воды, открыть выводящий вентиль для нагретой воды, включить в сеть. Через 30 секунд начинает поступать горячая вода.

Стационарное подключение

Стационарный вариант обеспечивает подачу и забор нагретой воды одновременно с функционированием централизованного водоснабжения. Здесь понадобятся 2 тройника, которые врезаются в трубы (горячей и холодной воды). Затем устанавливаются вентили с герметичным соединением. После этого труба с холодной водой соединяется с вводом в прибор (маркер синего цвета). С помощью металлопластиковой трубы или шланга соединяется выход нагретой воды с запорным вентилем горячей воды. Вслед за этим нужно открыть смеситель и краны, а также проверить герметичность соединений. После подключения к электропитанию из смесителя потечет нагретая вода. Стационарное подключение подразумевает перекрытие стояка горячей воды в многоквартирном доме. Такое действие предупредит отток нагретой воды в трубы соседних квартир.

Видео: установка временного решения на основе проточного нагревателя

Другие виды нагревателей воды

Газовые нагреватели

Альтернативой электрическому водонагревательному устройству является газовый нагреватель воды, который работает по проточному принципу. Установить такой прибор возможно только в случае, если уже существует газовая колонка. Если же ее нет, то самостоятельная инсталляция газовой колонки исключена, так как это является нарушением Закона. Даже при наличии газовой колонки ее модернизацию или изменения для нагревания воды следует доверить обслуживающей газовой компании, которая имеет требуемые лицензии и сертификаты. Она выполнит все работы безопасно, надежно и в соответствии со всеми правилами, нормативами и законами.

Индукционные нагреватели

Среди заслуживающих внимания видов водонагревательных устройств находится индукционный нагреватель воды. В резервуарах таких устройств не образуется накипи. Переменное магнитное поле индуктора (нагревательного элемента) не позволяет катионам магния и кальция оседать на поверхности теплообменника. Данный факт сохраняет КПД устройства в течение многих лет. У этого прибора есть ряд других преимуществ, которые в последующем, с усовершенствованием этой технологии, позволят ему стать серьезным конкурентом популярных сейчас приборов для нагревания воды.

Содержание

1. Правила и ограничения при штроблении
2. Инструменты и способы штробления
3. Подготовка и разметка поверхности
4. Процесс штробления различными инструментами
5. Окончание работ
6. Видео: штробление стен своими руками от А до Я
> Обсуждение

Почти никакой ремонт не обходится без прокладки новой проводки в квартире или замены старой. Также часто появляется необходимость добавить одну или несколько розеток для того, чтобы облегчить подключение бытовой техники или аппаратуры и устранить тем самым потребность в использовании проводов с разветвителями. Провода лучше всего при этом спрятать в стене, и для этого можно произвести штробление стен под проводку своими руками, не обращаясь за недешевой помощью строительных бригад и электриков частников. Главное учесть все нюансы по организации проводки, и правильно произвести штробление.

Правила и ограничения при штроблении

Не стоит сразу хвататься за зубило и молоток. Следует вначале изобразить на бумаге план разводки и продумать расположение всех точек подключения и выходов проводки, таких как розетки, выключатели и выводы под освещение. Также следует учесть материал стен и способы их штробления. Основные правила, согласно которым производится распределение проводов в стенах, описаны в нормативных документах СНиП 3.05.06-85. Не стоит пренебрегать ими, лучше один раз не полениться и ознакомиться, чтобы знать, как правильно штробить стены под проводку. Основными моментами являются следующие пункты:

1. Штробление под проводку должно проводиться параллельно основным конструктивам здания, то есть только вертикально или горизонтально. Допускается наклон штробы только в случае прокладки параллельно наклонным стенам, например, на мансарде.
2. Проводить горизонтальное штробление следует на расстоянии не более 150 мм от плит перекрытия.
3. Вертикальная штроба (борозда) должна отстоять от дверных, оконных проемов и углов не менее 100 мм, а от газовых труб – не менее 400 мм.
4. Ширина и глубина штробы не должны превышать 25 мм. Длина одной штробы не должна превышать трех метров.
5. Желательно свести к минимуму повороты штробы на пути от распределительной коробки до выключателя или розетки. Лучше всего, если ограничиваться одним углом перехода от горизонтали к вертикали без учета поворотов в горизонтальной плоскости в стыках стен.
6. Нельзя делать горизонтальные борозды в несущих конструкциях. Это касается всех стен панельного дома, ведь там все они несущие, за исключением мелких перегородок.

Согласно этим правилам производится планировка разводки. После этого можно производить непосредственно штробление стен.
[help]“Можно ли штробить несущие стены?” Штробление стен регламентируется правилами перепланировки, которые для каждого региона могут слегка разниться. Однако по общепринятым нормам, подобные действия недопустимы во всех видах типовых многоэтажных домов.[/help]

Инструменты и способы штробления

Есть несколько способов штробления, различающиеся в зависимости от применяемого инструмента:

• молотком и зубилом. Долго, неудобно, штроба неровная. Зато дешево;
• перфоратором или ударной дрелью. Достаточно чисто и быстро. Штроба не очень ровная;
• болгаркой. Штроба получается ровной, однако производится огромное количество пыли, которую сложно уловить даже при помощи промышленного пылесоса;
• штроборезом. Используя специализированный инструмент, можно получить идеально ровную штробу с заданной глубиной и шириной. Однако все портит цена самого инструмента.

При любом варианте порядок действий примерно одинаков.

Подготовка и разметка поверхности

В первую очередь необходимо проверить наличие скрытой проводки по предполагаемому маршруту штробы. Для этого используйте специальный прибор, который укажет на имеющуюся электропроводку. Важно обезопасить себя от случаев, когда при штроблении попадутся провода под напряжением.

На поверхность стены наносится разметка по маршруту борозд от распределительной коробки и до места установки розетки, выключателя или вывода проводов под освещение.

Непосредственно перед проведением работ по штроблению стен занавесьте дверные проемы увлажненной тканью, чтобы не допустить распространение пыли по квартире или плотно заделайте строительной пленкой.

Процесс штробления различными инструментами

Молоток и зубило

Весь процесс разбивается на небольшие сегменты. Вначале зубилом намечаются углубления по краям штробы на одну или две ширины его острия. После этого, поставив его поперек борозды, выбивается часть стены в глубину. Далее можно продолжить снимать верхний слой по намеченной линии и в конце приступить уже к углублению на 25 мм по всей длине. Также можно после каждого снятия верхнего слоя углублять штробу сразу. С помощью этих инструментов практически нереально сделать штробу, если стена бетонная.

Перфоратор

Используются при этом две насадки с широким и коротким буром и лопатка. Вначале по всей длине линии, которой намечено расположение борозды, проделываются отверстия глубиной 25 мм на расстоянии примерно 10-15 мм друг от друга. После этого лопаткой выполняется устройство штробы. Главное при этом не ставить лопатку поперек линии штробы, чтобы не отколоть лишний кусок стены или штукатурки. В результате получится штроба необходимой глубины и ширины, однако внешний вид будет не очень привлекательным. Штробление перфоратором самый быстрый и чистый процесс.

Болгарка, угловая шлифмашинка

При использовании болгарки, следует приобрести алмазный диск, только так можно будет нормально и без проблем проштробить бетон или кирпич, да и в случае со штукатуркой процесс будет идти легко. Вначале проделывается два параллельных надпила вдоль всей намеченной линии с расстоянием между ними равным необходимой ширине штробы. Далее можно с помощью перфоратора или зубила выбрать весь материал между надрезами до необходимой глубины. Собственно поэтому весь процесс практически идентичен предыдущим способам за исключением того, что в результате штроба получается значительно ровнее. Это очень важно, особенно если необходимо минимизировать повреждение штукатурки или отделки стен.

Во время работы болгаркой будет производиться очень большое количество пыли, и очень скоро вся комната будет ею заполнена. Для решения этой проблемы можно использовать пылесос, лучше промышленный. Потребуется второй человек в качестве помощника, который будет удерживать всасывающую трубу поближе к месту среза.

Штроборез

По существу штроборез является логичной модификацией варианта с болгаркой. В этом устройстве уже предусмотрена возможность установки двух режущих алмазных кругов с регулировкой расстояния между ними. Оба круга закрыты специальным кожухом, который полностью перекрывает место контакта со стеной. Регулировкой положения кожуха можно изменять глубину, на которую будет производиться прорезка стены. В большинстве случаев кожух также снабжен специальным отводом для установки всасывающей трубы от пылесоса.

Благодаря всему описанному, получается идеально ровные и параллельные срезы, а производится штробление стен без пыли. После прорезки по краям штробы опять-таки необходимо перфоратором выбрать лишний материал. Недостатком такого способа является сама цена инструмента. Она слишком высока для использования в домашних условиях.

Окончание работ

После того как штробы пробиты, необходимо их очистить с помощью пылесоса или веника от пыли и прогрунтовать. Сам процесс прокладки кабеля и его закрепления также имеет целый ряд нюансов, которые необходимо учитывать. После всех работ выполняется заделка штробы. Это можно сделать с помощью штукатурки, гипса или шпаклевки, которая допускает нанесение такого слоя.

Видео: штробление стен своими руками от А до Я

Содержание

1. Повышение напряжения в сети электропитания
2. Защита от перепадов напряжения
3. Как все-таки быть при нестабильном напряжении?
> Обсуждение

Низкое напряжение в сети – можно сказать, болезнь удаленных потребителей. Стиралка еле крутится, в квартире или в доме; совершенно исправный насос вдруг перестал качать воду на даче – причина чаще всего одна: падение напряжения сети электропитания. При допустимых пределах 195 – 235 В (если линейное напряжение, как и нас и в Европе, 220 В) на «кончиках» распределительной сети может быть 180 и даже 175 В.

Прежде всего, нужно разобраться, где происходит падение напряжения. Тут не нужно измерений и приборов – достаточно поспрашивать соседей. Если у них все в порядке, потери напряжения – в Вашей абонентской проводке и нужно звать мастера-электрика.

Повышение напряжения в сети электропитания

Если же низкое напряжение у всех в округе – нужно думать, как повысить напряжение в сети у себя. Но не пугайтесь сразу же больших затрат на чудеса современной электроники. Они нужны, о них речь пойдет ниже. Но чаще всего проблему можно решить быстро и без хлопот подручными средствами. Причем – технически грамотно и совершенно безопасно.

При стабильно низком напряжении в сети выручит самый обыкновенный понижающий трансформатор на 12 – 36 В. Да, да, именно понижающий. И большой его мощности не потребуется. 100-ваттный потянет нагрузку в 500 Вт, а киловаттный – в 5 кВт. И увеличить напряжение в сети можно до допустимых пределов.

Никаких чудес, никакой паранауки – достаточно такой трансформатор использовать как повышающий автотрансформатор, добавив напряжение понижающей обмотки к линейному. Тогда при 175 В в розетке на выходе будет при 12 В добавочных 187 В. Маловато, но бытовая техника работать будет. Если вдруг напряжение повысится до нормы, автотрансформатор выдаст 232 В; это еще в норме. При 36 В добавочных 175 В вытягиваем до 211 В – норма! Но вдруг и в розетке норма окажется, получим 256 В, а это уже нехорошо для электроприборов. Поэтому лучше всего – 24 В добавочных.

А как же мощность? Дело в том, что в сетевой обмотке автотрансформатора течет РАЗНОСТНЫЙ ток, и если повышать напряжение на небольшую долю от исходного, он окажется совсем незначительным. Правда, в дополнительной обмотке пойдет суммарный ток, но она в понижающих трансформаторах выполняется из толстого провода и при мощности исходного трансформатора в 100 Вт выдержит ток в 3-5 А, а это более 500 Вт при 220 В.

Нужно только правильно сфазировать обмотки. Для этого включаем трансформатор, как показано на схеме, БЕЗ НАГРУЗКИ. К гнездам «Прибор» подключаем любой вольтметр переменного тока на 300 В и более, хотя бы тестер. Показывает меньше, чем в розетке? Меняем местами концы любой из обмоток. Стало больше, чем в розетке? Все, можно пользоваться. Потребителей включаем вместо измерительного прибора.

Нужно только поставить в цепь сети предохранитель – вдруг в розетке «зашкалит» (это может случиться, если на старой и плохо обслуживаемой подстанции испортится зануление), так пусть он сгорит, а не техника.

Подходящий трансформатор можно найти на «железном» или радиорынке, а то и у себя в кладовке. Не спутайте только с гасящим устройством для низковольтных электропаяльников – они выполнены на конденсаторах, и от них толку не будет, а будет авария.

Защита от перепадов напряжения

В городских условиях напряжение в сети, как правило, держится, но актуальной становится защита квартиры от перепадов напряжения. Вот тут пора вспомнить о чудесах электроники, поскольку «железно – проволочная» электротехника эффективных, простых и дешевых способов их сглаживания не знает.

Поспрашивайте в электро- и радиомагазинах автомат защиты от перепадов напряжения; их еще называют «барьер защитный». Как примерно такой выглядит, видно на иллюстрации. Современные устройства такого типа сравнительно недороги, компактны, их легко подключить и обслуживания в процессе эксплуатации они не требуют.

Простой защитный барьер для домашней электросети

Но не вспоминайте об автотрансформаторе на даче – защитный барьер лишь устраняет броски напряжения; все время держать напряжение в розетке при стабильно пониженном он не может. В качестве накопителей энергии в таких устройствах используются суперконденсаторы, а они хоть и «супер», но все же не электрогенераторы.

Как все-таки быть при нестабильном напряжении?

Бывает и так, что напряжение в сети резко колеблется – то меньше нормы, то больше. Это признак запущенного местного электрохозяйства: тронутых коррозией распределительных проводов в сочетании с плохим нулем на подстанции. Законные меры воздействия на энергетиков оставим юристам; данная же статья техническая, и нам нужно знать, как держать напряжение в норме.

Старый добрый стабилизатор напряжения для дачи вполне подойдет. Возможно, еще от дедушкина черно-белого телевизора, если хранился в подходящих условиях. Только нужно учесть, что наиболее употребительные феррорезонансные стабилизаторы могут давать очень короткие, в несколько миллисекунд, выбросы напряжения, а они могут повредить компьютерную технику, современный телевизор и вообще все, где используются импульсные блоки питания.

Поэтому после такого стабилизатора желательно включить описанный выше автотрансформатор, но с добавкой не 24, а 6-12 В. Напряжение в розетке будет в пределах нормы, а обмотки с большой индуктивностью на массивном железе автотрансформатора паразитные импульсы погасят.

В продаже на интернет-аукционах и с рук можно встретить старые промышленные магнитнокомпенсационные стабилизаторы, и вроде бы подходящей мощности: 1-10 кВт. Но ныне применение таких устройств запрещено. Они хорошо держат напряжение, но дают большую реактивную составляющую потребляемой мощности, очень вредную для управляемых электроникой энергосистем.

Энергетики, вооруженные ныне компьютерным мониторингом, засекают «реактивку» мгновенно, вычисляют источник абсолютно точно, а штрафные санкции (весьма внушительные) применяют охотно и без промедления.

В частном домовладении достаточно обеспеченного владельца радикальное средство стабилизации напряжения в домовой сети – электронный преобразователь напряжения с собственным накопителем энергии. По принципу действия это тот же компьютерный «бесперебойник» (UPS), но на мощность 3-10 кВт.

Стоят такие устройства весьма и весьма недешево (3-20 тыс. долл. США), но обеспечивают идеальное качество напряжения в сети и электропитание потребителей при ее пропадании. В отличие от компьютерных UPS, они, как правило, имеют интерфейс связи со снабженным собственной электроникой аварийным дизель-генератором, так что «движок» запускается не сразу при пропадании сети, а спустя некоторое время, или когда аккумулятор бесперебойника начинает садиться.

В заключение – важный момент. Человек, поверхностно знакомый с электротехникой, может «сообразить»: ага, компьютерный киловаттный UPS, стало быть, сможет держать утюг почаса-час, а телевизор или люстру – чуть ли не сутки, а стоит несколько сотен долларов. Поставлю-ка я такой на даче!

Неверно. Компьютерные UPS рассчитаны на кратковременное эпизодическое использование, потому и стоят в десятки раз дешевле ИБП общего назначения. При непрерывном использовании достаточно дорогостоящий прибор очень быстро окончательно выйдет из строя.

Содержание

1. Проверенные методы экономии электроэнергии
2. Приборы для экономии электроэнергии
3. Видео: простые способы экономии электричества
> Обсуждение

Первая мысль, посещающая человека, решившего начать экономить – это снижение потребления электроэнергии. Действительно, в современных квартирах установлено огромное количество бытовых приборов, работающих от сети: микроволновки, чайники, утюги, телевизоры, мультиварки и многое другое. Все эти вещи созданы для облегчения человеческого труда, а за получаемые блага, как известно, приходится платить. В этом случае, мы расплачиваемся огромным потреблением электроэнергии, что порой, очень сильно ударяет по семейному бюджету.

На сегодняшний день существует масса полезных советов по сбережению электроэнергии. Данные советы не представляют ничего сложного, но для эффективности требуют ежедневного применения. Кроме того, сокращение потребления электричества, благотворно сказывается не только на семейном бюджете, но и более глобальных вещах, а именно:

• Снижается количество вредных выбросов в окружающую среду;
• Снижается энергоемкость экономики страны;
• Повышается комфорт в помещении;
• Происходит экономия энергоресурсов для последующих поколений.

Проверенные методы экономии электроэнергии

1. Использование энергосберегающих ламп

Одним из способов экономить свет является простая замена обычных ламп накаливания на энергосберегающие. И хотя стоимость таких ламп колеблется от ста рублей и выше, служат они гораздо дольше. За счет того, что данные лампочки практически не нагреваются, затрачиваемая энергия уходит только на освещение. В среднем, срок их службы достигает трех лет, а годовая экономия от применения на семью из трех человек составляет в среднем 600 рублей.

2. При пользовании любой бытовой техникой следуйте прилагаемой к ней инструкции

Например, если поставить холодильник рядом с плитой или отопительной системой, затраты электроэнергии возрастут в несколько раз, так как прибору придется работать в усиленном режиме для поддержания необходимой температуры. То же самое касается и моментов, когда вы ставите в холодильник горячую пищу. Кроме того, не забывайте его во время размораживать, так как из-за наличия наледи на стенках морозильной камеры потребление электроэнергии возрастает на 15-20 процентов.

3. Уходя гасите свет

Пожалуй, данное правило является самым простым способом экономить электроэнергию. Если вы не надеетесь на свою память, напишите записку с напоминанием и повесьте около входной двери. Данный совет является одним из самых эффективных.

4. Протрите лампочки

Задумываясь о том, как экономить электричество в квартире, мало кто вспоминает о необходимости протирать лампочки. Очень немногие прислушиваются к этому совету, так как гораздо проще заменить потускневшую лампу более мощной. Стоит знать, что пыль может «съедать» до 20 процентов света, исходящего от лампы. Кроме того, не стоит забывать и про плафоны.

5. Сделайте дома косметический ремонт

Небольшой косметический ремонт так же поможет сэкономить на электричестве. Для этого вам потребуется всего лишь поклеить светлые обои и покрасить потолок в белый цвет. Светлые стены способны возвращать до восьмидесяти процентов лучей. Чем темнее обои, тем меньшей будет светоотдача, например черный цвет отдает лишь девять процентов света.

6. Используйте теплоотражающие экраны

Очень много электроэнергии поглощают обогревательные приборы, используемые в осенне-зимний период. Сократить их использование помогут теплоотражающие экраны из фольги или пенофола, установленные за батареями. Данная мера поможет повысить температуру в комнате на 2-3 градуса.

7. Утеплите комнату

Помимо всего вышеперечисленного, можно экономить энергию, приняв простые меры по утеплению помещения. Во-первых, утеплите окна, заткнув все щели или поменяйте деревянные стеклопакеты на более качественные пластиковые. Через окна может уходить до 50% тепла. Во-вторых, повесьте на окна теплые плотные ночные занавески. В-третьих, утеплите входную дверь и лоджию, а так же пол в помещении.

8. Покупайте бытовые приборы класса «А»

Современная энергосберегающая бытовая техника потребляет гораздо меньше энергии, чем любая другая. Причем разница иногда может составлять до пятидесяти процентов. Кроме того, существуют приборы класса А+ и А++. Соответственно, их энергосберегающие способности еще выше.

9. Замена старой проводки

Иногда, повышенное потребление электричества возникает из-за старости электропроводки. В этом случае достаточно заменить ее, получив не только возможность сэкономить, но и повысив пожарную безопасность помещения.

10. Не оставляйте электроприборы в режиме «ожидания»

Телевизоры, компьютеры, музыкальные центры активно эксплуатируются лишь по несколько часов в сутки. В остальное время, они находятся в режиме ожидания, поглощая при этом электроэнергию. Так же, очень часто люди думают о том, что выключив прибор основной кнопкой, прекращается и потребление им электричества. На самом деле это не всегда так, и поэтому, более эффективным решением будет выключение прибора из сети.

Приборы для экономии электроэнергии

С развитием современных технологий появились приборы, которые помогают значительно сэкономить электроэнергию. Сюда относятся различные дистанционные и автоматические выключатели, реле, трансформаторы и многое другое. Данные чудеса техники были созданы специально с целью снижения коммунальных платежей. Благодаря этим приборам экономия электроэнергии возрастает в 8-10 раз.

Их работа заключается в возможности запрограммировать отключения света на определенное время. Обычно, таймер имеет ограничения от десяти секунд до десяти минут. Кроме того, подобные приборы очень часто оснащаются микрофонами, а их включение происходит от какого-либо определенного звука. Так же возможна установка сумеречных выключателей, реагирующих на наступление темноты.

На сегодняшний день, экономия электроэнергии не представляет ни чего сложного и зависит только от вашего желания. Помимо вышеперечисленных способов существует так же масса других советов, применяемых в народе. Самое главное – это помнить, для чего вы это делаете. А применение всех методов в совокупности поможет сократить денежные расходы на оплату коммунальных платежей в несколько раз.

Видео: простые способы экономии электричества

Содержание

1. Предостережение!
2. Вариант 1: Моргает лампочка в стационарном светильнике
3. Вариант 2: Моргает лампочка, работающая от розетки
4. Вариант 3 (глобальный): Свет мигает во всей квартире
5. Вариант 4 (иногда встречающийся): проблема в качестве лампочек
> Обсуждение

Вы ужинаете, или удобно устроились с журналом на диване. Мигнул свет, потом еще и еще. Даже если это происходит изредка, согласитесь: когда моргает свет в квартире, это раздражает. Но всегда ли нужно в таком случае вызывать электрика, ждать и брать на себя дополнительные расходы? В некоторых случаях причину можно найти и быстро устранить самому. Причем безо всякого риска и без группы допуска по электробезопасности.

Предостережение!

Но запомним накрепко: без квалификации и навыков электрика, без специального инструмента и защитных средств производить работы на ЛЮБОМ электрооборудовании, в том числе и на бытовых электроприборах, нельзя ни в коем случае! Можно только пользоваться штатными органами управления, ничего не разбирая.

Электрошок не предупредит вас о себе заранее, а последствия его непредсказуемы и могут оказаться длительными. Особенно, если вы употребляли спиртное. Уже от стопки водки электрическое сопротивление человека падает в 1000 раз, и безобидный при иных обстоятельствах щипок может оказаться смертельным ударом.

Вариант 1: Моргает лампочка в стационарном светильнике

Прежде всего – а почему моргает свет в квартире? Если мигает одна лампочка в стационарном светильнике (или одна секция в люстре), то неисправна или она, или выключатель, или участок проводки между ними.

Прислушаемся к выключателю, ухом поближе. Не слышится ли что-то вроде слабого треска или шипения? Если да – плохой контакт. Выключатель, тем не менее, может быть вполне исправен, просто на контакты или в пружинку попала грязь. Вывинтим мигающую лампочку и быстро несколько раз пощелкаем выключателем. Обратите внимание – при вывинченной лампочке, без нагрузки! Иначе и так ослабшие контакты могут подгореть, и выключатель совсем испортится. Ввинчиваем опять лампочку. Помогло? Если нет, идем дальше.

Меняем мигающую лампочку на заведомо исправную. Если нет запасной, вывинчиваем временно откуда-нибудь. Так и мигает? Что ж, дело в проводке или в электроарматуре светильника. Это уже дело мастера.

Вариант 2: Моргает лампочка, работающая от розетки

Если же мигает светильник, подключаемый в розетку, пробуем включить его в розетку, заведомо исправную, иди в несколько розеток по очереди. Перестал мигать? «Родная» розетка неисправна, нужен мастер и ремонт.

Так и мигает? Повторяем процедуру проверки выключателя и лампочки. Не помогло? Что ж, светильник нужно ремонтировать или заменить.

Вариант 3 (глобальный): Свет мигает во всей квартире

• Допустим, в квартире есть хотя бы одна комната, где свет не мигает. Тогда, скорее всего, дело в «дозе» – распределительной коробки внутри квартиры. Самим туда лезть не нужно, но электрику ваша информация может пригодиться.
• Мигает «вся квартира?» Смотрим в окна. Если мигает и в соседних домах, неисправность на подстанции либо в магистральном подводящем кабеле – фидере. Нужно сообщить в аварийную коммунальную службу либо непосредственно диспетчеру электросети – номер скажут в справочной.
• Свет в соседних домах горит ровно? Выглянем в подъезд – как там, не мигает ли? Расспросим соседей. У всех и в подъезде мигает? Неисправен фидер от подстанции до дома, либо оборудование вводного щита в доме или распределительная электросеть в нем. Тут обязательно нужно сообщить в коммунальную аварийку – домовые электросети в их ведении.
• Наконец, мигает только у вас? Возможно, неисправен предохранитель (пробка) вашей квартиры в элекрощитке на лестничной клетке. Если он доступен и есть запасной, можно заменить. Но! Если щиток опломбирован, ни в коем случае НЕ ВСКРЫВАЙТЕ его! Проблем и санкций с энергетиками потом не оберешься. И по той же причине – плюс пожарная и электробезопасность – НЕ СТАВЬТЕ ВМЕСТО ПРОБКИ «ЖУКА», самодельный предохранитель из проволоки. Пожар из-за «жука» – очень распространенная ситуация.

Вариант 4 (иногда встречающийся): проблема в качестве лампочек

Иногда свет может моргать не только из-за проблем с напряжением или электрооборудованием, а из-за низкого качества его главного источника – лампочки. Поэтому стоит относиться серьезнее к её выбору.

Как видим, если мигает свет в квартире, самому можно сделать немного. Но полученная вами информация поможет специалисту быстрее устранить неисправность, а вас, если вы знаете причину, будет не так раздражать.

Содержание

1. Как выбрать комплект домофона для установки?
2. Определение места трубки в доме и прокладка кабеля
3. Установка трубки домофона
4. Установка домофона в квартире: видеоинструкция
> Обсуждение

Установка домофона своими руками, конечно, достаточно сложная процедура, но вполне возможная. Главное, – четко следовать инструкциям. Самостоятельная установка домофона в квартире, несмотря на всю сложность, значительно экономит денежные средства.

Итак, начать следует с подготовки необходимых материалов и инструментов. Для работ потребуется:

• Нож
• Изоляционная лента
• Дрель
• Отвертка
• Дюбеля
• Плоскогубцы
• Инструмент для снятия изоляции с проводов
• Алебастр
• Шпатлевка
• Саморезы
• Экранированная «витая пара»
• Насадка на дрель для штробления стен
• Резиновые перчатки

Инструмент есть, теперь необходим «материал» для работы, поэтому следующим этапом будет выбор установочного комплекта.

Как выбрать комплект домофона для установки?

Самый простой вариант – это комплект, состоящий из аудиотрубки и аудиовызывающего устройства. Также есть возможность установки видеодомофона. Такой вариант состоит из аудиотрубки, базы с экраном и видеоглазка, который монтируется непосредственно на входную дверь. Для правильного монтажа такой системы необходимо четко соблюдать последовательность подключения внутренних жил кабеля согласно их цветовой маркировке.

Наиболее удобным комплектом для установки в квартире будет самое обычное изделие, так как аудиовызывающее устройство устанавливается на входной двери подъезда. Часто решение обзавестись домофоном является коллективным по желанию всех жильцов подъезда и, как правило, удобней всего в этом случае будет обычная модель. Видеодомофон, в свою очередь, больше подходит для эксплуатации в частных домах и коттеджах.

Определение места трубки в доме и прокладка кабеля

Трубка может быть установлена абсолютно в любом месте квартиры. Главное, чтобы она находилась в пределах слышимости. Традиционным местом для домофона в квартире является стена рядом с входной дверью.

Самой трудоемкой частью процедуры монтажа домофона своими руками является прокладка кабеля. Необходимо определить, где находится необходимый конец провода, идущего от аудиовызывающего устройства, расположенного на входной двери в парадную. Его можно найти внутри щитка, который находится на лестничной клетке. Когда необходимый конец кабеля найден, его необходимо удлинить. То есть соединить с экранированной «витой парой», которая будет подключаться к домофону в жилом помещении. Обязательно надо учитывать, что длина провода не должна превышать 30-40 метров, потому что на большем расстоянии сигнал может быть утерян.

Удлиненный провод прокладывается внутри стены. Для этого необходимо пробить специальные каналы в стене. Потребуется специальная насадка на дрель. После помещения кабеля в готовые каналы, штробы заделываются алебастром, затем шпаклюются.

Более безобидным для стен вариантом будет прокладка провода в специальных пластиковых кабель-каналах. Они легко прокладываются вдоль дверной коробки (если установка трубки производится у двери).

В парадной кабель помещается в гофро-трубу. Важно, что бы провод не провисал, и на нем не было заломов. Обязательно нужно следить за тем, чтобы провод идущий от домофона не прокладывался вблизи силовых кабелей.

Схема установки домофона и прокладки кабеля в квартире обычно включена в стандартную комплектацию изделия.

Установка трубки домофона

Последний этапом установки домофона является монтаж его трубки. Делается достаточно быстро и просто, по сравнению с предыдущими этапами. На стене делаются отметки в том месте, где должны быть крепления. Ориентируясь по отметкам, в стене сверлятся отверстия. Затем в них помещаются дюбеля, либо деревянные чопики. В дюбеля (или в чопики), в свою очередь, вкручиваются саморезы. К домофону подключаются провода, и он помещается на свое законное место. Если система подключена правильно, домофон может быть готов к работе. Если он не работает, значит, при выполнении инструкций была допущена ошибка.

Установка домофона в квартире: видеоинструкция

Что касается стоимости установки домофона частными мастерами, то в совокупности с прокладкой кабеля она может стоить более 10 000 рублей. Поэтому, установив домофон самостоятельно, можно сэкономить немалую сумму.

Содержание

1. Что влияет на энергопотребление?
2. Базовые показатели потребления электричества
3. Точный расчет расхода энергии
4. Видео: расход электроэнергии теплого пола
> Обсуждение

Если вы задумываетесь о приобретении системы теплого пола для своей квартиры, то перед вами неизбежно возникнет вопрос: сколько энергии потребляет теплый пол? Как вы понимаете, четкого ответа на этот вопрос нет. Все зависит от типа пола и отапливаемого помещения. Сегодня мы поговорим об электрическом теплом поле.

Что влияет на энергопотребление?

Если подходить к этому вопросу научно, то необходимо определять тепловые потери комнаты. На потребление устройства влияют такие факторы, как:

• Будет ли система использоваться для комфортного подогрева помещения или отопления всей комнаты;
• Уровень теплоизоляции помещения. Чем лучше утеплены окна, двери, стены, тем меньше будет тратиться энергии на обогрев;
• Климат. Холоднее погода – больше потребление;
• Вид напольного покрытия. Например, плитку зачастую хочется сделать теплее;
• Количество человек в помещении. Если вас часто не бывает дома, то теплый пол нецелесообразно включать и, соответственно получается экономия;
• Личные особенности человека и его восприятия тепла;
• Вид термогулятора, который позволяет экономить до 30% тепла; применение теплоизоляции.

Базовые показатели потребления электричества

Основные цифры, по которым можно определить расход электроэнергии:

• При комфортном обогреве мощность установленного теплого пола варьируется от 110 до 160Вт на квадратный метр.
• При основном обогреве – мощность составляет до 200 Вт на квадратный метр.

Как сообщается в исследованиях работы теплых полов, эти системы интенсивно тратят электричество лишь на этапе прогрева – выхода на рабочий режим. Достигнув заданной хозяином температуры, пол снижает энергопотребление, поддерживая установленное значение. Это происходит путем периодического включения-выключения системы. В целом за 1 час пол работает около 10-15 минут, значит в сутки – примерно 6 часов.

Точный расчет расхода энергии

Сделаем небольшой примерный расчет и посчитаем максимальное потребление системы в помещении площадью 14 квадратных метров в обычном доме «хрущевке»:

Площадь обогреваемого участка помещения – 10 квадратных метров.

Учитывайте, что систему теплого пола достаточно установить на площади в 70% от общей, чтобы обеспечить обогрев всего помещения.

Мощность нашей воображаемой системы – 150 Вт на 1м2. Следовательно, общая номинальная мощность равна: 150 Вт*10 м2=1,5 киловатта.

Пол у нас включен постоянно, это значит, в сутки он работает от 6 до 8 часов. Умножаем 8 часов на 1,5 кВт и получаем максимальное энергопотребление установки в день: 1,5 кВт*8 ч= 12 кВт*ч.

В месяц получится: 12 кВт*ч*30=360 кВт*ч. В среднем по России стоимость 1 кВТ*ч равна 2,5 рублям.

В итоге получаем: 360 кВт*ч * 2,5 руб.=900 рублей.

Напомним, что это максимальная цифра. Реальный расход энергии будет намного ниже, если вы будете выключать полы летом, установите терморегулятор, который будет следить за температурой, а также отключаться, когда вы уходите и включаться по вашему возвращению. Экономьте и тепло всегда будет с вами.

Видео: расход электроэнергии теплого пола