От значения КПД зависит эффективность работы стабилизатора - чем он выше, тем лучше. У разных моделей параметр находится в диапазоне от 80 до 90%. Самый высокий КПД присущ электромеханическим моделям и достигает 97%. При небольшом энергопотреблении они способны поддерживать работу потребителей с высокой суммарной мощностью.
Габариты и тип установки
Большинство стабилизаторов рассчитаны на напольную установку, так как массивные модели имеют габариты более 1 м в длину и ширину. Небольшие бытовые устройства могут крепиться к стене . Они имеют тонкий корпус, толщина которого, как правило, составляет не более 8 – 10 см.
Конструктивные особенности
При покупке стабилизатора следует обратить внимание на класс защиты от воды. Если нет риска попадания влаги, можно приобрести модель в негерметизированном корпусе (IP20). Когда есть вероятность попадания воды, выбирают стабилизаторы во влагозащитном исполнении (от IP21 до IP24). Если прибор предполагается использовать на улице или в неотапливаемом помещении, выбирают стабилизатор в климатическом исполнении – его корпус выдерживает минусовые температуры. Модели для установки в отапливаемых помещениях рассчитаны на работу только при плюсовых температурах.
Если стабилизатор будет использоваться в течение длительного времени, ему необходима система охлаждения. Наиболее эффективная - принудительная вентиляция корпуса. С ней такой прибор не будет отключаться из-за перегрева. У многих моделей охлаждение пассивное - это оправдано, когда оборудование рассчитано на кратковременные рабочие циклы.
Контрольные и защитные системы
Стабилизатор контролирует напряжение на входе и выходе , его значения выводятся на панель, где находится механический или электронный вольтметр.
Система автоматического отключения срабатывает при угрозе перегрузки, перегрева или короткого замыкания. Она предотвращает поломки стабилизатора и подключенных к нему приборов.
На панели также предусмотрены два световых индикатора - включения и оповещения об ошибках. Модели со встроенным микропроцессором обеспечивают постоянный контроль рабочих параметров устройства, сети и подключенной нагрузки.
Справочная статья, основанная на экспертном мнении автора.
Рассказать в:Вашему вниманию предлагается качественный, практичный мощный блок питания. Для питания некоторых радиотехнических устройств иногда требуется источник питания с повышенными требованиями к уровню минимальных выходных пульсаций и стабильности напряжения. Чтобы их обеспечить, блок питания приходится выполнять на дискретных элементах. Приведенная схема является универсальной и на ее основе можно сделать высококачественный источник питания на любое напряжение и ток в нагрузке.
рис.1
Блок питания собран на широко распространенном сдвоенном операционном усилителе (КР140УД20А) и трех силовых транзисторах VT1-VT3 N-P-N-проводимости. При этом схема имеет защиту по току, которую можно регулировать в широких пределах и которая должна срабатывать достаточно быстро, чтобы исключить повреждение самого источника в случае короткого замыкания на выходе. На операционном усилителе DA1.1 выполнен стабилизатор напряжения, a DA1.2 используется для обеспечения защиты по току. Микросхемы DA2, DA3 стабилизируют питание схемы управления, собранной на DA1, что позволяет улучшить параметры источника питания. Работает схема стабилизации напряжения следующим образом. С выхода источника (Х2) снимается обратная связь по напряжению. Этот сигнал сравнивается с опорным напряжением, поступающим со стабилитрона VD1. На вход ОУ подается сигнал рассогласования (разность этих напряжений), который усиливается и поступает через R16-R17 на управление транзисторами VT1-VT3. Таким образом, выходное напряжение поддерживается на заданном уровне с точностью, определяемой коэффициентом усиления ОУ DA1.1. Нужное выходное напряжение устанавливается резисторами R10-R15. Для того, чтобы у источника питания имелась возможность устанавливать выходное напряжение более 15 В, общий провод для схемы управления подключен к клемме "+" (Х1). При этом для полного открывания силовых транзисторов (VT1-VT3) на выходе ОУ потребуется небольшое напряжение (на базах Uбэ=+1,2 В). Такое построение схемы позволяет выполнять источники питания на любое напряжение, ограниченное только допустимой величиной напряжения коллектор-эмиттер (Uкэ) для конкретного типа силовых транзисторов (для КТ827А максимальное Uкэ=100 В, КТ827Б - 80 В). В данной схеме силовые транзисторы являются составными и, поэтому могут иметь коэффициент усиления в диапазоне 750... 18000, что позволяет управлять ими небольшим током - непосредственно с выхода ОУ DA1.1. Это снижает число необходимых элементов и упрощает схему. Схема защиты по току собрана на ОУ DA1.2. При протекании тока в нагрузке на резисторе R5 выделяется напряжение. Оно через резистор R11 прикладывается к точке соединения R9-R13, где сравнивается с опорным уровнем. Пока эта разница отрицательна (что зависит от тока в нагрузке и величины сопротивления резистора R5) - эта часть схемы не оказывает влияния на работу стабилизатора напряжения. Как только напряжение в указанной точке станет положительным, на выходе ОУ DA1.2 появится отрицательное напряжение, которое через диод VD9 уменьшит напряжение на базе силовых транзисторов VT1-VT3, ограничивая выходной ток. Уровень ограничения выходного тока регулируется с помощью резистора R11. Параллельно включенные диоды на входах операционных усилителей (VD5...VD8) обеспечивают защиту микросхемы от повреждения в случае включения ее без обратной связи через транзисторы VT1-VT3 или при повреждении (одного из) силовых из транзисторов. В рабочем режиме напряжение на входах ОУ близко к нулю, и диоды не оказывают влияния на работу устройства. Установленный в цепи отрицательной обратной связи конденсатор С12 ограничивает полосу усиливаемых частот, что повышает устойчивость работы схемы, предотвращая самовозбуждение. При использовании указанных на схемах элементов данные источники питания позволяют на выходе получать стабилизированное напряжение до 50 В при токе до 5 А. Силовые транзисторы устанавливаются на радиатор, площадь которого зависит от тока в нагрузке и напряжения Uкэ (не менее 1500см2). Для нормальной работы стабилизатора это напряжение должно быть не менее 3 В. R1-для разрядки емкостей после выключения БП. Аналогично выполнена вторая половина БП на основе 3-х параллельно соединенных транзисторах P-N-P-проводимости 2Т825А (КТ825Г).
рис.2 При сборке схемы кроме
указанных можно использовать: диоды выпрямителя (диодный мост), рассчитанные на
ток не менее 10А, напряжение более 200В (на радиаторы), VD5-VD8-1N4148, VD9-VD10-любые на
ток 1А, напряжение 100В, переменные, подстроечные резисторы R11 (впоследствии
заменен галетным переключателем с установленными и предварительно подобранными
в ходе настройки токоограничивающими резисторами), R10 и R15 типа СП3-19а, СПО-0,5 и
т.д. (в схеме использованы многооборотные проволочные для плавного изменения
напряжения на выходе с точностью до 0,1В; постоянные резисторы R2-R5 типа
С5-16МВ (проволочные или импортные) на мощность не менее 5 Вт (мощность зависит
от тока в нагрузке), остальные из серии МЛТ, ВС, С2-23 соответствующей
мощности. Конденсаторы С4, С5, С14 желательно качественные, например
полипропиленовые (импортные с маркировкой МКР). Микросхема сдвоенного
операционного усилителя DA1 может быть заменена импортным аналогом мА747С или
двумя микросхемами К(Р)140УД7 (соответственно согласно цоколевке необходима
правильная печатная плата); стабилизаторы напряжения: DA2-DA3-любые
отечественные, импортные на +-15В (78L15,79L15 и т.д.). С12-типа К10-17,
С10-С11-пленочные (К73-17 и др.).Стабилитроны VD1, VD2 с минимальным ТКН - Д818
(с любым буквенным индексом). Параметры
сетевого трансформатора Тр1 зависят от необходимой мощности, поступающей в
нагрузку (в данном случае ОСМ-0,4кВт). Во вторичной обмотке трансформатора
после выпрямления на конденсаторе С2 должно обеспечиваться напряжение на 5-7 В
больше, чем требуется получить на выходе стабилизатора (41 В-переменное).
Мощная вторичная обмотка намотана в два провода сечением 0,85мм2 каждый,
одинарный должен быть сечением не менее 1,5мм2. В качестве Тр2-любой мощностью
около 20Вт, имеющий две сдвоенные обмотки 2х 17 В (на каждую половину БП свои
отдельные обмотки с общей точкой для питания стабилизаторов) с током нагрузки 200мА. Выходные транзисторы необходимо
подобрать с близкими параметрами, а именно: по коэффициенту усиления. Для этого
во время настройки, подбора постоянных резисторов вместо R11- мультиметрами подключится к
резисторам R2-R4, расположенных на радиаторе (можно
по очереди, если нет достаточного количества мультиметров), подключить нагрузку
к примеру с током 1 А и зафиксировать значения падений напряжений (по
постоянному току) на каждом из резисторов, сравнить их, они должны быть
максимально близки друг к друга, если имеется существенное отличие на каком-то
резисторе, то необходимо заменить данный транзистор на другой и повторить
измерения. Такое количество применяемых мощных транзисторов вызвано тем, чтобы
более равномерно распределить тепловыделение на них при большой нагрузке, что
обеспечит стабильность, устойчивость работы БП в целом, хотя и один транзистор
достаточно устойчив к работе в
предельных режимах. В ходе испытаний при токе 5А два транзистора из трех КТ827А
дали утечку между КЭ (не пробой, Rкэ=9ком),видимо, вследствие сильного
разброса параметров. Амперметр с током полного отклонения 5 и более ампер (с
шунтом там, где это необходимо).
Прошу учесть, если нагрузка в виде спирали
(мощного проволочного резистора), то с течением времени она (он) будет
нагреваться и, соответственно, сопротивление будет увеличиваться, а ток,
наоборот, уменьшаться, поэтому измерения желательно осуществлять быстро.
Извините за некачественную печатную плату от руки
(элементы выпрямителя и фильтрации по питанию, платы стабилизаций по питанию +-15В
не указаны, хотя реально они расположены на одной печатной плате.).Раздел:
Предлагаемый стабилизатор имеет раздельную защиту от перегрузки по току и КЗ. При КЗ на выходе стабилизатора срабатывает узел защиты на VT3 (рис.1). При перегрузке по току срабатывает защита на VS1 и К1.
Рис.1. Схема стабилизатора напряжения
Узел электронной защиты срабатывает, когда ток нагрузки создает на резисторе R6 падение напряжения, достаточное для открывания тиристора VS1, т.е. когда разность напряжений между управляющим электродом и катодом тиристора достигает приблизительно 1 В. Возникающий при этом отрицательный импульс напряжения через диод VD3 поступает на базу транзистора VT3 и практически закрывает его, а следовательно, и регулирующий транзистор VT1. Одновременно диод VD3 защищает транзистор VT3 от попадания на его базу положительного напряжения из анодной цепи тиристора.
Однако электронная система защиты все же не предохраняет полностью транзистор VT1 от теплового пробоя остаточным током, особенно если транзистор уже был разогрет в процессе работы, или продолжительное время не нажимали кнопку SB1.
Для предотвращения теплового пробоя транзистора VT1 и служит электромагнитная система защиты, срабатывающая через несколько миллисекунд (зависит от используемого реле К1) после того, как тиристор VS1 откроется. Тогда срабатывает реле К1. Его контакты К1.1 замыкают базу VT3 на минусовый проводник источника питания, а контакты К1.2 включают светодиод HL2 - сигнализатор действия защиты. После устранения причины перегрузки достаточно кратковременно нажать кнопку SB1, чтобы восстановить прежний режим работы блока питания, не отключая устройство от сети.
На вход стабилизатора подается от выпрямителя постоянное напряжение 40 В. Выходное стабилизированное напряжение от 3 В до 30 В устанавливается резистором R2. Максимальный ток нагрузки - 2 А. Ток нагрузки контролируют головкой РА1, переключив SA1.
Детали стабилизатора смонтированы на плате из фольгированного стеклотекстолита (рис. 2 и 3) и на лицевой панели корпуса блока питания. Регулирующий транзистор VT1 установлен на теплоотводе. Транзистор КТ825А можно заменить на КТ825Б, Г; КТ818В, Г, ВМ, ГМ; КТ814Г - на КТ814В, Б; КТ816Б, В, Г; КТ315В - на КТ315Г, Д, Е.
Рис.2. Печатная плата - сторона печатных проводников
Рис.3. Печатная плата - сторона монтажа
Тиристор КУ202К заменяется на КУ201В...КУ201Л, КУ202В...КУ202Н. Вместо диода Д220А (VD2) подойдут Д219, Д220, Д223, КД102, КД103 с любыми буквенными индексами, а вместо диода КД105Б (VD3, VD4, VD5) - КД106А или любой другой кремниевый с прямым током до 300 мА и обратным напряжением не менее 50 В.
Переменный резистор R2 - любого типа с характеристикой А. Реле К1 - РЭС48А (паспорт РС4.590.206) или другое с двумя группами переключающих контактов, срабатывающее при напряжении не более 30 В.
Резистор R6 выполнен в виде нескольких витков константанового, нихромового или манганинового провода, намотанного на корпус резистора МЛТ-1. Его сопротивление определяется значением тока срабатывания, что, в свою очередь, зависит от напряжения на управляющем электроде тиристора, при котором он открывается. Так, например, если за максимальный ток срабатывания защиты принять 2 А, а тиристор открывается при напряжении на управляющем электроде около 1 В, сопротивление резистора R6 должно быть (по закону Ома) близко к 0,5 Ом. Возможно применение резисторов типа С5-16 соответствующей мощности.
Более точно сопротивление резистора подгоняют под выбранный предел срабатывания защиты в таком порядке. К выходу стабилизатора подключают соединенные последовательно амперметр и проволочный переменный резистор сопротивлением 25...30 Ом. На вход стабилизатора подают соответствующее напряжение от выпрямителя, и резистором R2 устанавливают на выходе напряжение 10...15 В. Затем переменным резистором, выполняющим функцию эквивалента нагрузки, устанавливают по амперметру ток, равный 2 А, и подбором сопротивления резистора R6 добиваются срабатывания системы защиты.
В радиолюбительской практике нередки обстоятельства когда от перегрузки токами меньшего значения, например, 50 или 100 мА, защищать приходится не только сам стабилизатор напряжения, но и питающееся от него устройство. При этом желательно иметь ступенчатую систему защиты, выполненную, например, по схеме, приведенной на рис.4. Здесь резистор R6.1 первой ступени, рассчитанный на минимальный ток защиты 50 мА, включен в стабилизатор постоянно, а параллельно ему переключателем SA2 подключают резисторы R6.2...R6.5 четырех других ступеней: 100 мА, 500 мА, 1 А и 2 А.
Рис.4. Ступенчатая система защиты
Указанные на схеме сопротивления резисторов - ориентировочные. Точнее их можно рассчитать, лишь зная напряжение открывания тиристора, работающего в стабилизаторе. Измерить это напряжение можно так. Движок переменного резистора R2 установите в крайнее нижнее (по схеме) положение и подключите к нему управляющий электрод тиристора, отпаяв его от правого (по схеме) вывода резистора R6.1. Затем включите питание и медленно увеличивайте резистором R2 напряжение на управляющем электроде тиристора. В момент открывания тиристора, о чем просигнализирует светодиод, измерьте вольтметром это напряжение.
Резисторы R6.2...R6.5 монтируются непосредственно на контактах переключателя SA2. Резисторы RS1 и R12 подбираются конкретно под имеющийся измерительный прибор.
Источники
- О.Лукьянчиков. Стабилизатор напряжения с двойной защитой от КЗ в нагрузке. - Радио, 1986, N9, С.56.
- А.Бизер. Защитные устройства блоков питания. - Радио, 1977, N2, С.47.
- Ю.Тимлин. Сдвоенный двухполярный блок питания. - В помощь радиолюбителю, вып. 71. - М.: ДОСААФ, 1980
- В.Борисов. Стабилизированный блок питания. - Радио, 1979, N6, С.54.
Транзисторные стабилизаторы с защитой от перегрузки (теория)
Источники питания
А. МОСКВИН, г. Екатеринбург
Радио, 2003 год, № 2- 3
О стабилизаторах напряжения непрерывного действия написано, кажется, все. Тем не менее разработка надежного и не слишком сложного (не более трех-четырех транзисторов) стабилизатора, особенно с повышенным током нагрузки, - достаточно серьезная задача, потому что на одно из первых мест выдвигается требование надежной защиты регулирующих транзисторов от перегрузки. При этом желательно, чтобы после устранения причины перегрузки нормальная работа стабилизатора восстановилась автоматически. Стремление выполнить эти требования зачастую приводит к значительному усложнению схемы стабилизатора и заметному уменьшению его КПД. Автор предлагаемой статьи пытается найти оптимальное, по его мнению, решение.
Прежде чем искать оптимальное решение, проанализируем нагрузочные характеристики Uвых = f(Iвых) стабилизаторов напряжения, выполненных по наиболее распространенным схемам. У стабилизатора, описанного в , при перегрузке выходное напряжение Uвых быстро снижается до нуля. Однако ток при этом не уменьшается и может быть достаточным, чтобы повредить нагрузку, да и мощность, рассеиваемая регулирующим транзистором, иногда превышает допустимую. В подобный стабилизатор дополнен триггерной защитой. При перегрузке уменьшается не только выходное напряжение, но и ток. Однако защита недостаточно эффективна, так как срабатывает лишь после падения выходного напряжении ниже 1 В и при некоторых условиях не устраняет тепловой перегрузки регулирующего транзистора. Чтобы возвратить подобный стабилизатор в рабочий режим, необходимо практически полностью отключить нагрузку, а это не всегда приемлемо, особенно для стабилизатора, служащего составной частью более сложного устройства.
Защита стабилизатора, схема которого изображена на рис. 1 , срабатывает уже при небольшом уменьшении выходного напряжения, вызванном перегрузкой. Номиналы элементов схемы даны для выходного напряжения 12 В в двух вариантах: без скобок, если VD1 - Д814Б, и в скобках, если он - КС139Е. Краткое описание работы подобного стабилизатора имеется в .
Его хорошие параметры объясняются тем, что все необходимые сигналы сформированы из стабилизированного выходного напряжения, а оба транзистора (регулирующий VT1 и управляющий VT2) работают в режиме усиления напряжения. Экспериментально снятые нагрузочные характеристики этого стабилизатора приведены на рис. 2 (кривые 3 и 4).
При отклонении выходного напряжения от номинала его приращение через стабилитрон VD1 передается на эмиттер транзистора VT2 почти полностью. Если не учитывать дифференциальное сопротивление стабилитрона, ΔUэ ≈ ΔUвых. Это - сигнал отрицательной ОС. Но в устройстве имеется и положительная. Ее создает часть приращения выходного напряжения, поступающая на базу транзистора через делитель напряжения R2R3:
Суммарная обратная связь в режиме стабилизации - отрицательная, сигналом ошибки служит величина,
которая по абсолютной величине тем больше, чем меньше R3 по сравнению с R2. Уменьшение этого отношения благоприятно сказывается на коэффициенте стабилизации и выходном сопротивлении стабилизатора. Учитывая, что
стабилитрон VD1 следует выбирать на максимально возможное, но меньшее выходного напряжение стабилизации.
Если заменить резистор R3 двумя включенными в прямом направлении и соединенными последовательно диодами (как предложено, например, в ), параметры стабилизатора улучшатся, так как место R3 в выражениях для ΔUб и ΔUбэ займет малое дифференциальное сопротивление открытых диодов. Однако подобная замена приводит к некоторым проблемам при переходе стабилизатора в защитный режим. На них остановимся ниже, а пока резистор R3 оставим на прежнем месте.
В режиме стабилизации падение напряжения на резисторе R1 остается практически неизменным. Ток, протекающий через этот резистор, - сумма тока стабилитрона VD1 и тока эмиттера транзистора VT2, практически равного току базы транзистора VT1. С уменьшением сопротивления нагрузки последняя составляющая тока, текущего через R1, растет, а первая (ток стабилитрона) - уменьшается вплоть до нулевого значения, после чего приращение выходного напряжения больше не передается на эмиттер транзистора VT2 через стабилитрон. В результате цепь отрицательной ОС оказывается разорванной, а продолжающая действовать положительная ОС приводит к лавинообразному закрыванию обоих транзисторов и отсечке тока нагрузки. Ток нагрузки, при превышении которого срабатывает защита, можно оценить по формуле
где h21э - коэффициент передачи тока транзистором VT1. К сожалению, h21э имеет большой разброс от экземпляра к экземпляру транзистора, зависит от тока и температуры. Поэтому резистор R1 зачастую приходится подбирать при налаживании. В стабилизаторе, рассчитанном на большой ток нагрузки, сопротивление резистора R1 невелико. В результате ток через стабилитрон VD1 при снижении тока нагрузки возрастает настолько, что приходится применять стабилитрон повышенной мощности.
Наличие в нагрузочных характеристиках (см. кривые 3 и 4 на рис. 2) сравнительно протяженных переходных участков между рабочим и защитным режимами (заметим, эти участки - самые тяжелые с точки зрения теплового режима транзистора VT1) объясняется в основном тем, что развитию процесса переключения препятствует местная отрицательная ОС через резистор R1. Чем меньше напряжение
стабилизации стабилитрона VD1, тем больше при прочих равных условиях номинал резистора R1 и тем более "затянут" переход из рабочего в защитный режим стабилизатора.
Этот, как и ранее сделанный, вывод о целесообразности применения стабилитрона VD1 с возможно большим напряжением стабилизации подтверждается экспериментально. Выходное напряжение стабилизатора по схеме, показанной на рис. 1, со стабилитроном Д814Б (Uст = 9 В), по сравнению с аналогичным стабилитроном КС139Е (UCT = 3,9 В), значительно меньше зависит от нагрузки и он более "круто" переходит в защитный режим при перегрузке.
Уменьшить и даже полностью устранить переходный участок нагрузочной характеристики стабилизатора удается, добавив в него дополнительный транзистор VT3, как показано на рис, 3. В рабочем режиме этот транзистор находится в насыщении и практически не оказывает влияния на работу стабилизатора, лишь незначительно ухудшая температурную стабильность выходного напряжения. Когда в результате перегрузки ток стабилитрона VD1 стремится к нулю, транзистор VT3 переходит в активное состояние, а затем закрывается, создавая условия для быстрого включения защиты. Плавный переходный участок нагрузочной характеристики в этом случае отсутствует (см. кривую 1 на рис. 2 ).
Диоды VD2 и VD3 в рабочем режиме стабилизируют напряжение на базе транзистора VT2, что способствует улучшению основных параметров стабилизатора. Однако без дополнительного транзистора VT3 это негативно сказывается на защите, так как ослабляет положительную составляющую ОС. Переключение в защитный режим в этом случае очень затянуто и происходит только после снижения напряжения на нагрузке до величины, близкой к поддерживаемой диодами VD2 и VD3 на базе транзистора VT2 (см. кривую 2 на рис. 2 ).
Рассмотренные стабилизаторы обладают существенным для многих применений недостатком: остаются в защитном состоянии после устранения причины перегрузки, а нередко и при подаче напряжения питания с подключенной нагрузкой не переходят в рабочий режим. Известны различные способы их запуска, например, с помощью дополнительного резистора, установленного параллельно участку коллектор-эмиттер транзистора VT1, или (как предложено в ) "подпиткой" базы транзистора VT2. Проблема решается за счет компромисса между надежностью запуска под нагрузкой и величиной тока короткого замыкания, что не всегда приемлемо. Варианты узлов запуска, рассмотренные в и , более эффективны, однако усложняют стабилизатор в целом.
Малораспространенный, но интересный способ вывода стабилизатора из защитного режима предложен в . Он заключается в том, что специально предусмотренный генератор импульсов периодически принудительно открывает регулирующий транзистор, переводя стабилизатор на некоторое время в рабочий режим. Если причина перегрузки устранена, по окончании очередного импульса защита не сработает вновь и стабилизатор продолжит нормальную работу. Средняя мощность, рассеиваемая на регулирующем транзисторе при перегрузке, возрастает незначительно.
На рис. 4 приведена схема одного из возможных вариантов стабилизатора, работающего по такому принципу. Он отличается от описанного в отсутствием отдельного узла - генератора импульсов. При перегрузке стабилизатор переходит в колебательный режим за счет положительной ОС, замыкающейся через конденсатор С1. Резистор R3 ограничивает ток зарядки конденсатора, a R4 служит нагрузкой генератора при замыкании внешней нагрузки.
В отсутствие перегрузки после подачи напряжения питания стабилизатор запускается благодаря резистору R2. Так как конденсатор С1 зашунтирован соединенными последовательно открытым диодом VD2 и резисторами R3-R5, условия самовозбуждения не выполняются и устройство работает аналогично рассмотренному ранее (см. рис. 1). Во время перехода стабилизатора в защитный режим конденсатор С1 действует как форсирующий, ускоряя развитие процесса.
Эквивалентная схема стабилизатора в защитном режиме показана на рис. 5.
При сопротивлении нагрузки Rн, равном нулю, плюсовой вывод конденсатора С1 соединен через резистор R4 с общим проводом (минусом источника входного напряжения). Напряжение, до которого конденсатор зарядился еще в режиме стабилизации, приложено к базе транзистора VT2 в отрицательной полярности и поддерживает транзистор закрытым. Конденсатор разряжается током i1. текущим через резисторы R3-R5 и открытый диод VD2. Когда напряжение на базе VT1 превысит -0,7 В, диод VD2 закроется, но перезарядка конденсатора продолжится током i2, протекающим через резистор R2. По достижении небольшого положительного напряжения на базе транзистора VT2 последний, а вместе с ним и VT1 начнут открываться. За счет положительной ОС через конденсатор С1 оба транзистора откроются полностью и некоторое время останутся в таком состоянии, покв конденсатор не зарядится током i3 почти до напряжения Uвх. после чего транзисторы закроются и цикл повторится. При указанных на схеме рис. 5 номиналах элементов длительность генерируемых импульсов - единицы миллисекунд, период повторения - 100...200 мс. Амплитуда импульсов выходного тока в защитном режиме приблизительно равна току срабатывания защиты. Среднее значение тока короткого замыкания, измеренное стрелочным миллиамперметром, - примерно 30 мА.
С увеличением сопротивления нагрузки RH наступает момент, когда при открытых транзисторах VT1 и VT2 отрицательная ОС "перевешивает" положительную и генератор вновь превращается в стабилизатор напряжения. Величина RH, при которой происходит смена режимов, зависит в основном от сопротивления резистора R3. При слишком малых его значениях (менее 5 Ом) в нагрузочной характеристике появляется гистерезис, причем при нулевом сопротивлении R3 стабилизация напряжения восстанавливается лишь при сопротивлении нагрузки более 200 Ом. Излишнее увеличение сопротивления резистора R3 приводит к тому, что в нагрузочной характеристике проявляется переходный участок.
Амплитуда импульсов отрицательной полярности на базе транзистора VT2 достигает 10 В, что может привести к электрическому пробою участка база-эмиттер этого транзистора. Однако пробой обратим, а ток его ограничен резисторами R1 и R3. Работы генератора он не нарушает. При выборе транзистора VT2 необходимо также учитывать, что напряжение, приложенное к его участку коллектор-база, достигает суммы входного и выходного напряжений стабилизатора.
В действующей аппаратуре выход стабилизатора напряжения обычно зашунтирован конденсатором (С2, показан на рис. 4 штриховой линией). Его емкость не должна превышать 200 мкФ. Ограничение связано с тем, что при перегрузке, не сопровождающейся полным замыканием выхода, этот конденсатор входит в цепь положительной ОС генератора. Практически это выражается в том, что генератор "заводится" только при значительной перегрузке, а в нагрузочной характеристике появляется гистерезис.
Сопротивление резистора R4 должно быть таким, чтобы падение напряжения на нем во время импульса было достаточным для открывания транзистора VT2 (≈1 В) и обеспечивало выполнение условий автогенерации при нулевом сопротивлении нагрузки. К сожалению, в режиме стабилизации этот резистор лишь уменьшает КПД устройства.
Для четкой работы защиты необходимо, чтобы при любом допустимом токе нагрузки минимальное (с учетом пульсаций) входное напряжение стабилизатора оставалось достаточным для его нормального функционирования. При проверке всех рассмотренных выше стабилизаторов с номинальным выходным напряжением 12 В источником питания служил мостовой диодный выпрямитель на 14 В с конденсатором емкостью 10000 мкФ на выходе. Напряжение пульсаций на выходе выпрямителя, измеренное милливольтметром ВЗ 38. не превышало 0,6 В.
При необходимости импульсный характер защиты можно использовать для индикации состояния стабилизатора, в том числе звуковой. В последнем случае при перегрузке будут слышны щелчки с частотой повторения импульсов.
На рис. 6 показана схема более сложного стабилизатора с импульсной защитой, в значительной мере лишенного недостатков рассмотренного в первой части статьи (см. рис. 4). Его выходное напряжение - 12 В, выходное сопротивление - 0,08 Ом, коэффициент стабилизации - 250, максимальный рабочий ток - 3 А, порог срабатывания защиты - 3,2 А, средний ток нагрузки в защитном режиме - 60 мА. Наличие усилителя на транзисторе VT2 позволяет при необходимости значительно увеличить рабочий ток, заменив транзистор VT1 более мощным составным.
Номинал ограничительного резистора R4 может находиться в пределах от десятков ом до 51 кОм. Выход стабилизатора допускается зашунтировать конденсатором емкостью до 1000 мкФ, что приводит, однако, к возникновению гистерезиса в нагрузочной характеристике: при пороге срабатывания защиты 3,2 А измеренное значение тока возврата в режим стабилизации - 1,9 А.
Для четкого переключения режимов необходимо, чтобы с уменьшением сопротивления нагрузки ток через стабилитрон VD3 прекратился раньше, чем войдет в насыщение транзистор VT2 Поэтому номинал резистора R1 выбирают таким образом, чтобы перед срабатыванием защиты между коллектором и эмиттером этого транзистора оставалось напряжение не менее 2...3 В. В защитном режиме транзистор VT2 входит в насыщение, в результате амплитуда импульсов тока нагрузки может в 1.2...1,5 раза превышать ток срабатывания защиты. Следует учитывать, что при значительном уменьшении сопротивления R1 ощутимо возрастает рассеиваемая на транзисторе VT2 мощность.
Наличие конденсатора С1 теоретически способно привести к росту пульсации выходного напряжения стабилизатора. Однако на практике этого наблюдать не приходилось.
Выходное стабилизированное напряжение равно сумме падений напряжения на диодах VD1 и VD2, участке база-эмиттер транзистора VT4 и напряжения стабилизации стабилитрона VD3 за вычетом падения напряжения на участке база-эмиттер транзистора VT3 - приблизительно на 1,4 В больше напряжения стабилизации стабилитрона. Ток срабатывания защиты вычисляют по формуле
Благодаря дополнительному усилителю на транзисторе VT2 ток, протекающий через резистор R3, сравнительно невелик, даже при значительных расчетных токах нагрузки. Это, с одной стороны, улучшает КПД стабилизатора, но с другой - заставляет применять в качестве VD3 стабилитрон, способный работать при малых токах. Минимальный ток стабилизации показанного на схеме (см. рис. 6) стабилитрона КС211Ж - 0,5 мА.
Подобный стабилизатор, кроме своего прямого назначения, может служить ограничителем разрядки аккумуляторной батареи. Для этого выходное напряжение устанавливают таким, чтобы при напряжении батареи меньше допустимого сработала защита, предотвращая дальнейшую разрядку. Номинал резистора R6 в этом случае целесообразно увеличить до 10 кОм. В результате ток, потребляемый устройством в рабочем режиме, уменьшится с 12 до 2,5 мА. Следует иметь в виду, что на грани срабатывания защиты этот ток возрастает приблизительно до 60 мА, но с запуском генератора импульсов среднее значение тока разрядки батареи падает до 4...6 мА.
По рассмотренному принципу импульсной защиты можно строить не только стабилизаторы напряжения, но и самовосстанавливающиеся электронные "предохранители", устанавливаемые между источником питания и нагрузкой. В отличие от плавких вставок, такие предохранители можно использовать многократно, не заботясь о восстановлении после устранения причины срабатывания.
Электронный предохранитель должен выдерживать как кратковременное, так и продолжительное, полное или частичное замыкание нагрузки. Последнее нередко возникает при длинных соединительных проводах, сопротивление которых - заметная часть полезной нагрузки. Этот случай наиболее тяжел для коммутационного элемента предохранителя.
На рис. 7 приведена схема простого самовосстанавливающегося электронного предохранителя с импульсной защитой. Принцип его работы близок к описанному выше стабилизатору напряжения (см. рис. 4), но до срабатывания защиты транзисторы VT1 и VT2 находятся в состоянии насыщения и выходное напряжение практически равно входному.
Если ток нагрузки превысил допустимое значение, транзистор VT1 выходит из насыщения и выходное напряжение начинает уменьшаться. Его приращение через конденсатор С1 поступает на базу транзистора VT2, закрывая последний, а вместе с ним и VT1. Выходное напряжение уменьшается еще больше, и в результате лавинообразного процесса транзисторы VT1 и VT2 оказываются закрытыми полностью. Через некоторое время, зависящее от постоянной времени цепи R1C1, они откроются вновь, однако, если перегрузка сохранилась, опять закроются. Этот цикл повторяется до устранения перегрузки.
Частота генерируемых импульсов - приблизительно 20 Гц при нагрузке, незначительно превышающей допустимую, и 200 Гц при ее полном замыкании. Скважность импульсов в последнем случае - более 100. При увеличении сопротивления нагрузки до допустимого значения транзистор VT1 войдет в насыщение и генерация импульсов прекратится.
Ток срабатывания "предохранителя" можно ориентировочно определить по формуле
Коэффициент 0,25, подобранный экспериментально, учитывает, что в момент перехода транзистора VT1 из насыщения в активный режим его коэффициент передачи тока значительно меньше номинального. Измеренный ток срабатывания защиты при входном напряжении 12 В - 0,35 А, амплитуда импульсов тока нагрузки при ее замыкании - 1,3 А. Гистерезис (разность токов срабатывания защиты и восстановления рабочего режима) не обнаружен. К выходу "предохранителя" при необходимости можно подключить блокировочные конденсаторы суммарной емкостью не более 200 мкФ, что увеличит ток срабатывания приблизительно до 0,5 А.
При необходимости ограничить амплитуду импульсов тока нагрузки в эмиттерную цепь транзистора VT2 следует включить резистор в несколько десятков ом и немного увеличить номинал резистора R3.
При неполном замыкании нагрузки возможен электрический пробой участка база-эмиттер транзистора VT2. На работу генератора это влияет незначительно, да и для транзистора опасности не представляет, так как заряд, накопленный в конденсаторе С1 перед пробоем, сравнительно невелик.
Недостатки "предохранителя", собранного по рассмотренной схеме (рис. 7 ), - низкий КПД из-за включенного последовательно в цепь нагрузки резистора R3 и не зависящего от нагрузки тока базы транзистора VT1. Последнее характерно и для других подобных устройств . Обе причины, снижающие КПД, устранены в более мощном "предохранителе" с максимальным током нагрузки 5 А, схема которого показана на рис. 8 . Его КПД превышает 90 % в более чем десятикратном интервале изменения тока нагрузки. Ток, потребляемый в отсутствие нагрузки, - менее 0,5 мА.
Для уменьшения падения напряжения на "предохранителе" в качестве VT4 применен германиевый транзистор. При токе нагрузки меньше допустимого этот транзистор находится на грани насыщения. Это состояние поддерживает петля отрицательной ОС, которую при открытом и насыщенном транзисторе VT2 образуют транзисторы VT1 и VT3. Падение напряжения на участке коллектор-эмиттер транзистора VT4 не превышает 0,5 В при токе нагрузки 1 А и 0,6 В - при 5 А.
При токе нагрузки, меньшем тока срабатывания защиты, транзистор VT3 находится в активном режиме и напряжение между его коллектором и эмиттером достаточно для открывания транзистора VT6, что обеспечивает насыщенное состояние транзистора VT2 и в конечном итоге - проводящее состояние ключа VT4. С увеличением тока нагрузки ток базы VT3 под действием отрицательной ОС увеличивается, а напряжение на его коллекторе уменьшается до закрывания транзистора VT6. В этот момент и срабатывает защита. Ток срабатывания можно оценить по формуле
где Rэкв - общее сопротивление соединенных параллельно резисторов R4, R6 и R8.
Коэффициент 0,5, как и в предыдущем случае, - экспериментальный. При замыкании нагрузки амплитуда импульсов выходного тока приблизительно в два раза больше тока срабатывания защиты.
Благодаря действию положительной ОС, замыкающейся через конденсатор С2, транзистор VT6, а с ним и VT2-VT4 полностью закрываются, VT5 - открывается. Транзисторы остаются в указанных состояниях до окончания зарядки конденсатора С2 током, текущим через участок база-эмиттер транзистора VT5 и резисторы R7, R9, R11, R12. Так как из перечисленных резисторов самый большой номинал у R12, он и определяет период повторения генерируемых импульсов - приблизительно 2,5 с.
После окончания зарядки конденсатора С2 транзистор VT5 закроется, VT6 и VT2-VT4 откроются. Конденсатор С2 приблизительно за 0,06 с разрядится через транзистор VT6, диод VD1 и резистор R11. При замкнутой нагрузке коллекторный ток транзистора VT4 в это время достигает 8...10 А. Затем цикл повторится. Однако во время первого же после устранения перегрузки импульса транзистор VT3 не войдет в насыщение и "предохранитель" вернется в рабочий режим.
Интересно, что во время импульса транзистор VT6 не открывается полностью. Этому препятствует образованная транзисторами VT2, VT3, VT6 петля отрицательной ОС. При указанном на схеме (рис. 8) номинале резистора R9 (51 кОм) напряжение на коллекторе транзистора VT6 не опускается ниже 0,3Uвх.
Самая неблагоприятная для "предохранителя" нагрузка - мощная лампа накаливания, у которой сопротивление холодной нити в несколько раз меньше, чем разогретой. Проверка, проведенная с автомобильной лампой 12 В 32+6 Вт, показала, что 0,06 с для разогрева вполне достаточно и "предохранитель" после ее включения надежно входит в рабочий режим. Но для более инерционных ламп длительность и период повторения импульсов возможно придется увеличить, установив конденсатор С2 большего номинала (но не оксидный).
Скважность генерируемых импульсов в результате такой замены останется прежней. Равной 40 она выбрана не случайно. В этом случае, как при максимальном токе нагрузки (5 А), так и при замыкании выхода "предохранителя", на транзисторе VT4 рассеивается приблизительно одинаковая и безопасная для него мощность.
Транзистор ГТ806А можно заменить другим из этой же серии или мощным германиевым, например, П210слюбым буквенным индексом. Если германиевые транзисторы отсутствуют или необходимо работать при повышенной температуре, можно использовать и кремниевые с h21э>40, например, КТ818 или КТ8101 с любыми буквенными индексами, увеличив номинал резистора R5 до 10 кОм. После такой замены напряжение, измеренное между коллектором и эмиттером транзистора VT4, не превышало 0,8 В при токе нагрузки 5 А.
При изготовлении "предохранителя" транзистор VT4 необходимо установить на теплоотвод, например, алюминиевую пластину размерами 80x50x5 мм. Теплоотвод площадью 1,5...2 см 2 нужен и транзистору VT3.
Первое включение устройства производите без нагрузки, и прежде всего проверьте напряжение между коллектором и эмиттером транзистора VT4, которое должно быть приблизительно 0,5 В. Затем к выходу через амперметр подключите проволочный переменный резистор сопротивлением 10...20 Ом и мощностью 100 Вт. Плавно уменьшая его сопротивление, переведите устройство в защитный режим. С помощью осциллографа убедитесь, что переключение режимов происходит без затянутых переходных процессов, а параметры генерируемых импульсов соответствуют указанным выше. Точное значение тока срабатывания защиты можно установить подборкой резисторов R4, R6, R8 (желательно, чтобы их номиналы оставались одинаковыми). При продолжительном замыкании нагрузки температура корпуса транзистора VT4 не должна превышать допустимое для него значение.
ЛИТЕРАТУРА
- 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.
LM317 как никогда подходит для проектирования несложных регулируемых источников и , для электронной аппаратуры, с различными выходными характеристиками, как с регулируемым выходным напряжением, так и с заданным напряжением и током нагрузки.
Для облегчения расчета необходимых выходных параметров существует специализированный LM317 калькулятор, скачать который можно по ссылке в конце статьи вместе с datasheet LM317.
Технические характеристики стабилизатора LM317:
- Обеспечения выходного напряжения от 1,2 до 37 В.
- Ток нагрузки до 1,5 A.
- Наличие защиты от возможного короткого замыкания.
- Надежная защита микросхемы от перегрева.
- Погрешность выходного напряжения 0,1%.
Эта не дорогая интегральная микросхема выпускается в корпусе TO-220, ISOWATT220, TO-3, а так же D2PAK.
Назначение выводов микросхемы:
Онлайн калькулятор LM317
Ниже представлен онлайн калькулятор для расчета стабилизатора напряжения на основе LM317. В первом случае, на основе необходимого выходного напряжения и сопротивления резистора R1, производится расчет резистора R2. Во втором случае, зная сопротивления обоих резисторов (R1 и R2), можно вычислить напряжение на выходе стабилизатора.
Калькулятор для расчета стабилизатора тока на LM317 смотрите .
Примеры применения стабилизатора LM317 (схемы включения)
Стабилизатор тока
Данный стабилизатор тока можно применить в схемах различных зарядных устройств для аккумуляторных батарей или регулируемых источников питания. Стандартная схема зарядного устройства приведена ниже.
В данной схеме включения применяется способ заряда постоянным током. Как видно из схемы, ток заряда зависит от сопротивления резистора R1. Величина данного сопротивления находится в пределах от 0,8 Ом до 120 Ом, что соответствует зарядному току от 10 мА до 1,56 A:
Источник питания на 5 Вольт с электронным включением
Ниже приведена схема блока питания на 15 вольт с плавным запуском. Необходимая плавность включения стабилизатора задается емкостью конденсатора С2:
Схема включения с регулируемым выходным напряжением
