Курсовая

Коммуникация, связь, радиоэлектроника и цифровые приборы

При перегрузке входа стабилизатора к участку эмиттер-коллектор регулирующих транзисторов будет приложено полное входное напряжение. Поэтому, для повышения надежности данной схемы, максимально допустимое напряжение применяемых транзисторов должно быть, по крайней мере, в 1.5 раза...

Введение

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. В данной работе я постараюсь найти оптимальное решение.

1. Объект исследования

Объектом исследования является схема стабилизатора напряжения с выходным током до 3А, в которой используется защита от КЗ (Рис.1). Данный транзисторный стабилизатор предназначен для питания радиоэлектронных схем током до 3А.

Рис.1. Схема транзисторного стабилизатора с защитой от КЗ

Стабилизатор обеспечивает на нагрузке регулируемое напряжение от 15 до 27В при номинальном входном напряжении с выпрямителя 30В. Ток нагрузки до 3А. Коэффициент стабилизации не менее 300, амплитуда пульсации выходного напряжения не более 10мВ.

С помощью переменного резистора R7 напряжение на нагрузке можно менять в пределах от 15 до 27В, а с помощью переменного резистора R3 изменять ток срабатывания защиты в пределах от 0.15 до 3А.

Стабилитрон VD1 с прямым включением p-n перехода уменьшает температурный дрейф выходного напряжения устройства. Резистор R4 повышает надежность работы стабилизатора при повышенных температурах. Транзистор VT1 смонтирован на радиаторе в виде дюралюминевой пластины размером 100x100x5мм. Он должен иметь возможно меньший начальный ток (желательно применить кремниевый транзистор). Входное напряжение поступает на стабилизатор от выпрямителя по однофазной мостовой схеме, выполненного на диодах.

Несколько советов из источника по оптимизации схемы:

Если стабилизатор плохо работает при малых токах нагрузки, нужно уменьшить сопротивление делителя напряжения R6, R7, R8 либо нагрузить выход стабилизатора постоянным резистором, однако это снижает его КПД. Поэтому лучше заменить транзистор VT1 на другой с меньшим значением коэффициента усиления.
Иногда полезно включить между коллектором и эмиттером этого транзистора постоянный резистор сопротивлением 2.2-10кОм. При этом стабилизатор надежно возвращается в рабочий режим, а коэффициент стабилизации уменьшается незначительно.
Если стабилизатор после перегрузки не возвращается в рабочий режим даже при отключенной нагрузке (это явление часто наблюдается при значении установленного тока срабатывания защиты, то есть при максимальном сопротивлении резистора R3), необходимо:
либо уменьшить сопротивление резистора R3;
либо кратковременно подключить между коллектором и эимттером транзистора VT1 резистор сопротивлением 300-510Ом.

2. Техническое задание

Транзисторный стабилизатор с защитой от КЗ с током нагрузки от 3А

1. Назначение и цели модернизации объекта

Назначение

Питание радиоэлектронных схем. Стабилизатор обеспечивает на нагрузке регулируемое напряжение от 15 до 27В при номинальном входном напряжении с выпрямителя 30В. Ток нагрузки до 3А.

Цель модернизации

Улучшить электрические параметры устройства (уменьшить напряжение пульсации), заменить элементную базу схемы на современную, обеспечить защиту от помех, влаги и перегрева.

2. Характеристика модернизируемого объекта

Краткие сведения о модернизируемом объекте или ссылки на документы, содержащие такую информацию

Тип нагрузки: активно-реактивная;
Максимальный ток нагрузки: 3, A;
Напряжение пульсации при максимальном токе нагрузки: < 10, мВ;
Коэффициент стабилизации: > 300;
Выходное напряжение: 15 - 27, В;
Ток срабатывания защиты: 0.15 - 3, А

Сведения об условиях эксплуатации объекта автоматизации и характеристиках окружающей среды

Температура воздуха

рабочая: от -50 до +50 ºС;
предельная: от -50 до +65 ºС;

Относительная влажность воздуха: не более 80 % при 20 ºС;

Воздействие

дождя: до 3 мм/мин;

соляного тумана: дисперсность капель до 10 мкм, содержание воды до 3 г/м3;

Удары

одиночные: до 75 g при D не более 10 мс;
многократные: до 5 g при D не более 10 мс;

Вибрации: до 120 Гц при 4...6 g.

3. Требования к системе

Требования к объекту

Объект должен соответствовать характеристике, указанной в пункте 2.

Объект должен обеспечить

питание аппаратуры напряжением от 15 до 27В и током до 3 А;
защиту радиоэлектронной аппаратуры от короткого замыкания.

Требования к видам обеспечения

Техническое: обеспечить комплекс технических средств, необходимых для каждого этапа модернизации устройства.

Информационное: обеспечить наиболее полную информацию:

о стандартах и методах проектирования, используемых в процессе модернизации объекта;
о модернизируемом объекте и его компонентах.

4. Источники разработки

ГОСТ 15150-69. Исполнение для различных климатических районов

С. Б. Шмаков. Как создать источники питания своими руками

3. Транзисторные стабилизаторы напряжения с защитой от перегрузки

Прежде чем искать оптимальное решение, проанализируем нагрузочные характеристики Uых = f(Iвых) стабилизаторов напряжения, выполненных по наиболее распространенным схемам. У одни типов стабилизаторов 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 других исполнениях 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 напряжения 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.

Рис.2. Схема транзисторного стабилизатора

Защита стабилизатора, схема которого изображена на рис. 2, срабатывает уже при небольшом уменьшении выходного напряжения, вызванном перегрузкой.

Номиналы элементов схемы даны для выходного напряжения 12В в двух вариантах: без скобок, если VD1 Д814Б, и в скобках, если он КС139Е.

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.

Рис.3. Нагрузочные характеристики

Экспериментально снятые нагрузочные характеристики этого стабилизатора приведены на рис. 3 (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, ∆ Uэ ˜ ∆Uвых. 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, параметры стабилизатора улучшатся, так как место R3 в выражениях для ∆Uб и ∆Uбэ 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. 3) 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. 2, со стабилитроном Д814Б (U CT = 9 В), по сравнению с аналогичным стабилитроном КС139Е (U CT = 3,9 В), значительно меньше зависит от нагрузки и он более "круто" переходит в защитный режим при перегрузке.

Рис.4. Схема стабилизатора с дополнительным транзистором VT 3

Уменьшить и даже полностью устранить переходный участок нагрузочной характеристики стабилизатора удается, добавив в него дополнительный транзистор VT3, как показано на рис. 4.

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. 3).

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. 3).

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 коллекторэмиттер транзистора VT1, или "подпиткой" базы транзистора VT2. Проблема решается за счет компромисса между надежностью запуска под нагрузкой и величиной тока короткого замыкания, что не всегда приемлемо.

Малораспространенный, но интересный способ вывода стабилизатора из защитного режима 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.

Рис.5. Схема стабилизатора с выводом из защитного режима

На рис. 5 приведена схема одного из возможных вариантов стабилизатора, работающего по такому принципу.

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 R3R5, условия самовозбуждения не выполняются и устройство работает аналогично рассмотренному ранее (см. рис. 2). Во время перехода стабилизатора в защитный режим конденсатор С1 действует как форсирующий, ускоряя развитие процесса.

Рис.6. Эквивалентная схема стабилизатора в защитном режиме

Эквивалентная схема стабилизатора в защитном режиме показана на рис. 6. При сопротивлении нагрузки R H , 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 R3R5 и открытый диод VD2. Когда напряжение на базе VT1 превысит -0,7В, 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, пока конденсатор не зарядится током i3 почти до напряжения Uвх, после чего транзисторы закроются и цикл повторится.

При указанных на схеме рис. 6 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 R H наступает момент, когда при открытых транзисторах VT1 и VT2 отрицательная ОС "перевешивает" положительную и генератор вновь превращается в стабилизатор напряжения. Величина R H , 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 10В, что может привести к электрическому пробою участка базаэмиттер 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 коллекторбаза, достигает суммы входного и выходного напряжений стабилизатора.

В действующей аппаратуре выход стабилизатора напряжения обычно зашунтирован конденсатором (С2, показан на рис. 5 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 12В источником питания служил мостовой диодный выпрямитель на 14В 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.

Рис.7. Схема стабилизатора с импульсной защитой

На рис. 7 показана схема более сложного стабилизатора с импульсной защитой, в значительной мере лишенного недостатков рассмотренного ранее (см. рис. 5).

Его выходное напряжение 12В, выходное сопротивление 0,08 Ом, коэффициент стабилизации 250, максимальный рабочий ток ЗА, порог срабатывания защиты 3,2А, 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. Алгоритм работы защиты этого стабилизатора мало отличается от ранее описанного.

Ухудшающий КПД последовательный резистор в выходной цепи стабилизатора (аналогичный R4, см. рис. 5) отсутствует, нагрузкой генератора служит резистор R1. Назначение диодов VD1, VD2 и транзистора VT4 аналогично элементам VD2, VD3 и VT3 в стабилизаторе по схеме, изображенной на рис. 4.

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 3,2А 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. Выходное стабилизированное напряжение равно сумме падений напряжения на диодах VD1 и VD2, участке базаэмиттер транзистора VT4 и напряжения стабилизации стабилитрона VD3 за вычетом падения напряжения на участке базаэмиттер транзистора VT3 приблизительно на 1,4В 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. 7) 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.

Рис.8. Схема самовосстанавливающегося электронного предохранителя с импульсной защитой

На рис. 8 приведена схема простого самовосстанавливающегося электронного предохранителя с импульсной защитой. Принцип его работы близок к описанному выше стабилизатору напряжения (см. рис. 5), 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 12В 0,35А, 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 базаэмиттер 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.

Рис.9. Схема предохранителя без понижения КПД

Недостатки "предохранителя", собранного по рассмотренной схеме (рис. 8), 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 5А, схема которого показана на рис. 9.

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 коллекторэмиттер транзистора VT4 не превышает 0,5В 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 Рэкв 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 VT2VT4 полностью закрываются, VT5 открывается. Транзисторы остаются в указанных состояниях до окончания зарядки конденсатора С2 током, текущим через участок базаэмиттер 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 2,5с.

После окончания зарядки конденсатора С2 транзистор VT5 закроется, VT6 и VT2VT4 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... 10А. 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. 9) 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 12В 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 0,8В при токе нагрузки 5А.

При изготовлении "предохранителя" транзистор VT4 необходимо установить на теплоотвод, например, алюминиевую пластину размерами 80 x 50 x 5 мм. Теплоотвод площадью 1,5...2 см² нужен и транзистору VT3,

Первое включение устройства производите без нагрузки, и прежде всего проверяется напряжение между коллектором и эмиттером транзистора VT4, которое должно быть приблизительно 0,5 В. Затем к выходу через амперметр подключается проволочный переменный резистор сопротивлением 10...20 Ом и мощностью 100 Вт.

4. Моделирование

Рис. 10. Схема транзисторного стабилизатора

Изначально схема собиралась на идеальных элементах, после чего они заменялись реальными. Элементы схемы были заменены аналогами из базы Multisim.

Рис.11. Осциллограмма работы устройства

Красная линия сигнал с входа схемы, синяя с выхода.

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать
28138.		Правило Бугера-Вебера и “основной психофизический закон” Г.Т.Фехнера	36 KB
	Бугер пришел к выводу что величина едва заметного различия ЕЗР между двумя освещенностями непостоянна она возрастает пропорционально исходной освещенности: ΔL=kL. Другими словами отношение ЕЗР ΔL к исходному уровню освещенности есть величина постоянная; ΔL L= const. раз то и величина разностного порога ΔР = P1 Р2 повышалась в той же пропорции. Для веса в 200 граммов величина разностного порога составляла 6 граммов для 300 9 граммов и т.
28139.		Понятие о психофизических шкалах. Основные методы психофизического шкалирования	530 KB
	Основные методы психофизического шкалирования. Методы психофизического шкалирования: 1. Методы воспроизведения и идентификации. Эти методы редко используются но имеют ценность для изучения кратковременной памяти так как позволяют оценить характер трансформации субъективного образа сигнала при его запечатлении и хранении.
28140.		Интроспективная психология	40 KB
	Интроспекция лат. В качестве особого метода интроспекция была обоснована в работах Р. Виды интроспекции: аналитическая интроспекция; систематическая интроспекция; феноменологическое самонаблюдение. Человек в отличие от животных наделен разумной душой сознанием по отношению к которому применительна интроспекция.
28141.		Европейский функционализм	44 KB
	Предметом психологии функционализм обозначает сознание и функционалистов не интересует строение сознания. Их интересуют два главных вопроса::Какова роль сознания психики в жизнедеятельности организмовУ истоков европейского функционализма стоял австрийский психолог Франц Брентано 18381917. Главной для новой психологии он считал проблему сознания. Для обозначения этого признака сознания Брентано предложил термин интенция.
28142.		Американский функционализм	24 KB
	Не требует особых комментариев положение о том насколько существен для научной теории этот аспект анализа реальной работы производимой как внутри состава собственно психического акта так и в процессе его организующего воздействия на приспособление организма к среде и на активное преобразование последней. Стимул перестает быть независимым по отношению к организму и его реакции Объект становится производным от акта или функции. Дьюи выступал с резкой критикой детерминистической концепции рефлекторного акта в которой объект действия не...
28143.		Методы психологии труда	173.5 KB
	ПТ пытается решить две основных макрозадачи: 1 повышение производительности и эффективности трудовой деятельности 2 гуманизация трудовой деятельности содействие развитию личности в ней. как регуляторов трудовой деятельности и их развития в деятельности. Изучение основных психических свойств субъекта трудовой деятельности и ее эффективности. Изучение проблемы мотивации трудовой деятельности.

Предлагаем заказать в нашем интернет магазине популярные стабилизирующие устройства с энергосберегающим режимом управления и полностью автоматической системой устранения внештатных ситуаций в электрической сети. Главными предусмотренными у данных марок Энергия и Вольтрон задачами является: безотказная защита от короткого замыкания, высокоскоростное выравнивание повышенного и пониженного электропитания в бытовых, а также промышленных потребительских сетях и решение проблем связанных с непредсказуемыми кратковременными перегрузками. Официальный производитель российского рекомендуемого оборудования для электросети 220В, 380В - компания «ЭТК Энергия». Точность стабилизации у некоторых бытовых линеек составляет всего ±3% и ±5%, благодаря чему они идеально будут работать даже с медицинскими высокоточными приборами. Купить стабилизатор напряжения с защитой от КЗ можно в Москве, Санкт-Петербурге и области. Многие предлагаемые к покупке отечественные однофазные и трёхфазные марки Энергия и Voltron отлично подходят для простой и высокочувствительной современной электротехники ещё и потому, что располагают плавной автоматической регулировкой опасных на входе скачков и просадок. Лучшими электроприборами российского производства на данный момент времени считаются новые усовершенствованные модели с чистой синусоидальной формой сигнала, а именно: Энергия Гибрид, Classic и Ultra. Также стоит отметить, что в процессе функционирования этих линеек совершенно отсутствует мерцание лампочек. Универсальный корпус автоматических аппаратов Энергия Классик, Ультра, Гибрид U и Voltron РСН предусматривает кроме напольной стандартной эксплуатации и компактную настенную установку.

Однофазные и трёхфазные стабилизаторы напряжения с защитой от КЗ широко представленные у нас на сайте на сегодня пользуются огромным покупательским спросом для высокоэффективной и долговечной защиты различной отдельной маломощной техники и всего дома, квартиры, офиса, загородной дачи, учебных, развлекательных и медицинских учреждений, промышленных и других объектов, где часто возникают проблемы в 1-фазной или 3-фазной сети. Модельный ряд состоит из аппаратов среднего и премиум класса с максимальными предусмотренными производителем мощностями на 1, 2, 3, 5, 8, 10, 15, 20 и 30 кВт (кВа). Поэтому у нас вы сможете выбрать подобное электрооборудование даже для безопасности самого большого коттеджа или производственного помещения с большим количеством используемых потребителей. Купить стабилизатор напряжения с защитой от КЗ в Москве, СПБ вы можете у нас по доступной цене. По типу выравнивания некачественного электроснабжения в бытовой электросети имеются релейные, электронные (тиристорные) и электромеханические российские сетевые приборы. Почти все серии обладают высокими техническими характеристиками и дополнительно оснащены системой самодиагностики для тщательного отслеживания состояния электроснабжения на входе и выходе. Для непрерывного применения в условиях отрицательных внешних температур (до -20, -30 градусов Цельсия) окружающей среды есть специальные морозостойкие модели. Следить за важными параметрами в сети позволяет цифровой дисплей. У нас вы сможете подобрать качественное и очень надёжное малошумное и абсолютно бесшумное сетевое оборудование с многоуровневой защитой от аварийных сбоев. Гарантия 1-3 года. Заявленный производителем срок назначенной работы на большинство наших сертифицированных электроприборов составляет не менее 10 лет. Все устройства могут использоваться круглосуточно.

52 →

Раздел 6 Стабилизаторы постоянного напряжения общего назначения

Схемы стабилизаторов напряжения с защитой от КЗ

Схемы двух простых и надежных стабилизаторов напряжения с защитой от короткого замыкания, способных обеспечить постельное и отрицательное напряжение на выходе, показаны на рис. 6.23 и 6.24.

Рис. 6.23. Схема стабилизатора положительного напряжения с защитой от короткого замыкания

Рис. 6.24. Схема стабилизатора отрицательного напряжения с защитой от короткого замыкания

Коэффициент стабилизации устройств — около 125. Выходное сопротивление — не более 0,035 Ом. В первоисточнике для схемы на рис. 6.23 использованы элементы: транзистор VT1 — П214, VT2 — МП38А, VD1 — Д814В, VD2 — Д7Ж, С1=С2=500 мкФ. Во второй схеме (рис . 6.24) использованы транзисторы: VT1 — П702, VT2 — МП40. В качестве современных аналогов полупроводниковых элементов этих схем можно применять не только германиевые, но и кремниевые транзисторы соответствующей структуры. Например, для первой схемы допустимо использование транзисторов типа КТ837 и КТ315 соответственно стабилитрона КС133 — КС191, диода КД102. Для второй — КТ805 и КТ361, соответственно.

Ток, при котором срабатывает защита, составляет 1,1 А. величина устанавливается подбором резистора R2 и диода VD2.

Наиболее часто применяются стабилизаторы последовательного типа. Более редко используют стабилизаторы, в которых нагрузка включается параллельно регулирующему (управляемому ) элементу. Это обусловлено, главным образом, тем, что КПД, стабилизаторов параллельного типа невысок. Преимуществом таких стабилизаторов является то, что короткие замыкания в нагрузке для них не опасны. Кроме того, ток, потребляемый устройством от источника питания, при изменении сопротивления нагрузки изменяется незначительно.

В данной статье будет рассмотрена схема простого, но эффективного стабилизатора напряжения с защитой от короткого замыкания на выходе. Основой стабилизатора служит интегральный стабилизатор К157ХП2, в качестве управляющего транзистора используется n-p-n транзистор КТ808А. Схема стабилизатора представлена на рисунке 1.

Для начала рассмотрим внутреннюю структуру микросхемы К157ХП2. Ее схема представлена на рисунке 2.

Помимо собственно самого стабилизатора микросхема имеет еще две отдельных транзисторных структуры, это транзисторы VT29 и VT30. Их, в параллельном включении, мы и будем использовать, как предварительный каскад усиления для управляющего транзистора VT1 КТ808А. Микросхема имеет функцию плавного включения стабилизатора. Время нарастания выходного напряжения зависит от емкости конденсатора С5 рисунок 1, подключенного к выводу 8 DA1. Наличие плавного нарастания напряжения позволяет намного уменьшить амплитуду импульса тока заряда при работе стабилизатора на емкостную нагрузку. Микросхема имеет внутреннюю защиту от превышения тока нагрузки. Датчиком тока в этом случае является резистор R12. Порог ограничения равен 200мА. И еще одна очень полезная опция у данной микросхемы, это – Вкл\Выкл. Если на вывод 9 DA1 подать напряжение более двух вольт, то стабилизатор включится, если убрать напряжение, то стабилизатор выключится практически полностью. Выходное напряжение закрытого стабилизатора составляет лишь несколько десятков милливольт.

Еще один плюс, это тепловая защита. Защита кристалла от перегрева осуществляется транзистором VT18, на базу которого подана часть образцового напряжения, недостаточная для его открывания при нормальной температуре. При повышении температуры кристалла до +165...180°С транзистор VT18 открывается и шунтирует базовую цепь транзистора VT22.

Работа схемы стабилизатора

При подаче напряжения на схему стабилизатора, это напряжение попадает на коллектора транзисторов VT1, рисунок 1, VT29 и VT30 выводы 12 и 3 микросхемы DA1. Так же это напряжение подается на конденсатор С4, который находится в цепи запуска схемы стабилизатора. В момент подачи напряжения на схему ток заряда этого конденсатора включает стабилизатор микросхемы. На выходе стабилизатора микросхемы, вывод 11, появляется открывающее напряжение, которое через ограничивающий резистор R3 подается на базы транзисторов VT29 и VT30 микросхемы DA1. С эмиттеров, вывод 1 DA1, этих транзисторов сигнал подается на базу мощного транзистора VT1 рисунок 1. Напряжение появится на выходе полной схемы стабилизатора. Часть этого напряжения через резистор R3, величиной более 2В поступит на вывод 9 DA1- On/Off. Теперь уже стабилизатор во включенном состоянии будет удерживаться не током заряда конденсатора С4, а током протекающим через резистор обратной связи R3. Исходя из выше сказанного, становиться понятно, как работает схемы защиты стабилизатора от режима короткого замыкания. При замыкании выходных клемм стабилизатора, верхний вывод резистора R3 оказывается замкнутым на общий провод устройства, напряжение на выводе 9 DA1 пропадает, стабилизатор выключается. Вернуть схему в рабочее состояние можно будет отключением и повторным включением стабилизатора. Можно поставить кнопку «Перезапуск» параллельно конденсатору запуска С4.

Регулировка выходного напряжения осуществляется при помощи переменного резистора R4. Минимальное выходное напряжение стабилизатора равно напряжению внутреннего ИОН и соответствует 1,3 В. Максимальное напряжение зависит естественно от величины входного, но не более 40 вольт, падения напряжения на схеме стабилизатора и величины резистора R5. Если вам не нужно ограничение выходного напряжения, то этот резистор из схемы можно исключить.

Детали и конструкция

В качестве мощного управляющего транзистора VT1 использован транзистор n-p-n структуры КТ808А

Его можно заменить любыми подходящими транзисторами КТ819, КТ827, КТ829, импортными транзисторами из серии ТИР и т.д. и т.п. Конденсатор фильтра С3 лучше использовать танталовый, типа ЭТО, но за неимением можно поставить и обычный электролит. Конденсатор С1 любой. Он стоит параллельно входным клеммам схемы, но физически он должен находиться непосредственно у микросхемы DA1. Как и конденсатор С2, по схеме он стоит параллельно выходу, но так же должен находиться рядом с микросхемой. Усилитель ошибки данной микросхемы имеет большой коэффициент усиления, чем больше Кус, тем больше склонность к возбуждению. Поэтому, как вы выполните монтаж стабилизатора, зависит устойчивость его работы. В конечном счете, от этого зависит надежность работы тех устройств, которые будут питаться от этого стабилизатора.

Внешний вид экспериментального модуля стабилизатора показан на фото 1.

На фото показана экспериментальная плата, но вы, когда будете делать свою, то обязательно придерживайтесь показанной компоновки. Резистор R1 можно расположить на плате, а можно припаять прямо к выводам транзистора VT1. Что бы уменьшить выходное сопротивление стабилизатора, верхний и нижний выводы регулирующей цепочки R4 и R5 необходимо подключать к выходным клемма устройства, чтобы исключить влияние падения напряжения на монтажных проводах, да и о сечении проводов для соответствующего тока нагрузки не забывайте.

Успехов, удачи. К.В.Ю.

Скачать статью.

В настоящее время в электронике широко применяются стабилизационные устройства, выполненные на микросхемах. Интегральный стабилизатор напряжения - устройство, в котором все входящие в конструкцию элементы скомпонованы на кремниевом кристалле таким путём, что последовательность этих соединений и компонентов представляет из себя схему стабилизатора.

Такие стабилизаторы можно встретить в разных видах электронной аппаратуры: в усилителях, в питающих блоках телевизоров, телефонов, аудиосистем.

Виды стабилизаторов

Широко примененяются в электронике два типа интегральных стабилизаторов:

полупроводниковый (твердотельный);
гибридно-плёночный (с элементами изготовленными из плёнок).

Полупроводниковые стабилизаторы, в свою очередь, подразделяются ещё на несколько групп:

имеющие регулируемое напряжение на выходе — требуют подключения дополнительных элементов;
обладающие фиксированным напряжением, подаваемым на выход – являются готовым к эксплуатации изделием, не требующим необходимости дополнительных включений в схему;
двуполярные – используются для приборов, требующих двуполярного напряжения на выходе.

Характеристики

Типовая схема интегрального стабилизатора состоит из следующих элементов:

источника опорного напряжения;
усилителя ошибки;
включённых между источником и нагрузкой элементов регулировки;
схему выключения устройства при подачи сигнала извне;
транзистора для защиты от короткого замыкания или перегрузки.

Интегральные микросхемы стабилизаторов представляют собой функционально завершённые устройства и имеют всего три внешних вывода: входной, выходной и заземление. Данные микросхемы производятся для фиксированных значений напряжения от 5 до 24 В и нагрузки до 1 А.

Стабилизационные устройства на ИМС обеспечиваются встроенными схемами, ограничивающими выходной ток, а также схемой защиты от перегрузок по температуре.

Значение ИОН в схеме стабилизатора

Источник опорного напряжения является одним из ключевых элементов, поскольку выполняет задачу поддержания стабильного напряжения номинального значения на выходе при меняющихся значениях напряжения на входе. Простейшим вариантом этого источника является параметрический стабилизатор на стабилитроне. С их помощью можно получить напряжение от 2,5 В.

При необходимости получить меньшие значения опорного напряжения используются последовательные включения кремниевых диодов.

Также интегральные стабилизаторы могут использовать в качестве источника напряжение
эмиттерного перехода биполярных транзисторов.

Плюсы и минусы

К достоинствам интегральных линейных стабилизаторов напряжения можно отнести:

высокий стабилизирующий коэффициэнт;
высокий коэффициэнт сглаживания значения напряжения на нагрузке;
низкое значение выходного сопротивление;
не производят собственных помех.

Однако коэффициэнт полезного действия таких стабилизаторов невысок и снижается при малых значениях выходных напряжений. Увеличение КПД возможно за счёт прибавки размеров и габаритов устройства, что не всегда является удобным и выгодным вариантом.

Стабилизатор напряжения 12 Вольт

В ситуациях, когда использование полноценного блока питания на 12 Вольт бессмысленно, гораздо проще понизить основное напряжение схемы локально в какой-то её части, используется интегральный стабилизатор напряжения 12 Вольт. Такие стабилизаторы производятся на основе отечественной серии КР142ЕН или популярных микросхемах линейки 78ХХ.

Такие стабилизаторы обеспечены защитами по току и перегреву, что делает блоки питания с их использованием практически неуязвимыми. Данные свойства делают стабилизатор полезным для целого ряда электронных устройств:

бытовые электроприборы;
измерительная, лабораторная техника;
радиоэлектроника и пр.

Стабилизатор обладает такими характеристиками, как наличие внутренней системы терморегуляции, схемы защиты выходного транзистора, самозащита от импульсов коротких замыканий. Ток прибора на выходе равняется 1 А – 1,5 А, наибольшее значение напряжения 30 — 35 В.

Стабилизатор 12 В 5 А

Интегральный стабилизатор напряжения 12 Вольт 5 Ампер может основываться на микросхеме LM 338 и обладать следующими характеристиками:

входное напряжение – от 3 до 35 Вольт;
напряжение на выходе – от 1,2 до 32 Вольт;
выходной ток – 5 Ампер;
допустимый температурный режим – от 0 до 125 градусов Цельсия;
погрешность напряжения на выходе не более 0,1 %.

Такой интегральный стабилизатор импортного производства является универсальной микросхемой, на основе которой можно получить цепи питания высокого качества путём её подключения различными способами.

Зарубежные интегральные стабилизаторы

Известная линейка 78ХХ компенсационных стабилизационных устройств положительного напряжения была успешно создана специалистами фирмы Texas Instruments. Данные стабилизаторы обеспечены защитой по токам КЗ, от превышения рабочего температурного режима кристалла, а также от перехода рабочей точки за границы допустимого для безопасности работы режима.

Помимо стабилизаторов фиксированного напряжения, за рубежом также производятся регулируемые модификации интегральных стабилизационных устройств. Яркими представителями таких устройств считается линейка микросхем «317». Подаваемое на выход напряжение у этих микросхем определяет делитель на двух резисторах.

Важные моменты

Используя интегральные стабилизаторы напряжения импортные, стоит учитывать некоторые особенности:

на вход и выход устройства следует подключать конденсатор с ёмкостью 47 — 220 нФ для предупреждения самовозбуждения;
при большой ёмкости подключенного на выход конденсатора и малом токе нагрузки между входом и выходом должен быть включен диод. Это обеспечит быстрое уменьшение выходного напряжения до значения входного;
для стабильной работы устройства значение входного напряжения должно быть выбрано выше выходного как минимум на 3В;
устройства линейки «law-drop», характеризующиеся небольшим перепадом напряжений от входа до выхода, для устойчивой стабилизации должны быть обеспечены входным напряжением, которое превышает выходное на 0,1 – 0,5 В.

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать