Стабилизатор с двойной защитой от КЗ в нагрузке

Стабилизатор с двойной защитой от КЗ в нагрузке

Схема такого стабилизатора напряжения приведена на рис. С-11. Он рассчитан на значительно больший ток нагрузки (до 3. 5 А) по сравнению с предыдущими конструкциями и содержит две цепи защиты от короткого замыкания в нагрузке — электронную и электромагнитную.

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.

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).

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.

Блок питания с регулируемым выходным напряжением

.
Этот блок питания позволяет не только регулировать постоянное напряжение на выходе от 0,5 до 12 В при токе потребления до 400 мА, но и защищен от коротких замыканий в нагрузке. Кроме того, в блок введен звуковой сигнализатор короткого замыкания, что удобно при налаживании различных конструкций, когда выходное напряжение блока не контролируют и, не замечая появившегося короткого замыкания, продолжают проверку каскадов конструкции. Для контроля выходного напряжения блок снабжен стрелочным индикатором. Пульсации выпрямленного напряжения весьма малы и не превышают 20 мВ даже при максимальном токе потребления.

Основные узлы блока — трансформатор питания Т1 с индикатором включения блока VL1, выпрямитель на диодах VD1 — VD4, стабилизатор напряжения, собранный на VD6 и VT4, VT5, автомат защиты от КЗ на VT1, звуковой сигнализатор на VT2, VT3 и излучателе ВА1. Работает прибор следующим образом. Выпрямленное напряжение (пульсации его сглаживаются конденсатором С1) поступает на параметрический стабилизатор из стабилитрона VD6 и резистора R7. Параллельно VD6 стоит регулируемый резистор R8, с движка которого напряжение поступает на составной транзистор VT4, VT5, включенный как эмиттерный повторитель.

На выходных зажимах XT1 и ХТ2 будет постоянное напряжение, установленное переменным резистором. Для контроля напряжения к зажимам подключен вольтметр, состоящий из стрелочного индикатора PAI и резистора R10. Резистор R11 нужен для того, чтобы регулирующий транзистор работал в режиме усиления даже если нагрузка к устройству не подключена. Каскад, собранный на VT1 выполняет роль автоматической защиты от КЗ. Пока его (замыкания) нет, напряжение на эмиттере VT1 ниже, чем на базе (определяется падением напряжения на VD5, который включен в прямом направлении).

Закрытым VT1 останется даже при выходном напряжении, не превышающем 0.5 В. При коротком замыкании между выходными клеммами транзистор откроется и закоротит стабилитрон. В результате мощный транзистор VT5 окажется закрытым, и ток через нагрузку сразу же упадет. В режиме защиты схема может находиться сколько угодно. Выходное напряжение появится вновь сразу же по окончании короткого замыкания. О звуковой сигнализации короткого замыкания. Он собран на транзисторах VT2 и VT3, имеющих разную проводимость. По сути это обычный генератор, в котором возникает возбуждение из за положительной обратной связи через C2 между базой VT2 и коллектором VT3.

Частоту звукового сигала можно изменить подбором резистора R3. В качестве источника питания генератор использует простейший стабилизатор, собранный на стабилитроне VD7. Резистор R4 – токоограничивающий. Запустится генератор в случае, если на базе VT2 появится напряжение смещения, возникающее при коротком замыкании между выходными клеммами. Чтобы не происходило ложное срабатывание тревоги, предусмотрена цепь R6 — C3.

Защита блока питания от короткого замыкания

Для питания своих конструкций радиолюбители нередко используют простейшие блоки, состоящие из понижающего трансформатора и выпрямителя с конденсатором фильтра. И, конечно, в таких блоках нет никакой защиты от короткого замыкания (КЗ) в нагрузке, хотя оно подчас приводит к выходу из строя выпрямителя и даже трансформатора. Применять в таких блоках питания в качестве элемента защиты плавкий предохранитель не всегда удобно, да и, кроме того, быстродействие у него невысокое. Один из вариантов решения проблемы защиты от КЗ — включение последовательно с нагрузкой полевого транзистора средней мощности с встроенным каналом.

Дело в том, что на вольт-амперной характеристике такого транзистора есть участок, на котором ток стока не зависит от напряжения между стоком и истоком. Поэтому на этом участке транзистор работает как стабилизатор (ограничитель) тока. Вольт-амперные характеристики транзистора для различных сопротивлений резистора R2 приводятся на рис. 7.1. Работает защита так. Если сопротивление резистора R2 равно нулю (т.е. исток соединен с затвором), а нагрузка потребляет ток около 0,25 А, то падение напряжения на полевом транзисторе не превышает 1,5 В, и на нагрузке будет практически все выпрямленное напряжение. При появлении же в цепи нагрузки замыкания ток через выпрямитель резко возрастает и при отсутствии транзистора может достичь нескольких ампер.

Транзистор ограничивает ток короткого замыкания на уровне 0,45. 0,5 А независимо от падения напряжения на нем. В этом случае выходное напряжение станет равным нулю, а все напряжение упадет на полевом транзисторе.

Таким образом, в случае КЗ мощность, потребляемая от источника питания, увеличится в данном примере не более чем вдвое, что в большинстве случаев вполне допустимо и не отразится на «здоровье» деталей блока питания.

Уменьшить ток короткого замыкания можно увеличением сопротивления резистора R2. Нужно подобрать такой резистор, чтобы ток короткого замыкания был примерно вдвое больше максимального тока нагрузки. Подобный способ защиты особенно удобен для блоков питания со сглаживающим RC-фильтром. Поскольку во время КЗ на полевом транзисторе падает почти все выпрямленное напряжение, его можно использовать для световой или звуковой сигнализации. К примеру, схема включения световой сигнализации показана на рис. 7.2. Когда с нагрузкой все в порядке, горит светодиод HL2 зеленого цвета. При этом падения напряжения на транзисторе недостаточно для зажигания свето-диода HL1. Но стоит появиться КЗ в нагрузке, как светодиод HL2 гаснет, но зато вспыхивает HL1 красного свечения. Резистор R2 выбирают в зависимости от нужного ограничения тока КЗ по высказанным выше рекомендациям. Схема подключения звукового сигнализатора замыкания приведена на рис. 7.3. Его можно подключать либо между стоком и истоком транзистора, либо между стоком и затвором, как светодиод HL1.

При появлении на сигнализаторе достаточного напряжения вступает в действие генератор 34, выполненный на однопереходном транзисторе VT2, и в головном телефоне BF1 раздается звук. Однопереходный транзистор может быть КТ117А. КТ117Г, теле

фон — низкоомный (можно заменить динамической головкой небольшой мощности). Остается добавить, что для слаботочных нагрузок в блок питания можно ввести ограничитель тока КЗ на полевом транзисторе КП302В. При выборе транзистора для других блоков следует учитывать его допустимую мощность и напряжение сток-исток. Полное описание этого устройства приводится в [103].

Простой маломощный БП с защитой от КЗ, на старой элементной базе

Блок питания появился на свет как некая гуманитарная помощь знакомому школьнику-семикласснику, для направления его внутренней энергии в хорошее, полезное русло. Таким стабилизированным и регулируемым источником можно запитывать несколько подаренных электро- и радио-конструкторов, первые несложные схемы, которые мы, я надеюсь, соберем. В дальнейшем, при необходимости БП можно будет усовершенствовать – используя корпус, измерители, радиатор, несложно будет собрать более мощный прибор с лучшими параметрами. Пространство внутри вполне это позволяет.

Итак. Блок питания собран по классической схеме, выпрямитель – источник слаботочного стабилизированного напряжения на стабилитроне, эмиттерный повторитель-регулятор на составном транзисторе. Узел защиты от КЗ собран на транзисторе V6, он закрывает регулирующий транзистор при замыкании выходных клемм, в таком состоянии прибор может находиться длительное время. Существует более подробное описание работы схемы, список элементов для замены приведенных.

Блок питания обеспечивает регулируемое стабилизированное напряжение 0,5…12 В с максимальным током 400 мА. Элементная база устройства – сугубо дискретные элементы, германиевые транзисторы старых серий. При определении со схемотехникой блока, все элементы мгновенно и без труда нашлись в коробках и банках, параметры тоже устроили. Решено было не противиться воле провидения.

Главные факторы в конструкции нынешней, применительно к назначению – небольшая мощность, небольшое выходное напряжение, регулируемость, индикация напряжения, защита от КЗ. Кроме того должен быть удобный корпус, безопасное исполнение. Чтобы никаких накрученных проводков на вилку настольной лампы (в пол-голоса) и как только жив остался…

По сравнению с исходной схемой, стрелочный вольтметр заменен на цифровой китайский модуль-измеритель напряжения и тока – не капли не жалко, а ребенку радость. Кроме прочего в голове лучше уложится зависимость потребляемого тока от напряжения, будет видно как напряжение просаживается на относительно мощной нагрузке, напряжение на конкретной нагрузке можно установить с учетом этой просадки (по сравнению со шкалой под ручкой R8) и т.д. Словом, в учебно-наглядных целях. Единственный минус – пришлось озаботиться личным микро-БП для измерителя, впрочем, он допускает широкий диапазон напряжений для питания и удалось легко подобрать ему старый исправный сетевой адаптер-зарядку для мобильного телефона. При этом, индикаторной неоновой лампой с токоограничительным резистором можно смело манкировать – светящиеся цифры измерителя преотлично их заменят.

Первым делом подобрал элементы, привел в порядок их выводы, проверил на тестере элементов. К слову, транзисторы вроде П213 тестер игнорирует, проверять его пришлось старым добрым способом – попереходно, тестером.

В транзисторе П213 металлический, прижимаемый к радиатору корпус соединен с выводом его коллектора – чтобы не изолировать от металлической коробки блока весь радиатор, изолировать пришлось сам транзистор. К счастью, нашлась специальная слюдяная прокладка, к несчастью, не оказалось специальных винтиков с изоляторами, пришлось выкручиваться. Момент удалось разрешить фланцем-изолятором. Выпилил его из нетолстого текстолита ювелирным лобзиком с крупнозубой (№0) пилкой. Как и при использовании всех слоистых пластиков, детали из текстолита следует красить (лакировать) – они весьма пористы и как следствие, гигроскопичны.

Собрал прибор навесным манером для проверки работоспособности. Собственно, элементов в схеме немного, значительная их часть крупные, установочные. Их выводы удобно использовать как контактные площадки. Кроме них конструкция внутренней части блока не предполагает дополнительных точек крепления. Все мелкие элементы сгруппированы в две части так, чтобы между ними было меньше соединительных проводов. Первая часть имеет опору – крупную оксидную емкость (С1), вторая – ножки регулирующего транзистора на радиаторе.

Убедившись в работоспособности макета, приступил к самому сложному – корпусу. Он был изготовлен из листового металла способом гнутья, частично пайки и состоит из двух П-образных частей. Нижняя – поддон и торцевые стенки сделаны из оцинкованной стали (легко паять), крышка – из тонкого алюминиевого листа (старый кровельный лист). Электрохимический ряд напряжений металлов вполне допускает их механическое соединение.

Нижняя часть (поддон) выгнут из простой прямоугольной заготовки. Торцевые стенки припаиваются к нему и усиливаются (также пайкой) пластинчатыми раскосами. Конструкция несколько сложная, зато дающая возможность без помех орудовать ювелирным лобзиком при изготовлении фигурных проемов под установочные элементы.

Разметку торцевых панелей делал на манер накернивания печатных плат – распечатал вычерченный в КАДе эскиз в формате 1:1, вырезал ему лепестки, обернул вокруг заготовки железки и закрепил (при необходимости) липкой лентой. Разметку прямоугольных проемов перенес слегка накернив их углы, круглых – их центры. Чертилкой или тонко отточенным карандашиком соединил прямоугольники, в центры ставил ножку циркуля-балеринки (для малых окружностей). Дополнительные загогулины вырисовывал по месту, примеряя к детали.

Ряд установочных элементов были разукомплектованы или имели небольшие дефекты, поломки, не лишающие впрочем, их работоспособности. Например, для изолированной клеммы «-» не удалось найти гайку-крепеж с мелкошаговой резьбой, пришлось применить пайку и импровизированный изолятор. Клемму общего провода, а здесь это «+» впаял в стенку насмерть.

Выпилив и подогнав проемы для всех установочных элементов, спаял нижнюю часть корпуса – поддон, торцевые стенки, раскосы (зачистить, нанести «кислоту паяльную» (хлористый цинк), лудить; после пайки хорошо промыть водой со щеткой, в воду можно добавить чуток соды).

Некоторые установочные элементы были не рассчитаны на установку в столь тонкую (0,5 мм) панель, пришлось укрепить их термоклеем. Его адгезия к стали здесь неважна, он работает этаким упором на сжатие. Пластиковые части предварительно покорябал острым ножом.

Колодка предохранителя тоже болталась, здесь пришлось выпилить из алюминия (он чуть толще) еще пару утолщительных шайб.

В качестве сетевого трансформатора применен кадровый ТВК-110ЛМ от старого лампового телевизора. Он положен набок, его внешняя обойма припаяна к площадке из оцинкованной стали. Площадка приклепана к поддону БП вытяжными заклепками.

Адаптер-зарядка от старого телефона (БП измерителя) несколько доработана – удалена штатная сетевая вилка, вместо нее наружу выведена пара проводов. Это безопаснее и уменьшает потребное для узла место.

Площадка с закрепленным конденсатором приклепана к поддону вытяжными заклепками.

Радиатор с транзистором крепится при помощи двух коротких винтиков, железку пришлось немного поёрзать на бруске с пришпиленной наждачной шкуркой, чтобы выровнять её нижнюю, соприкасающуюся с поддоном часть. Так она стоит ровнее и плотнее. Под винты подложил кузовные (широкие) шайбы, в резьбу капнул лака для застопоривания.

Размеры для развертки крышки вымерял по месту, начертил на отрихтованом листе, вырезал ножницами по металлу. Согнул, притупил острые кромки, разметил и просверлил массив вентиляционных отверстий. Сделал два ряда отверстий и в поддоне, под радиатором, чтобы организовать воздушный поток вокруг него.

Сверяясь с большим мультиметром подрегулировал показания измерительного блока прибора.

Собрал корпус БП, крышку к нижней части приклепал вытяжными заклепками – часто вскрывать ее нет нужды, но при необходимости, заклепки без труда высверливаются.

Регулируемый блок питания на TL494

Большинство блоков питания (БП) изготавливается нерегулируемыми. Это удобно и просто для производителей, а также для самих пользователей. Если вам нужно напряжение 5 В, то вы просто подключите нужный источник питания и не будете думать о совместимости напряжений или других параметров.

В противном случае, если, например, с предыдущего включения было выставлено другое напряжение, пусть 30 В, то схема потребителя, рассчитанного максимум на 5В, может легко выйти из строя.

Поэтому регулируемый БП – достаточно специфичное устройство. Оно может пригодиться, например, для:

• Проведения опытов и лабораторных работ в школе или других учебных заведениях;
• Исследовательских центров и других организаций, занимающихся научной деятельностью;
• Радиомастерских и точек ремонта бытовой или цифровой техники.
• Радиолюбителей.

В зависимости от предполагаемых нагрузок и степени точности выходных параметров есть большое количество специальных готовых блоков питания. Но все они имеют один минус – кусающийся ценник.

Можно собрать аналогичный прибор за более приемлемую стоимость.

Проектирование БП – сложный процесс, требующий знаний и навыков. Есть два сильно отличающихся подхода к формированию напряжения:

• На силовых трансформаторах;
• На импульсных трансформаторах (ИБП).

Оба имеют свои плюсы и минусы. ИБП традиционно имеют сильно меньшие габариты и хорошие характеристики, но требуют защиты цепей от ВЧ-помех и не могут работать без нагрузки.

Основная идея импульсного преобразования заключается в том, чтобы повысить колебания тока так, чтобы ввести трансформатор в режим насыщения. В этом случае снижаются потери в сердечнике и КПД преобразования существенно возрастает (собственно, по этой причине и становится возможным уменьшение габаритов).

Соответственно, для создания колебаний нужен колебательный контур. Его можно построить на классических RC-элементах, а можно взять готовые таймеры.

Одним из самых широко распространённых и проверенных временем является ШИМ-контроллер TL494, он же КР1114ЕУ4.

Есть масса других аналогов – как полных, так и улучшенных.

К ключевым характеристикам микросхемы можно отнести следующие:

• Поддерживается напряжение на входе и выходе – от 7 до 40 В;
• Сила тока – рабочая до 200, максимальная – не более 250 мА.

Схемы блока питания

Проверенная и точно рабочая схема.

Рис. 1. Схемы блока питания

На выходе получаются следующие параметры:

• Постоянное напряжение – от 0 до 30 В.
• Ток – до 15 А.
• Питание – от сети переменного тока.
• Есть режим стабилизации напряжения.
• Встроенная защита от КЗ.
• Компактные размеры.

Основная сложность здесь заключается в расчёте и намотке трансформатора. Если вы проектируете свою схему – используйте специальное ПО (например, ExcellentIT). Для всех остальных – мы обозначили готовые модели, которые подойдут для сборки.

Перечень элементов указан на схеме.

Переделка имеющегося блока

Если у вас уже есть БП на базе TL494, но он не регулируется, схему можно доработать. Пример с регулируемыми напряжением и силой тока.

Рис. 2. Схема переделонного блока питания

Как это будет выглядеть на практике. Вы выпаиваете имеющуюся микросхему и собираете с ней новую обвязку, обозначенную на приведённой выше схеме. Теперь можно подключить обвязку вместо микросхемы.

За регулировку тока будет отвечать резистор R10, за напряжение отвечает R4.

Если обвязка будет устанавливаться в схемы с высокими напряжениями, то нужно заменить диоды и конденсаторы на подходящие по параметрам.

БП на базе понижающих трансформаторов

Достаточно простые в реализации. Используются доступные элементы.

Рис. 3. БП на базе понижающих трансформаторов

Рис. 4. БП на базе понижающих трансформаторов

Мнения читателей

• Александр. / 17.12.2020 — 19:14

Виталий, Вы обратили внимание на плагиат. Так автор ещё и с ошибками пишет, грамотей.

Как не стыдно воровать материалы!

Вы можете оставить свой комментарий, мнение или вопрос по приведенному выше материалу: