Защита стабилизатора по току

В случае уменьшения сопротивления нагрузки увеличивается ток вплоть до короткого замыкания. В этом случае силовой транзистор VT1 может сгореть. В таких ситуациях необходима защита стабилизатора по току.

IH

IК3

+ –

IБ1

IH

VD2

RH

VT1

VD1

RТ

VT3

Рис. 9. Схема защиты стабили- затора по току

Включим в токовую цепь нагрузки специальное сопротивление R_T, выполняющего роль преобразователя тока в напряжение. При протекании по сопротивлению тока выделяется напряжение с полярностью, указанной на рис. 9. Это напряжение воздействует на вход транзистора VT3. При заданном токе транзистор открывается и берет на себя часть тока базы транзистора VT1. Последний закрывается и ограничивает ток коллектора. При максимальном токе нагрузки транзистор VT3 закрыт и не оказывает влияния на работу стабилизатора.

Выбор токового резистора.
Примем, что защита должна включиться, если ток превышает двойной максимальный ток нагрузки. Примем транзистор VT3 германиевый n-p-n типа. Напряжение открывания у такого транзистора составляет 1,8 В.
(2 I_Нmax = 0,9 A). Вычисляем величину сопротивления R_T.
R_T = 1,8 В/0,12 А = 15 Ом. Выбираем меньшее номинальное значение
15 Ом. Вычисляется мощность рассеяния на резисторе и его тип.

Транзистор VT3 можно выбрать любой германиевый n-p-n типа.

UСТ

Защита нагрузки от перенапряжения.

В случае пробоя транзистора VT1 на нагрузку попадает полное напряжение питания, что может вывести ее из строя. Необходима схема защиты нагрузки от возможного перенапряжения. В таких случаях используются быстродействующие электронные схемы защиты рис. 23. На этой схеме показаны элементы индикации состояния стабилизатора, индикация будет рассмотрена далее.

Схема защиты состоит из тиристора VS5, стабилитрона VD4 и резистора. (Схема защиты по току на схеме не показана). В исходном состоянии тиристор VS5 закрыт, его управляющий вход подключен к катоду через сопротивление R2. Стабилитрон VD4 также закрыт его напряжение включения на 10% больше напряжения нагрузки. Как только напряжение на нагрузке увеличивается по каким-либо причинам, стабилитрон VD4 открывается,

+ С2

С1

+

FU

VD5

VD6

R2

VS5

RH

VT1

UИ

VD4

Рис. 10. Схема защиты нагрузки и индикация

R4

Ст

R3

на управляющий электрод тиристора подается напряжение, тиристор открывается и закорачивает входную цепь стабилизатора. После этого сгорает плавкий предохранитель FU.

Сопротивление R2 ограничивает ток стабилитрона на уровне
5 ÷ 10 мА. Из этих условий выбирается стабилитрон и резистор. В рассматриваемом примере U_H = 10 В. Можно использовать стабилитрон КС213В с напряжением включения 13 В. При выходе из строя транзистора VT1 на стабилитрон VD4 может поступать минимальное напряжение питания, равное 20 В. Зададимся током стабилитрона равным 5 мА. При пробое стабилитрона к резистору R2 прикладывается напряжение (20 – 13) = 7 В. Сопротивление R2 = 7 В/5мА = 1,4 кОм.

Вычисляется мощность рассеяния на резисторе, выбирается его тип.

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

Выбор тиристора.

Напряжение включения тиристора должно быть больше напряжения питания U_Иmax. При выборе тиристора можно ориентироваться следующим условием. Если ток нагрузки меньше 100 мА, то выбирается тиристор с током анода 100 мА и менее. Если ток нагрузки больше 100 мА, то выбирается тиристор с током анода 100 мА и более.
В примере можно выбрать тиристор КУ101В U_А = 50 В, I_А = 80 мА.
Выбранные элементы вносятся в перечень элементов схемы.

Индикация состояния стабилизатора.

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

Сопротивление R4 выбирается исходя из условий минимального тока СИД и минимального напряжения на нем (таблица 6). Выберем светодиод КЛ101А с параметрами I_ПР = 10 мА, U_ПР = 5,5 В.
R4 = (U_Н – U_ПР)/I_ПР = 4,5 В/10 мА = 450 Ом. Выбираем ближайшее меньшее номинальное значение резистора. Вычисляется мощность рассеяния на резисторе, выбирается его тип.

Индикация состояния перегрузки стабилизатора осуществляется с помощью СИД VD5. В исходном состоянии диод не светится. Если тиристор открывается, то напряжение на нем уменьшается до одного вольта и по СИД потечет ток. Расчет ограничительного сопротивления R5 аналогичен расчету сопротивления R4.

СИД выбирается с красным свечением.

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

Для устранения низкочастотных и высокочастотных помех на выходе стабилизатора параллельно нагрузке включаются емкости
С1 = 0,1 мкФ и С2 = 10 ÷ 20 мкФ.

Заключение.

После проведения всех расчетов и выбора элементов оформляется заключение. В нем отражается задание, т.е. что следовало спроектировать и приводятся параметры стабилизатора К_СТ, R_ВЫХ и U_Иср, полученные в результате проектирования.

Литература.

Основная:

1. Березин О.К., Костиков В.Г., Шахнов В.А. Источники электропитания радиоэлектронной аппаратуры. – М. :Энергоатомиздат. 1985. 212 с.

2. Воробьёв Н. И. Проектирование электронных устройств: Учеб.пособие для вузов. М.: Высш. шк., 1989. 223 с.

3. Гусев В. Г., Гусев Ю. М. Электроника и микропроцессорная техника: Учеб.пособие для вузов. 2-е изд., перераб. и доп. М.: Высш. шк., 2002. 622 с.

4. Лачин В. И. Электроника: учеб.пособие /В. И.Лачин, Н. С. Савёлов.- Ростов-на-Дону: изд-во "Феникс"2007.

5. Шустов М.А. Практическая схемотехника. Источники питания и стабилизаторы. – М. : Издательский дом «Додэка – ХХI», «Альтекс», 2007. 87 с.

Справочная:

6. Матвиенко В.А. Характеристики и параметры полупроводниковых приборов. Учеб. пособие. – Екатеринбург: УрТИСИ ГОУ ВПО «СибГУТИ», 2007.

7. Молокова Г.Ф. Основные требования к оформлению дипломного проекта : Методические указания. – Екатеринбург: УрТИСИ ГОУ ВПО
«СибГУТИ», 2005. 48 с.

8. Отечественные стабилитроны. http://www.chipinfo.ru/dsheets/diodes/stablp.html

9. Паутов В.И. Стабилизатор напряжения. Учеб. пособие. – Екатеринбург: УрТИСИ ГОУ ВПО «СибГУТИ», 2011. 45 с.

10. Полупроводниковые приборы. Транзисторы малой мощности: Справочник / А. А. Зайцев, А. И. Миркин, В. В. Мокряков и др.; Под ред. А. В. Голомедова. М.: Радио и связь1996.

11. Полупроводниковые приборы. Транзисторы средней и большой мощности: Справочник / А. А. Зайцев, А. И. Миркин, В. В. Мокряков и др.; Под ред. А. В. Голомедова. М.: Радио и связь, 1989. 640 с.

12. Справочник по элементам радиоэлектронных устройств/ Под ред. В.Н. Дулина и др. М.: Энергия, 1977. 210 с.

13. Транзисторы для аппаратуры широкого применения; Справочник/ К.М.Брежнева, Е.И. Гантман, Т.И.Давыдова и др. Под ред. Б.Л. Перельмана. М.: Радио и связь.1981. 512 с.

14. Усатенко С. Т., Каченюк Т. К., Терехова М. В. Выполнение электрических схем по ЕСКД: Справочник. М.: Издательство стандартов, 1989. 325 с.