Эффективная работа некоторых электронных узлов требует от источника их питания не просто стабилизации напряжения, но и наличия защиты от превышения по току. Для реализации этой функции применяется несколько схем, отличающихся определёнными свойствами и параметрами. Широко используются, также, интегральные компоненты и специальные устройства – блоки питания. Последние имеют сравнительно большую стоимость и рассчитаны на невысокую мощность.
В принципе, для осуществления подобных задач можно применить каскад, состоящий из 2-х, реже 3-х транзисторов. Но, при увеличении тока нагрузки схему приходится значительно усложнять, также неминуемо падает КПД. Поэтому для решения определённых схемотехнических задач лучше использовать оптимальный вариант.
Иногда наличие некоторых недостатков каскада стабилизации является несущественным для конкретного применения. В статье представлены описания электронных схем стабилизаторов напряжения с защитой по току на выходе.
Транзисторные каскады стабилизации постоянного напряжения с защитой от перегрузки
У стабилизатора, схема которого изображена на картинке 2, при перегрузке напряжение резко падает (см. график). Чего не скажешь о токе, который может повредить нагрузку, если её мощность не выбрана с запасом. Это касается и транзистора, который находясь длительное время под током более 1 А может выйти из строя.
Однако в некоторых каскадах, где нагрузка имеет нелинейную зависимость тока от напряжения, оправдано применение такого стабилизатора.
Схему может содержать триггерную защиту, образованную диодами VD1, VD2 (см. картинку 3). Когда последний диод закрывается при перегрузке, то VD1, открываясь шунтирует стабилитрон. Это приводит к резкому снижению напряжения на выходе и, практически, к обесточиванию нагрузки.
Кстати, в этой схеме в качестве VD1 можно применить светодиод, который будет служить индикатором состояния перегрузки. Выходное напряжение со стабилизатора, подаваемое на катод светодиода запирает его. А при падении напряжения на выходе в случае КЗ или при перегрузке светодиод зажигается, так как анод через резистор R1 получает больший потенциал, чем катод. Недостатком такой переделки – большое падение напряжения на светодиоде. Которое с приростом напряжения открывания p-n-переходов транзисторов VT1 и VT2 будет присутствовать и на выходе схемы стабилизатора в состоянии блокировки. Для красных led-индикаторов оно может составлять 1,6 – 2,1 В.
Впрочем, иногда можно специально применить светодиод, например белый или синий, с напряжением «стабилизации» 2,5 – 3,7 В. В этом случае при перегрузке, например в исполнительных устройствах, каскад стабилизации будет входить в защиту, выдавая на выходе 3 – 4 В. Это существенно снизит ток в нагрузке, при этом электронная схема, например интегральная логика не будет полностью обесточена. Однако придётся систему непрерывного питания развязать диодами Шоттки, и увеличить ёмкость конденсатора в этой цепи потребления.
Но вот сработать такой триггер может только при падении напряжения на выходе до 1 В. А это, при больших напряжениях стабилизации, потребует от выходного транзистора высокой пиковой габаритной мощности, а от схемы – малой ёмкости электролитических конденсаторов на выходе. При этом, чтобы возвратить такой триггер в исходное состояние, требуется почти полностью обесточить нагрузку. А при большой ёмкости «электролитов» на выходе или в нагрузке – время восстановления может сильно затянуться.
В схеме, изображённой на картинке 4 оба транзистора работают в режиме усилителя напряжения, которое взято с делителя, включенного на выходе стабилизатора. Благодаря преобладанию отрицательной обратной связи происходит эффективная стабилизация выходного напряжения. А ток включения режима блокировки обусловлен по большей части током стабилизации стабилитрона, заданного номиналом резистора R1 (см. картинку 4). Такая схема может быть использована и для питания цепей с большим током нагрузки, применив стабилитрон мощнее и транзисторы с высокими параметрами h₂₁ₑ.
Достоинством этой схемы является ещё и то, что напряжение стабилизации стабилитрона может быть почти на половину ниже требуемого напряжения на выходе. А учитывая то, что в режиме блокировки оба транзистора закрыты – схему можно с успехом применять в каскадах стабилизации напряжения до 20 – 50 В и более. Но, чем меньше напряжение стабилизации стабилитрона в этой схеме, тем больше должен быть номинал резистора R1. При этом режим перехода в состояние блокировки затягивается (см. график на картинке 4 – графики для разных стабилитронов). Поэтому при создании стабилизаторов в десятки вольт, лучше применить стабилитрон с большим напряжением стабилизации или несколько экземпляров.
А вот, если добавить в схему вспомогательный транзистор VT3 (см. картинку 5), то удастся значительно улучшить переход в режим блокировки выходного напряжения. Добавленный транзистор практически не влияет на процесс стабилизации в рабочем режиме. Разве что вносит температурную нестабильность напряжения на выходе стабилизатора.
Всё же, представленные схемы имеют проблему необходимости почти полного отключения нагрузки для выхода из состояния защиты. А при использовании неудачной комбинации экземпляров транзисторов и диодов возможно очень длительное восстановление даже при полном отсутствии тока в нагрузке. Для защиты нагрузки от импульсных перегрузок можно применить схему, в которой транзисторы при достижении определённого тока переходят в колебательный режим (см. картинку 6).
При этом время восстановления определяется, в основном, параметрами цепи R3C2. Для указанных на схеме номиналов конденсатора и резистора период повторения колебаний в режиме защиты составляет 0,1…0,2 секунды.