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

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

Включим в токовую цепь нагрузки специальное сопротивление R T , выполняющего роль преобразователя тока в напряжение. При протекании по сопротивлению тока выделяется напряжение с полярностью, указанной на рисунке 22. Это напряжение воздействует на вход транзистора VT 3. При заданном токе транзистор открывается и берет на себя часть тока базы транзистора VT 1. Последний закрывается и ограничивает ток коллектора. При максимальном токе нагрузки транзистор VT 3 закрыт и не оказывает влияния на работу стабилизатора.

Частое напряжение питания доступно от бортового или встроенного источника питания постоянного тока. Оптимальным решением является использование питания, который может быть подключен к источникам переменного и постоянного тока. Поэтому не забудьте проверить, возможно ли и в какой степени это возможно для данной модели импульсного источника питания.

Укажите количество и значение напряжений, необходимых для питания отдельных цепей или цепей. Очень важно указать требования к точности настройки и точности стабилизации отдельных напряжений. Для оптимизации электропитания важно не излишне увеличивать требования к напряжению постоянного тока. Очевидно, что в случае питания цифровых цепей, процессоров и т.д. эти напряжения должны соответствовать заданным допускам, в прецизионных измерительных системах эти допуски для некоторых напряжений могут быть очень малыми.

1. Выбор токового резистора.

Примем, что защита должна включиться, если ток превышает двойной максимальный ток нагрузки. Примем транзистор VT 3 германиевый n-p-n типа . Напряжение открывания у такого транзистора составляет 0,3 В. (2 I Н max = 0,12 A). Вычисляем величину сопротивления R T .

R T = 0,3 В/0,12 А = 2,5 Ом. Выбираем меньшее номинальное значение

Однако важно, чтобы пользователь не рассматривал напряжения питания в качестве опорных напряжений для целей измерения. Эта частая ошибка часто препятствует эффективному функционированию всего устройства. Очень важно определить взаимную изоляцию между фиксированными выходными напряжениями. В некоторых системах это необходимо, потому что силовые цепи могут быть подключены к разным потенциалам или могут подвергаться помехам от источника питания другим чувствительным частям схемы.

Обратите внимание, что использование гальванической изоляции между выходными напряжениями является дополнительным препятствием и увеличивает стоимость и размеры источника питания и часто исключает точную стабилизацию и более высокие токи нагрузки. Токи нагрузки для отдельных фиксированных напряжений.

2,4 Ом. Вычисляется мощность рассеяния на резисторе и его тип.

2. Транзистор VT 3 можно выбрать любой германиевый n-p-n типа.

U СТ

3.9 Защита нагрузки от перенапряжения

В случае пробоя транзистора VT 1 (рисунок 19) на нагрузку попадает полное напряжение питания, что может вывести ее из строя. Необходима схема защиты нагрузки от возможного перенапряжения. В таких случаях используются быстродействующие электронные схемы защиты рисунок 23. На этой схеме показаны элементы индикации состояния стабилизатора, индикация будет рассмотрена далее.

Это токи, принимаемые отдельной схемой. Оценка значения этих токов имеет решающее значение при выборе правильных модулей питания. На практике намного сложнее определить ток нагрузки, чем требуемое напряжение питания. Ток зависит от многих переменных, таких как.

Условия работы системных допусков компонентов внешних условий системы. . Тем не менее, оценка токов нагрузки необходима для оптимизации питания. Часто используемая пользователями для значительного увеличения спроса на энергоснабжение по сравнению с реальными потребностями увеличивает цену и размеры источников питания. В случае часто используемых импульсных схем питания эта процедура иногда приводит к неспособности устройства работать с источником питания, поскольку простые источники питания импульсных источников питания не работают при слишком низком номинальном токе нагрузки.

Схема защиты состоит из тиристора VS 5, стабилитрона VD 4 и резистора. (Схема защиты по току на схеме не показана). В исходном состоянии тиристор VS 5 закрыт, его управляющий вход подключен к катоду через сопротивление R 2. Стабилитрон VD 4 также закрыт его напряжение включения на 10% больше напряжения нагрузки. Как только напряжение на нагрузке увеличивается по каким-либо причинам, стабилитрон VD 4 открывается, на управляющий электрод тиристора подается напряжение, тиристор открывается и закорачивает входную цепь стабилизатора. После этого сгорает плавкий предохранитель FU .

Также рассмотрим средние и мгновенные значения этих токов. В случае импульсного тока важно определить длительность импульса тока и коэффициента заполнения. Как правило, каждый блок питания способен выдерживать значительные, но кратковременные перегрузки без дополнительного усложнения системы и ненужных негабаритных компонентов.

Чтобы иметь дело с несколькими напряжениями питания, нужно установить связь между токами нагрузки и выяснить, какие из них фиксированы и которые различаются в широком диапазоне. Чем точнее условия энергопотребления, тем легче будет найти наименьший, самый дешевый и надежный источник питания.

1. Сопротивление R 2 ограничивает ток стабилитрона на уровне
5 ÷ 10 мА. Из этих условий выбирается стабилитрон и резистор. В рассматриваемом примере U H = 10 В. Можно использовать стабилитрон КС213В с напряжением включения 13 В (таблица 2). При выходе из строя транзистора VT 1 на стабилитрон VD 4 может поступать минимальное напряжение питания, равное 20 В. Зададимся током стабилитрона равным 5 мА. При пробое стабилитрона к резистору R 2 прикладывается напряжение (20 – 13) = 7 В. Сопротивление R 2 = 7 В/5мА = 1,4 кОм.

Ответьте на изменение нагрузки перехода. Во многих силовых цепях во время включения принимаются импульсные токи и прерывается при отключении. Колебания мощности происходят в таких ситуациях, для которых соответствуют выходной импеданс источника питания и динамические характеристики замкнутого контура стабилизатора напряжения источника. Эти мгновенные изменения напряжения могут во многих случаях нарушать работу других приемников, подключенных к одному и тому же источнику. Правильная идентификация и определение потребления импульсного тока облегчают решение о том, следует ли изолировать напряжение питания, использовать источник питания с лучшими динамическими характеристиками или использовать дополнительные фильтрующие элементы непосредственно в источнике питания.

+ С 2

С 1

VD 5

VD 6

R 2

VS 5

R H

VT 1

U И

VD 4

Рис. 23 - Схема защиты нагрузки и индикация

R 4

Ст

R 3

Вычисляется мощность рассеяния на резисторе, выбирается его тип.

Проверим, не превышает ли ток через стабилитрон допустимое значение при максимальном напряжении источника питания равным 27,6 В.
(27,6 – 13) В/1,4 кОм = 10,4 мА, что вполне допустимо для выбранного типа стабилитрона.

2. Выбор тиристора.

Напряжение включения тиристора должно быть больше напряжения питания U И max (параметр U A таблица 5). При выборе тиристора можно ориентироваться следующим условием. Если ток нагрузки меньше 100 мА, то выбирается тиристор с током анода 100 мА и менее. Если ток нагрузки больше 100 мА, то выбирается тиристор с током анода 100 мА и более.

В таких случаях выбор специализированного импульсного источника питания в тесном сотрудничестве с производителем или компетентным торговым представителем обычно дает наилучшие результаты. Подавление помех и пульсаций. Во всех системах электропитания имеется определенная переменная составляющая напряжения, применяемая к правильному выходному напряжению постоянного тока. Причины этого шума и пульсации следующие.

Характер пульсации показан на рисунке. Важно знать о существовании и характере этих рябь, которые в принципе в правильно спроектированных и выполненных источниках питания не превышают нескольких десятков до нескольких сотен мВр-р. Некоторые системы требуют дополнительной фильтрации этих рябь. Однако важно помнить, что чрезмерные требования к пульсации в импульсном источнике питания приводят к значительному увеличению стоимости. В большинстве случаев эффективное ослабление намного проще проводить вблизи компонентов, особенно чувствительных к пульсации и шуму питания.

В примере можно выбрать тиристор КУ101В U А = 50 В, I А = 80 мА.

Выбранные элементы вносятся в перечень элементов схемы.

Индикация состояния стабилизатора

Индикация состояния стабилизатора осуществляется с помощью светодиодов (СИД). Нормальное состояние принято индицировать зеленым или желтым цветом, критическое состояние – красным.

При определении требований к производительности запуска источника питания всегда следует помнить о том, что традиционные системы обычных решений, имеют значительно более низкий уровень пульсации выходного напряжения и, следовательно, часто оптимальное решение для пользователя является использование такого питания, или комбинацию линейных стабилизаторов импульсов, используемых на одном или нескольких выходов Улучшение коэффициента устойчивости и уменьшение уровня пульсаций. Однако важно помнить, что это решение чаще всего связано со значительным сокращением текущего потребления этих выходов и возникновением проблем с дополнительными потерями мощности, приводящими к более высоким температурам.

1. Сопротивление R 4 выбирается исходя из условий минимального тока СИД и минимального напряжения на нем (таблица 6). Выберем светодиод КЛ101А с параметрами I ПР = 10 мА, U ПР = 5,5 В.

R 4 = (U Н – U ПР)/I ПР = 4,5 В/10 мА = 450 Ом. Выбираем ближайшее меньшее номинальное значение резистора. Вычисляется мощность рассеяния на резисторе, выбирается его тип.

Как правило, необходимо использовать дополнительные теплоотводы и структурные гарантии эффективного рассеивания тепла. В частности, в импульсных системах часто бывает, что измерение обременено очень большой ошибкой, вызванной индукцией быстро изменяющихся напряжений в измерительных проводах. Из-за возможности индуцирования помех в проводах, соединяющих выход импульсного источника питания с нагрузкой, рекомендуется использовать системы демпфирования непосредственно вблизи груза.

Здесь также следует отметить, что при определении точности стабилизации выходного напряжения следует учитывать пульсацию выходного напряжения. Часто бывают случаи, когда требования точности к стабилизации среднего значения выходного напряжения значительно ниже уровня реальной пульсации, что совершенно необоснованно.

2. Индикация состояния перегрузки стабилизатора осуществляется с помощью СИД VD 5. В исходном состоянии диод не светится. Если тиристор открывается, то напряжение на нем уменьшается до одного вольта и по СИД потечет ток. Расчет ограничительного сопротивления R 5 аналогичен расчету сопротивления R 4.

СИД выбирается с красным свечением.

Защита от короткого замыкания и перегрузки. Как правило, все токовые, более надежные источники питания защищены от перегрузки или короткого замыкания в выходных цепях. Исключение составляют простые и дешевые источники питания, которые постоянно интегрированы с простыми в использовании и невосприимчивыми силовыми цепями.

Из-за различных методов защиты, используемых в источниках питания, важно понимать, что некоторые из них могут быть несовместимы с требованиями, предъявляемыми нагрузкой. Ниже приведены основные типы функций безопасности и их характеристики. В этом случае в случае перегрузки схема защиты приводит к тому, что источник питания переходит от стабилизатора напряжения к режиму стабилизации выхода на определенном уровне. Этот ток поддерживается постоянными или слегка увеличивающимися значениями независимо от величины перегрузки до тех пор, пока импульсный переключатель не будет закорочен.

3. Плавкий предохранитель FU выбирается на такой ток, чтобы он сработал при допустимом токе тиристора.

4. Для устранения низкочастотных и высокочастотных помех на выходе стабилизатора параллельно нагрузке включаются емкости С 1 = 0,1 мкФ и С 2 = 10 ÷ 20 мкФ.

3.11 Заключение

После проведения всех расчетов и выбора элементов оформляется заключение. В нем отражается задание, т.е. что следовало спроектировать и приводятся параметры стабилизатора К СТ, R ВЫХ и U Иср, полученные в результате проектирования.

Выходные характеристики источника питания с такой защитой показаны на рисунке. Недостатками такого типа защиты являются прежде всего возникновение значительных потерь мощности в импульсной системе питания и высокий ток через цепи нагрузки, что может привести к дальнейшему повреждению.

Однако следует иметь в виду, что этот тип защиты позволяет ИБП надежно подключаться к большинству типов линейных и нелинейных нагрузок, что особенно важно при включении устройств, когда источник питания намного превышает номинальный ток . Этот тип защиты уменьшит выходной ток после превышения допустимого тока нагрузки. Это очень удобно для самого источника питания, поскольку он защищает его от чрезмерных потерь мощности в случае высокой перегрузки или короткого замыкания, но очень часто предотвращает работу источника питания с нелинейной нагрузкой.

3.12 Составление принципиальной схемы стабилизатора

После окончания расчётов отдельных узлов необходимо составить полную принципиальную схему устройства. К схеме рис. 19 добавляется схема защиты рис. 22, рис. 23. Нумерация элементов сквозная, номинальные значения элементов не указываются, стрелки направлений токов и напряжения, тоже не указываются. Схема устройства оформляется на листе формата А3, чертится рамка и основная надпись (штамп) приложение 3.

На рисунке 4 показаны выходные характеристики устройства с такой защитой и гипотетическая рабочая точка, которая может стабилизироваться при попытке включения или в случае кратковременной перегрузки. Этот тип защиты все чаще используется, особенно в импульсных источниках питания, где отключение управления ключами относительно просто. Основным преимуществом этого решения является упрощение конструкции, поскольку нет необходимости прогнозировать долговременную работу ИБП в условиях перегрузки или короткого замыкания.

В то же время, с тепловой защитой от перегрузки, можно интегрировать тепловую защиту, которая также должна отключать источник питания. Основным недостатком защиты при переключении является отсутствие возможности взаимодействия с приемниками, которые временно принимают ток, намного превышающий номинальный, и, следовательно, каждый раз выключают источник питания. Однако эта проблема на практике не является слишком большим препятствием. Как правило, уровень защиты и отключения питания от источника питания намного выше, чем номинальный ток из-за очень короткого времени работы ИБП с высокой перегрузкой.

При вычерчивании принципиальной схемы следует руководствоваться требованиями ГОСТ, с которыми можно ознакомиться в библиотеке. Можно воспользоваться типовой «рисовалкой» Microsoft Word, программами SPlan, Компас или Electronics Workbench.

Если схема выполняется на компьютере, то можно разделить её на две части, распечатать на двух листах А4 и затем склеить.

Во-вторых, он обычно отключается через несколько десятков или сотен миллисекунд, когда импульсный источник питания обычно работает в режиме, аналогичном текущей стабилизации. Если перегрузка уходит в течение этого периода времени, то, очевидно, выключение не произойдет. Часто источники питания с защитой от взлома включаются автоматически через короткий промежуток времени, и если условие перегрузки или короткого замыкания запущено, они начнут нормально работать. Во многих случаях такое поведение источника питания является достаточным и не представляет проблемы для пользователя.

Принципиальная схема должна сопровождаться перечнем элементов – спецификацией, выполняемой в соответствии с ГОСТ (приложение 4). Если позволяет место на листе А3, то таблицу с перечнем элементов можно поместить над основной надписью чертежа.

ТРЕБОВАНИЯ К ОФОРМЛЕНИЮ РАБОТЫ

4.1 Оформление работы

Курсовая работа должна быть оформлена в виде пояснительной записки, выполненной на листах формата А4 компьютерным или рукописным способом.

По всем четырём сторонам листа записки должны оставаться поля слева – 25 мм, кругом по 10 мм.

Листы пояснительной записки должны быть скреплены в двух – трёх точках на расстоянии 10 мм от левого края листа. Использование скрепок и пластиковых конвертов (файлов) не допускается.

Пояснительная записка обязательно должна включать условие задачи, размещаемой на втором листе (номер варианта указывается на титульном листе). Расчётные принципиальные схемы в пояснительной записке должны быть выполнены обязательно по трафарету. Схемы в тексте являются рисунками и должны иметь сквозную нумерацию и подрисуночные подписи.

Все буквенные обозначения физических величин должны быть указаны на рисунке или пояснены в тексте.

Расчёт численных значений физических величин должен быть оформлен следующим образом: после расчётной формулы, записанной в буквенных обозначениях , в неё подставляют численные значения величин, а затем приводят результат вычислений и обозначение единицы физической величины без скобок. Обязательно проставляется размерность полученной величины. Если хотя бы одна величина, входящая в формулу имеет три значащие цифры, то результат должен иметь также три значащие цифры. В качестве примера оформления расчетной формулы можно обратиться к формуле расчета коэффициента стабилизации К СТ.

Работы, сдаваемые на проверку, должны быть выполнены в полном объёме, приведён список использованной литературы, справочников.

Исправления следует вносить путём зачёркивания неправильного результата и вписывания правильного выше или правее неправильного. Если работа переоформлена полностью, то предыдущий вариант работы с замечаниями преподавателя должен быть вложен в исправленный текст (за исключением титульного листа, который должен быть перенесён на исправленный текст).

Пример оформления титульного листа записки приведён в приложении 2. Титульный лист является страницей номер 1, но номер не проставляется. Длинный номер под заголовком обозначает следующее. Первая позиция – номер учебной специальности, следующие две позиции в учебных проектах не заполняются, предпоследняя позиция – две последние цифры номера студенческого билета или зачётной книжки, последняя позиция – ПЗ – шифр документа – пояснительная записка.

В основной надписи принципиальной схемы эта позиция обозначается Э3 – обозначающую схему электрическую принципиальную.

В приложении приводятся вольт-амперные характеристики транзисторов, которые использовались в ходе расчётов. Эти характеристики можно скопировать из электронной версии пособия или из интернета и поместить в текст пояснительной записки.

4.2 Таблица выбора варианта и данных для расчета стабилизатора

Номер варианта выбирается по порядковому номеру студента в журнале группы.

Изменение напряжения источника питания составляет ±15% для всех вариантов.

Таблица 1.

№ Вар.	U СТ В	I H mA	∆t 0 C	Материал транзистора	К СТ не менее	ТКН % от U СТ
		50±20%		Si		менее 1%
		90±20%		Si		менее 1%
		60±40%		Ge		менее 0,5%
		70±20%		Si		менее 0,9%
		80±30%		Ge		менее 0,5%
		82±20%		Si		менее 1%
		96±30%		Ge		менее 0,5%
		50±40%		Si		менее 0,8%
		90±20%		Ge		менее 0,5%
		40±40%		Si		менее 1%
		60±40%		Ge		менее 0,6%
		80±30%		Si		менее 1%
		70±20%		Ge		менее 0,9%
		90±40%		Si		менее 0,9%
		100±40%		Si		менее 0,7%
		92±40%		Ge		менее 1%
		80±20%		Si		менее 0,5%
		60±30%		Ge		менее 1%
		88±40%		Si		менее 0,8%
		90±30%		Ge		менее 0,4%
		50±20%		Si		менее 0,5%
		40±40%		Ge		менее 1%
		60±40%		Si		менее 0,5%
		80±20%		Ge		менее 1%
		120±10%		Si		менее 0,4%
		70±40%		Ge		менее 0,8%
		90±30%		Si		менее 0,5%

Таблица 1. Продолжение.

5. СПРАВОЧНЫЙ РАЗДЕЛ

5.1 Определение площади радиатора

Стабилизатор тока для светодиодов применяется во многих светильниках. Как и всем диодам, LED присуще нелинейная вольт-амперная зависимость. Что это значит? При повышении напряжения, сила тока медленно начинает набирать мощь. И только при достижении порогового значения, яркость светодиода становится насыщенной. Однако если ток не перестанет расти, то лампа может сгореть.

Правильная работа LED может быть обеспечена только благодаря стабилизатору. Эта защита необходима еще и по причине разброса пороговых значений напряжения светодиода. При подключении по параллельной схеме лампочки могут просто на просто сгореть, так как им приходится пропускать недопустимую для них величину тока.

Виды стабилизирующих устройств

По способу ограничения силы тока выделяются устройства линейного и импульсного типа.

Так как напряжение на светодиоде – неизменная величина, то стабилизаторы тока часто считают стабилизаторами мощности LED. Фактически последняя прямо пропорциональна изменению напряжения, что характерно для линейной зависимости.

Линейный стабилизатор нагревается тем больше, чем больше прилагается к нему напряжения. Это его главный недочёт. Преимущества данной конструкции обусловлены:

отсутствием электромагнитных помех;
простотой;
низкой стоимостью.

Более экономичными устройствами являются стабилизаторы на основе импульсного преобразователя . В этом случае мощность прокачивается порционно – по мере необходимости для потребителя.

Схемы линейных устройств

Самая простейшая схема стабилизатора – это схема, построенная на основе LM317 для светодиода. Последний являются аналогом стабилитрона с определенным рабочим током, который он может пропускать. Учитывая малую силу тока можно собрать простой аппарат самостоятельно. Наиболее простой драйвер светодиодных ламп и лент собирают именно таким способом.

Микросхема LM317 уже не одно десятилетие является хитом среди начинающих радиолюбителей благодаря своей простоте и надежности. На её основе можно собрать регулируемый блок питания, светодиодный драйвер и другие БП. Для этого потребуется несколько внешних радиодеталей, модуль работает сразу, настройки не требуется.

Интегральный стабилизатор LM317 как никакой другой подходит для создания несложных регулируемых блоков питания, для электронных устройств с разными характеристиками, как с регулируемым выходным напряжением, так и с заданными параметрами нагрузки.

Основное назначение это стабилизация заданных параметров. Регулировка происходит линейным способом, в отличие от импульсных преобразователей.

Выпускаются LM317 в монолитных корпусах, исполненных в нескольких вариациях. Самая распространённая модель TO-220 с маркировкой LM317Т.

Каждый вывод микросхемы имеет свое предназначение:

ADJUST. Ввод для регулирования выходного напряжения.
OUTPUT. Ввод для формирования выходного напряжения.
INPUT. Ввод для подачи питающего напряжения.

Технические показатели стабилизатора:

Напряжение на выходе в пределах 1,2–37 В.
Защита от перегрузки и КЗ.
Погрешность выходного напряжения 0,1%.
Схема включения с регулируемым выходным напряжением.

Мощность рассеяния и входное напряжение устройства

Максимальная «планка» входного напряжения должна быть не более заданной, а минимальная – выше желаемой выходной на 2 В.

Микросхема рассчитана на стабильную работу при максимальном токе до 1,5 А. Это значение будет ниже, если не применять качественный теплоотвод. Максимально допустимое рассеивание мощности без последнего равно примерно 1,5 Вт при температуре окружающей среды не более 30 0 С.

При установке микросхемы требуется изоляция корпуса от радиатора, к примеру, с помощью слюдяной прокладки. Также эффективный отвод тепла достигается путём применения теплопроводной пасты.

Краткое описание

Коротко описать достоинства радиоэлектронного модуля LM317, применяемого в стабилизаторах тока, можно так:

яркость светового потока обеспечивается диапазоном выходного напряжения 1, – 37 В;
выходные показатели модуля не зависят от частоты вращения вала электродвигателя;
поддерживание выходного тока до 1,5 А позволяет подключать несколько электроприёмников;
погрешность колебаний выходных параметров равна 0,1% от номинального значения , что является гарантией высокой стабильности;
имеется функция защиты по ограничению тока и каскадного отключения при перегреве;
корпус микросхемы заменяет землю, поэтому при внешнем креплении уменьшается количество монтажных кабелей.

Схемы включения

Безусловно, наипростейшим способом токового ограничения для светодиодных ламп станет последовательное включение добавочного резистора. Но данное средство подходит лишь только для маломощных LED.

1. Простейший стабилизированный блок питания

Чтобы сделать стабилизатор тока потребуется:

Микросхемка LM317;

Резистор;

Монтажные средства.

Собираем модель по нижеприведенной схеме:

Модуль можно применять в схемах разных зарядных устройств либо регулируемых ИБ.

2. Блок питания на интегральном стабилизаторе

Этот вариант более практичный. LM317 ограничивает потребляемый ток, который задается резистором R.

Помните, что максимально допустимое значение тока, которое нужно для управления LM317, составляет 1,5 А с хорошим радиатором.

3. Схема стабилизатора с регулируемым блоком питания

Ниже изображена схема с регулируемым выходным напряжением 1.2–30 В/1,5 А.

Переменный ток преобразуется в постоянный с помощью моста-выпрямителя (BR1). Конденсатор С1 фильтрует пульсирующий ток, С3 улучшает переходную характеристику. Это означает, что стабилизатор напряжения может отлично работать при постоянном токе на низких частотах. Выходное напряжение регулируется ползунком Р1 от 1.2 вольта до 30 В. Выходной ток составляет около 1,5 А.

Подбор резисторов по номиналу для стабилизатора должен осуществляться по точному расчету с допустимым отклонением (небольшим). Однако разрешается произвольное размещение резисторов на монтажном плате, но желательно для лучшей стабильности размещать их подальше от радиатора LM317.

Область применения

Микросхема LM317 является отличным вариантом для использования в режиме стабилизации основных технических показателей. Она отличается простотой в исполнении, недорогой стоимостью и отличными эксплуатационными характеристиками. Единственный недостаток – пороговое значение напряжения составляет лишь 3 В. Корпус в стиле ТО220 – это одна из самых доступных моделей, которая позволяет рассеивать тепло довольно хорошо.

Микросхема применима в устройствах:

стабилизатор тока для LED (в том числе для LED-лент);
Регулируемый.

Стабилизирующая схема, построенная на основе LM317 простая, дешёвая, и в то же время надежная.

Этот стабилизатор напряжения предназначен для питания радиолюбительских конструкций в процессе их налаживания. Он вырабатывает постоянное стабилизированное напряжение от 0 до 25,5В, которое можно изменять с шагом 0,1В. Ток срабатывания защиты от перегрузки можно плавно менять от 0,2 до 2А.

Схема устройства показана на рис 1, счетчики DD2 DD3 формируют цифровой код выходного напряжения. ЦАП на прецизионных резисторах преобразует код счетчика в ступенчато нарастающее напряжение.

Так же стабилизатор имеет индикатор (рис3) на ППЗУ К573РФ2.

Налаживание стабилизатора заключается в подборе R26 так, что бы максимальное выходное напряжение было равно 25,5В.

Файлы чертежей печатных плат – ftp://ftp.radio.ru/pub/2007/08/st0_255.zip

Литература Ж.Радио 8 2007

Похожие статьи

Войти с помощью:

Случайные статьи

24.09.2014
Сенсорный выключатель показанный на рисунке имеет двухконтактный сенсорный элемент, при касании обеих контактов напряжение питания (9В) от источника питания подается в нагрузку, а при следующем касании сенсорных контактов питания отключается от нагрузки, нагрузкой может быть лампа или реле. Сенсор очень экономичен и потребляет малый ток в режиме ожидания. В момент …
08.10.2016
MAX9710/MAX9711 — стерео/моно УМЗЧ с выходной мозностью 3 Вт имеющие режим пониженного потребления. Технические характеристики: Выходная мощность 3 Вт на нагрузке 3 Ом (при КНИ до 1%) Выходная мощность 2,6 Вт на нагрузке 4 Ом (при КНИ до 1%) Выходная мощность 1,4 Вт на нагрузке 8 Ом (при КНИ до 1%) Коэффициент подавления шумов …

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. 4.7 схема является универсальной и на ее основе можно сделать высококачественный источник питания на любое напряжение и ток в нагрузке.

Рис. 4.7. Электрическая схема источника питания

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, а 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 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 для схемы управления подключен к клемме "+" (Х1). При этом для полного открывания силового транзистора (VT1) на выходе ОУ потребуется небольшое напряжение (на базе VT1 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 силового транзистора (для КТ827А максимальное Uкэ=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. Это 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. Оно 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 DA1.2 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...VD7) 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 С3 ограничивает полосу усиливаемых частот, что повышает устойчивость работы схемы, предотвращая самовозбуждение.

Аналогичную схему источника питания можно выполнить на транзисторе с другой проводимостью КТ825А (рис. 4.8).

Рис. 4.8 Второй вариант схемы источника питания

При использовании указанных на схемах элементов данные источники питания позволяют на выходе получать стабилизированное напряжение до 50 В при токе 1.5 А.

Технические параметры стабилизированного источника питания получаются не хуже указанных для аналогичной по принципу работы схемы, приведенной на рис. 4.10.

Рис. 4.10. Электрическая схема

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

При сборке схемы использованы детали: подстроечные 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 МЛТ и С2-23 соответствующей мощности. Конденсаторы С1, С2, С3 типа К10-17, оксидные полярные конденсаторы С4...С9 типа К50-35 (К50-32).

Микросхема сдвоенного операционного усилителя DA1 может быть заменена импортным аналогом маА747 или двумя микросхемами 140УД7; стабилизаторы напряжения: DA2 на 78L15, DA3 на 79L15.

Параметры сетевого трансформатора Т1 зависят от необходимой мощности, поступающей в нагрузку. Для напряжения до 30 В и тока 3 А можно использовать такой же, как и в схеме на рис. 4.10. 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, рис. 4.9.

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.

Наливной пол