Схема защиты от короткого замыкания. Несколько защитных устройств блоков питания

Вам уже приходилось строить самоделки с самым разным напряжением питания: 4,5, 9, 12 В. И каждый раз нужно было приобретать соответствующее число батареек или элементов. Но не всегда есть нужные источники питания, да и срок службы их ограничен. Вот почему для домашней лаборатории необходим универсальный источник, пригодный практически для всех случаев радиолюбительской практики. Им может стать описанный ниже блок питания, работающий от сети переменного тока и обеспечивающий любое постоянное напряжение от 0,5 до 12 В. В то время как величина тока, потребляемого от блока, может достигать 0,5 А, выходное напряжение остается стабильным. И еще одно достоинство блока - он не боится коротких замыканий, часто встречающихся на практике во время проверки и налаживания конструкций, что особенно важно для начинающего радиолюбителя.

Схема блока питания приведена на рис. 1 . Сетевое напряжение подается через вилку XI, предохранитель FX и выключатель S1 на первичную обмотку понижающего трансформатора T1. Переменное напряжение со вторичной обмотки поступает на выпрямитель, собранный на диодах VI - V4. На выходе выпрямителя будет уже постоянное напряжение, оно сглаживается конденсатором С1.

Далее следует стабилизатор напряжения, в который входят резисторы R2- R5, транзисторы V8, V9 и стабилитрон V7. Переменным резистором R3 можно устанавливать на выходе блока (в гнездах Х2 и ХЗ) любое напряжение от 0,5 до 12 В.

Защита от короткого замыкания реализована на транзисторе V6. Как только короткое в нагрузке пропадет - на выходе снова появится напряжение установленное ранее без каких-либо перезапусков.

На вторичной обмотке понижающего трансформатора 13 – 17 вольт.

Диоды могут быть любые из серии Д226 (например, Д226В, Д226Д и т.д.)- Конденсатор С1 типа К50-16. Постоянные резисторы - МЛТ, переменный - СП-1. Вместо стабилитрона Д814Д можно применить Д813. Транзисторы V6, V8 можно взять типа МП39Б, МП41, МП41А, МП42Б с возможно большим коэффициентом передачи тока. Транзистор V9 - П213, П216, П217 с любым буквенным индексом. Подойдут и П201 - П203. Транзистор нужно установить на радиатор.

Остальные детали - выключатель, предохранитель, вилка и гнезда - любой конструкции.

Как обычно, после окончания монтажа сначала проверьте правильность всех соединений, а затем вооружитесь вольтметром и приступайте к проверке блока питания. Вставив вилку блока в сетевую розетку и подав питание выключателем S1, сразу же проверьте напряжение на конденсаторе С1- оно должно быть 15-19 В. Затем установите движок переменного резистора R3 в верхнее по схеме положение и измерьте напряжение на гнездах Х2 и ХЗ- оно должно быть около 12 В. Если напряжение намного меньше, проверьте работу стабилитрона - подключите вольтметр к его выводам и измерьте напряжение. В этих точках напряжение должно быть около 12 В. Его значение может быть значительно меньше из-за использования стабилитрона с другим буквенным индексом (например, Д814А), а также при неправильном включении выводов транзистора V6 или его неисправности. Чтобы исключить влияние этого транзистора, отпаяйте вывод его коллектора от анода стабилитрона и вновь измерьте напряжение на стабилитроне. Если и в этом случае напряжение мало, проверьте резистор R2 на соответствие его номинала заданному (360 Ом). Когда добьетесь на выходе блока питания нужного напряжения (примерно 12 В), попробуйте перемещать движок резистора вниз по схеме. Выходное напряжение блока должно плавно уменьшаться почти до нуля.
Теперь проверьте работу блока под нагрузкой. Подключите к гнездам зажимам резистор сопротивлением 40-50 Ом и мощностью не менее 5 Вт. Его можно составить, например, из четырех параллельно соединенных резисторов МЛТ-2,0 (мощностью 2 Вт) сопротивлением по 160-200 Ом. Параллельно резистору включите вольтметр и установите движок переменного резистора R3 в верхнее по схеме положение. Стрелка вольтметра должна показать напряжение не ниже 11 В. Если напряжение падает сильнее, попробуйте уменьшить сопротивление резистора R2 (установите вместо него резистор сопротивлением 330 или 300 Ом).

Настудило время проверить действие автомата защиты. Понадобится амперметр на 1-2 А, но вполне можно воспользоваться и тестером типа Ц20, включенным на измерение постоянного тока до 750 мА. Сначала установите переменным резистором блока питания выходное напряжение 5-6 В, а затем подключите щупы амперметра к выходным гнездам блока: минусовый щуп к гнезду Х2, плюсовый - к гнезду ХЗ. В первый момент стрелка амперметра должна отклониться скачком на конечное деление шкалы, а затем возвратиться на нулевую отметку. Если это так, автомат работает исправно.

Максимальное выходное напряжение блока определяется только напряжением стабилизации стабилитрона. А оно для указанного на схеме Д814Д (Д813) может быть от 11,5 до 14 В. Поэтому при необходимости несколько поднять максимальное напряжение подберите стабилитрон с нужным напряжением стабилизации или замените его другим, например Д815Е (с напряжением стабилизации 15 В). Но в этом случае придется изменить резистор R2 (уменьшить его сопротивление) и использовать трансформатор, с которым выпрямленное напряжение будет не менее 17 В при нагрузке 0,5 А (измеряется на выводах конденсатора).

Заключительный этап - градуировка шкалы переменного резистора, которую вы заранее должны наклеить на лицевую панель корпуса. Понадобится, конечно, вольтметр постоянного тока. Контролируя выходное напряжение блока, устанавливайте движок переменного резистора в разные положения и отмечайте на шкале значение напряжения для каждого из них.

Регулируемый блок питания с защитой от КЗ на транзисторе КТ805.

На рисунке ниже представлена схема несложного стабилизированного источника питания. Он содержит понижающий трансформатор (Т1), мостовой выпрямитель (VD1 – VD4), конденсаторный фильтр (C1) и полупроводниковый стабилизатор напряжения. Схема стабилизатора напряжения позволяет плавно регулировать выходное напряжение в пределах от 0 до 12 вольт и защищена от коротких замыканий на выходе (VT1). Для питания низковольтного паяльника, а также для экспериментов с переменным электрическим током предусмотрена дополнительная обмотка трансформатора. Имеется индикация постоянного напряжения (светодиод HL2) и переменного (светодиод HL1). Для включения всего устройства используется тумблер SA1, а паяльника - SA2. Нагрузку отключает SA3. Для защиты цепей переменного тока от перегрузок предусмотрены предохранители FU1 и FU2. На ручке регулятора выходного напряжения (потенциометр R4) нанесены значения выходных напряжений. При желании можно на выходе стабилизатора установить стрелочный вольтметр или собрать вольтметр с цифровой индикацией.

На рисунке ниже показан фрагмент схемы модифицированного стабилизатора с индикацией короткого замыкания в нагрузке. В нормальном режиме светится зеленый светодиод, при замыкании нагрузки - красный.

Реализовать схему защиты не сложно, тем более что она очень важна для защиты всех своих устройств от короткого замыкания и перегрузки. Если в приборе по каким-либо причинам случается короткое замыкание это может привести к непоправимым последствиям для него. Чтобы защитить вас от лишних затрат, а прибор от выгорания, достаточно сделать небольшую доработку, по нижеприведенной схеме.

Важно отметить что вся схема построена на комплементарной паре транзисторов. Для понимания расшифруем смысл фразы. Комплементарной парой называют транзисторы с одинаковыми параметрами, но разными направлениями p-n переходов.

Т.е. все параметры напряжения, тока, мощности и прочие у транзисторов абсолютно одинаковые. Отличие лишь проявляется в типе транзистора p-n-p или n-p-n. Также приведем примеры комплементарных пар, чтобы облегчить вам покупку. Из российской номенклатуры: КТ361/КТ315, КТ3107/КТ3102, КТ814/КТ815, КТ816/КТ817, КТ818/КТ819. В качестве импортных прекрасно подойдут BD139/BD140. Реле надо выбирать на рабочее напряжение не менее 12 В, 10-20 А.

Принцип действия:

При превышении определенного порога (порог устанавливается переменным резистором, опытным путем) замыкаются ключи комплементарной пары транзисторов. Напряжение на выходе прибора пропадает и загорается светодиод, свидетельствующий о срабатывании защитной системы прибора.

Кнопка между транзистора, позволяет осуществить сброс защиты (в стационарном состоянии замкнута, т.е. работает на размыкание). Сбросить защиту можно и другим путем, просто выключить и включить блок. Защита актуальна для источников питания или аккумуляторных зарядок.

При настройке всевозможных радиоэлектронных устройств зачастую бывает, необходим блок питания, в котором реализована функция плавной регулировки, как выходного напряжения, так и значения тока по перегрузке.

Защита блока питания от перегрузки

В большинстве простых блоков, реализована защита блока питания от перегрузки только по превышению максимального тока нагрузки. Подобная электронная защита, главным образом, предназначается для самого блока питания, а не для подключенной к нему нагрузки.

Для надежного функционирования, как блока питания, так и подсоединенного к нему электронного устройства, желательно иметь возможность изменения порога срабатывания защиты по току в больших пределах, причем при срабатывании защиты подключенная нагрузка должна быть обесточена.

Приведенная в данной статье схема является еще одним вариантом , позволяющая производить плавную регулировку всех перечисленных выше параметров.

Описание работы регулируемого блока питания

(DA1.1) построен регулируемый стабилизатор напряжения. С вывода R2 на его прямой вход (вывод 3) идет опорное напряжение, величина которого устанавливается стабилитроном VD1, а на инверсный вход (вывод 2) поступает потенциал ООС с эмиттера транзистора VT1 через резисторный делитель напряжения R10 и R7.

Отрицательно обратная связь создает баланс напряжений на обоих входах ОУ LM358, возмещая воздействие дестабилизирующих причин. Путем вращения ручки потенциометра R2 осуществляется изменение выходного напряжения блока питания.

Блок защиты от перегрузки по току построен на втором операционном усилителе DA1.2, входящем в состав микросхемы LM358 , который используется в данной схеме в качестве компаратора. На его прямой вход через сопротивление R14 идет напряжение с датчика тока нагрузки (сопротивление R13), а на инверсный вход поступает опорное напряжение, постоянство которого обеспечивает диод VD2.

До тех пор пока падение напряжения, формируемое током нагрузки на сопротивлении R13, ниже опорного, потенциал на выходе 7 операционного усилителя DA1.2 практически равен нулю. В том случае, если ток нагрузки превзойдет допустимый, потенциал на выходе DA1.2 возрастет до напряжения питания. В результате этого через сопротивление R9 пойдет ток, который откроет транзистор VT2 и зажжет светодиод HL1. Диод VD3 начинает пропускать ток и сквозь сопротивление R11 шунтирует электрическую цепь ПОС. Транзистор VT2 подсоединяет сопротивление R12 параллельно стабилитрону VD1, и как следствие этого напряжение на выходе блока питания снижается фактически до нуля из-за закрытия транзистора VT1.

Заново подключить нагрузку возможно непродолжительным выключением сетевого питания или путем нажатия на кнопку SA1. Для защиты транзистора VT1 от обратного напряжения, идущего с емкости С5, которое возникает при отсоединении нагрузки от блока питания, в схему добавлен диод VD4.

Детали блока питания

Транзистор VT2 возможно поменять на . Транзистор VT1 можно заменить на произвольный из серий КТ827, КТ829. Диоды VD2 — VD4 возможно применить КД522Б. Сопротивление R13 возможно собрать из трех впараллель соединенных резисторов МЛТ-1 сопротивлением по 1 Ом каждый. Стабилитрон VD1 любой с напряжением стабилизации 7…8 вольт и током от 3 до 8 мА. Емкости СЗ, С4 произвольные пленочные или керамические. Электролитические конденсаторы: С1 — К50-18 или аналогичный зарубежный, другие — марки К50-35. Кнопка SA1 без фиксации.

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.

Комментарии
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.

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 « ». 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.

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.

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.