Защита выходного каскада источника питания от перегрузки по напряжению

Защита выходных каскадов (или управляющих транзисторов, микросхем-стабилизаторов) в мощных источниках питания (ИП) с полезным током 1-20 А является обязательным сберегающим элементом, которым должен быть оснащен источник во избежание возможного последующего ремонта дорогостоящей радиоаппаратуры, запитанной от него. Примером радиоаппаратуры с большим током потребления является мощный трансивер FT-897 фирмы Vertex с током потребления на полной мощности в режиме «передача» 12 А. При выходе из строя такого дорогостоящего устройства затраты на ремонт могут значительно подорвать бюджет. Поэтому, если вы поставили себе целью сконструировать самостоятельно источник питания для мощного устройства, рекомендую добавить в «самоделку» узел эффективной защиты.

Защита источника питания также сбережет и элементы самого ИП, которые подчас стоят дорого. Например, мощные транзисторы КТ827, MJE11016. Стоимость всех деталей узла защиты не превышает 100 руб., в то время как эффективность от его работы велика и не иоддается точному подсчету. Если всерьез следовать вынесенному в эпиграф изречению, то применение рекомендуемого узла окажется для радиолюбителя оправданным.

Кроме того, узел не нуждается в наладке и доступен для повторения практически любому радиолюбителю. Современные тиристоры и тиристорные оптопары позволяют создать оптимальный узел защиты без применения слаботочных электромагнитных реле - узлы защиты с их применением можно наблюдать разве что в бытовых тестерах-авометрах стрелочного типа (Ц4317 и аналогах), да источниках питания выпуска прошлого века. Рассмотрим принципиальную схему узла с применением тиристора в качестве управляющего элемента защиты по напряжению, показанную на рис. 1.8.

Пока напряжение питания в точках + и - находится в пределах 14,2 В (максимальный предел по паспорту для обозначенного трансивера), стабилитрон и тиристор закрыты, ток течет в устройство нагрузки.

При превышении напряжения питания свыше 15,2 В открывается стабилитрон VD1 (Uci=15 В; 0,2 В - падение напряжения на резисторе R2), и вслед за ним открывается тиристор VS1, так как между его катодом и управляющим электродом присутствует разность потенциалов, достаточная для его отпирания (на практике она равна 0,8 В для КУ101 и 1,5 В для КУ202).

Подключенный параллельно выходу источника питания тиристор VS1 при перегрузке сжигает плавкий предохранитель FU1 в течение нескольких мс, если выходное напряжение окажется выше допустимого. Порог открывания тиристора (срабатывания защиты) зависит от паспортных данных и типа стабилитрона VD1. При перегорании плавкого предохранителя FU1 включается пьезоэлектрический капсюль со встроенным прерывистым генератором 34 НА1, который звуком сигнализирует о возникшей неисправности. НА1 включится также и в том случае, если в цепи питания устройства нагрузки произошло короткое замыкание или вследствие неисправности (теоретически) оказался короткозамкнутым тиристор VS1. Если есть неисправность в цепи нагрузки или тиристора, пьезоэлектрический капсюль будет излучать сигнал 34 до тех пор, пока не будет отключено общее питание или устройство нагрузки. Благодаря звуковой сигнализации (с весьма громким звучанием при использовании указанных на схеме элементов - слышно в помещении с площадью 50 м2 и более) находящиеся неподалеку люди вовремя отключат питание, для этого им не надо акцентировать внимание на световом индикаторе перегрузки. После устранения неисправности и замены плавкого предохранителя узел защиты и звуковая сигнализация снова находятся в режиме ожидания. Параллельно звуковому капсюлю НА1 можно, соблюдая полярность, включить светодиод с ограничительным резистором - тогда сигнализация будет и звуковой и световой.

Постоянный резистор R1 шунтирует выход стабилизатора ИП и нужен для создания эффекта нагрузки, если настоящая нагрузка не подключена. Как правило, на выходе стабилизаторов ИП установлены оксидные конденсаторы большой емкости для минимизации пульсаций выходного напряжения. Благодаря им действительное значение выходного напряжения может быть несколько выше, чем рассчитанное. Резистор R1 эту возможность устраняет.

Схемы источники питания

Защита выходного каскада источника питания от перегрузки по напряжению

Звуковой капсюль должен быть обязательно со встроенным генератором зч. В качестве НА1 можно применить пьезоэлектрические капсюли KPI-1410, КРХ-1212В, KPI-4510L, FY-14A, EFM-230, FMQ-2715, HSB-23A8 (последний вариант большой мощности) и другие аналогичные. Приведенные здесь примеры звуковых излучателей при подключении питания будут генерировать громкий, но однотональный звуковой сигнал. Подключать пьезоэлектрические капсюли с встроенным генератором зч следует согласно полярности, указанной на их корпусе.

Постоянные резисторы типа МЛТ-1. Стабилитрон VD1 - кремниевый планарный (или в металлостеклянном корпусе, менее подверженном влиянию окружающей температуры) с напряжением стабилизации 15 В. Стабилитрон VD1 в узле защиты ИП мощного трансивера-передатчика применяют типа 2С215Ж, 2С515А (допустима замена на КС215Ж, КС515А, Д815Е - приборы с меньшей стабильностью при нагревании и изменении проходящего тока). Для увеличения чувствительности узла защиты применяют стабилитроны с меньшим напряжением стабилизации (UCT<12 В).

Тиристор - любой кремниевый малой или средней мощности, например КУ201, КУ202, КУ221 с любым буквенным индексом (при напряжении ИП до 25 В). Практика применения узла показала, что плавкая вставка предохранителя, рассчитанного на малый ток до 2 А, сгорает быстрее, чем даже тиристор серии КУЮ!. Поэтому при малых токах в нагрузке (использовании предохранителей, рассчитанных на малый ток) допустимо применение в качестве VS1 тиристоров типа КУ101 с любым буквенным индексом. «Чувствительность» узла к перенапряжению на выходе ИП при этом больше, так как для отпирания КУ101 достаточно малого напряжения относительно Uam тиристоров КУ202. При использовании ИП для питания нагрузки с большими токами потребления следует применять тиристоры КУ201, КУ202, КУ709А - КУ709Г, КУ709А2 -КУ709Г2, КУ712А2 - КУ712Б2 (U - 1,2 В; I - 15 мА) и аналогичные. Из-за кратковременного (импульсного) режима работы тиристора устанавливать его на теплоотвод не обязательно.

Плавкий предохранитель FU1 - любой из серии ВП-1. Можно применить самовосстанавливающиеся предохранители зарубежного производства, например MF-S350 (3,5 A), LP60-375 (3,75 А) или аналогичные, но это оправдано, когда ток нагрузки небольшой. Кроме того, применение самовосстанавливающихся предохранителей в данном случае усложняет обнаружение и устранение неисправности, возникшей в устройстве нагрузки или ИП.

Применение в качестве FU1 термопредохранителя возможно и даже оправдано в некоторых конкретных случаях. Так, термопредохранители серии RY01 при напряжении 12 В рассчитаны на рабочий ток 35 А, имеют рабочую температуру 35°С и температуру срабатывания 52±2°С. Их недостатки - инертность срабатывания и относительно большая стоимость. Но все же в некоторых случаях можно применять и их, так же как, например, и предохранители-автоматы. Но это уже тема для отдельного разговора.

Конструктивные особенности

Поскольку для стабилитронов очень важным параметром стабильности является температура его корпуса и вокруг корпуса (от этого зависит допустимое отклонение Uci), то VD1 монтируют вдали от термонестабильных и тепловыделяющих элементов - трансформатора и транзисторов.

Элементы узла монтируются внутри корпуса источника питания так, что предохранитель устанавливается в специальный патрон - гнездо, выведенное на переднюю панель для возможности его оперативной замены.

Рассмотренный узел полезен и в других случаях: например, если необходимо дооснастить узлом защиты уже готовые (промышленные) или самодельные источники питания. Узел, описанный выше, подходит к любому источнику питания с выходным постоянным напряжением до 36 В (надо лишь подобрать соответствующий стабилитрон и тиристор).

Второй вариант схемы аналогичного по принципу действия устройства представлен на рис. 1.9.

В качестве элемента защиты используется МОП-реле КР293КП12АП постоянного тока средней мощности. Пока нет аварийной ситуации (увеличения напряжения на выходе стабилизатора), источник питания работает нормально, МОП-реле выключено (на контактах 10 и 11 напряжение ничтожно мало) и

Источник: Сборка книг Кадино, Кашкаров, Крибель

Кашкаров А.П. - Новаторские решения в электронике

Защита выходного каскада источника питания от перегрузки по напряжению

Новаторские решения в электронике
Рис. 1.8. Электрическая схема узла защиты выходного каскада ИП

Рис. 1.8. Электрическая схема узла защиты выходного каскада ИП

Рис. 1.9. Второй вариант узла защиты от перенапряжения

Рис. 1.9. Второй вариант узла защиты от перенапряжения

контакты 4 и 6 разомкнуты. Выбор автора неслучайно пал на МОП-реле КР293КП12АП - это одно из немногих современных МОП-реле, которое сочетает в себе достоинства высоких электрических параметров и низкой цены. Реализованное в корпусе SIP-12, оно удобно монтируется в любую плату, имеет предельно допустимый ток коммутации 2 А (при постоянном напряжении до 60 В) и ничтожно малое сопротивление коммутирующих контактов в замкнутом состоянии. Все это позволяет применить данное реле в узле защиты источника питания от перегрузок по напряжению. Время включения VU1 составляет всего 20 мс, что в данном случае весьма важно - это значит, что при перенапряжении на выходе стабилизатора (это может инициироваться внутренней неисправностью стабилизатора или проникновением постороннего напряжения от неисправного устройства нагрузки) контакты 4 и 6 VU1 замкнутся и плавкая вставка предохранителя FU1 сгорит.

Такое решение позволяет сохранить для дальнейшей эксплуатации или минимизировать ремонт устройства нагрузки, который может влететь в копеечку. Отличие от предыдущего варианта в том, что ток нагрузки в этой схеме не может превышать 2 А (параметры МОП-реле, иначе оно само выйдет из строя). Зато такой подход позволяет применять данное реле в ИП с напряжением до 60 В. Включать ограничительный резистор в цепь стабилитрона и МОП-реле при выходном напряжении ИП до 16 В не требуется. Входной ток VU1 составляет 10 мА.

Для наглядной световой индикации состояния узла в схему вводят простейшую индикаторную цепь с последовательно соединенными светодиодом и ограничительным резистором (как вариант - показанное на рис. 1.9 пунктиром). Если применить «мигающий» светодиод (например, L-769BGR), световой эффект будет оригинальнее.

МОП-реле КР293КП12АП можно заменить на КР293КП11АП (аналогичное по электрическим характеристикам, но с двумя группами контактов, из них один - общий) или любое другое подходящее. При такой замене важно учитывать постоянный род тока, чтобы ток ко ммутации был не менее тока нагрузки, минимальное время переключения реле, сопротивление контактов коммутации, а также предельные значения входного тока и коммутируемого напряжения.

Рейтинг@Mail.ru
Яндекс.Метрика