Компенсационный стабилизатор напряжения с защитой от кз. Мощный стабилизатор напряжения с защитой от кз
Предлагаемый регулируемый стабилизатор напряжения разработан автором на основе синтеза подобных устройств, описанных на страницах журнала "Радио". При разработке стабилизатора ставилась задача, используя широкораспространенные детали, добиться максимальной надежности его работы, устойчивости к перегрузкам и коротким замыканиям (КЗ) в цепи нагрузки. В итоге получилась схема, приведенная на рис. 1.
Зашита двойная — электронная и электромагнитная. Электронная защита выполнена на транзисторе VTI и тринисторе VS1. При достижении максимально допустимого тока нагрузки увеличивается падение напряжения на резисторе R3, транзистор VТ1 открывается и положительный импульс напряжения через диод VD1 открывает тринистор. Он шунтирует источник образцового напряжения и закрывает транзисторы VТ3—VТ5.
После устранения перегрузки и установки регулятора выходного напряжения (переменный резистор R4) в нижнее по. схеме положение устройство возвращают в исходное состояние кратковременным нажатием кнопки SВ1.
Введение в стабилизатор ключа на транзисторе VТ1 обусловлено стремлением уменьшить выходное сопротивление стабилизатора, но это решение не является обязательным. Транзистор можно исключить и тем самым упростить конструкцию.
Применение дополнительной электромагнитной защиты необходимо по следующим соображениям. В определенной ситуации перегрузка или короткое замыкание в цепи нагрузки может наступить тогда, когда стабилизатор уже работал продолжительное время при токе, близком к максимальному. В том случае транзистор VT5 разогрет и при срабатывании электронной зашиты не закрывается полностью. Через транзистор продолжает протекать большой ток, способный перегреть транзистор и вывести его из строя.
Вот здесь и пригодится электромагнитная защита, выполненная на транзисторе VТ2 и реле К1. При открывании тринистора база транзистора VТ2 подключается через резистор R5 к плюсовому проводу стабилизатора. Транзистор открывается, срабатывает реле К1 и подключает контактами K1.1 базу транзистора VТ5 к плюсовому проводу.
Выходное напряжение стабилизатора устанавливают переменным резистором R4 от 0,2 до 15 В, а максимальный ток нагрузки, при котором срабатывает зашита,— подстроечным резистором R2. Использование для транзистора VТ5 радиатора 1201 -Б из наборов «Старт» позволяет при выходном напряжении 15 В пропускать через транзистор ток 1 А в длительном режиме или 2...3 А в течение 30...40 мин (в зависимости от условий конвекции воздуха у радиатора и температуры транзистора). Для увеличения тока нагрузки до 5 А потребуется радиатор с большей площадью поверхности или принудительное охлаждение транзистора.
Указанный на схеме транзистор КТ315В можно заменить транзисторами КТ315Г, КТ342А, КТ373А, КТ375А;
КТ361Е -- КТ361 Г, КТ361 К, КТ203Б, КТ104Г, П215—П2ІЗ—П217 с любым буквенным индексом, КТ814Б, КТ816Б; П210Б - П210В, ГТ701А.
Вместо тринистора КУ101Б подойдет КУ101Г, КУ101И, КУ104Б, КУ105А, вместо диодов Д223-Д219А, Д220, КД509А,
КД522Б, стабилитронов Д814А — Д808. Подстроечный резистор R2 — проволочный, типа ППЗ; постоянный резистор R3 — тоже проволочный, изготовленный из отрезка провода ПЭВ-1 0,59 длиной 156 см, намотанного на фарфоровом каркасе диаметром 17 и высотой 40 мм (подойдет корпус резистора ПЭВ-10); переменный резистор R4 — любого типа с линейной функциональной характеристикой (А); остальные резисторы — МЛТ указанной на схеме мощности. Лампа НІЛ — КМ 24-35 (на напряжение 24 В и ток 35 мА), реле — РЭС9, паспорт РС4.524.200 (обе группы контактов соединены параллельно).
Большая часть указанных деталей смонтирована на печатной плате (рис. 2, 3) из фольгированного стеклотекстолита. Вместе с остальными деталями и выпрямителем плату размещают в корпусе, на передней стенке которого устанавливают ручки управления и выходные зажимы для подключения нагрузки.
Налаживание устройства начинают с электронной защиты. Левый по схеме вывод резистора R5 отключают от деталей, а движок резистора R2 устанавливают в верхнее положение. Подключают к выходу стабилизатора нагрузку, потребляющую ток 3,5...4 А при напряжении 6... 10 В. Если электронная защита сразу же срабатывает, перемещают движок резистора R2 вниз по схеме. Более точным подбором сопротивления резистора R3 (отматыванием или доматыванием провода) добиваются, чтобы электронная защита срабатывала примерно при среднем положении движка резистора R2.
Далее впаивают резистор R5 и подбором резистора R6 добиваются четкого срабатывания реле при замыкании выходных зажимов стабилизатора (при выходном напряжении не менее 2,5 В).
Самодельные источники питания
Перегрузка по выходу блока питания чаще всего приводит к выходу из строя регулирующих транзисторов и поэтому в источнике питания всегда желательно предусматривать режим защиты от КЗ в нагрузке .
Здесь приводится простая схема стабилизатора +24 Вольта снабженного устройством защиты. Так как к самому источнику (трансформатор, диодный мост) особых требований не предъявляется то и на схеме он не указан.
Защитное устройство, входящее в стабилизатор блока питания обладает высоким быстродействием и хорошей «релейностью», т. е. малым влиянием на характеристики блока врабочем режиме и надежным закрыванием регулирующего транзистора V2 в режиме перегрузки. Защитное устройство состоит из тринистора V3, диодов V6, V7 и резисторов R2 и R3.
В рабочем режиме тринистор V3 закрыт и напряжение на базе транзистора V1 равно напряжению стабилизации цепочки стабилитронов V4, V5. При перегрузке ток через резистор R2 и падение напряжения на нем достигают значений, достаточных для открывания тринистора V3 по цепи управляющего электрода. Открывшийся тринистор замыкает цепочку стабилитронов V4, V5, что приводит к закрыванию транзисторов V1 и V2.
Для того чтобы восстановить рабочий режим после устранения причины перегрузки, нужно нажать и отпустить кнопку S1. При этом тиристор закроется» а транзисторы V1 и V2 снова откроются. Резистор R3 и диоды V6, V7 защищают управляющий переход тринистора V3 от перегрузок по току и напряжению соответственно.
Стабилизатор обеспечивает коэффициент стабилизации около 30, защита срабатывает при токе, превышающем 2 А.
Транзистор V2 можно заменить на КТ802А, КТ805Б, а V1 - П307, П309, КТ601, КТ602 с любым буквенным индексом. Тринистор V3 может быть любым из серии КУ201, кроме КУ201А и КУ201Б.
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
52 →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.
Собственно стабилизатор состоит из источника опорного напряжения (лампа HL1 и стабилитроны VD2, VD3), усилителя постоянного тока (транзисторы VT3, VT4) и регулирующего транзистора (VT5). В источнике опорного напряжения протекающий через стабилитроны ток стабилизируется лампой накаливания, что улучшает коэффициент стабилизации, а значит, снижает пульсации выпрямленного напряжения. Лампа одновременно служит индикатором перегрузки, вспыхивающим при срабатывании электронной защиты. Для увеличения выходного тока до 3...5 А применен мощный транзистор VT5.
Электронная защита выполнена на транзисторе VT1 и тринисторе VS1. При достижении максимально допустимого тока нагрузки увеличивается падение напряжения на резисторе R3, транзистор VT1 открывается, и положительный импульс напряжения через диод VD1 открывает тринистор. Он шунтирует источник опорного напряжения и закрывает транзисторы VT3—VT5. После устранения перегрузки и установки регулятора выходного напряжения (переменный резистор R4) в нижнее по схеме положение устройство возвращается в исходное состояние кратковременным нажатием кнопки SB1.
Применение дополнительной электромагнитной защиты необходимо по следующим соображениям. В определенной ситуации перегрузка *или короткое замыкание в цепи нагрузки может наступить тогда, когда стабилизатор уже работал продолжительное время при токе, близком к максимальному.
В этом случае транзистор VT5 разогрет и при срабатывании электронной защиты не закрывается полностью. Через транзистор продолжает протекать большой ток, способный перегреть транзистор и вывести его из строя.
Вот здесь и пригодится электромагнитная защита, выполненная на транзисторе VT2 и реле К1. При открывании тринистора VS1 база транзистора VT2 подключается через резистор R5 к плюсовому проводу стабилизатора. Транзистор открывается, срабатывает реле К1 и подключает контактами К1.1 базу транзистора VT5 к плюсовому проводу.
Выходное напряжение стабилизатора устанавливают переменным резистором R4 от 0,2 до 15 В, а максимальный ток нагрузки, при котором срабатывает защита,— под-строечным резистором R2. Использование для транзистора VT5 радиатора 1201-Б из наборов «Старт» позволяет при выходном напряжении 15 В пропускать через транзистор ток 1 А в длительном режиме или 2...3 А в течение 30...40 мин (в зависимости от условий конвекции воздуха у радиатора и температуры транзистора).
Для увеличения тока нагрузки до 5 А потребуется радиатор с большей площадью поверхности или принудительное охлаждение транзистора (небольшим вентилятором).
Указанный на схеме транзистор КТ315В можно заменить транзисторами КТ3157, КТ342А, КТ373АГ КТ375А; КТ361Е — транзисторами КТ361Г, КТ361К, КТ203Б, КТ104Г; П215 — П213—П217 с любым буквенным индексом, КТ814Б, КТ816Б; П210Б—П210В, ГТ701А. Вместо тринистора КУ101Б подойдут КУ101Г, КУ101Е, КУ101И, КУ201В, КУ201Г (мощность двух последних тринисто-ров намного выше требуемой для данной конструкции). Вместо диодов Д223 подойдут Д219А, Д220, КД509А, КД522Б, а вместо стабилитронов Д814А—Д808. Подстроеч-ный резистор R2— проволочный, типа ППЗ; постоянный резистор R3— тоже проволочный, изготовленный из отрезка провода ПЭВ-1 0,59 длиной 156 см, намотанного на фарфоровом каркасе диаметром 17 и высотой 40 мм (подойдет корпус резистора ПЭВ-10); переменный резистор R4 — любого типа с линейной функциональной характеристикой (А); остальные резисторы — МЛТ указанной на схеме или большей мощности. Лампа HL1—КМ 24-35 (на напряжение 24 В и ток 35 мА), реле — РЭС9, паспорт РС4.524.200 (обе группы контактов соединены параллельно).
Большая часть указанных деталей смонтирована на печатной плате (рис. С-1 2) из фольгированного стеклотекстолита. Вместе с остальными деталями и выпрямителем плату размещают в корпусе, на передней стенке которого устанавливают ручки управления и выходные зажимы для подключения нагрузки.
Налаживание устройства начинают с электронной защиты. Левый по схеме вывод резистора R5 отключают от деталей, а движок резистора R2 устанавливают в верхнее положение. Подключают к выходу стабилизатора нагрузку, потребляющую ток 3,5...4 А при напряжении 6...10 В. Если электронная защита сразу же срабатывает, перемещают движок резистора R2 вниз по схеме. Более точным подбором сопротивления резистора R3 (отматыванием или доматыванием провода) добиваются, чтобы электронная защита срабатывала примерно при среднем положении движка резистора R2.
Вы наверняка обратили внимание на одно неудобство при эксплуатации стабилизатора — после устранения КЗ или перегрузки приходится устанавливать движок регулятора выходного напряжения R4 в нулевое положение, после чего нажимать кнопку SB1 и вновь ставить выходное напряжение переменным резистором R4.
Избавиться от этого неудобства нетрудно, если применить вместо одинарной кнопки SB1 сдвоенную, но с контактами на размыкание. Одну группу контактов следует включить в разрыв цепи коллектора транзистора VT1, а другую — в разрыв верхнего по схеме вывода лампы HL1. Причем при нажатии кнопки первая группа должна срабатывать несколько позже второй. Если используется кнопочный выключатель типа КМ2-1, в нем для указанных целей изгибают пинцетом пружинящую пластину вверх примерно на 20° над выключателем первой группы контактов.
Статьи по теме
