Схемы стабилизаторов постоянного напряжения защитой по току. Стабилизатор напряжения с двойной защитой

Простенькая относительно схемка, со средними параметрами, на основe транзисторoв с большим усилением. Была сделана для своих нужд в качестве лабораторного.
Часто приходилось заниматься ремонтом или запуском разных схем, для которых нужно было просто иметь чем их питать 3V, 5V, 6V, 9V, 12V... И каждый раз искал что-нибудь подходящее. В ход шли блоки питания от калькуляторов, магнитофонов, аккумуляторы, батарейки. Иногда радовался, что соответствующий источник не давал больших токов, таким образом спасая меня от лишних трат. Конечно делал одно- двух-транзисторные стабилизаторы для решения этой проблемы, но резульнаты не удовлетворяли. Где-то на второй волне вдохновения родилось то, с чем хочу поделится.
Применяется до сих пор при ремонте и запуске устройств, если подходит выходное напряжение конечно. А также при не совсем обычном применении – проверка стабилитронов, зарядка пальчиковых аккумуляторов, просто как источник стабильного тока. В таких случаях крайне удобно наличие хотя бы вольтметра на выходе.

Схема

Устройство разрабатывалось для выходного напряжения 1...12V и регулирования выходного тока в пределах 0,15...3А. Конечно для хороших результатов поставил транзисторы с усилением более 500 (сняты с платы МЦ-31 телевизора 3усцт), а составной регулирующий – около 10 000 (если измеритель не врёт – взял из модуля СКР телевизора 2усцт, коррекция растра).
Важно наверно, что питал схему от автомобильного аккумулятора, когда снимал данные.
Далее поставил трансформатор и некоторые чудеса, типа 3А при 12V, стали невозможными. Падало напряжение на выходе выпрямителя. Кому ещё интересно – ближе к схеме.

Схема стабилизатора напряжения с регулируемым ограничением выходного тока

Итак, на Х1 подаётся минус источникa напряжения, а с Х2 берётся стабилизированное и ограниченное в выходном токе напряжение. Если вкратце, то VТ3 – регулирующий, VТ4 – компаратор и усилитель сигнала ошибки стабилизатора напряжения, VТ1 - компаратор и усилитель сигнала ошибки стабилизатора выходного тока, VТ2 - датчик наличия ограничения выходного тока. За основу был взят распространённый вариант стабилизатора напряжения.

Исходная схема с фиксированным напряжением и защитой по току

Она слегка изменена, чтобы можно было менять в возможно бОльших пределах выходное напряжение, и убрать блокирование стабилизатора. Добавлен R8, чтобы сделать возможным работу схемы ограничения выходного тока на VТ1. Добавлен R7 и VD3 для установки пределов изменения выходного напряжения. Конденсаторы С1 и С2 помогут уменьшить пульсации на выходе.

Теперь позвольте мне пройтись с объяснениями по второму кругу (cм. первую схему). При появлении на входе Х1 относительно общего провода отрицательного постоянного напряжения в пределах 9...15V, появится ток в цепи R2-VD2-R6-VD1. На стабилитроне VD1 появится стабильное напряжение. Часть этого напряжения подаётся на базу VТ4, который в результате откроется. Его ток коллектора откроет VТ3. Ток коллектора VТ3 зарядит С2, а через делитель R9, R10 часть напряжения С2 (оно же выходное) поступит на эмитер VТ4. Этот факт не позволит выходному напряжению расти больше чем удвоенное (Uбазы VT4 - 0,6V). Удвоенное потому, что делитель R9, R10 на два. Так как на базе VT4 напряжение стабильно, выходное тоже будет стабильным. Это есть рабочий режим. Транзисторы VТ1, VТ2 закрыты и никак не влияют.

Подсоединим нагрузку. Появится ток нагрузки. Он потечёт по цепи R2, Э-К VТ3 и дальше в нагрузку. R2 здесь работает датчиком тока. Пропорционально току на нём появляется напряжение. Это напряжение суммируется с частью напряжения, взятого с помощью R5 от VD2 и прилагается к базовому переходу VТ1 (R3 – чисто для ограничения тока базы VТ1 при бросках и защиты таким образом VТ1) и когда оно становится достаточным для открытия VТ1, устройство входит в режим ограничения выходного тока. Часть тока коллектора VТ4, который раньше поступал в базу VТ3, сейчас уходит через переход база-эмитер VТ2 в коллектор VТ1.
Благодаря большому коэффициенту усиления транзисторов, напряжение база-эмитер VТ1 будет поддерживаться около 0,6V. Это значит, что напряжение на R2 будет неизменным, следовательно и ток через него, а дальше через нагрузку тоже. Движком R5 можно выбирать ограничение тока от минимального до почти 3А.
При наличии режима ограничении тока открыт и VТ2, своим током коллектора он зажжёт светодиод HL1. Следует понимать, что ограничение тока «имеет приоритет» перед «стабильностью» выходного напряжения.

На выходе устройства я поставил вольтметр, а вот когда нужно ограничение на определённом токе, просто закорачиваю выход тестером в режиме амперметра и с помощью R5 добиваюсь желаемого.

Детали

Схемка простинькая но всё хорошее основано на большом усилении транзисторов (более 500). А VТ3 вообще составной. Букв на названиях транзисторов нет, но должны все подойти. У меня все «Г». Главное – усиление и малые утечки. В справочнике пишут, что у некоторых букв «Ку» от 200, но мои все имели более 600. Переменники попались группы А. Для VТ3 нужен радиатор. Я поставил какой был и влез в корпус. Максимальную надежность обеспечит лишь радиатор, расчитанный на рассеивание мощности равной Uвходное умножить на 3А, т.е. 30...50Вт.
Думаю мало кому понадобится 1V на 3А долговременно, поэтому смело можно ставить радиатор в 2...3 раза меньше.

VD2 и VD3 служат источниками напряжения в 0,6V. Можно использовать и другие кремниевые диоды. R4 – несколько сдвигает порог, когда загорается светодиод. Если он горит, значит вовсю идет ограничение выходного тока. R1 просто ограничивает ток светодиода. Потенциометры можно и с большим номиналом (в 2...3 раза). R8 можно уменьшить (где-то до 4к), если у транзистора VТ3 не хватит усиления.

С печатной платой – как обычно в простых схемах, изготавливаемых в единственном экземпляре. Была плата для другого регулируемого стабилизатора напряжения, параметры которого не устраивали. Она была превращена в макетницу и на ней собрана данная схема. Резисторы использованы на 0,25 Вт (можно и 0,125) – не вижу особых требований. При 3А (если Ваш выпрямитель их даст) – заводской проволочный R2 (2 Вт-а) будет на пределе и наверно стоит ставить мощнее (5Вт). Электролиты - К50-16 на 16V.

Eсли нет составного транзистора – «составьте» его из чего есть. Начните с КТ817 + КТ315, с буквами «Б» и дальше. (Если всё же не хватит усиления у VТ3, я бы уменьшил R9 и R10 до 200 Ом и R8 до 2 кОм).

Трансформатор, выпрямитель и конденсатор фильтра – Ваши. Они не менее важны, но я хотел рассказать только о таком более-менее универсальном стабилизаторе. (У меня стоит 10-ватный транс на 10V/1А переменного, откуда-то взятый блочный мостик на 1А, и 4000мкФ/16V электролит фильтра. Стыдно, зато всё влезает в корпус.

Нужно заметить, что стрелочный индикатор (в схеме не указан) с помощию переключателя, можно использовать и как вольтметр и как амперметр. В первом случае видим выходное напряжение, во втором выходной ток.

Итого

Вышерасписанное устройство у меня работает в составе «всё в одном»: развитый (хоть и однополярный) блок питания, частотомер и генератор звуковых частот (синус, квадрат, треугольник). Схемы взяты из журнала «Радио». (Работают не совсем так как хотелось бы. Во-первых потому, что внёс слишком много «несанкционированных» изменений – особенно в элементной базе – поставил что имел.) Конечно имеется возможность работы головки вольтметра в качестве индикатора частоты в частотомере. При пользовании генератором – частотомер показывает частоту. Имеется и выход переменного напряжения 6,3V и 10V , на всякий случай.

Корпус, который виден на фотографии не ахти, чтобы его повторять. И вообще: всё там задумывалось, как зеркальное отражение, но загнул переднюю панель по ошибке не в ту сторону. Я растроился и не стал уже его никак украшать.

Файлы

Виктор Бабешко повторил конструкцию, прислал свой вариант печатки и фотку.
Файл в LayOut: ▼ 🕗 20/09/14 ⚖️ 17,02 Kb ⇣ 87

Для питания некоторых радиотехнических устройств требуется источник питания с повышенными требованиями к уровню минимальных выходных пульсаций и стабильности напряжения. Чтобы их обеспечить, блок питания приходится выполнять на дискретных элементах.

Приведенная на рис. 3.23 схема является универсальной и на ее основе можно сделать высококачественный источник питания на любое напряжение и ток в нагрузке. Блок питания собран на широко распространенном сдвоенном операционном усилителе (КР140УД20А) и одном силовом транзисторе VT1. При этом схема имеет защиту по току, которую можно регулировать в широких пределах. На операционном усилителе DA1.1 выполнен стабилизатор напряжения, a DA1.2 используется для обеспечения защиты по току. Микросхемы DA2, DA3 стабилизируют питание схемы управления, собранной на DA1, что позволяет улучшить параметры источника питания.

Работает схема стабилизации напряжения следующим образом. С выхода источника (Х2) снимается сигнал обратной связи по напряжению. Этот сигнал сравнивается с опорным напряжением, поступающим со стабилитрона VD1. На вход ОУ подается сигнал рассогласования (разность этих напряжений), который усиливается и поступает через резисторы R10...R11 на управление транзистором VT1.

Таким образом, выходное напряжение поддерживается на заданном уровне с точностью, определяемой коэффициентом усиления ОУ DA1.1. Нужное выходное напряжение устанавливается резистором R5. Для того, чтобы у источника питания имелась возможность устанавливать выходное напряжение более 15 В, общий провод схемы управления подключен к клемме «+» (XI). При этом для полного открывания силового транзистора (VT1) на выходе ОУ потребуется небольшое напряжение (на базе VT1 ибэ = +1,2 В). Такое построение схемы позволяет выполнять источники питания на любое напряжение, ограниченное только допустимой величиной напряжения коллектор-эмиттер (UK3) для конкретного типа силового транзистора (для КТ827А максимальное UK3 = 80 В).

В данной схеме силовой транзистор является составным и поэтому может иметь коэффициент усиления в диапазоне 750... 1700, что позволяет управлять им небольшим током — непосредственно с выхода ОУ DA1.1, что снижает число необходимых элементов и упрощает схему.

Схема защиты по току собрана на ОУ DA1.2. При протекании тока в нагрузке на резисторе R12 выделяется напряжение, которое через резистор R6 прикладывается к точке соединения R4, R8, где сравнивается с опорным уровнем. Пока эта разница отрицательна (что зависит от тока в нагрузке и величины сопротивления резистора R12) — эта часть схемы не оказывает влияния на работу стабилизатора напряжения. Как только напряжение в указанной точке станет положительным, на выходе ОУ DAL2 появится отрицательное напряжение, которое через диод VD12 уменьшит напряжение на базе силового транзистора VT1, ограничивая выходной ток.

Уровень ограничения выходного тока регулируется с помощью резистора R6. Параллельно включенные диоды на входах операционных усилителей (VD3...VD6) обеспечивают защиту микросхемы от повреждения в случае включения ее без обратной связи через транзистор VT1 или при повреждении силового транзистора. В рабочем режиме напряжение на входах ОУ близко к нулю и диоды не оказывают влияния на работу устройства. Установленный в цепи отрицательной обратной связи конденсатор СЗ ограничивает полосу усиливаемых частот, что повышает устойчивость работы схемы, предотвращая самовозбуждение.

При использовании указанных на схемах элементов данные источники питания позволяют на выходе получать стабилизированное напряжение до 50 В при токе 1...5 А.

Силовой транзистор устанавливается на радиатор, площадь которого зависит от тока в нагрузке и напряжения UK3. Для нормальной работы стабилизатора это напряжение должно быть не менее 3 В

При сборке схемы использованы детали: подстросчные резисторы R5 и R6 типа СПЗ-19а; постоянные резисторы R12 типа С5-16МВ на мощность не менее 5 Вт (мощность зависит от тока в нагрузке), остальные из серии MJ1T и С2-23 соответствующей мощности Конденсаторы CI, С2, СЗ типа К10-17, оксидные полярные конденсаторы С4...С9 типа К50-35 (К50-32). Микросхема сдвоенного операционного усилителя DA1 может быть заменена импортным аналогом цА747 или двумя микросхемами 140УД7; стабилизаторы напряжения: DA2 на 78L15, DA3 на 79L15. Параметры сетевого трансформатора Т1 зависят от необходимой мощности, поступающей в нагрузку. Во вторичной обмотке трансформатора после выпрямления на конденсаторе С6 должно обеспечиваться напряжение на 3...5 В больше, чем требуется получить на выходе стабилизатора.

В заключение можно отметить, что если источник питания предполагается использовать в широком температурном диапазоне (~60...+100°С), то для получения хороших технических характеристик необходимо применять дополнительные меры К их числу относится повышение стабильности опорных напряжений. Это можно осуществить за счет выбора стабилитронов VD1, VD2 с минимальным ТКН, а также стабилизации тока через них Обычно стабилизацию тока через стабилитрон выполняют при помощи полевого транзистора или же применением дополнительной микросхемы, работающей в режиме стабилизации тока через стабилитрон. Кроме того, стабилитроны обеспечивают наилучшую термостабильность напряжения в определенной точке своей характеристики. В паспорте на прецизионные стабилитроны обычно это значение тока указывается и именно его надо устанавливать подстроечными резисторами при настройке узла источника опорного напряжения, для чего в цепь стабилитрона временно включается миллиамперметр.

Вашему вниманию предлагается качественный, практичный мощный блок питания. Для питания некоторых радиотехнических устройств иногда требуется источник питания с повышенными требованиями к уровню минимальных выходных пульсаций и стабильности напряжения. Чтобы их обеспечить, блок питания приходится выполнять на дискретных элементах. Приведенная схема является универсальной и на ее основе можно сделать высококачественный источник питания на любое напряжение и ток в нагрузке.

Рис.1

Блок питания собран на широко распространенном сдвоенном операционном усилителе (КР140УД20А) и трех силовых транзисторах VT1- VT 3 N - P - N -проводимости. При этом схема имеет защиту по току, которую можно регулировать в широких пределах и которая должна срабатывать достаточно быстро, чтобы исключить повреждение самого источника в случае короткого замыкания на выходе. На операционном усилителе DA1.1 выполнен стабилизатор напряжения, a DA1.2 используется для обеспечения защиты по току. Микросхемы DA2, DA3 стабилизируют питание схемы управления, собранной на DA1, что позволяет улучшить параметры источника питания. Работает схема стабилизации напряжения следующим образом. С выхода источника (Х2) снимается обратная связь по напряжению. Этот сигнал сравнивается с опорным напряжением, поступающим со стабилитрона VD1. На вход ОУ подается сигнал рассогласования (разность этих напряжений), который усиливается и поступает через R16-R17 на управление транзисторами VT1- VT 3. Таким образом, выходное напряжение поддерживается на заданном уровне с точностью, определяемой коэффициентом усиления ОУ DA1.1. Нужное выходное напряжение устанавливается резисторами R10- R 15. Для того, чтобы у источника питания имелась возможность устанавливать выходное напряжение более 15 В, общий провод для схемы управления подключен к клемме "+" (Х1). При этом для полного открывания силовых транзисторов (VT1- VT 3) на выходе ОУ потребуется небольшое напряжение (на базах Uбэ=+1,2 В). Такое построение схемы позволяет выполнять источники питания на любое напряжение, ограниченное только допустимой величиной напряжения коллектор-эмиттер (Uкэ) для конкретного типа силовых транзисторов (для КТ827А максимальное Uкэ=100 В, КТ827Б - 80 В). В данной схеме силовые транзисторы являются составными и, поэтому могут иметь коэффициент усиления в диапазоне 750... 18000, что позволяет управлять ими небольшим током - непосредственно с выхода ОУ DA1.1. Это снижает число необходимых элементов и упрощает схему. Схема защиты по току собрана на ОУ DA1.2. При протекании тока в нагрузке на резисторе R5 выделяется напряжение. Оно через резистор R11 прикладывается к точке соединения R9-R13, где сравнивается с опорным уровнем. Пока эта разница отрицательна (что зависит от тока в нагрузке и величины сопротивления резистора R5) - эта часть схемы не оказывает влияния на работу стабилизатора напряжения. Как только напряжение в указанной точке станет положительным, на выходе ОУ DA1.2 появится отрицательное напряжение, которое через диод VD9 уменьшит напряжение на базе силовых транзисторов VT1- VT 3, ограничивая выходной ток. Уровень ограничения выходного тока регулируется с помощью резистора R11. Параллельно включенные диоды на входах операционных усилителей (VD5...VD8) обеспечивают защиту микросхемы от повреждения в случае включения ее без обратной связи через транзисторы VT1- VT 3 или при повреждении (одного из) силовых из транзисторов. В рабочем режиме напряжение на входах ОУ близко к нулю, и диоды не оказывают влияния на работу устройства. Установленный в цепи отрицательной обратной связи конденсатор С12 ограничивает полосу усиливаемых частот, что повышает устойчивость работы схемы, предотвращая самовозбуждение.

При использовании указанных на схемах элементов данные источники питания позволяют на выходе получать стабилизированное напряжение до 50 В при токе до 5 А. Силовые транзисторы устанавливаются на радиатор, площадь которого зависит от тока в нагрузке и напряжения Uкэ (не менее 1500см2). Для нормальной работы стабилизатора это напряжение должно быть не менее 3 В. R 1-для разрядки емкостей после выключения БП.

Аналогично выполнена вторая половина БП на основе 3-х параллельно соединенных транзисторах P - N - P -проводимости 2Т825А (КТ825Г).

Рис.2

При сборке схемы кроме указанных можно использовать: диоды выпрямителя (диодный мост), рассчитанные на ток не менее 10А, напряжение более 200В (на радиаторы), VD 5- VD 8-1 N 4148, VD 9- VD 10-любые на ток 1А, напряжение 100В, переменные, подстроечные резисторы R 11 (впоследствии заменен галетным переключателем с установленными и предварительно подобранными в ходе настройки токоограничивающими резисторами), R 10 и R15 типа СП3-19а, СПО-0,5 и т.д. (в схеме использованы многооборотные проволочные для плавного изменения напряжения на выходе с точностью до 0,1В; постоянные резисторы R2- R 5 типа С5-16МВ (проволочные или импортные) на мощность не менее 5 Вт (мощность зависит от тока в нагрузке), остальные из серии МЛТ, ВС, С2-23 соответствующей мощности. Конденсаторы С4, С5, С14 желательно качественные, например полипропиленовые (импортные с маркировкой МКР). Микросхема сдвоенного операционного усилителя DA1 может быть заменена импортным аналогом мА747С или двумя микросхемами К(Р)140УД7 (соответственно согласно цоколевке необходима правильная печатная плата); стабилизаторы напряжения: DA2-DA3-любые отечественные, импортные на +-15В (78 L 15,79L15 и т.д.). С12-типа К10-17, С10-С11-пленочные (К73-17 и др.).Стабилитроны VD1, VD2 с минимальным ТКН - Д818 (с любым буквенным индексом). Параметры сетевого трансформатора Тр1 зависят от необходимой мощности, поступающей в нагрузку (в данном случае ОСМ-0,4кВт). Во вторичной обмотке трансформатора после выпрямления на конденсаторе С2 должно обеспечиваться напряжение на 5-7 В больше, чем требуется получить на выходе стабилизатора (41 В-переменное). Мощная вторичная обмотка намотана в два провода сечением 0,85мм2 каждый, одинарный должен быть сечением не менее 1,5мм2. В качестве Тр2-любой мощностью около 20Вт, имеющий две сдвоенные обмотки 2х 17 В (на каждую половину БП свои отдельные обмотки с общей точкой для питания стабилизаторов) с током нагрузки 200мА. Выходные транзисторы необходимо подобрать с близкими параметрами, а именно: по коэффициенту усиления. Для этого во время настройки, подбора постоянных резисторов вместо R 11- мультиметрами подключится к резисторам R 2- R 4, расположенных на радиаторе (можно по очереди, если нет достаточного количества мультиметров), подключить нагрузку к примеру с током 1 А и зафиксировать значения падений напряжений (по постоянному току) на каждом из резисторов, сравнить их, они должны быть максимально близки друг к друга, если имеется существенное отличие на каком-то резисторе, то необходимо заменить данный транзистор на другой и повторить измерения. Такое количество применяемых мощных транзисторов вызвано тем, чтобы более равномерно распределить тепловыделение на них при большой нагрузке, что обеспечит стабильность, устойчивость работы БП в целом, хотя и один транзистор достаточно устойчив к работе в предельных режимах. В ходе испытаний при токе 5А два транзистора из трех КТ827А дали утечку между КЭ (не пробой, R кэ=9ком),видимо, вследствие сильного разброса параметров. Амперметр с током полного отклонения 5 и более ампер (с шунтом там, где это необходимо).

Прошу учесть, если нагрузка в виде спирали (мощного проволочного резистора), то с течением времени она (он) будет нагреваться и, соответственно, сопротивление будет увеличиваться, а ток, наоборот, уменьшаться, поэтому измерения желательно осуществлять быстро.

Извините за некачественную печатную плату от руки (элементы выпрямителя и фильтрации по питанию, платы стабилизаций по питанию +-15В не указаны, хотя реально они расположены на одной печатной плате.).

рис.3

Схемы представлены с учетом ошибок, допущенных в оригинале: Шелестов И.П. «Радиолюбителям. Полезные схемы». Книга 3 - 2001г. Там есть и печатная плата с использованием индикации «Режим стабилизация тока или напряжения» в виде светодиодов. Стабилизация напряжения под нагрузкой осуществляется с точностью до 0,001мВ. Самовозбуждения нет, не смотря на относительно длинные провода, идущие от выходных транзисторов к плате (проверено на осциллографе С1-94). Силовые проводники должны быть сечением не менее 1,5мм2. В плане удобства пользования и эстетики оформления с успехом можно использовать и встраиваемые цифровые вольтметры (вольтамперметры), как это сделано на одном из каналов. Вольтметр постоянного тока (стрелочный) - желательно с классом точности не ниже 1,5%.Соединив нерегулируемые выводы плюса и минуса диодных мостов обоих плеч, получим общую точку. Либо для удобства в процессе эксплуатации вывести на переднюю панель данные клеммы, а при необходимости использования питания с общей точкой, вставить в эти клеммы (гнезда) короткозамкнутую вилку.
Недостаток: не сделал отводы от вторичных (силовых) обмоток (например, от 20 В) с целью уменьшения тепловыделения от радиаторов выходных транзисторов при использовании нагрузки большой мощности, но при малом выходном напряжении.
В заключении хочу отметить, что мной собрано достаточно много схем блоков (источников) питания (стабилизаторов напряжения), с моей точки зрения эта схема самая достойная, практичная для радиолюбителей, к БП можно и подключить усилитель мощности (в процессе настройки) и заодно оценить качество его звучания по сравнению со стандартным (обычным) выпрямленным источником питания.

Предлагаемый стабилизатор имеет раздельную защиту от перегрузки по току и КЗ. При КЗ на выходе стабилизатора срабатывает узел защиты на VT3 (рис.1). При перегрузке по току срабатывает защита на VS1 и К1.

Рис.1. Схема стабилизатора напряжения

Узел электронной защиты срабатывает, когда ток нагрузки создает на резисторе R6 падение напряжения, достаточное для открывания тиристора VS1, т.е. когда разность напряжений между управляющим электродом и катодом тиристора достигает приблизительно 1 В. Возникающий при этом отрицательный импульс напряжения через диод VD3 поступает на базу транзистора VT3 и практически закрывает его, а следовательно, и регулирующий транзистор VT1. Одновременно диод VD3 защищает транзистор VT3 от попадания на его базу положительного напряжения из анодной цепи тиристора.

Однако электронная система защиты все же не предохраняет полностью транзистор VT1 от теплового пробоя остаточным током, особенно если транзистор уже был разогрет в процессе работы, или продолжительное время не нажимали кнопку SB1.

Для предотвращения теплового пробоя транзистора VT1 и служит электромагнитная система защиты, срабатывающая через несколько миллисекунд (зависит от используемого реле К1) после того, как тиристор VS1 откроется. Тогда срабатывает реле К1. Его контакты К1.1 замыкают базу VT3 на минусовый проводник источника питания, а контакты К1.2 включают светодиод HL2 - сигнализатор действия защиты. После устранения причины перегрузки достаточно кратковременно нажать кнопку SB1, чтобы восстановить прежний режим работы блока питания, не отключая устройство от сети.

На вход стабилизатора подается от выпрямителя постоянное напряжение 40 В. Выходное стабилизированное напряжение от 3 В до 30 В устанавливается резистором R2. Максимальный ток нагрузки - 2 А. Ток нагрузки контролируют головкой РА1, переключив SA1.

Детали стабилизатора смонтированы на плате из фольгированного стеклотекстолита (рис. 2 и 3) и на лицевой панели корпуса блока питания. Регулирующий транзистор VT1 установлен на теплоотводе. Транзистор КТ825А можно заменить на КТ825Б, Г; КТ818В, Г, ВМ, ГМ; КТ814Г - на КТ814В, Б; КТ816Б, В, Г; КТ315В - на КТ315Г, Д, Е.

Рис.2. Печатная плата - сторона печатных проводников

Рис.3. Печатная плата - сторона монтажа

Тиристор КУ202К заменяется на КУ201В...КУ201Л, КУ202В...КУ202Н. Вместо диода Д220А (VD2) подойдут Д219, Д220, Д223, КД102, КД103 с любыми буквенными индексами, а вместо диода КД105Б (VD3, VD4, VD5) - КД106А или любой другой кремниевый с прямым током до 300 мА и обратным напряжением не менее 50 В.

Переменный резистор R2 - любого типа с характеристикой А. Реле К1 - РЭС48А (паспорт РС4.590.206) или другое с двумя группами переключающих контактов, срабатывающее при напряжении не более 30 В.

Резистор R6 выполнен в виде нескольких витков константанового, нихромового или манганинового провода, намотанного на корпус резистора МЛТ-1. Его сопротивление определяется значением тока срабатывания, что, в свою очередь, зависит от напряжения на управляющем электроде тиристора, при котором он открывается. Так, например, если за максимальный ток срабатывания защиты принять 2 А, а тиристор открывается при напряжении на управляющем электроде около 1 В, сопротивление резистора R6 должно быть (по закону Ома) близко к 0,5 Ом. Возможно применение резисторов типа С5-16 соответствующей мощности.

Более точно сопротивление резистора подгоняют под выбранный предел срабатывания защиты в таком порядке. К выходу стабилизатора подключают соединенные последовательно амперметр и проволочный переменный резистор сопротивлением 25...30 Ом. На вход стабилизатора подают соответствующее напряжение от выпрямителя, и резистором R2 устанавливают на выходе напряжение 10...15 В. Затем переменным резистором, выполняющим функцию эквивалента нагрузки, устанавливают по амперметру ток, равный 2 А, и подбором сопротивления резистора R6 добиваются срабатывания системы защиты.

В радиолюбительской практике нередки обстоятельства когда от перегрузки токами меньшего значения, например, 50 или 100 мА, защищать приходится не только сам стабилизатор напряжения, но и питающееся от него устройство. При этом желательно иметь ступенчатую систему защиты, выполненную, например, по схеме, приведенной на рис.4. Здесь резистор R6.1 первой ступени, рассчитанный на минимальный ток защиты 50 мА, включен в стабилизатор постоянно, а параллельно ему переключателем SA2 подключают резисторы R6.2...R6.5 четырех других ступеней: 100 мА, 500 мА, 1 А и 2 А.

Рис.4. Ступенчатая система защиты

Указанные на схеме сопротивления резисторов - ориентировочные. Точнее их можно рассчитать, лишь зная напряжение открывания тиристора, работающего в стабилизаторе. Измерить это напряжение можно так. Движок переменного резистора R2 установите в крайнее нижнее (по схеме) положение и подключите к нему управляющий электрод тиристора, отпаяв его от правого (по схеме) вывода резистора R6.1. Затем включите питание и медленно увеличивайте резистором R2 напряжение на управляющем электроде тиристора. В момент открывания тиристора, о чем просигнализирует светодиод, измерьте вольтметром это напряжение.

Резисторы R6.2...R6.5 монтируются непосредственно на контактах переключателя SA2. Резисторы RS1 и R12 подбираются конкретно под имеющийся измерительный прибор.

Источники

1. О.Лукьянчиков. Стабилизатор напряжения с двойной защитой от КЗ в нагрузке. - Радио, 1986, N9, С.56.
2. А.Бизер. Защитные устройства блоков питания. - Радио, 1977, N2, С.47.
3. Ю.Тимлин. Сдвоенный двухполярный блок питания. - В помощь радиолюбителю, вып. 71. - М.: ДОСААФ, 1980
4. В.Борисов. Стабилизированный блок питания. - Радио, 1979, N6, С.54.

Транзисторные стабилизаторы с защитой от перегрузки (теория)

Источники питания

А. МОСКВИН, г. Екатеринбург
Радио, 2003 год, № 2- 3

О стабилизаторах напряжения непрерывного действия написано, кажется, все. Тем не менее разработка надежного и не слишком сложного (не более трех-четырех транзисторов) стабилизатора, особенно с повышенным током нагрузки, - достаточно серьезная задача, потому что на одно из первых мест выдвигается требование надежной защиты регулирующих транзисторов от перегрузки. При этом желательно, чтобы после устранения причины перегрузки нормальная работа стабилизатора восстановилась автоматически. Стремление выполнить эти требования зачастую приводит к значительному усложнению схемы стабилизатора и заметному уменьшению его КПД. Автор предлагаемой статьи пытается найти оптимальное, по его мнению, решение.

Прежде чем искать оптимальное решение, проанализируем нагрузочные характеристики Uвых = f(Iвых) стабилизаторов напряжения, выполненных по наиболее распространенным схемам. У стабилизатора, описанного в , при перегрузке выходное напряжение Uвых быстро снижается до нуля. Однако ток при этом не уменьшается и может быть достаточным, чтобы повредить нагрузку, да и мощность, рассеиваемая регулирующим транзистором, иногда превышает допустимую. В подобный стабилизатор дополнен триггерной защитой. При перегрузке уменьшается не только выходное напряжение, но и ток. Однако защита недостаточно эффективна, так как срабатывает лишь после падения выходного напряжении ниже 1 В и при некоторых условиях не устраняет тепловой перегрузки регулирующего транзистора. Чтобы возвратить подобный стабилизатор в рабочий режим, необходимо практически полностью отключить нагрузку, а это не всегда приемлемо, особенно для стабилизатора, служащего составной частью более сложного устройства.

Защита стабилизатора, схема которого изображена на рис. 1 , срабатывает уже при небольшом уменьшении выходного напряжения, вызванном перегрузкой. Номиналы элементов схемы даны для выходного напряжения 12 В в двух вариантах: без скобок, если VD1 - Д814Б, и в скобках, если он - КС139Е. Краткое описание работы подобного стабилизатора имеется в .

Его хорошие параметры объясняются тем, что все необходимые сигналы сформированы из стабилизированного выходного напряжения, а оба транзистора (регулирующий VT1 и управляющий VT2) работают в режиме усиления напряжения. Экспериментально снятые нагрузочные характеристики этого стабилизатора приведены на рис. 2 (кривые 3 и 4).

При отклонении выходного напряжения от номинала его приращение через стабилитрон VD1 передается на эмиттер транзистора VT2 почти полностью. Если не учитывать дифференциальное сопротивление стабилитрона, ΔUэ ≈ ΔUвых. Это - сигнал отрицательной ОС. Но в устройстве имеется и положительная. Ее создает часть приращения выходного напряжения, поступающая на базу транзистора через делитель напряжения R2R3:

Суммарная обратная связь в режиме стабилизации - отрицательная, сигналом ошибки служит величина,

которая по абсолютной величине тем больше, чем меньше R3 по сравнению с R2. Уменьшение этого отношения благоприятно сказывается на коэффициенте стабилизации и выходном сопротивлении стабилизатора. Учитывая, что

стабилитрон VD1 следует выбирать на максимально возможное, но меньшее выходного напряжение стабилизации.

Если заменить резистор R3 двумя включенными в прямом направлении и соединенными последовательно диодами (как предложено, например, в ), параметры стабилизатора улучшатся, так как место R3 в выражениях для ΔUб и ΔUбэ займет малое дифференциальное сопротивление открытых диодов. Однако подобная замена приводит к некоторым проблемам при переходе стабилизатора в защитный режим. На них остановимся ниже, а пока резистор R3 оставим на прежнем месте.

В режиме стабилизации падение напряжения на резисторе R1 остается практически неизменным. Ток, протекающий через этот резистор, - сумма тока стабилитрона VD1 и тока эмиттера транзистора VT2, практически равного току базы транзистора VT1. С уменьшением сопротивления нагрузки последняя составляющая тока, текущего через R1, растет, а первая (ток стабилитрона) - уменьшается вплоть до нулевого значения, после чего приращение выходного напряжения больше не передается на эмиттер транзистора VT2 через стабилитрон. В результате цепь отрицательной ОС оказывается разорванной, а продолжающая действовать положительная ОС приводит к лавинообразному закрыванию обоих транзисторов и отсечке тока нагрузки. Ток нагрузки, при превышении которого срабатывает защита, можно оценить по формуле

где h21э - коэффициент передачи тока транзистором VT1. К сожалению, h21э имеет большой разброс от экземпляра к экземпляру транзистора, зависит от тока и температуры. Поэтому резистор R1 зачастую приходится подбирать при налаживании. В стабилизаторе, рассчитанном на большой ток нагрузки, сопротивление резистора R1 невелико. В результате ток через стабилитрон VD1 при снижении тока нагрузки возрастает настолько, что приходится применять стабилитрон повышенной мощности.

Наличие в нагрузочных характеристиках (см. кривые 3 и 4 на рис. 2) сравнительно протяженных переходных участков между рабочим и защитным режимами (заметим, эти участки - самые тяжелые с точки зрения теплового режима транзистора VT1) объясняется в основном тем, что развитию процесса переключения препятствует местная отрицательная ОС через резистор R1. Чем меньше напряжение

стабилизации стабилитрона VD1, тем больше при прочих равных условиях номинал резистора R1 и тем более "затянут" переход из рабочего в защитный режим стабилизатора.

Этот, как и ранее сделанный, вывод о целесообразности применения стабилитрона VD1 с возможно большим напряжением стабилизации подтверждается экспериментально. Выходное напряжение стабилизатора по схеме, показанной на рис. 1, со стабилитроном Д814Б (Uст = 9 В), по сравнению с аналогичным стабилитроном КС139Е (UCT = 3,9 В), значительно меньше зависит от нагрузки и он более "круто" переходит в защитный режим при перегрузке.

Уменьшить и даже полностью устранить переходный участок нагрузочной характеристики стабилизатора удается, добавив в него дополнительный транзистор VT3, как показано на рис, 3. В рабочем режиме этот транзистор находится в насыщении и практически не оказывает влияния на работу стабилизатора, лишь незначительно ухудшая температурную стабильность выходного напряжения. Когда в результате перегрузки ток стабилитрона VD1 стремится к нулю, транзистор VT3 переходит в активное состояние, а затем закрывается, создавая условия для быстрого включения защиты. Плавный переходный участок нагрузочной характеристики в этом случае отсутствует (см. кривую 1 на рис. 2 ).

Диоды VD2 и VD3 в рабочем режиме стабилизируют напряжение на базе транзистора VT2, что способствует улучшению основных параметров стабилизатора. Однако без дополнительного транзистора VT3 это негативно сказывается на защите, так как ослабляет положительную составляющую ОС. Переключение в защитный режим в этом случае очень затянуто и происходит только после снижения напряжения на нагрузке до величины, близкой к поддерживаемой диодами VD2 и VD3 на базе транзистора VT2 (см. кривую 2 на рис. 2 ).

Рассмотренные стабилизаторы обладают существенным для многих применений недостатком: остаются в защитном состоянии после устранения причины перегрузки, а нередко и при подаче напряжения питания с подключенной нагрузкой не переходят в рабочий режим. Известны различные способы их запуска, например, с помощью дополнительного резистора, установленного параллельно участку коллектор-эмиттер транзистора VT1, или (как предложено в ) "подпиткой" базы транзистора VT2. Проблема решается за счет компромисса между надежностью запуска под нагрузкой и величиной тока короткого замыкания, что не всегда приемлемо. Варианты узлов запуска, рассмотренные в и , более эффективны, однако усложняют стабилизатор в целом.

Малораспространенный, но интересный способ вывода стабилизатора из защитного режима предложен в . Он заключается в том, что специально предусмотренный генератор импульсов периодически принудительно открывает регулирующий транзистор, переводя стабилизатор на некоторое время в рабочий режим. Если причина перегрузки устранена, по окончании очередного импульса защита не сработает вновь и стабилизатор продолжит нормальную работу. Средняя мощность, рассеиваемая на регулирующем транзисторе при перегрузке, возрастает незначительно.

На рис. 4 приведена схема одного из возможных вариантов стабилизатора, работающего по такому принципу. Он отличается от описанного в отсутствием отдельного узла - генератора импульсов. При перегрузке стабилизатор переходит в колебательный режим за счет положительной ОС, замыкающейся через конденсатор С1. Резистор R3 ограничивает ток зарядки конденсатора, a R4 служит нагрузкой генератора при замыкании внешней нагрузки.

В отсутствие перегрузки после подачи напряжения питания стабилизатор запускается благодаря резистору R2. Так как конденсатор С1 зашунтирован соединенными последовательно открытым диодом VD2 и резисторами R3-R5, условия самовозбуждения не выполняются и устройство работает аналогично рассмотренному ранее (см. рис. 1). Во время перехода стабилизатора в защитный режим конденсатор С1 действует как форсирующий, ускоряя развитие процесса.

Эквивалентная схема стабилизатора в защитном режиме показана на рис. 5.

При сопротивлении нагрузки Rн, равном нулю, плюсовой вывод конденсатора С1 соединен через резистор R4 с общим проводом (минусом источника входного напряжения). Напряжение, до которого конденсатор зарядился еще в режиме стабилизации, приложено к базе транзистора VT2 в отрицательной полярности и поддерживает транзистор закрытым. Конденсатор разряжается током i1. текущим через резисторы R3-R5 и открытый диод VD2. Когда напряжение на базе VT1 превысит -0,7 В, диод VD2 закроется, но перезарядка конденсатора продолжится током i2, протекающим через резистор R2. По достижении небольшого положительного напряжения на базе транзистора VT2 последний, а вместе с ним и VT1 начнут открываться. За счет положительной ОС через конденсатор С1 оба транзистора откроются полностью и некоторое время останутся в таком состоянии, покв конденсатор не зарядится током i3 почти до напряжения Uвх. после чего транзисторы закроются и цикл повторится. При указанных на схеме рис. 5 номиналах элементов длительность генерируемых импульсов - единицы миллисекунд, период повторения - 100...200 мс. Амплитуда импульсов выходного тока в защитном режиме приблизительно равна току срабатывания защиты. Среднее значение тока короткого замыкания, измеренное стрелочным миллиамперметром, - примерно 30 мА.

С увеличением сопротивления нагрузки RH наступает момент, когда при открытых транзисторах VT1 и VT2 отрицательная ОС "перевешивает" положительную и генератор вновь превращается в стабилизатор напряжения. Величина RH, при которой происходит смена режимов, зависит в основном от сопротивления резистора R3. При слишком малых его значениях (менее 5 Ом) в нагрузочной характеристике появляется гистерезис, причем при нулевом сопротивлении R3 стабилизация напряжения восстанавливается лишь при сопротивлении нагрузки более 200 Ом. Излишнее увеличение сопротивления резистора R3 приводит к тому, что в нагрузочной характеристике проявляется переходный участок.

Амплитуда импульсов отрицательной полярности на базе транзистора VT2 достигает 10 В, что может привести к электрическому пробою участка база-эмиттер этого транзистора. Однако пробой обратим, а ток его ограничен резисторами R1 и R3. Работы генератора он не нарушает. При выборе транзистора VT2 необходимо также учитывать, что напряжение, приложенное к его участку коллектор-база, достигает суммы входного и выходного напряжений стабилизатора.

В действующей аппаратуре выход стабилизатора напряжения обычно зашунтирован конденсатором (С2, показан на рис. 4 штриховой линией). Его емкость не должна превышать 200 мкФ. Ограничение связано с тем, что при перегрузке, не сопровождающейся полным замыканием выхода, этот конденсатор входит в цепь положительной ОС генератора. Практически это выражается в том, что генератор "заводится" только при значительной перегрузке, а в нагрузочной характеристике появляется гистерезис.

Сопротивление резистора R4 должно быть таким, чтобы падение напряжения на нем во время импульса было достаточным для открывания транзистора VT2 (≈1 В) и обеспечивало выполнение условий автогенерации при нулевом сопротивлении нагрузки. К сожалению, в режиме стабилизации этот резистор лишь уменьшает КПД устройства.

Для четкой работы защиты необходимо, чтобы при любом допустимом токе нагрузки минимальное (с учетом пульсаций) входное напряжение стабилизатора оставалось достаточным для его нормального функционирования. При проверке всех рассмотренных выше стабилизаторов с номинальным выходным напряжением 12 В источником питания служил мостовой диодный выпрямитель на 14 В с конденсатором емкостью 10000 мкФ на выходе. Напряжение пульсаций на выходе выпрямителя, измеренное милливольтметром ВЗ 38. не превышало 0,6 В.

При необходимости импульсный характер защиты можно использовать для индикации состояния стабилизатора, в том числе звуковой. В последнем случае при перегрузке будут слышны щелчки с частотой повторения импульсов.

На рис. 6 показана схема более сложного стабилизатора с импульсной защитой, в значительной мере лишенного недостатков рассмотренного в первой части статьи (см. рис. 4). Его выходное напряжение - 12 В, выходное сопротивление - 0,08 Ом, коэффициент стабилизации - 250, максимальный рабочий ток - 3 А, порог срабатывания защиты - 3,2 А, средний ток нагрузки в защитном режиме - 60 мА. Наличие усилителя на транзисторе VT2 позволяет при необходимости значительно увеличить рабочий ток, заменив транзистор VT1 более мощным составным.

Номинал ограничительного резистора R4 может находиться в пределах от десятков ом до 51 кОм. Выход стабилизатора допускается зашунтировать конденсатором емкостью до 1000 мкФ, что приводит, однако, к возникновению гистерезиса в нагрузочной характеристике: при пороге срабатывания защиты 3,2 А измеренное значение тока возврата в режим стабилизации - 1,9 А.

Для четкого переключения режимов необходимо, чтобы с уменьшением сопротивления нагрузки ток через стабилитрон VD3 прекратился раньше, чем войдет в насыщение транзистор VT2 Поэтому номинал резистора R1 выбирают таким образом, чтобы перед срабатыванием защиты между коллектором и эмиттером этого транзистора оставалось напряжение не менее 2...3 В. В защитном режиме транзистор VT2 входит в насыщение, в результате амплитуда импульсов тока нагрузки может в 1.2...1,5 раза превышать ток срабатывания защиты. Следует учитывать, что при значительном уменьшении сопротивления R1 ощутимо возрастает рассеиваемая на транзисторе VT2 мощность.

Наличие конденсатора С1 теоретически способно привести к росту пульсации выходного напряжения стабилизатора. Однако на практике этого наблюдать не приходилось.

Выходное стабилизированное напряжение равно сумме падений напряжения на диодах VD1 и VD2, участке база-эмиттер транзистора VT4 и напряжения стабилизации стабилитрона VD3 за вычетом падения напряжения на участке база-эмиттер транзистора VT3 - приблизительно на 1,4 В больше напряжения стабилизации стабилитрона. Ток срабатывания защиты вычисляют по формуле

Благодаря дополнительному усилителю на транзисторе VT2 ток, протекающий через резистор R3, сравнительно невелик, даже при значительных расчетных токах нагрузки. Это, с одной стороны, улучшает КПД стабилизатора, но с другой - заставляет применять в качестве VD3 стабилитрон, способный работать при малых токах. Минимальный ток стабилизации показанного на схеме (см. рис. 6) стабилитрона КС211Ж - 0,5 мА.

Подобный стабилизатор, кроме своего прямого назначения, может служить ограничителем разрядки аккумуляторной батареи. Для этого выходное напряжение устанавливают таким, чтобы при напряжении батареи меньше допустимого сработала защита, предотвращая дальнейшую разрядку. Номинал резистора R6 в этом случае целесообразно увеличить до 10 кОм. В результате ток, потребляемый устройством в рабочем режиме, уменьшится с 12 до 2,5 мА. Следует иметь в виду, что на грани срабатывания защиты этот ток возрастает приблизительно до 60 мА, но с запуском генератора импульсов среднее значение тока разрядки батареи падает до 4...6 мА.

По рассмотренному принципу импульсной защиты можно строить не только стабилизаторы напряжения, но и самовосстанавливающиеся электронные "предохранители", устанавливаемые между источником питания и нагрузкой. В отличие от плавких вставок, такие предохранители можно использовать многократно, не заботясь о восстановлении после устранения причины срабатывания.

Электронный предохранитель должен выдерживать как кратковременное, так и продолжительное, полное или частичное замыкание нагрузки. Последнее нередко возникает при длинных соединительных проводах, сопротивление которых - заметная часть полезной нагрузки. Этот случай наиболее тяжел для коммутационного элемента предохранителя.

На рис. 7 приведена схема простого самовосстанавливающегося электронного предохранителя с импульсной защитой. Принцип его работы близок к описанному выше стабилизатору напряжения (см. рис. 4), но до срабатывания защиты транзисторы VT1 и VT2 находятся в состоянии насыщения и выходное напряжение практически равно входному.

Если ток нагрузки превысил допустимое значение, транзистор VT1 выходит из насыщения и выходное напряжение начинает уменьшаться. Его приращение через конденсатор С1 поступает на базу транзистора VT2, закрывая последний, а вместе с ним и VT1. Выходное напряжение уменьшается еще больше, и в результате лавинообразного процесса транзисторы VT1 и VT2 оказываются закрытыми полностью. Через некоторое время, зависящее от постоянной времени цепи R1C1, они откроются вновь, однако, если перегрузка сохранилась, опять закроются. Этот цикл повторяется до устранения перегрузки.

Частота генерируемых импульсов - приблизительно 20 Гц при нагрузке, незначительно превышающей допустимую, и 200 Гц при ее полном замыкании. Скважность импульсов в последнем случае - более 100. При увеличении сопротивления нагрузки до допустимого значения транзистор VT1 войдет в насыщение и генерация импульсов прекратится.

Ток срабатывания "предохранителя" можно ориентировочно определить по формуле

Коэффициент 0,25, подобранный экспериментально, учитывает, что в момент перехода транзистора VT1 из насыщения в активный режим его коэффициент передачи тока значительно меньше номинального. Измеренный ток срабатывания защиты при входном напряжении 12 В - 0,35 А, амплитуда импульсов тока нагрузки при ее замыкании - 1,3 А. Гистерезис (разность токов срабатывания защиты и восстановления рабочего режима) не обнаружен. К выходу "предохранителя" при необходимости можно подключить блокировочные конденсаторы суммарной емкостью не более 200 мкФ, что увеличит ток срабатывания приблизительно до 0,5 А.

При необходимости ограничить амплитуду импульсов тока нагрузки в эмиттерную цепь транзистора VT2 следует включить резистор в несколько десятков ом и немного увеличить номинал резистора R3.

При неполном замыкании нагрузки возможен электрический пробой участка база-эмиттер транзистора VT2. На работу генератора это влияет незначительно, да и для транзистора опасности не представляет, так как заряд, накопленный в конденсаторе С1 перед пробоем, сравнительно невелик.

Недостатки "предохранителя", собранного по рассмотренной схеме (рис. 7 ), - низкий КПД из-за включенного последовательно в цепь нагрузки резистора R3 и не зависящего от нагрузки тока базы транзистора VT1. Последнее характерно и для других подобных устройств . Обе причины, снижающие КПД, устранены в более мощном "предохранителе" с максимальным током нагрузки 5 А, схема которого показана на рис. 8 . Его КПД превышает 90 % в более чем десятикратном интервале изменения тока нагрузки. Ток, потребляемый в отсутствие нагрузки, - менее 0,5 мА.

Для уменьшения падения напряжения на "предохранителе" в качестве VT4 применен германиевый транзистор. При токе нагрузки меньше допустимого этот транзистор находится на грани насыщения. Это состояние поддерживает петля отрицательной ОС, которую при открытом и насыщенном транзисторе VT2 образуют транзисторы VT1 и VT3. Падение напряжения на участке коллектор-эмиттер транзистора VT4 не превышает 0,5 В при токе нагрузки 1 А и 0,6 В - при 5 А.

При токе нагрузки, меньшем тока срабатывания защиты, транзистор VT3 находится в активном режиме и напряжение между его коллектором и эмиттером достаточно для открывания транзистора VT6, что обеспечивает насыщенное состояние транзистора VT2 и в конечном итоге - проводящее состояние ключа VT4. С увеличением тока нагрузки ток базы VT3 под действием отрицательной ОС увеличивается, а напряжение на его коллекторе уменьшается до закрывания транзистора VT6. В этот момент и срабатывает защита. Ток срабатывания можно оценить по формуле

где Rэкв - общее сопротивление соединенных параллельно резисторов R4, R6 и R8.

Коэффициент 0,5, как и в предыдущем случае, - экспериментальный. При замыкании нагрузки амплитуда импульсов выходного тока приблизительно в два раза больше тока срабатывания защиты.

Благодаря действию положительной ОС, замыкающейся через конденсатор С2, транзистор VT6, а с ним и VT2-VT4 полностью закрываются, VT5 - открывается. Транзисторы остаются в указанных состояниях до окончания зарядки конденсатора С2 током, текущим через участок база-эмиттер транзистора VT5 и резисторы R7, R9, R11, R12. Так как из перечисленных резисторов самый большой номинал у R12, он и определяет период повторения генерируемых импульсов - приблизительно 2,5 с.

После окончания зарядки конденсатора С2 транзистор VT5 закроется, VT6 и VT2-VT4 откроются. Конденсатор С2 приблизительно за 0,06 с разрядится через транзистор VT6, диод VD1 и резистор R11. При замкнутой нагрузке коллекторный ток транзистора VT4 в это время достигает 8...10 А. Затем цикл повторится. Однако во время первого же после устранения перегрузки импульса транзистор VT3 не войдет в насыщение и "предохранитель" вернется в рабочий режим.

Интересно, что во время импульса транзистор VT6 не открывается полностью. Этому препятствует образованная транзисторами VT2, VT3, VT6 петля отрицательной ОС. При указанном на схеме (рис. 8) номинале резистора R9 (51 кОм) напряжение на коллекторе транзистора VT6 не опускается ниже 0,3Uвх.

Самая неблагоприятная для "предохранителя" нагрузка - мощная лампа накаливания, у которой сопротивление холодной нити в несколько раз меньше, чем разогретой. Проверка, проведенная с автомобильной лампой 12 В 32+6 Вт, показала, что 0,06 с для разогрева вполне достаточно и "предохранитель" после ее включения надежно входит в рабочий режим. Но для более инерционных ламп длительность и период повторения импульсов возможно придется увеличить, установив конденсатор С2 большего номинала (но не оксидный).

Скважность генерируемых импульсов в результате такой замены останется прежней. Равной 40 она выбрана не случайно. В этом случае, как при максимальном токе нагрузки (5 А), так и при замыкании выхода "предохранителя", на транзисторе VT4 рассеивается приблизительно одинаковая и безопасная для него мощность.

Транзистор ГТ806А можно заменить другим из этой же серии или мощным германиевым, например, П210слюбым буквенным индексом. Если германиевые транзисторы отсутствуют или необходимо работать при повышенной температуре, можно использовать и кремниевые с h21э>40, например, КТ818 или КТ8101 с любыми буквенными индексами, увеличив номинал резистора R5 до 10 кОм. После такой замены напряжение, измеренное между коллектором и эмиттером транзистора VT4, не превышало 0,8 В при токе нагрузки 5 А.

При изготовлении "предохранителя" транзистор VT4 необходимо установить на теплоотвод, например, алюминиевую пластину размерами 80x50x5 мм. Теплоотвод площадью 1,5...2 см 2 нужен и транзистору VT3.

Первое включение устройства производите без нагрузки, и прежде всего проверьте напряжение между коллектором и эмиттером транзистора VT4, которое должно быть приблизительно 0,5 В. Затем к выходу через амперметр подключите проволочный переменный резистор сопротивлением 10...20 Ом и мощностью 100 Вт. Плавно уменьшая его сопротивление, переведите устройство в защитный режим. С помощью осциллографа убедитесь, что переключение режимов происходит без затянутых переходных процессов, а параметры генерируемых импульсов соответствуют указанным выше. Точное значение тока срабатывания защиты можно установить подборкой резисторов R4, R6, R8 (желательно, чтобы их номиналы оставались одинаковыми). При продолжительном замыкании нагрузки температура корпуса транзистора VT4 не должна превышать допустимое для него значение.

ЛИТЕРАТУРА

1. Клюев Ю., Абашав С. Стабилизатор напряжения. - Радио, 1975, № 2, с. 23.
2. Попович В. Усовершенствование стабилизатора напряжения. - Радио, 1977, № 9, с. 56.
3. Поляков В. Теория: понемногу - обо всем. Стабилизаторы напряжения. - Радио, 2000, № 12,с.45,46.
4. Каныгин С. Стабилизатор напряжения с защитой от перегрузок. - Радио, 1980. № 8. с. 45. 46.
5. За рубежом. Стабилизатор напряжения с защитой от перегрузки. - Радио, 1984, № 9, с. 56.
6. Козлов В. Стабилизатор напряжения с защитой от короткого замыкания и перегрузки по току. - Радио, 1998, № 5, с. 52-54.
7. Андраав В. Дополнительная защита стабилизатора от перегрева. - Радио, 2000, № 4, с. 44.
8. Бобров О. Электронный предохранитель. - Радио, 2001, № 3, с. 54.