Електронний запобіжник

    Здравствуйте, Євген.

    Висилаю опис і схеми на "Запобіжник".

    Перша схема на звичайних деталях, а друга – спроба виготовити самопальних "мікросхему". Всі пасивні деталі й транзисторна збірка – для поверхневого монтажу.

    Польовий транзистор обточували по мінімуму розміру, а діоди КД226Д "розбиралися", з метою отримати кристал … Вся схема паялась на мідному фланці від непотрібного транзистора КТ819 в металевому корпусі, і заливалася герметиком.

    З повагою, Всеволод.

При ремонті імпульсних блоків живлення, для їхнього захисту доводиться обмежувати струм джерела. В якості обмежувача, зазвичай, використовують або лампу розжарювання, або резистор.

Існують, так само, схеми на транзисторах. Пропонована схема є ще одним подібним пристроєм. Від аналогічних пристроїв вона відрізняється здатністю працювати при високих напругах живлення і способом включення. Схема є двополюсників, а її характеристики потужності визначаються тільки типом використовуваного польового транзистора.


Рис. 1.

Основа схеми (рис. 1) – джерело струму, зібраний на елементах VT2, VT3, R3, R4.

Резистор R3 забезпечує відкривання польового транзистора VT3. Резистор R4 – токозадающій. Коли падіння напруги на ньому перевищить 0.55В відкриється транзистор VT2 і зашунтірует затвор польового транзистора, змушуючи останній закритися. Рівень обмеження струму можна обчислити за формулою: I = 0,55 / R4. При зазначеному на схемі значенні опору резистора R4 (0,39 Ом), струм буде обмежений значенням, приблизно, I = 0.55/0.39 = 1.41А. Тобто, за вказаних значеннях схема буде забезпечувати струм у навантаженні, приблизно, до 1,41 А на навантаженні постійного струму і до 1А (діюче значення) у навантаженні змінного струму. При перевантаженнях або короткому замиканні схема обмежить струм рівнем, приблизно, 1.41А.

Схема джерела струму особливостей не має, але застосування, в якості силового регулюючого елемента, польового транзистора, дозволило збільшити опір резистора R3 до 1МОм. Це зменшило ток управління і збільшило внутрішній опір джерела струму. У результаті, струм управління не перевищує 0.4мА, відповідно, втрати потужності на резисторі R3 не перевищують 0.16Вт при максимальному (для транзистора VT3) значенні напруги живлення 400В. А високе внутрішнє динамічний опір забезпечило високий коефіцієнт стабілізації струму простими засобами. Так як польовий транзистор має, практично, необмежений коефіцієнт посилення по постійному струму, то ніщо не заважає ще більше збільшити опір резистора R3, зменшивши тим самим втрати потужності в ланцюзі управління і збільшивши внутрішній опір джерела струму (коефіцієнт стабілізації струму).

У такого стабілізатора струму на польовому транзисторі є істотний недолік – підвищений падіння напруги на відкритому транзисторі. Це викликано високим пороговим напругою відкривання польового транзистора. Зазвичай, воно лежить в межах 2-4В. До цього напрузі додається падіння на токозадающем резистори – 0.5В. В результаті, при струмах, нижче рівня обмеження, на схемі джерела струму падає, приблизно, до 6В. При постійному струмі 1А на транзисторі буде виділятися потужність до 6Вт, що потребують застосування радіатора. Але, так як цей запобіжник включається короткочасно на час перевірки або налаштування захищається пристрою, то з цим недоліком можна миритися.

При значному зниженні опору навантаження (наприклад, при короткому замиканні в ланцюгах ремонтованого пристрою), струм через неї буде обмежений заданим безпечним рівнем, а напруга буде значно менше напруги харчування. В результаті, падіння напруги на транзисторі VT3 збільшиться. Збільшиться, відповідно, і виділяється на ньому потужність. У межі (при короткому замиканні в навантаженні) більш 300Вт, що не припустимо. Тому, у схему був доданий ще один вузол на елементах VT1, VD1, R1, R2, C1, що перетворює джерело струму в запобіжник.

Рівень спрацювання визначається дільником R1, R2 і напругою стабілізації стабілітрон VD1 рівним, приблизно, 25В. Стабілітрон VD1 забезпечує ключовою режим включення транзистора VT3, а конденсатор С1 – затримку часу спрацьовування, роблячи схему нечутливою до перешкод і кидкам струму при включенні живлення або перешкодах з боку запітивается пристрої (ДБЖ). Від ємності конденсатора залежить час спрацьовування "запобіжника".

Вказана на схемі ємність обрана з умови мінімальної затримки, але в той же час, нечутливості до перешкод. Без конденсатора С1, "запобіжник" не включається при подачі живлення, або спрацьовує мимовільно. При ємності 0,047 мкФ час затримки спрацьовування складає, приблизно, 2мс.

Це, саме, час затримки спрацьовування, а саме спрацьовування – закривання транзистора VT3 відбувається лавиноподібно (за рахунок позитивного зворотного зв'язку через транзистор VT1), і залежить, в основному, від тимчасових характеристик польового транзистора.

Поки напруга на схемі не перевищує 25В, вона працює як джерело струму, в іншому випадку, транзистор VT1 відкривається і шунтується затвор польового транзистора. У результаті, той закривається і навантаження знеструмлюється. Тепер, струм навантаження обмежується тільки резисторами R1, R3 і струмом витоку VT3 і в гіршому випадку не перевищує 1мА. У такому стані схема може перебувати, як завгодно, довго.

При цьому на самій схемі буде розсіюватися потужність не більше 0.4Вт – приблизно, по 0.16Вт на резистора R1 і R3, і не більш 0.1Вт на транзисторі VT3. Це при напрузі живлення 400В, реально ж, при напрузі живлення 220В змінного струму (або 310В постійного), втрати потужності будуть значно менше.

Величина напруги 25В, при якій спрацьовує "запобіжник", обрана з таких міркувань.

Якщо струм навантаження не перевищує встановленого значення, падіння напруга на "запобіжник" може мінятися від 4.5В при малих струмах до 6В при великих. При зменшенні опору навантаження, струм не може збільшитися понад заданого значення, з цього, напруга на навантаженні почне зменшуватися. Думаю, зниження напруги на 25В в порівнянні з робочим, однозначно вказує на перевантаження. У той же час, забезпечується запас з падіння напруги при перехідних режимах у навантаженні.

При цьому на самому "запобіжнику" напруга буде збільшуватися. Відповідно, буде рости і розсіюють на ньому потужність, а величина 25В дозволить вибрати відносно невеликий радіатор. До того ж, при живленні навантажень від мережі, за рахунок ємності монтажу, інерційності схеми та її високого внутрішнього опору, напруга на ній виявляється більш 10В, навіть при переході синусоїди через нуль. У результаті, схема веде себе як запобіжник, навіть без конденсатора C2. За цим, вибір порога, величиною 25В, забезпечує автоматичне відновлення "запобіжника" після усунення короткого замикання або перевантаження у навантаженні.

Елементи R5, C2, VD3-VD6 потрібні тільки при роботі запобіжника в колі змінного струму. Діоди забезпечують необхідну полярність напруги на схемі. Конденсатор С2 – сервісний. Якщо потрібно, що б після спрацьовування, схема сама поверталася в стан стабілізації струму, то конденсатор і резистор не потрібні. Якщо ж вони встановлені, то після спрацьовування, схема залишиться вимкненою, навіть після усунення короткого замикання (повна імітація запобіжника). Це відбувається тому, що після спрацьовування схеми, напруга на конденсаторі залишається вище рівня спрацьовування, що підтримує транзистори VT1 у відкритому, а VT3 в закритому стані. У цьому випадку, для відновлення схеми буде потрібно вимкнути харчування повністю, а потім, знову включити. Постійна часу ланцюга розрядки конденсатора С2 дорівнює, приблизно, 5-10мс, так що чекати поки він розрядиться немає необхідності.

Резистор R5 обмежує струм навантаження при включенні харчування. Так як транзистор VT3 не відразу відкривається при подачі живлення, то струм навантаження буде стрибком збільшений струмом зарядки конденсатора С2, а з резистором R5, цього не станеться. При цьому так само, зменшуються комутаційні перешкоди. Величина резистора R5 некритична, і на роботу схеми, практично, не впливає. В принципі, його можна не встановлювати взагалі. При цьому при включенні харчування, на навантаженні з'явиться короткий імпульс повної напруги живлення, після чого воно знизиться до величини, яка визначається опором навантаження та струмом обмеження "запобіжника".

Величину резистора R5 можна обчислити за формулою R5 = Uп / Iогр, де Uп – напруга живлення, а Iогр – струм обмеження "запобіжника". У цьому випадку, на навантаженні не буде ні яких перепадів напруги.

Стабілітрон VD2 захищає затвор транзистора VT3 від пробою. Він необхідний, незважаючи на те, що при аналізі роботи схеми напруга на затворі, начебто, не збільшується понад 5В. При перших експериментах транзистор VT3 раптом пробивався (затвор-витік), хоча і не завжди. І відбувалося це, як би, випадково і, начебто, без причини, але якщо відбувалося, то тільки після спрацьовування "запобіжника".

Справа в тому, що опір в ланцюзі затвора транзистора VT3 досить високе – R3 на 1МОм, а транзистори VT1 і VT2 працюють в режимі мікрострумів. Вхідна ємність транзистора VT3 1400пФ, а прохідна – 120пФ. Виходить ємнісний дільник з коефіцієнтом ділення, приблизно, 1400/120 = 12. При різкому виключенні транзистора VT3, коли амплітуда напруги мережі максимальна (наприклад, 300В), на затворі з'являється імпульс напруги величиною 300/12 = 25В. Так як максимальна напруга затвора транзистора 20В, то затвор пробивається.


Рис. 2.

Існує другий варіант схеми "запобіжника" (мал. 2), в якій транзистори VT1 і VT2, а так само стабілітрони VD1 і VD2 замінені транзисторами збирання 1НТ251 (рис. 3).


Рис. 3.

Як стабілітронів використані назад включені базово-емітерний переходи транзисторів. Напруга стабілізації такого стабілітрон виявляється на рівні, приблизно, 7В. Для захисту затвора транзистора VT3 це не суттєво, але змінюється режим запобіжника. В результаті, при однакових інших елементах схеми, порогове напруга спрацювання знижується до 10В.

Є й ще одна відмінність. Справа в тому, що в порівнянні зі звичайним стабілітронів, у транзисторного стабілітрон відсутній поріг, і він входить в режим стабілізації при більш низьких значеннях струму. У результаті, у схеми з'являється гістерезис – "запобіжник" спрацьовує при одному напрузі, а відновлюється при іншому, більш низькому. З звичайним стабілітронів "запобіжник" спрацьовує і відновлюється при одному і тому ж значенні порогового напруги.

При необхідності, усунути гістерезис можна установкою послідовно з транзисторним стабілітронів звичайного діода в прямому включенні (вказано на схемі пунктиром). Але через низький порогового напруги (10В) "запобіжник" втрачає властивість самовідновлюватися.

Проте це все не суттєво для "запобіжника", вбудованого в конкретний пристрій, і працюючого в ньому в якості стандартного запобіжника, для чого, власне, і був придуманий другий варіант схеми.

Налаштування "запобіжника" полягає в установці струму обмеження і напруги спрацьовування.

Так як це запобіжник, то немає необхідності точно встановлювати значення струму обмеження. Наприклад, при максимальному струмі навантаження 1А, струм обмеження можна вибрати на рівні 1.5А. З цього, струм обмеження можна, просто, розрахувати за наведеною вище формулою для розрахунку резистора R4, а отримане значення округлити до найближчого типового значення. З-за розкиду параметрів деталей, реальне значення струму обмеження може сильно відрізнятися, але в даному випадку не важливо, буде воно на рівні 1.3А, або 1.6А. Якщо ж буде потрібно більш точна установка струму на рівні, саме, 1.5А, то доведеться підбирати резистор R4, виготовивши його самостійно.

Напруга спрацьовування (виключення) залежить від номіналів дільника R1, R2, VD1. Знову ж таки, можна, просто, впаяти деталі із зазначеними номіналами, і перевірити, при якому реальному напрузі відбудеться вимкнення. Під час налаштування будь то конкретного значення, спочатку резистором R2 потрібно домогтися спрацьовування схеми при напрузі вище 6В з закороченним стабілітронів VD1, а потім, встановлюючи різні стабілітрони, добитися необхідного значення напруги спрацьовування.

При виборі цього значення слід мати на увазі, що при низькому значенні "запобіжник" не буде сам відновлюватися, а при високому, на транзисторі VT3 буде розсіюватися велика потужність.

Деталі.

Від транзистора VT3 залежить максимальний струм обмеження і допустима напруга живлення.

Струм обмеження і напруга спрацювання схеми слід вибирати так, що б їх твір ні перевищувало значення допустимої потужності розсіювання транзистора VT3.

Наприклад, для даного випадку, при струмі 1.4А і напрузі вимкнути 25В, транзистор VT3 повинен витримувати потужність 1,4 * 25 = 35Вт (вказаний на схемі транзистор витримує до 100Вт). Це максимально можлива потужність (зазвичай, вона менше), коли схема обмежує струм на заданому рівні, опір навантаження знижене, а напруга ще не досягла встановленого порогового значення. За цим, транзистор VT3 відкритий, і на ньому розсіюється вказана потужність. Якщо такий режим можливий протягом тривалого часу, то радіатор для транзистора VT3 слід розраховувати, саме, на цю потужність. Мінімальна площа радіатора розраховується з умови роботи схеми на номінальне навантаження при струмі, що дорівнює току обмежень. При цьому падіння напруга на схемі (і транзисторі VT3) не перевищує 6В, значить, розсіює потужність буде рівна 1,4 * 6 = 8,4 Вт

Як транзисторів VT1 і VT2 можуть бути застосовані будь-які транзистори відповідної провідності. Вони працюють при напрузі не вище 5В і струмі не більше 0.5мА. Коефіцієнт посилення транзисторів впливає на напругу вимкнення (для VT1) та коефіцієнт стабілізації струму (для VT2).

Для захисту затвора транзистора VT3 підійде будь-який стабілітрон з напругою стабілізації не менш 5В і не більше 18В.

Випрямні діоди VD3-VD6 слід вибирати відповідно до вибраного струмом обмеження схеми і напругою живлення. Якщо діоди вибрати імпульсні високочастотні, наприклад, КД226В (Г, Д) або аналогічні, то "запобіжник" можна буде ставити в ланцюг первинної обмотки вихідного трансформатора ДБЖ, ті є, в високочастотні ланцюга.

Якщо схема буде використовуватися тільки для роботи у колі постійної напруги, то ці діоди і деталі R5, С2 можна виключити.