Układ wykrywający spadek napięcia 230V AC – transformator, komparator, przekaźniki Finder, Relpol, Schneider

Pytanie

układ wykrywający spadek napięcia sieci domowej

Odpowiedź Sztucznej Inteligencji

Bezpośrednia odpowiedź na pytanie

• Najprostszą i zarazem bezpieczną metodą detekcji spadku napięcia sieci 230 V AC jest wykorzystanie transformatora pomiarowego (zapewnia izolację), prostownika, dzielnika napięcia i komparatora z histerezą; układ zmienia stan wyjścia, gdy napięcie skuteczne spadnie poniżej zadanego progu (np. 195 V).
• Do zastosowań wymagających rejestracji lub zdalnego alarmu lepiej sprawdza się układ z mikrokontrolerem (ADC + Wi-Fi/GSM) lub gotowy przekaźnik/zabezpieczenie podnapięciowe na szynę DIN.

Kluczowe punkty
• izolacja galwaniczna od sieci (transformator lub transoptor AC),
• precyzyjne źródło odniesienia i histereza zapobiegająca „drganiom”,
• filtracja/zwłoka czasowa eliminująca krótkie zakłócenia,
• zgodność z PN-EN 50160 (±10 %) oraz PN-EN 61010 (bezpieczeństwo pomiarowe).

Szczegółowa analiza problemu

1. Parametry graniczne i normy

– Napięcie znamionowe w Polsce: 230 V ±10 % (207–253 V, wg PN-EN 50160).
– Typowy próg ostrzegawczy: 200 V (≈ –13 %), awaryjny: 185–190 V.
– Czas reakcji zależny od aplikacji:
• < 20 ms – ochrona serwerów/UPS,
• 100 ms…1 s – ochrona AGD/RTV.

2. Prosty układ analogowy (rys. blokowy)

230 V AC → transformator 230/9 V → mostek Graetza → RC (1000 µF / 47 Ω) → dzielnik R1:R2 (np. 100 kΩ:10 kΩ) → komparator LM393 z histerezą → tranzystor opto-MOS lub przekaźnik → sygnalizacja/sterowanie.

Wartość napięcia stałego po wyprostowaniu:
\[ V{DC} \approx \sqrt{2}\,V{AC(\text{rms})} - 2V_F \]
(z uwzględnieniem spadku na diodach). Porównujemy ją z napięciem odniesienia (TL431 lub dioda Zenera). Histerezę realizujemy rezystorem zwrotnym (R_H).

Zalety: niska cena, natychmiastowa reakcja.
Wady: brak cyfrowej rejestracji, konieczność kalibracji.

3. Układ z mikrokontrolerem

Bloki: identyczny czujnik napięcia + ADC µC (np. ESP32 12-bit), próbkowanie 1 kS/s, filtracja cyfrowa (okno 20 ms) → RMS → logika progowa → MQTT/SMS/e-mail.
Korzyści: programowalne progi, zapamiętywanie zdarzeń, integracja Smart-Home (Home-Assistant, OpenHAB).
Przykładowy algorytm:

1. Akumulator 64 próbek (20 ms).
2. Oblicz \(V_{\text{rms}} = \sqrt{\frac{1}{N}\sum v_i^2}\).
3. Jeśli \(V_{\text{rms}} < V_\text{TH\_LOW}\) przez > N_dip próbek, generuj alert.
4. Po powrocie powyżej \(V_\text{TH\_HIGH}\)–kasuj alert (histereza cyfrowa).

4. Gotowe przekaźniki podnapięciowe

Przykłady (2024 r.): Finder 70.22, Schneider RM17TE00, Relpol PZ-831. Funkcje: ustawiany próg 160…210 V, zwłoka 0,1…30 s, styk 8 A/250 V. Instalacja na szynie DIN, zgodność z EN 60255.

5. Układy scalone do bezpośredniej detekcji AC

– MID400 (Fairchild/OnSemi) – optoizolator AC z wyjściem logicznym (sygnalizuje obecność/brak).
– ZXCT21x, MAX9938 – czujniki napięcia z programowalnym progiem (praca do 60 V, stosowane po transformatorze).
– Analog Devices ADE7953/ADE9153A – układy pomiaru energii z wbudowaną detekcją sag/swell wg IEC 61000-4-30 Class S.

Aktualne informacje i trendy

• Rynek 2023-2024: dominują kompaktowe „Voltage Monitoring Relays” z komunikacją Modbus/TCP (Eaton EMR6-VU, Lovato VPR), integracja z BMS/SCADA.
• Rozwiązania IoT: smart-gniazdka typu Shelly Plug S czy Sonoff POW Elite mierzą RMS i raportują spadki przez MQTT/cloud.
• Trendy na lata 2025+: układy zarządzania energią domową (HEMS) z predykcyjną analizą jakości zasilania (AI, ML), współpraca z magazynami energii i PV.

Wspierające wyjaśnienia i detale

• Transformator pomiarowy 1–2 VA o klasie 0,5 / 1 % zapewnia liniowość do 10 % poniżej nominalnego.
• Warto dodać filtr dolnoprzepustowy 2-rzędu (f-3dB≈25 Hz) przed ADC – tłumi zakłócenia wyższych harmonicznych.
• Przy testach używamy autotransformatora (variac) lub generatora zaburzeń wg IEC 61000-4-11 (dips 0, 40, 70, 80 %).

Aspekty etyczne i prawne

• Urządzenie podłączane do instalacji stałej podlega Dyrektywie Niskonapięciowej (LVD 2014/35/UE) i znakowi CE.
• Komunikacja bezprzewodowa → zgodność z RED (2014/53/UE).
• Jeśli dane o napięciu są przesyłane w chmurę, należy chronić je zgodnie z RODO; wrażliwe informacje o obecności domowników mogą być pochodną logów zasilania.
• Testy kompatybilności EMC – normy EN 61000-6-1/3 (środowisko domowe).

Praktyczne wskazówki

1. Wybierz próg detekcji: 200 V (alarm), 185 V (wyłączenie krytycznego obciążenia).
2. Histereza 5–10 V eliminuje oscylacje.
3. Zwłoka 50–200 ms chroni przed krótkimi dipami (np. rozruch silnika).
4. Zabezpieczenia: warystor 275 V, bezpiecznik 250 mA T przed transformatorem; na stronie wtórnej – bezpiecznik polimerowy 100 mA.
5. Obudowa z UL94-V0, zaciski z ochroną palcową IP20.

Ewentualne zastrzeżenia lub uwagi dodatkowe

• Dzielniki rezystorowe bez transformatora „na żywo” są dopuszczalne tylko w klasie urządzeń II i wyłącznie w sprzęcie fabrycznym z pełnym badaniem bezpieczeństwa – w projektach DIY należy ich unikać.
• Komparatory muszą mieć odpowiedni „common-mode range”, inaczej przy bardzo niskim napięciu sieci mogą wejść w niezdefiniowany stan.
• Układy bazujące wyłącznie na pomiarze wartości szczytowej mogą mylnie interpretować silnie zniekształcone przebiegi – dla instalacji z falownikami PV lepszy jest pomiar True RMS.

Sugestie dalszych badań

• Ocena wpływu harmonicznych (THD) na dokładność progu detekcji – pomiary w typowej sieci z ładowarkami EV.
• Integracja funkcji undervoltage + overvoltage + częstotliwość (dips/swell, 47–53 Hz) w jednym domowym module.
• Zastosowanie układów pomiarowych z kalibracją fabryczną (ADE9153A Self-Calibration) – możliwe uproszczenie produkcji seryjnej.
• Analiza współpracy z lokalnym magazynem energii (LiFePO4) – automatyczne przełączenie na zasilanie bateryjne przy spadku < 200 V.

Krótkie podsumowanie

Projekt detektora spadku napięcia 230 V sprowadza się do: bezpiecznego obniżenia i izolacji sygnału, przetworzenia (ADC lub komparator), wprowadzenia histerezy i zwłoki oraz wyprowadzenia sygnału alarmowego/sterującego. W praktyce można wybrać:
– układ analogowy (niski koszt, szybka reakcja),
– układ cyfrowy z mikrokontrolerem (elastyczność, rejestracja),
– gotowy przekaźnik podnapięciowy (pewność, certyfikaty).

Kluczowe jest dotrzymanie wymogów bezpieczeństwa (LVD, EMC), poprawne skalibrowanie progu poniżej 207 V, a w rozwiązaniach IoT – ochrona danych. Dzięki tym zasadom możliwe jest niezawodne wykrywanie dipów napięcia i skuteczna ochrona wrażliwych odbiorników w instalacji domowej.