Защита стабилизатора от КЗ и превышения нагрузки

[alexey-b]

Сейчас по радио и телевидению можно слышать призыв: Делиться нужно!. Я внял ему и, в связи с возрастом, решил поделиться тем, что лет 15 назад предназначалось для патентования. Вашему вниманию предлагается вариант защиты стабилизаторов напряжения (ЗСН) от КЗ и превышения нагрузки больше заданной величины. Схема ЗСН и ее присоединение к простому стабилизатору показаны ниже. Идея такой защиты возникла в связи с тем, что в прежние времена для получения наибольшего КПД стремились применять выходные транзисторы (VT4) германиевой структуры типа П210, П217, ГТ806 но тогда появлялась следующая проблема: при включении стабилизатора на холостом ходу (при R10 = 1к) на его выходе устанавливалось какое-то напряжение Uхх, затем стабилизатор прогружался на большей нагрузке (допустим R10 ‹ 100 Ом), после чего нагрузка возвращалась к R10 = 1к и Uхх изменяло свое значение на большее, чем было первоначальное. Получалось так, что какова бы не была по эффективности схема управления VT4, коэффициент стабилизации оказывался все равно невысоким. Было очевидно, что транзистор VT4 плывет по теплу. Тогда в журнале радио появилось несколько статей, где предлагалось для запирания транзистора VT4, в этом случае, вводить в его эмиттерную цепь диод. Практический результат превзошел все ожидания: возврат к исходному значению напряжения на выходе стабилизатора оказался близок к абсолютному. Тогда у меня возник вопрос: а нельзя ли использовать наклон ВАХ диода для снятия сигнала перегрузки по току на выходе стабилизатора. Оказалось, что диапазон Uпр. диодов при всех необходимых значениях токов нагрузки очень подходит к рабочим параметрам туннельного диода АИ101Б (АИ101Б). Внизу, в схеме простого стабилизатора, показан вариант такой реализации защиты на туннельном диоде.
Если кто-то полагает, что у кремневых транзисторов этой проблемы нет, то он, как потом мне довелось выяснить, ошибается. Есть! Но в существенно меньшей мере, что всё же делает такое включение диода по возможности желательным, а для того, чтобы оценить снижение КПД при этом, сообщаю, что при 10А Iпр. через диод КД213А падение напряжения на нем (Uпр.) составляет 1V, для КД213Б – 1,2V.
Предлагаемая схема ЗСН имеет ряд особенностей, которые пригодны или непригодны для использования в целях, которым конкретный стабилизатор предназначается. Исходно у данной ЗСН имеется 3 варианта установки (настройки) защиты в зависимости от соотношений резисторов R7 и R8: приближенно полная компенсация, недокомпенсация, перекомпенсация. Суть этого дела состоит в том, что ТКН диодов отрицательный, т.е. при повышении температуры их кристалла Uпр. уменьшается. Таким образом имеется противоречие: с одной стороны при нарастании Iпр. Uпр. увеличивается, с другой,- инерционно наблюдается некоторое снижение Uпр из-за отрицательного ТКН диода. С помощью соотношений между резисторами R7 и R8 можно получить 3 указанных режима настройки защиты. Крайний вариант режима недокомпенсации обеспечивается отсутствием R7. Этот режим плох тем, что первоначальная настройка Uпр.вкл. для заданного тока Iпр.зад., при повторном получении значения Iпр.зад срабатывание не происходит, а срабатывание получается тогда при большем значении Iпр ( Но срабатывание при КЗ все равно происходит всегда и однозначно). Так получается из-за отрицательного ТКН диода; изначально диод был холодный и при первоначальном достижении тока до Iпр.зад. значение Uпр.вкл. оказывалось больше, чем при повторном получении тока Iпр.зад. на уже прогретом диоде. Самым интересным и полезным режимом настройки является режим компенсации, когда температурные изменения ВАХ VD2 + ВАХ диода (БЭ VT5) примерно совпадает с температурными изменениями сопротивления R7. Тогда при каждом последующем доведении тока Iпр. до значения Iпр.зад. происходит однозначное срабатывание защиты. В этом режиме можно получать разные качества термокомпенсаций в зависимости от конструктивных термоконтактов R7 с VD2 , VT5 и воздухом. Так, например, применив минимальный по площади радиатор под транзистор VT4, в этом режиме, вы можете быть уверены, что ни при каком повышении температуры окружающей среды этому транзистору не грозит тепловой пробой. Именно в таком варианте ЗСН, возможно даже более 15 лет назад, мною был изготовлен двухполярный стабилизатор с регулировкой выходного напряжения от 7 до 21V при отсечке тока нагрузки в 1,5А во всем диапазоне регулировок, для чего питание схемы ЗСН осуществлялось от отдельной обмотки трансформатора. В этом стабилизаторе ЗСН настраивалась с некоторой перекомпенсацией, поэтому при температурах воздуха близких к 40 град. отсечка тока нагрузки наступает при 1,3V. До сих пор этот стабилизатор служит мне верой и правдой.
При параллельном или последовательном резистивном формировании R7 возможно термоотслеживание всех трех контролируемых объектов (VD2 , VT4, воздух), но это, скорее всего, для серьезных лабораторных стабилизаторов.
В схемах стабилизаторов в принципе возможно нагрузить транзистор VT5 цепью управления тиристором или оптроном (что существенно термостабильнее), но не в показанной схеме, т.к. ток удержания выходов этих элементов в открытом состоянии, скорее всего, окажется ниже регламентируемых значений для этих элементов из-за большой величины R2.

-- Прилагается рисунок: --

[alexey-b]

поправка^
VT1, конечно же, КТ503Г. Прошу прощение.

[soladko]

Итак, первую ошибку вы уже сами в своей схеме нашли....еще будут? А зачем она, собственно, ваша схема? Это уже никого давно не интересует, схемотехника давно уже пошла дальше...Это все равно что вы написали бы, что изобрели способ помещения на граммпластинку в два раза больше музыки....
Ошибка вторая - кс156 если мне не изменяет память на 5,6 Вольт. Тогда нафиг он там нужен? Между базой 825 транзистора и точкой "б" никогда не будет такой разности потенциалов....Чет вы опять нагородили такого, что ни в какую голову не укладывается....

[serg28serg]

Да уж , и не вспомнить уже когда такие схемы юзались...
Я так сейчас юзаю, для случаев когда нагрузка распределенная, типа кабельная сеть несколько сот метров , или несколько километров (для сети датчиков к примеру идут) , то уже собираю схему TL431 в паре с HITFET по схеме истокового (эмиттерного) повторителя , защита от КЗ и перегрева уже встроенная, и гарантированно что ни че не сгорит – поскольку все защиты уже на кристалле FETa.
А до HITFETа какие бы стабы не ставил – все сгорало, толи от КЗ, толи от статики, с HITFET все терпит.

[victorqop]

Для повышения квалификации-да ,для реализации ( по времени),наверно самоубийство.
Спасибо. С уважением. Виктор.

[Faworit]

Добрый день.
Нуууу накинулись, а самим выложить чо-нить, жаба давит? Да и потом, человек пишет что схема старая. За недостатки подобных стабилизаторов, сейчас даже школьники знают и тем ни менее иногда делаю, им кажется что это проще. Алексей, а я тоже лет эдак 15 использовал стабилизатор 3-30в с током мах 10 А. на импульсной схеме. Подарил я его, бо дюже тяжёлый (трансформатор) а вот радиатор на транзисторе стоял маленький и при зарядке акумов прогревался не больше транса. И скажите, кого сейчас этим удивиш? Но тема интересная и я вот хочу предложить свою разработку, неее, не для патента а просто может кому сгодится. Все знакомы с проблемой отключения электричества, а без света сидеть никому не охота. вот моя жена и надоумила сделать преобразователь 12 -›220v. Ну и чо, сварганил по быстрячку. Но те импульсные схемы ( на полевиках IRF1010) выдавали картинку на выходе ужасную, да и насос на котле хоть и работал но почему-то грелся больше. Тогда решил переделать, поставил в плечо три полевика но управлял ими раздельно по следующему алгоритму: 1-й включается на 25% (подбираю резистором в стоке), затем включается 2-й транзистор с резистором на 50%, следом втыкается 1-й транзистор - это уже на 75%(включены 1-й и 2-й) и последним включается третий транзистор, напрямую без резисторов. Выключаются в обратной последовательности. Точно также работает и второе плече. Получается картинка огибающей синусоиды.В управлении работает обычная цифровая логика(хочу переделать на контроллере управление). В качестве резисторов брал нихром толстый и подбирал по длине. Сейчас еще никак руки не дойдут намотать трансформатор с дополнительными обмотками, чтобы транзисторами включать в последовательности 25%, 50%,75%,100%,75%,50%,25%, и т.д. В плече будет 4 полевика и переключение последовательное. Кто захочет повторить, хотелось бы услышать отзывы. Вот пожалуй все, подал идею, и как всегда все просто. удачи всем.
С уважением Геннадий.

[soladko]

Добрый день.
Нуууу накинулись, а самим выложить чо-нить, жаба давит?

Что значит накинулись и жалко выложить? Посмотрите на схему, она с ошибками и работать не будет(если устранить ошибки-будет) Просто так исторически сложилось, что все, что этот человек рисует без доработки напильником в принципе не заработает....А какой-то новичек возьми да и спаяет, а потом будет-ой....! а чего это дымок пошел....Пресекать такое надо, как по мне ------ не знаешь - молчи!

По поводу вашей идеи типа три полевика и обычная логика....Логика "обычная" устарела, да и микросхемы те не надежные. Правильно делать то, что вы хотите это "двусторонний ШИМ моста" из четырех полевиков. Но ваш вариант тоже ничего, если не очень важен кпд, респект, если все это было на скорую руку и заработало. Мощность какая?

[alexey-b]

Видимо, тут необходимы некоторые пояснения к приведенной схеме. У кого-то может сложиться впечатление, что во время КЗ на выходе стабилизатора, сначала должно возникнуть отключение, в результате которого ток через диод прекратится и транзисторы VT1,VT5 закроются, возвращая на короткозамкнутую перемычку полное выходное напряжение. Затем все, как будто, должно повториться. Должен, якобы, наблюдаться циклический генераторный процесс. Но, в этой максимально простой схеме, приведенной лишь для демонстрации идеи, этого не произойдет, если R9 выбрать таким образом, чтобы по короткозамкнутой перемычке, замыкающей выход стабилизатора, протекал небольшой ток, скажем, порядка 10мА. Тогда этого будет достаточно, чтобы туннельный диод VD5 остался в рабочей точке "раствора" (ток удержания VD5 лежит в районе нескольких десятков мкА) и, в этом случае, для транзистора КТ3107(VT5)напряжение Uбэ открывания будет достаточным. Некоторое снижение, при этом, тока коллектора этого транзистора, которым создаётся открывающее падение напряжения на переходе БЭ транзистора VT1, могло бы препятствовать полному открытию этого транзистора, но и этого не происходит из-за стабилизирующего влияния диода VD4. Схема, при правильной настройке, рабочая - отвечаю. Транзисторы VT1 и VT3 правильно показаны n-p-n типа и КТ502Г быть не могут. Вставлял их в схему путем копирования и забыл переправить на КТ503Г, но я нигде не говорил, что обладаю семи пядями во лбу. В журнале Радио существовала специальная рубрика для коррекции ошибок, от которых никто не застрахован и, от которых сама идея никак не страдает. Нужно сказать, что идея эта пригодна не только для стабилизаторов. Такой датчик тока может быть применен, например, и в цепях сетевого питания с мостовым или диодным включением нагрузки в качестве электронных предохранителей даже автоматических выключателей, обладающих как токовой, так и тепловой защитой. Я уже не говорю, что такой датчик может быть интегрирован на кристалле микросхем с максимальной термокомпенсацией. В общем я полагал, что в любом случае, эта идея не уменьшит, а увеличит арсенал возможностей все тех, кто занимается схемотехникой.

[Faworit]

soladko, то шо нарисовал с ошибкой это ведь просто невнимательность, хто этим не страдает бросьте в меня камень (желательно атмейловский).
По поводу транса, марку не помню, какой-то заводской марки ТН, мощность около 200 Вт. не более. Для квартиры (без холодильника), хватало с головой, просаживало напряжение чуть меньше 200 вольт. Что касается простой логики, так ведь вроде и выбросить жалко, а за надежность, это как сказать А вооще это ведь идея и на чем ее реализовать каждый решает самостоятельно. Удачи всем!!!

[soladko]

И все же....от автора нет комментариев по поводу стабилитрона))))