Стабилизатор на полевом транзисторе

Защита от короткого замыкания | Все своими руками

Современные мощные переключательные транзисторы имеют очень маленькие сопротивления сток-исток в открытом состоянии, это обеспечивает малое падение напряжения при прохождении через эту структуру больших токов. Это обстоятельство позволяет использовать такие транзисторы в электронных предохранителях.

Например, транзистор IRL2505 имеет сопротивление сток-исток, при напряжении исток-затвор 10В, всего 0,008 Ом. При токе 10А на кристалле такого транзистора будет выделяться мощность P=I² •R; P = 10 • 10 • 0,008 = 0,8Вт. Это говорит о том, что при данном токе транзистор можно устанавливать без применения радиатора. Хотя я всегда стараюсь ставить хотя бы небольшие теплоотводы.

Это во многих случаях позволяет защитить транзистор от теплового пробоя при внештатных ситуациях. Этот транзистор применен в схеме защиты описанной в статье «Защита для зарядных устройств автоаккумуляторов». При необходимости можно применить радиоэлементы для поверхностного монтажа и сделать устройство виде небольшого модуля. Схема устройства представлена на рисунке 1.

Она рассчитывалась на ток до 4А.

Схема электронного предохранителя

В данной схеме в качестве ключа использован полевой транзистор с р каналом IRF4905, имеющий сопротивление в открытом состоянии 0,02 Ом, при напряжении на затворе = 10В.

IRF4905 Datasheet PDF

В принципе этой величиной ограничивается и минимальное напряжение питания данной схемы. При токе стока, равном 10А, на нем будет выделяться мощность 2 Вт, что повлечет за собой необходимость установки небольшого теплоотвода.

Максимальное напряжение затвор-исток у этого транзистора равно 20В, поэтому для предотвращения пробоя структуры затвор-исток, в схему введен стабилитрон VD1, в качестве которого можно применить любой стабилитрон с напряжение стабилизации 12 вольт. Если напряжение на входе схемы будет менее 20В, то стабилитрон из схемы можно удалить. В случае установки стабилитрона, возможно, потребуется коррекция величины резистора R8.

R8 = (Uпит — Uст)/Iст; Где Uпит – напряжение на входе схемы, Uст – напряжение стабилизации стабилитрона, Iст – ток стабилитрона. Например, Uпит = 35В, Uст = 12В, Iст = 0,005А. R8 = (35-12)/0,005 = 4600 Ом.

Преобразователь ток — напряжения

В качестве датчика тока в схеме применен резистор R2, чтобы уменьшить мощность, выделяющуюся на этом резисторе, его номинал выбран всего в одну сотую Ома. При использовании SMD элементов его можно составить из 10 резисторов по 0,1 Ом типоразмера 1206, имеющих мощность 0,25Вт. Применение датчика тока с таким малым сопротивление повлекло за собой применение усилителя сигнала с этого датчика. В качестве усилителя применен ОУ DA1.1 микросхемы LM358N.

LM358 Datasheet PDF

Коэффициент усиления этого усилителя равен (R3 + R4)/R1 = 100. Таким образом, с датчиком тока, имеющим сопротивление 0,01 Ом, коэффициент преобразования данного преобразователя ток – напряжения равен единице, т.е. одному амперу тока нагрузки равно напряжение величиной 1В на выходе 7 DA1.1. Корректировать Кус можно резистором R3.

При указанных номиналах резисторов R5 и R6, максимальный ток защиты можно установить в пределах… . Сейчас посчитаем. R5 + R6 = 1 + 10 = 11кОм. Найдем ток, протекающий через этот делитель: I = U/R = 5А/11000Ом = 0,00045А. Отсюда, максимальное напряжение, которое можно выставить на выводе 2 DA1, будет равно U = I x R = 0,00045А x 10000Ом = 4,5 B.

Таким образом, максимальный ток защиты будет равен примерно 4,5А.

Компаратор напряжения

На втором ОУ, входящем в состав данной МС, собран компаратор напряжения. На инвертирующий вход этого компаратора подано регулируемое резистором R6 опорное напряжение со стабилизатора DA2. На неинвертирующий вход 3 DA1.2 подается усиленное напряжение с датчика тока. Нагрузкой компаратора служит последовательная цепь, светодиод оптрона и гасящий регулировочный резистор R7. Резистором R7 выставляют ток, проходящий через эту цепь, порядка 15 мА.

Работа схемы

Работает схема следующим образом. Например, при токе нагрузки в 3А, на датчике тока выделится напряжение 0,01 х 3 = 0,03В. На выходе усилителя DA1.1 будет напряжение, равное 0,03В х 100 = 3В. Если в данном случае на входе 2 DA1.

2 присутствует опорное напряжение выставленное резистором R6, меньше трех вольт, то на выходе компаратора 1 появится напряжение близкое к напряжению питания ОУ, т.е. пять вольт. В результате засветятся светодиод оптрона. Откроется тиристор оптрона и зашунтирует затвор полевого транзистора с его истоком.

Транзистор закроется и отключит нагрузку. Вернуть схему в исходное состояние можно кнопкой SB1 или выключением и повторным включением БП.

Недостатком схемы является однополярное питание операционного усилителя, в связи с этим при малых значениях падения напряжения на датчике тока, возникает большая нелинейность коэффициента усиления ОУ DA1.1.

Скачать статью

Скачать “Электронный-предохранитель-на-полевом-транзисторе.docx” Электронный-предохранитель-на-полевом-транзисторе.docx – Загружено 557 раз – 52 KB

5 655

Защита от переполюсовки и КЗ зарядного устройства, блока питания своими руками

  • 1 Вариант 1
  • 2 Вариант 2
  • 3 Вариант 3
  • 4 Итог

Многие самодельные блоки имеют такой недостаток, как отсутствие защиты от переполюсовки питания. Даже опытный человек может по невнимательности перепутать полярность питания. И есть большая вероятность что после этого зарядное устройство придет в негодность.

В этой статье будет рассмотрено 3 варианта защит от переполюсовки, которые работают безотказно и не требуют никакой наладки.

Вариант 1

Это защита наиболее простая и отличается от аналогичных тем, что в ней не используются никакие транзисторы или микросхемы. Реле, диодная развязка – вот и все ее компоненты.

Работает схема следующим образом. Минус в схеме общий, поэтому будет рассмотрена плюсовая цепь.

Если на вход не подключен аккумулятор, то реле находится в разомкнутом состоянии. При подключении аккумулятора плюс поступает через диод VD2 на обмотку реле, вследствие чего контакт реле замыкается, и основной ток заряда протекает на аккумулятор.

Одновременно загорается зеленый светодиодный индикатор, свидетельствуя о том, что подключение правильное.

И если теперь убрать аккумулятор, то на выходе схемы будет напряжение, поскольку ток от зарядного устройства будет продолжать поступать через диод VD2 на обмотку реле.

Если перепутать полярность подключения, то диод VD2 окажется заперт и на обмотку реле не поступит питание. Реле не сработает.

В этом случае загорится красный светодиод, который нарочно подключен неправильным образом. Он будет свидетельствовать о том, что нарушена полярность подключения аккумулятора.

Диод VD1 защищает цепь от самоиндукции, которая возникает при отключении реле.

В случае внедрения такой защиты в зарядное устройство автомобильного аккумулятора, стоит взять реле на 12 В. Допустимый ток реле зависит только от мощности зарядника. В среднем стоит использовать реле на 15-20 А.

Вариант 2

Эта схема до сих пор не имеет аналогов по многим параметрам. Она одновременно защищает и от переполюсовки питания, и от короткого замыкания.

Принцип работы этой схемы следующий. При нормальном режиме работы плюс от источника питания через светодиод и резистор R9 открывает полевой транзистор, и минус через открытый переход «полевика» поступает на выход схемы к аккумулятору.

При переполюсовке или коротком замыкании ток в цепи резко возрастает, вследствие чего образуется падение напряжения на «полевике» и на шунте. Такое падение напряжение достаточно для срабатывания маломощного транзистора VT2. Открываясь, последний запирает полевой транзистор, замыкая затвор с массой. Одновременно загорается светодиод, поскольку питание для него обеспечивается открытым переходом транзистора VT2.

Из-за высокой скорости реагирования эта схема гарантированно защитит зарядное устройство при любой проблеме на выходе.

Схема очень надежна в работе и способна оставаться в состоянии защиты бесконечно долгое время.

Вариант 3

Это особо простая схема, которую даже схемой трудно назвать, поскольку в ней использовано всего 2 компонента. Это мощный диод и предохранитель. Этот вариант вполне жизнеспособен и даже применяется в промышленных масштабах.

Питание с зарядного устройства через предохранитель поступает на аккумулятор. Предохранитель подбирается исходя из максимального тока зарядки. Например, если ток 10 А, то предохранитель нужен на 12-15 А.

Диод подключен параллельно и закрыт при нормальной работе. Но если перепутать полярность, диод откроется и случится короткое замыкание.

А предохранитель – это слабое звено в этой схеме, который сгорит в тот же миг. Его после этого придется менять.

Диод следует подбирать по даташиту исходя из того, что его максимальный кратковременный ток был в несколько раз больше тока сгорания предохранителя.

Такая схема не обеспечивает стопроцентную защиту, поскольку бывали случаи, когда зарядное устройство сгорало быстрее предохранителя.

Итог

С точки зрения КПД, первая схема лучше других. Но с точки зрения универсальности и скорости реагирования, лучший вариант – это схема 2. Ну а третий вариант часто применяется в промышленных масштабах. Такой вариант защиты можно увидеть, к примеру, на любой автомагнитоле.

Все схемы, кроме последней, имеют функцию самовосстановления, то есть работа восстановится, как только будет убрано короткое замыкание или изменится полярность подключения аккумулятора.

Эдуард Орлов –

Прикрепленные файлы: СКАЧАТЬ.

Ограничители тока: схемы

Плавкие предохранители являются одноразовыми и требуют обязательной замены в случае их выхода из строя при скачках напряжения. Каждый из них рассчитан на определенный ток, однако при отсутствии подходящего элемента, ставится наиболее близкий по значению.

Подобные действия оказывают негативное влияние на работу аппаратуры и снижают ее надежность. Поэтому в современных схемах используются ограничители тока, представляющие собой электронные предохранители.

Эти приборы обеспечивают автоматическую защиту и существенно повышают быстродействие устройств.

Эффективность ограничителей тока

Плавкие предохранители использовались практически во всех схемах в течение длительного времени. Они часто выходили из строя и требовали ручной замены. При их отсутствии практиковалось использование самодельных устройств в виде различных перемычек, очень ненадежных и опасных во всех отношениях.

На смену этим простейшим элементам пришли электронные предохранители, исполняющие роль ограничителей тока. По своему действию они разделяются на две основные категории. Первая группа осуществляет восстановление питающей цепи после того как устранены причины аварии. Работа приборов второй группы происходит только с участием специалистов. Кроме того, существуют устройства пассивной защиты, сигнализирующие с помощью звука или света о возникновении опасной ситуации.

В радиоэлектронных устройствах защита от токовых перегрузок осуществляется с использованием резистивных или полупроводниковых датчиков тока, последовательно включаемых в цепь. Если напряжение падает ниже нормативного уровня, происходит срабатывание защитного устройства, отключающего аппаратуру от питающей сети. Данный способ защиты предполагает возможность изменения величины тока, при котором наступает срабатывание защиты.

Хорошую и эффективную защиту обеспечивает ограниченная величина предельного тока, проходящего через нагрузку. Заданный уровень не может быть превышен даже при наличии в цепи короткого замыкания. Ограничение предельного тока выполняется с помощью специальных устройств – генераторов стабильного тока.

Схемы электронных предохранителей

На представленных схемах отображаются наиболее простые автоматические защитные средства от токовых перегрузок. В основе устройства этих приборов лежат полевые транзисторы, обладающие начальным током, который не может быть превышен. Необходимая величина тока задается путем подбора определенного транзистора.

На схеме 1 используется элемент марки КП302А, указывающий на максимальное значение тока 30-50 мА. Для того чтобы повысить это значение, необходимо включить параллельно сразу несколько транзисторов.

Схема 2 работает с использованием обычных биполярных транзисторов с минимальным коэффициентом передачи тока 80-100. Путь входного напряжения начинается в резисторе R1, далее проходит через транзистор VT1, открывая его. Режим насыщения транзистора способствует уходу большей части напряжения к выходу. Если ток не превышает пороговое значение, в этом случае транзистор VT2 остается закрытым и светодиод HL1 светиться не будет. В схеме 2 резистор R3 является датчиком тока.

В случае падения напряжения транзистор VT1 закроется, ограничивая, таким образом, прохождение тока через нагрузку. Элемент VT2, наоборот, будет открыт, с одновременным включением светодиода. Номиналы элементов, указанных на схеме 2, соответствуют току короткого замыкания с напряжением 0,7 вольт, сопротивлением 3,6 Ом и силой тока 0,2 – 0,23 ампера.

На схеме 3 в электронном предохранителе в качестве ключа используется полевой транзистор VT1 повышенной мощности. Срабатывание защиты происходит при токе, зависящем от соотношения резистивных элементов. Важную роль играет величина сопротивления датчика тока, последовательно включаемого в цепь вместе с полевым транзистором. После того как защита сработала, повторное подключение нагрузки происходит путем нажатия кнопки SA1.

Ограничители тока – стабилизаторы

Стабилизаторы считаются одними из наиболее эффективных ограничителей тока. Например, с помощью устройства на схеме 1 возможно получение на выходе стабильного напряжения, с возможностью регулировки в пределах от 0 до 17 вольт.

От коротких замыканий и превышения тока применяются специальные элементы в виде тиристора VS1 и датчика тока на резисторе R2. Когда в нагрузке увеличивается ток, происходит включение тиристора с одновременным шунтированием цепи управленияVT1. После этого значение выходного напряжения становится равным нулю. Срабатывание защиты подтверждается включением светодиода.

После устранения неисправности повторный запуск стабилизатора происходит путем нажатия на кнопку SB1 и последующей разблокировки тиристора. Существуют ограничители тока, оборудованные защитой и звуковыми индикаторами перегрузок. Для управления генератором звуковой частоты используется специальный ключ на транзисторе.

1. Транзистор

Буквально сразу после появления полупроводниковых приборов, скажем, транзисторов, они стремительно начали вытеснять электровакуумные приборы и, в частности, триоды. В настоящее время транзисторы занимают ведущее положение в схемотехнике.

Начинающему, а порой и опытному радиолюбителю-конструктору, не сразу удаётся найти нужное схемотехническое решение или разобраться в назначении тех или иных элементов в схеме. Имея же под рукой набор «кирпичиков» с известными свойствами гораздо легче строить «здание» того или другого устройства.

Не останавливаясь подробно на параметрах транзистора (об этом достаточно написано в современной литературе, например, в ), рассмотрим лишь отдельные свойства и способы их улучшения.

Одна из первых проблем, возникающих перед разработчиком, — увеличение мощности транзистора. Её можно решить параллельным включением транзисторов (рис.1). Токовыравнивающие резисторы в цепях эмиттеров способствуют равномерному распределению нагрузки.

Оказывается, параллельное включение транзисторов полезно не только для увеличения мощности при усилении больших сигналов, но и для уменьшения шума при усилении слабых. Уровень шумов уменьшается пропорционально корню квадратному из количества параллельно включённых транзисторов.

Защита от перегрузки по току наиболее просто решается введением дополнительного транзистора (рис.2). Недостаток такого самозащитного транзистора — снижение КПД из-за наличия датчика тока R. Возможный вариант усовершенствования показан на рис.3. Благодаря введению германиевого диода или диода Шоттки можно в несколько раз уменьшить номинал резистора R, а значит, и рассеиваемую на нём мощность.

Для защиты от обратного напряжения параллельно выводам эмиттер-коллектор обычно включают диод, как, например, в составных транзисторах типа КТ825, КТ827.

Составной транзистор (рис. 4) имеет повышенное выходное сопротивление и значительно уменьшенный эффект Миллера благодаря каскодному включению полевого и биполярного транзисторов.

За счёт полной развязки второго транзистора от входа и питанию стока первого транзистора напряжением, пропорциональным входному, составной транзистор, изображённый на рис.5, имеет ещё более высокие динамические характеристики.

Единственное условие реализации такого транзистора — более высокое напряжение отсечки второго транзистора. Входной транзистор можно заменить на биполярный.

Одна из особенностей транзисторного ключа при изменяющейся нагрузке — изменение времени выключения транзистора. Чем больше насыщение транзистора при минимальной нагрузке, тем больше время выключения. Избежать глубокого насыщения можно путём предотвращения прямого смещения перехода база-коллектор. Наиболее простая реализация этой идеи с помощью диода Шоттки представлена на рис.6. На рис.7 изображён более сложный вариант — схема Бейкера.

При достижении напряжением на коллекторе транзистора напряжения базы «лишний» базовый ток сбрасывается через коллекторный переход, предотвращая насыщение. Далее показаны схемы ограничения насыщения относительно низковольтных ключей с датчиками тока базы (рис.8) и тока коллектора (рис.9).

При работе транзистора в ключевом режиме, когда требуется быстрое его переключение из открытого состояния в закрытое и обратно, иногда применяют форсирующую RC-цепочку (рис.10).

В момент открывания транзистора заряд конденсатора увеличивает его базовый ток, что способствует сокращению времени включения. Напряжение на конденсаторе достигает падения напряжения на базовом резисторе, вызванного током базы.

В момент закрывания транзистора конденсатор, разряжаясь, способствует рассасыванию неосновных носителей в базе, сокращая время выключения.

Повысить крутизну транзистора (отношение изменения тока коллектора (стока) к вызвавшему его изменению напряжения на базе (затворе) при постоянном Uкэ Uси)) можно с помощью схемы Дарлингтона (рис. 11).

Резистор в цепи базы второго транзистора (может отсутствовать) применяют для задания тока коллектора первого транзистора. Аналогичный составной транзистор с высоким входным сопротивлением (благодаря применению полевого транзистора) представлен на рис. 12.

Составные транзисторы, представленные на рис. 13 и 14, собраны на транзисторах разной проводимости по схеме Шиклаи.

Введение в схемы Дарлингтона и Шиклаи дополнительных транзисторов, как показано на рис. 15 и 16, увеличивает входное сопротивление второго каскада по переменному току и соответственно коэффициент передачи . Применение аналогичного решения в транзисторах рис. 12 и 14 даёт соответственно схемы рис. 17 и 18, линеаризируя крутизну транзистора .

Широкополосный транзистор с высоким быстродействием представлен на рис. 19 . Повышение быстродействия достигнуто в результате уменьшения эффекта Миллера аналогично рис.4 и 5.

«Алмазный» транзистор по патенту ФРГ представлен на рис. 20. Возможные варианты его включения изображены на рис.21 — 23. Характерная особенность этого транзистора-отсутствие инверсии на коллекторе. Отсюда и увеличение вдвое нагрузочной способности схемы рис.23.

Мощный составной транзистор с напряжением насыщения около 1,5 В изображён на рис.24. Мощность транзистора может быть значительно увеличена путём замены транзистора VT3 на составной транзистор (рис. 1).

Аналогичные рассуждения можно привести и для транзистора p-n-p типа, а также полевого транзистора с каналом p-типа. При использовании транзистора в качестве регулирующего элемента или в ключевом режиме возможны два варианта включения нагрузки: в цепь коллектора (рис.25-27) или в цепь эмиттера (рис.28-30).

Как видно из приведённых формул, наименьшее падение напряжения, а соответственно и минимальная рассеиваемая мощность — на простом транзисторе с нагрузкой в цепи коллектора. Применение составного транзистора Дарлингтона и Шиклаи с нагрузкой в цепи коллектора равнозначно. Транзистор Дарлингтона может иметь преимущество, если коллекторы транзисторов не объединять. При включении нагрузки в цепь эмиттера преимущество транзистора Шиклаи очевидно.

Литература:

1. Степаненко И. Основы теории транзисторов и транзисторных схем. — М.: Энергия, 1977.2. Патент США 4633100: Публ. 20-133-83.3. А.с. 810093.

4. Патент США 4730124: Публ.22-133-88. — С.47.

1. Увеличение мощности транзистора

Резисторы в цепях эмиттеров нужны для равномерного распределения нагрузки; уровень шумов уменьшается пропорционально квадратному корню из количества параллельно включённых транзисторов.

Рис. 1.

2. Защита от перегрузки по току

Недостаток-снижение КПД из-за наличия датчика тока R.

Рис. 2.

Другой вариант — благодаря введению германиевого диода или диода Шоттки можно в несколько раз уменьшить номинал резистора R, и на нём будет рассеиваться меньшая мощность.

Рис. 3.

3. Составной транзистор с высоким выходным сопротивлением

Из-за каскодного включения транзисторов значительно уменьшен эффект Миллера.

Рис. 4.

Другая схема — за счёт полной развязки второго транзистора от входа и питанию стока первого транзистора напряжением, пропорциональным входному, составной транзистор имеет ещё более высокие динамические характеристики (единственное условие — второй транзистор должен иметь более высокое напряжение отсечки). Входной транзистор можно заменить на биполярный.

Рис. 5.

4. Защита транзистора от глубокого насыщения

Предотвращение прямого смещения перехода база-коллектор с помощью диода Шоттки.

Рис. 6.

Более сложный вариант — схема Бейкера. При достижении напряжением на коллекторе транзистора напряжениябазы «лишний» базовый ток сбрасывается через коллекторный переход, предотвращая насыщение.

Рис. 7.

5. Схема ограничения насыщения относительно низковольтных ключей

С датчиком тока базы.

Рис. 8.

С датчиком тока коллектора.

Рис. 9.

7. Составной транзистор

Схема дарлингтона.

Рис. 11, 12.

Схема Шиклаи.

Рис. 13, 14.

Схемы Дарлингтона и Шиклаи с дополнительными транзисторами (нужны для увеличения входного сопротивления второго каскада по переменному току,и соответственно коэффициента передачи).

Рис. 15, 16.

То же самое для схем Дарлингтона и Шиклаи с полевыми транзисторами на входе.

Рис. 17, 18.

9. «Алмазный» транзистор

Особенность этого транзистора-отсутствие инверсии на коллекторе.

Рис. 20.

Возможные варианты его включения.

Рис. 21, 22.

Схема с увеличенной вдвое нагрузочной способностью.

Рис. 23.

11. Использование транзистора в качестве регулирующего элемента или в ключевом режиме

Включение нагрузки в цепь коллектора.

Представлена конструкция защиты для блока питания любого типа. Данная схема защиты может совместно работать с любыми блоками питания — сетевыми, импульсными и аккумуляторами постоянного тока. Схематическая развязка такого блока защиты относительна проста и состоит из нескольких компонентов.

Схема защиты блока питания
Силовая часть — мощный полевой транзистор — в ходе работы не перегревается, следовательно в теплоотводе тоже не нуждается. Схема одновременно является защитой от переплюсовки питания, перегруза и КЗ на выходе, ток срабатывания защиты можно подобрать подбором сопротивления резистора шунта, в моем случае ток составляет 8 Ампер, использовано 6 резисторов 5 ватт 0,1 Ом параллельно подключенных. Шунт можно сделать также из резисторов с мощностью 1-3 ватт.
Более точно защиту можно настроить путем подбора сопротивления подстроечного резистора. Схема защиты блока питания, регулятор ограничения тока Схема защиты блока питания, регулятор ограничения тока
~~~При КЗ и перегрузе выхода блока, защита мгновенно сработает, отключив источник питания. О срабатывании защиты осведомит светодиодный индикатор. Даже при КЗ выхода на пару десятков секунд, полевой транзистор остается холодным
~~~Полевой транзистор не критичен, подойдут любые ключи с током 15-20 и выше Ампер и с рабочим напряжением 20-60 Вольт. Отлично подходят ключи из линейки IRFZ24, IRFZ40, IRFZ44, IRFZ46, IRFZ48 или более мощные — IRF3205, IRL3705, IRL2505 и им подобные.
~~~Данная схема также отлично подходит в качестве защиты зарядного устройства для автомобильных аккумуляторов, если вдруг перепутали полярность подключения, то с зарядным устройством ничего страшного не произойдет, защита спасет устройство в таких ситуациях.
~~~Благодаря быстрой работе защиты, ее можно с успехом применить для импульсных схем, при КЗ защита сработает быстрее, чем успеют сгореть силовые ключи импульсного блока питания. Схематика подойдет также для импульсных инверторов, в качестве защиты по току. При перегрузе или кз во вторичной цепи инвертора, мигом вылетают силовые транзисторы инвертора, а такая защита не даст этому произойти.

Защита от короткого замыкания, переплюсовки полярноси и перегруза собрана на отдельной плате. Силовой транзистор использован серии IRFZ44, но при желании можно заменить на более мощный IRF3205 или на любой другой силовой ключ, который имеет близкие параметры. Можно использовать ключи из линейки IRFZ24, IRFZ40, IRFZ46, IRFZ48 и другие ключи с током более 20 Ампер. В ходе работы полевой транзистор остается ледяным,. поэтому в теплоотводе не нуждается.
Второй транзистор тоже не критичен, в моем случае использован высоковольтный биполярный транзистор серии MJE13003, но выбор большой. Ток защиты подбирается исходя из сопротивления шунта — в моем случае 6 резисторов по 0,1Ом параллельно, защита срабатывает при нагрузке 6-7 Ампер. Более точно можно настроить вращением переменного резистора, таким образом я настроил ток срабатывания в районе 5 Ампер.
Мощность блока питания довольно приличная, выходной ток доходит до 6-7 Ампер, что вполне достаточно для зарядки автомобильного аккумулятора.
Резисторы шунта выбрал с мощностью 5 ватт, но можно и на 2-3 ватт.

Если все сделано правильно, то блок начинает работать сразу, замыкайте выход, должен загореться светодиодный индикатор защиты, который будет гореть до тех пор, пока выходные провода находятся в режиме КЗ.
Если все работает как нужно, то приступаем дальше. Собираем схему индикатора.
Схема срисована из зарядника аккумуляторной отвертки. Красный индикатор свидетельствует о том, что имеется выходное напряжение на выходе БП, зеленый индикатор показывает процесс заряда. С таким раскладом компонентов, зеленый индикатор будет постепенно потухат и окончательно потухнет, когда напряжение на аккумуляторе будет 12,2-12,4 Вольт, когда аккумулятор отключен, индикатор гореть не будет.

Схема своего рода «НОУ-ХАУ», по простоте и надежности. Плюс в том, что не нужно использовать мощное реле, или тиристор, на котором падение напряжения около двух вольт. Схема как самостоятельное устройство может быть встроена в любое зарядное устройство и блок питания. Выход из режима защиты автоматический, как только устранится короткое замыкание или преполюсовка. При срабатывании светится светодиод «ошибка подключения». Описание работы: При нормальном режиме напряжение через светодиод и резистор R9 отпирает VT1 и все напряжение со входа поступает на выход. При коротком замыкании или переполюсовке ток импульсно резко возрастает, падение напряжения на полевике и шунте резко увеличивается, что приводит к открыванию VT2, который в свою очередь шунтирует затвор исток. Добавочное отрицательное напряжение по отношению к истоку (падение на шунте) прикрывает VT1. Далее происходит лавинный процесс закрытия VT1. Светодиод засвечивается через открытый VT2. Схема может находиться в данном состоянии сколь угодно долго, до устранения замыкания.

собирал сегодня сие) Родная защита Дашенга даже не успевает сработать)
~~~ Принцип работы прост — при резком скачке напряжения, на шунте появляется падение напряжения, которое отпирает vt2 полевик закрывается (т.к. затвор садится на землю). При этом загорается св. диод (т.к. получает минус на затворе).
~~~ В нормальном состоянии затвор открывает положительным напряжением с цепочки св.диод-R9 Тот же принцип и при переплюсовке — от скачка тока.
~~~ Работает быстро, но криво — при выключенном блоке и подключенном аккумуляторе, на блок валит напряжение, т.к. полевик открывает акк. Я думаю, нужно делать какую-нить защиту, чтоб при пропадании напряжения зарядки, акк отключался от схемы. Комментарий
Вот та же схема, только перевернутая по правильному. Использовал в зарядке, результатом доволен. Единственный недостаток (а может — фича!) — защелкивается, то есть после сработки требует полного отключения нагрузки. В принципе, это схема защиты от тока перегрузки, но при переполюсовке именно это и случается. Кстати, при нагрузке не на аккумулятор, а на резистор у меня почему-то сразу защелкивалась на защиту. С акком — нормально. Расчет максимального тока — напряжение на шунте и канале исток-сток должно быть 0.6в для срабатывания биполярника.

>>Единственный недостаток (а может — фича!) — защелкивается, то есть после сработки требует полного отключения нагрузки. достаточно кнопку сброса сделать с базы биполярника на землю

О пользе силикона

В полной мере сказанное относится не только к ламповым проектам, поэтому все, что будет описано ниже, пригодится и для цифровых, и для аналоговых трактов на полупроводниках.

«А в чем, собственно, проблема? Для накала существуют трехвыводные сильноточные стабилизаторы, а анодные делаются либо на тех же лампах, либо на высоковольтных MOSFET’ах», — такова была первая реакция большинства конструкторов аудио, с кем я пытался завести разговор на эту тему. А жизнь, между прочим, не так проста, как кажется на первый взгляд. Любимые всеми интегральные стабилизаторы серий LM78, LM79, LM317 и LM337 очень удобны и стоят копейки, но в технике класса High End применяются крайне редко из-за широкого спектра ВЧ-шумов, которые у них вообще не нормируются. Эти шумы не слышны, но, взаимодействуя с полезным сигналом, становятся причиной интермодуляции. А вот она уже ведет к излишней жесткости на верхних частотах и частичной потере разрешения. Если от такого стабилизатора питаются катоды прямонакальных ламп, особенно входных, вы можете вообще потерять интерес к проекту — вся грязь из сети, изрядно приправленная собственным шумом микросхемы, будет усилена и попадет на выход усилителя. Поэтому серьезные разработчики в последнее время все чаще предпочитают более сложную схемотехнику, но гарантирующую защиту от ВЧ-неприятностей. Что же касается высоковольтных стабилизаторов, то там ситуация еще хуже. Во-первых, в качестве источников эталонного напряжения используются либо кремниевые, либо газоразрядные стабилитроны, и включаются они, как правило, в катод управляющей лампы (или эмиттер транзистора, что существа дела не меняет). Во-вторых, в ламповых усилителях, особенно однотактных, проходной элемент стабилизатора находится в цепи звукового сигнала и вносит в него свой неповторимый акцент. Так что, кроме конденсаторов, усилительных ламп и трансформаторов, вы будете еще слушать какой-нибудь MOSFET или 6С33С. У меня есть подозрение, что аналогичная ситуация наблюдается и в транзисторных усилителях, но сам не экспериментировал, врать не стану.

Начнем с питания низковольтных цепей — накала, смещения и т.д. В каталоге любого крупного производителя полупроводников обязательно есть малошумящие источники опорного напряжения, и некоторые с регулируемым напряжением выхода. У этих стабилитронов только один минус — ток через переход ограничен несколькими миллиамперами, поэтому для сколько-нибудь серьезной нагрузки их придется дополнить внешним проходным транзистором. Наиболее широко распространен чип TL431, выпускаемый фирмой Texas Instruments. Напряжение шумов на его выходе около 7 мкВ на частоте 10 Гц, стоит около 16 руб. и выглядит, как обычный маломощный транзистор в пластмассовом корпусе ТО-92. Очень удачная схема его применения выложена на сайте www.klausmobile.narod.ru (рис.1).

Рис. 1

Здесь IC1 служит источником опорного напряжения, а IC2 является датчиком схемы защиты от КЗ выхода. Достоинство схемы в том, что в качестве проходного элемента работает МДП-транзистор с изолированным затвором, поэтому при любой нагрузке (схема нормирована до 5 А) ток через стабилитрон остается в пределах нормы. R3 задает выходное напряжение, а R2 — ток срабатывания защиты. MOSFET может быть любым из серий IRF400 — 600 и устанавливается на теплоотводе. Рассеиваемая на нем мощность подсчитывается по формуле P = (Uвх — Uвых) x Iнагр. Если стабилизатор должен обеспечивать фиксированное напряжение, то его тоже легко рассчитать: Uвых = (1+R1/R2) x Uref, где Uref — опорное напряжение TL431, т.е 2,5 В. Из этого легко видеть, что для получения Uвых = 5 В, например, питания цифровой части ЦАПа, сопротивления R1 и R2 должны быть одного номинала (примерно 3,3 — 6,8 К).

Для слаботочных цепей, например, сеточного смещения или питания ОУ в тракте CD-проигрывателя, очень хороши параллельные стабилизаторы. В них регулирующий элемент включен параллельно нагрузке, что имеет неоспоримые преимущества — по переменному току его сопротивление очень мало, а по постоянному — очень велико. Вам это ничего не напоминает? Правильно, конденсатор, причем без какой-либо абсорбции, утечки, с мизерным ESR и индуктивностью. Короче, почти идеальный. Пример такого стабилизатора показан на рис. 2. Источник опорного напряжения здесь тот же — TL431, и выходное напряжение рассчитывается по той же самой формуле и подстраивается триммером R1. Стабилизация (если кто не знает) происходит за счет падения напряжения на резисторе R0. Номинал R3 выбирается с тем расчетом, чтобы ток через TL431 был в пределах 1 — 3 мА. Еще более очевидны выгоды такой схемы для построения высоковольтных стабилизаторов, но об этом ниже.

Рис. 2

На той же TL431 легко собрать схему задержки включения анодного питания (рис. 3). Время задержки задается параметрами цепочки R1/С1 и при указанных номиналах составляет около 25 секунд. Оптрон — 293КП9В или ему подобный.

Рис. 3

В схемах дифференциальных каскадов с т.н. long tail отрицательное напряжение для лучшей симметрии следует подавать через источник тока. Часто для этого используют лампы (например, в схеме Жана Цихисели в прошлом номере «Практики»). А если нет места, или трансформатор питания работает на пределе и уже не потянет еще один накал?

Пригодится простенькая схемка на полевом транзисторе (рис. 4). Единственный элемент, на качество которого стоит обратить внимание — электролитический конденсатор в делителе затвора. Он должен быть либо Black Gate, либо Elna Cerafine. Собирается источник тока на крошечной печатной плате и может быть встроен в любой усилитель при апгрейде. Отрицательное напряжение на «хвост» можно получить выпрямлением напряжения накала.

Рис. 4

Еще один возможный путь апгрейда — снижение шумов стандартных источников питания. Способ примерно тот же, т.е. шунтирование шины питания активным фильтром с определенными параметрами (рис. 5). Без какой-либо настройки он подавляет ВЧ-составляющую на 20 дБ, а если подобрать резистор в цепи эмиттера, то можно додавить их и до 40 дБ. Потребление тока самим шунтом около 10 мА, так что он вряд ли перегрузит стабилизатор. Если ток в нагрузке более 300 мА, то шунт придется умощнить (рис. 6). Для этого понадобится составной транзистор (КТ825/827 в зависимости от полярности источника), который будет забирать на себя уже около 40 мА. Зато им можно «чистить» сильноточные шины, например накальные. Если в предварительном усилителе или фонокорректоре выносной блок питания, то к сетевым помехам и шумам стабилизатора добавятся ВЧ и СВЧ-наводки на соединительные провода. Частично эта проблема решается с помощью ферритовых колец, надеваемых на жгут или отдельные проводники, но гораздо более заметный эффект дает схема, показанная на рис. 7. Она ставится на приемном конце, т.е. в самом усилителе, и питается от той же шины, которую чистит. ОУ должен быть по возможности малошумящим и широкополосным, к качеству остальных деталей особых требований не предъявляется. На рис. 8 видно, что эффективность подавления шумов на частоте 100 Гц достигает 24 дБ без точного подбора номиналов. Более подробное описание этих шумоподавителей можно найти по адресу www.wenzel.com/documents/finesse.html

Рис. 5

Рис. 6

Рис. 7

Рис. 8

Теперь об анодном питании. В 1998 г. компания Technics начала выпускать усилители DVD Audio Ready, т.е. с расширенным динамическим диапазоном. Для них пришлось разрабатывать новые источники питания, поскольку при имеющихся невозможно было снизить шумы усилителя до нужной величины. Была запатентована схема т.н. виртуальной батареи или, как ее еще называют, схема с умножением емкости. Высоковольтный вариант такой батареи показан на рис. 9 (верхняя часть схемы). Как видите, здесь вообще нет стабилитрона, поэтому, строго говоря, это не стабилизатор, а фильтр с составным проходным элементом. Суть идеи в том, что входное сопротивление МДП-транзистора — несколько сотен мегаом, что позволяет подключить его затвор к RC-цепочке с такой огромной постоянной времени (4,7 мОм и 47 мкФ соответственно), что никакие помехи через нее не проходят. Минусы схемы — уже упомянутое отсутствие стабилизации и очень долгий заряд, время которого составляет примерно 20 мин. Аппарат с таким источником питания вообще выключать не рекомендуется.

Рис. 9

Более серьезные люди питают аноды ламп от параллельных стабилизаторов. Помимо перечисленных выше преимуществ, они обладают и еще одним — после выключения питания быстро разряжают емкости фильтров. Кстати, об этом почему-то мало кто заботится, а ведь вреда от этого ничуть не меньше, чем при подаче напряжения на анод холодной лампы. В предах, например, конденсаторы разряжаются несколько минут, а катоды остывают значительно быстрее. Кроме того, шунты начинают потреблять ток мгновенно после включения, благодаря чему фильтр застрахован от перегрузок по напряжению в режиме холостого хода. Схема относительно простого и недорогого шунт-регулятора (рис. 10) содержит мощный высоковольтный MOSFET IRF820 и схему управления на малошумящем ОУ TL-071. Опорное напряжение задается делителем на инвертирующем входе, а напряжение шины питания контролируется через интегрирующую RC-цепочку 1,5 мОм и 1 мкФ. Между выходом ОУ и затвором транзистора стоит режекторный ВЧ-фильтр, вырезающий самый вредный участок шумового спектра. Обратите внимание, что нагрузка подключается к шинам в том месте, где припаяны элементы делителя, еще лучше подключить верхнюю точку интегрирующей цепочки непосредственно к потребителю, например, к анодной обмотке выходного трансформатора. Между выпрямителем и стабилизатором должно быть включено либо сопротивление, на котором будет падать разница напряжений, либо, что значительно лучше, мощный источник тока. Такой, например, как на рис. 11 слева. Это вообще очень интересная схема, ее автор, Манфред Хубер (http://home.t-online.de/home/MHuber/bjtreg.htm) уверен, что она дает тот же эффект, что и тефлоновый конденсатор емкостью 1000 мкФ, включенный параллельно нагрузке. Я пробовал запитывать от этого стабилизатора фонокорректор с выходным трансформаторным каскадом на 4П1Л, разница по сравнению с виртуальной батареей действительно заметна на слух. Во-первых, бас становится более собранным, заметно уменьшается интермодуляция, схема — менее чувствительной к качеству трансформатора. Очевидно, возвратный путь сигнала на землю здесь намного короче, да и выходное сопротивление источника практически не зависит от частоты. Заодно несколько советов: если выходное напряжение не должно регулироваться в широких пределах, дорогие полевые транзисторы BSS135 (около 120 руб. каждый), работающие как источники тока стабилитронов LM4041 и ZPD30, можно заменить обычными сопротивлениями. Их номинал рассчитывают так, чтобы через них протекал ток 1,3 мА. Транзисторы ZTX458/558 фирмы Zetex с напряжением Uкэ = 450 В у нас найти невозможно, зато есть недорогие аналоги Philips и Motorola. Ток стабилизатора рассчитывается по формуле I = 1,23/(P1 + R2), а напряжение вот как: Uвых = 30(1 + (P2 + R9)/R8). Число 30 означает напряжение стабилитрона D4, если будет другой, нужно внести поправку. Стабилитронов здесь бояться не надо — шум D4 гасится цепочкой R5-C2-C5, а D5 выполняет сугубо защитные функции, и в нормальном режиме лавинного пробоя в нем нет. Транзисторы Q2 и Q8 устанавливаются на теплоотводы, способные рассеять 6 — 8 Вт.

Рис. 10

Рис. 11

Приятных вам экспериментов, и будьте осторожнее с высоким напряжением!

Практика AV #2/2002

Tags: питание

Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *