Защита стабилизатора от короткого замыкания
В транзисторных стабилизаторах наиболее часто применяются три вида защиты: от повышения выходного напряжения, от понижения выходного напряжения, от перегрузки по току или короткого замыкания в нагрузке.
Защита от перегрузки по току в стабилизаторах может быть выполнена с ограничением на постоянном уровне IК.З. превышающем значение IНОМ или же с резким уменьшением тока потребления до IК.З.0 в режиме короткого замыкания. В первом случае режим перегрузки по току характеризуется большей мощностью, выделяемой на регулирующем транзисторе. Поэтому в таких случаях обычно выключают напряжение питания на входе стабилизатора. Во втором случае рассеиваемая мощность на транзисторе при коротком замыкании значительно меньше мощности при номинальном токе нагрузки. Поэтому выключение питания в такой схеме не обязательно.
У традиционных транзисторных стабилизаторов нередко ненадежна защита от перегрузки. Безынерционные системы защиты ложно срабатывают даже от кратковременных перегрузок при подключении емкостной нагрузки. Инерционные же средства защиты не успевают сработать при сильном импульсе тока, например, при коротком замыкании приводящем к пробою транзисторов, Устройства с ограничителем выходного тока — безынерционны в них отсутствует триггерный эффект, но при коротком замыкании на регулирующем транзисторе рассеивается большая мощности что требует применения соответствующего теплоотвода.
Единственный выход при такой ситуации — одновременное применение средств ограничения выходного тока и инерционной защиты регулирующего транзистора от перегрузку что обеспечит ему в два-три раза меньшую мощность и габариты теплоотвода. Но это приводит к увеличению числа элементов, габаритов конструкции и усложняет повторяемость устройства в любительских условиях.
Принципиальная схема стабилизатора, число элементов в котором минимально, приведена на рис. 1. Источником образцового напряжения служит термостабилизированный стабилитрон VD1.
Для исключения влияния входного напряжения стабилизатора на режим стабилитрона его ток задается генератором стабильного тока (ГСТ), построенным на полевом транзисторе VT1. Термостабилизация и стабилизация тока стабилитрона повышают коэффициент стабилизации выходного напряжения.
Образцовое напряжение поступает на левый (по схеме) вход дифференциального усилителя на транзисторах VT2.2 и VT2.3 микросборки К125НТ1 и резисторе R7, где сравнивается с напряжением обратной связи, снимаемым с делителя выходного напряжения R8R9. Разность напряжений на входах дифференциального усилителя изменяет баланс коллекторных токов его транзисторов.
Регулирующий транзистор VT4, управляемый коллекторным током транзистора VT2.2, обладает большим коэффициентом передачи тока базы. Это увеличивает глубину ООС и повышает коэффициент стабилизации устройства, а также уменьшает мощность, рассеиваемую транзисторами дифференциального усилителя.
Рассмотрим работу устройства более подробно.
Допустим, что в установившемся режиме при увеличении тока нагрузки выходное напряжение несколько уменьшится, что вызовет и уменьшение напряжения на эмиттерном переходе транзистора VT3.2. При этом ток коллектора также уменьшится. Это приведет к увеличению тока транзистора VT2.2, поскольку сумма выходных токов транзисторов дифференциального усилителя равна току, текущему через резистор R7, и практически не зависит от режима работы его транзисторов.
В свою очередь, растущий ток транзистора VT2.2 вызывает увеличение тока коллектора регулирующего транзистора VT4, пропорциональное его коэффициенту передачи тока базы, повышая выходное напряжение до первоначального уровня и позволяет поддерживать его неизменным независимо от тока нагрузки.
Для кратковременной защиты устройства с возвратом его в исходное состояние введен ограничитель тока коллектора регулирующего транзистора, выполненный на транзисторе VT3 и резисторах R1, R2.
РезисторП1 выполняет функцию датчика тока, протекающего через регулирующий транзистор VT4. В случае превышения тока этого транзистора максимального значения (около 0,5 А) падение напряжения на резисторе R1 достигнет 0,6 В, т е. порогового напряжения открывания транзистора VT3, Открываясь, он шунтирует эмиттерный переход регулирующего транзистора, тем самым ограничивая его ток примерно до 0,5 А.
Таким образом, при кратковременных превышениях током нагрузки максимального значения транзисторы VT3 и VT4 работают в режиме ГСТ, что вызывает падение выходного напряжения без срабатывания защиты от перегрузки по току. Через некоторое время, пропорциональное постоянной времени цепи R5C1, это приводит к открыванию транзистора VT2.1 и дальнейшему открыванию транзистора VT3, закрывающего транзистор VT4. Такое состояние транзисторов устойчивое, поэтому после устранения короткого замыкания или обесточивания нагрузки необходимо Отключить устройство от сети и вновь включить после разрядки конденсатора С1.
Ток короткого замыкания устройства равен нулю, а значит, исключает перегрев регулирующего транзистора при срабатывании защиты. Резистор R3 необходим для надежной работы транзистора VT4 при малых токах и повышенной температуре. Конденсатор С2, шунтирующий выход стабилизатора, предотвращает самовозбуждение устройства, причиной которого может стать глубокая ООС по напряжению.
Резистор R6 в коллекторной цепи транзистора VT2,1 ограничивает ток во время переходных процессов при включении защиты, а светодиод HL1 выполняет функцию индикатора перегрузки.