Защита от перегрузки регулируемых стабилизаторов на транзисторах. Стабилизаторы постоянного напряжения общего назначения

Стабилизатор тока с защитой от КЗ

Защита стабилизатора тока от перегрузки

Стабилизаторы тока широко используются в различных устройствах. Их схемы бывают простыми и не очень. Но в любом случае будет лучше, если он будет иметь защиту от перегрузки. Проблема, которую мы рассмотрим, заключается в следующем, есть у нас стабилизатор напряжения с ограничение тока нагрузки. То есть такому стабилизатору не страшны короткие замыкания на его выходе.

Но в режиме КЗ на регулирующем транзисторе такого стабилизатора будет выделяться большая мощность, это потребует применение соответствующего теплоотвода, что повлечет за собой увеличения размеров устройства, ну и его цены. А иначе – тепловой пробой структуры мощного транзистора.

Для примера возьмем простую схему стабилизатора тока на микросхеме, показанную на рисунке 1.

Все в общих чертах. Ток стабилизации, в соответствии с формулой 1, равен 1А. Допустим, нормальное сопротивление нагрузки 6 Ом. Тогда при токе в 1А на микросхеме упадет напряжение, равное: U = IxR — IxRн = 12-1,25-6 = 4,75В. Соответственно на микросхеме выделится мощность P = UxI = 4,75Вт. Если замкнуть выход стабилизатора тока, то на микросхеме уже будет падать напряжение 10,75В и соответственно мощность, выделяющаяся на микросхеме будет равна 10,75Вт. Вот на эту мощность и надо рассчитывать радиатор, тогда надежность вашего устройства будет на высоте. Но, что делать, если нет возможности установить радиатор бо’льших размеров? Правильно! Надо еще ограничить и мощность, выделяемую на микросхеме. Можно перед данной схемой поставить следящий стабилизатор, который бы в случае КЗ брал на себя часть выделяющейся тепловой мощности, но это сложновато. Лучше мы сделаем полное отключение стабилизатора при КЗ на его входе. Зная, что мощность равна произведению на ток, а ток мы выставляем сами и он стабилизирован, то мы будем следить за падение напряжения на регуляторе тока.

Схема регулируемого стабилизатора тока взята из статьи . Подробно о работе данного регулируемого стабилизатора тока можно прочитать в статье .

Работа схемы защиты от превышения мощности

Для обеспечения защиты стабилизатора тока вводим в схему всего пять деталей. Транзистор VT1, выполняющий роль ключа и полностью отключающий стабилизатор во время режима КЗ. Здесь применен MOSFET транзистор с каналом P. При небольших токах, порядка одного, двух ампер, подойдет IRFR5505

При больших токах лучше применить транзистор с большим рабочим током стока и меньшим сопротивлением открытого канала. Например — IRF4905

Тиристорный оптрон, можно отечественный – АОУ103 с любой буквой, можно подобрать импортный, например — TLP747GF

Стабилитрон, любой маломощный, дочитаете статью до конца и сами себе, если потребуется, выберете нужный. R1 – это резистор, через который на затвор ключа, подается отрицательное открывающее напряжение. R2 – резистор, ограничивающий ток светодиода тиристорного оптрона. Да, если входное напряжение будет больше 20В, то параллельно тиристору оптрона необходимо поставить еще один стабилитрон на 12В, который будет защищать переход затвор – исток ключевого транзистора. Так как у большинства транзисторов MOSFET максимально допустимое напряжение этого перехода 20В.

Для примера возьмем случай зарядки двенадцативольтового аккумулятора стабильным током 3А. При подаче напряжения питания на схему транзистор VT1 будет открыт, так как на его затвор поступает отрицательное напряжение и схема работает в нормальном режиме. Падение напряжения на ключе учитывать не будем из-за его малой величины. При таких условиях на самом стабилизаторе тока будет падать мощность Р = (20 — 12)∙I= 8 ∙ 3 = 24Вт. При КЗ мощность увеличится до 60Вт, если без защиты. Многовато, и для транзистора VT2 не безопасно, поэтому после 30Вт мы отключим стабилизатор, поставив в цепь защиты стабилитрон с напряжением стабилизации 10В. Таким образом, мы получаем схему с защитой не только от КЗ, но и от превышения допустимой мощности рассеяния на стабилизаторе тока. Допустим, по каким либо причинам, совершенно нам не нужным, начало падать сопротивление нагрузки. Это вызовет увеличение падения напряжения на стабилизаторе и соответственно мощности рассеяния на нем. Но как только напряжение между входом и выходом превысит 10 вольт, «пробьется» стабилитрон VD1, через светодиод оптрона U1 потечет ток. Излучение светодиода откроет фототиристор, который зашунтирует переход затвор – исток ключевого транзистора. Тот в сою очередь закроется и отключит схему стабилизатора. Возвратить схему в рабочее состояние можно будет, или отключением питания и повторным подключением, или кратковременным закорачиванием фототиристора, например кнопкой. Таким образом, отслеживая напряжение между входом и выходом стабилизатора тока, вы можете сами с помощью стабилитронов на разные напряжения стабилизации, установить нужный вам порог ограничения по мощности.

Эта схема применима практически ко всем стабилизаторам, хоть по току, хоть по напряжению. Ее можно встроить уже в готовый стабилизатор, не имеющий защиты от КЗ.
Успехов и удачи. К.В.Ю.

Раздел 6 Стабилизаторы постоянного напряжения общего назначения

Схемы стабилизаторов напряжения с защитой от КЗ

Схемы двух простых и надежных стабилизаторов напряжения с защитой от короткого замыкания, способных обеспечить постельное и отрицательное напряжение на выходе, показаны на рис. 6.23 и 6.24.

Рис. 6.23. Схема стабилизатора положительного напряжения с защитой от короткого замыкания

Рис. 6.24. Схема стабилизатора отрицательного напряжения с защитой от короткого замыкания

Коэффициент стабилизации устройств — около 125. Выходное сопротивление — не более 0,035 Ом. В первоисточнике для схемы на рис. 6.23 использованы элементы: транзистор VT1 — П214, VT2 — МП38А, VD1 — Д814В, VD2 — Д7Ж, С1=С2=500 мкФ. Во второй схеме (рис . 6.24) использованы транзисторы: VT1 — П702, VT2 — МП40. В качестве современных аналогов полупроводниковых элементов этих схем можно применять не только германиевые, но и кремниевые транзисторы соответствующей структуры. Например, для первой схемы допустимо использование транзисторов типа КТ837 и КТ315 соответственно стабилитрона КС133 — КС191, диода КД102. Для второй — КТ805 и КТ361, соответственно.

Ток, при котором срабатывает защита, составляет 1,1 А. величина устанавливается подбором резистора R2 и диода VD2.

Наиболее часто применяются стабилизаторы последовательного типа. Более редко используют стабилизаторы, в которых нагрузка включается параллельно регулирующему (управляемому ) элементу. Это обусловлено, главным образом, тем, что КПД, стабилизаторов параллельного типа невысок. Преимуществом таких стабилизаторов является то, что короткие замыкания в нагрузке для них не опасны. Кроме того, ток, потребляемый устройством от источника питания, при изменении сопротивления нагрузки изменяется незначительно.

Стабилизатор напряжения на lm317

После выхода из строя старенького СН, аналогичного описанному в , изготовленного еще в студенческие годы, работать стало тяжеловато. Посетив любимый радиорынок Караваевы дачи в надежде на что-то недорогое, несложное с достойными параметрами и минимумом деталей, автор остановился на КР142ЕН12А, импортный аналог LM317. Поскольку стабилизатор напряжения на ИМС КР142ЕН12А не имеет защиты от КЗ, пришлось немного доработать его.

Схема модернизированного СН показано на рисунке, внешний вид представлен на сайте. В стандартной схеме включения КР142ЕН12А при верхнем положении движка регулировочного резистора R5 (низкий потенциал) микросхеме имеет минимальное выходное напряжение 1,2 В. При высоком потенциале — максимальное 37В. Максимальный ток стабилизации 1,5 А.

Защита от КЗ работает следующим образом: при протекании тока нагрузки (в авторском варианте более 1,1 А) на резисторе R6 увеличивается падение напряжения, соответственно увеличивается ток светодиода оптрона U1, что ведет к открытию тиристора оптопары и транзистора VT1. При открытии транзистора на выводе 1 стабилизатора DA1 низкий потенциал, СН переходит в режим минимального выходного напряжения. Ток, протекающий через тиристор оптрона U1, достаточен для поддержания его в открытом состоянии.

Светодиоды VD1 (зеленого цвета свечения) и VD2 (красного цвета свечения) служат для индикации включения стабилизатора напряжения и режима защиты при КЗ соответственно. Кнопка SA1 служит для возврата СН в рабочий режим. Недостатком конструкции является неполное отключение выходного напряжения стабилизатора. Сэкономив на площади рассеивания радиатора DA1 посредством установки на радиатор небольшого кулера от процессора ПК, автор получил достойную замену вышедшей из строя конструкции.

Детали. В стабилизаторе применены резисторы МЛТ-0,25, резистор R6 — С5- 16В. Конденсаторы импортного производства. Светодиоды малогабаритные импортные. Оптрон U1 – АОУ103 с любым буквенным индексом.

Наладка. После проверки правильности монтажа включают устройство. (На рис. 1 не показаны трансформатор и диодный мост.) Проверяют диапазон регулирования выходного напряжения, затем, подключив нагрузочное сопротивление (порядка 20 Ом), постепенно увеличивают выходное напряжение от 1,2В до максимума. Амперметром контролируют ток срабатывания защиты. Может понадобиться изменение сопротивления резистора R6, а резистор R7 может быть исключен из схемы. В зависимости от типов светодиодов VD1 и VD2 возможно придется подобрать сопротивления резисторов R1, R2.

В транзисторных стабилизаторах наиболее часто применяются три вида защиты: от повышения выходного напряжения, от понижения выходного напряжения, от перегрузки по току или короткого замыкания в нагрузке.

Защита от перегрузки по току в стабилизаторах может быть выполнена с ограничением на постоянном уровне I К.З. превышающем значение I НОМ или же с резким уменьшением тока потребления до I К.З.0 в режиме короткого замыкания. В первом случае режим перегрузки по току характеризуется большей мощностью, выделяемой на регулирующем транзисторе. Поэтому в таких случаях обычно выключают напряжение питания на входе стабилизатора. Во втором случае рассеиваемая мощность на транзисторе при коротком замыкании значительно меньше мощности при номинальном токе нагрузки. Поэтому выключение питания в такой схеме не обязательно.

У традиционных транзисторных стабилизаторов нередко ненадежна защита от перегрузки. Безынерционные системы защиты ложно срабатывают даже от кратковременных перегрузок при подключении емкостной нагрузки. Инерционные же средства защиты не успевают сработать при сильном импульсе тока, например, при коротком замыкании приводящем к пробою транзисторов, Устройства с ограничителем выходного тока - безынерционны в них отсутствует триггерный эффект, но при коротком замыкании на регулирующем транзисторе рассеивается большая мощности что требует применения соответствующего теплоотвода.

Единственный выход при такой ситуации - одновременное применение средств ограничения выходного тока и инерционной защиты регулирующего транзистора от перегрузку что обеспечит ему в два-три раза меньшую мощность и габариты теплоотвода. Но это приводит к увеличению числа элементов, габаритов конструкции и усложняет повторяемость устройства в любительских условиях.

Принципиальная схема стабилизатора, число элементов в котором минимально, приведена на рис. 1. Источником образцового напряжения служит термостабилизированный стабилитрон VD1.

Для исключения влияния входного напряжения стабилизатора на режим стабилитрона его ток задается генератором стабильного тока (ГСТ), построенным на полевом транзисторе VT1. Термостабилизация и стабилизация тока стабилитрона повышают коэффициент стабилизации выходного напряжения.

Образцовое напряжение поступает на левый (по схеме) вход дифференциального усилителя на транзисторах VT2.2 и VT2.3 микросборки К125НТ1 и резисторе R7, где сравнивается с напряжением обратной связи, снимаемым с делителя выходного напряжения R8R9. Разность напряжений на входах дифференциального усилителя изменяет баланс коллекторных токов его транзисторов.

Регулирующий транзистор VT4, управляемый коллекторным током транзистора VT2.2, обладает большим коэффициентом передачи тока базы. Это увеличивает глубину ООС и повышает коэффициент стабилизации устройства, а также уменьшает мощность, рассеиваемую транзисторами дифференциального усилителя.

Рассмотрим работу устройства более подробно.

Допустим, что в установившемся режиме при увеличении тока нагрузки выходное напряжение несколько уменьшится, что вызовет и уменьшение напряжения на эмиттерном переходе транзистора VT3.2. При этом ток коллектора также уменьшится. Это приведет к увеличению тока транзистора VT2.2, поскольку сумма выходных токов транзисторов дифференциального усилителя равна току, текущему через резистор R7, и практически не зависит от режима работы его транзисторов.

В свою очередь, растущий ток транзистора VT2.2 вызывает увеличение тока коллектора регулирующего транзистора VT4, пропорциональное его коэффициенту передачи тока базы, повышая выходное напряжение до первоначального уровня и позволяет поддерживать его неизменным независимо от тока нагрузки.

Для кратковременной защиты устройства с возвратом его в исходное состояние введен ограничитель тока коллектора регулирующего транзистора, выполненный на транзисторе VT3 и резисторах R1, R2.

РезисторП1 выполняет функцию датчика тока, протекающего через регулирующий транзистор VT4. В случае превышения тока этого транзистора максимального значения (около 0,5 А) падение напряжения на резисторе R1 достигнет 0,6 В, т е. порогового напряжения открывания транзистора VT3, Открываясь, он шунтирует эмиттерный переход регулирующего транзистора, тем самым ограничивая его ток примерно до 0,5 А.

Таким образом, при кратковременных превышениях током нагрузки максимального значения транзисторы VT3 и VT4 работают в режиме ГСТ, что вызывает падение выходного напряжения без срабатывания защиты от перегрузки по току. Через некоторое время, пропорциональное постоянной времени цепи R5C1, это приводит к открыванию транзистора VT2.1 и дальнейшему открыванию транзистора VT3, закрывающего транзистор VT4. Такое состояние транзисторов устойчивое, поэтому после устранения короткого замыкания или обесточивания нагрузки необходимо Отключить устройство от сети и вновь включить после разрядки конденсатора С1.

Рассматриваемый компенсационный стабилизатор напряжения непрерывного действия снижает максимальное значение мощности, рассеиваемое регулирующим транзистором в режиме короткого замыкания. Принципиальная электрическая схема стабилизатора приведена на рис. 5.

Режим ограничение тока

Резистор R 1 является датчиком тока. При перегрузке по току на R 1 возникает напряжение, которое через резистор R 2 подается на базо-эмиттерный переход транзистора VT 3 , которыйприоткрывается. В результате появляются базовый и коллекторный токи VT 3 , которые уменьшают базовый ток транзистора VT 2 , соответственно уменьшаются коллекторные токи транзисторов VT 2 иVT 1 , что приводит к ограничению выходного тока стабилизатора напряжения.

Защита от короткого замыкания

Для защиты используется 2 резистора – R 2 и R 3 и при нормальном режиме работы

напряжение на эмиттере транзистора VT 1 равно выходному. При коротком замыкании выходное напряжение равно нулю, соответственно напряжение на эмиттере транзистора VT 1

тоже равно нулю и все входное напряжение приложено к резисторам R 2 и R 3 . Напряжение на

R 2 возрастает и к нему прибавляется падение напряжения на R 1 , что приводит к открытию

Рис. 5. Принципиальная электрическая схема стабилизатора напряжения

на ОУ с изменяющимся уровнем ограничения тока

и с защитой от короткого замыкания

транзистора VT 3 . Резисторы R 2 и R 3 рассчитаны таким образом, чтобы коллекторный ток VT 3 в режиме короткого замыкания составлял примерно 80% от базового тока VT 2 . Соответственно, базовый ток VT 2 снижается примерно в 5 раз, что приводит к снижению коллекторного тока VT 1 тоже в 5 раз. Тем самым транзистор VT 1 защищается от перегрузки при коротком замыкании.

Стабилизация выходного напряжения

Если в нормальном режиме работы по каким-то причинам выходное напряжение стабилизатора изменяется, то изменяется и напряжение, создаваемое делителем R 6 , R 7 , R 8 в точке А. Операционный усилитель DA 1 усиливает разницу между опорным напряжением () и напряжением в точкеA (), которое можно посчитать по формуле

Если напряжение на выходе стабилизатора уменьшилось, то разница будетположительной иувеличивается, что приводит к уменьшению тока, проходящего через стабилитронVD 3 , который является частью тока, проходящего через R 4 .Другая часть уходит на базу транзистораVT 2 и на выход операционного усилителяDA 1 . Соответственно, если уменьшается, то увеличиваются токи,и,и, соответственно, увеличивается. При увеличениисхема стабилизации работает по аналогичной цепочке (уменьшая отклонение.

Стабилитрон VD 3 включается для того, чтобы операционный усилитель DA 1 работал в активном режиме, при котором должно составлять примерно половину напряжения питания операционного усилителя(+U). Выходное напряжение самого стабилизатора () может быть значительно выше. На базе транзистораVT 2 напряжение выше, чем на 2. Соответственно, разница междуи напряжением на базеVT 2 составляет определенную величину, которая компенсируется с помощью стабилитрона VD 3