Меню

Схема простого ограничитель напряжения схема

Схема простого ограничитель напряжения схема

Ограничитель сетевого напряжения

Автор: kuvechechen
Опубликовано 17.09.2013
Создано при помощи КотоРед.
Участник Конкурса «Поздравь Кота по-человечески 2013!»

Все больше разнообразной аппаратуры окружает котов в быту, и эта аппаратура требует питания. И не какого-нибудь, а 220В +/- допуск в разумных пределах. К счастью, современная аппаратура к питанию намного менее переборчива, чем ламповые телевизоры прошлого века. Импульсные БП нормально терпят издевательства типа питания очень заниженным напряжением, некоторые вплоть до 80-90В. И чистый синус в розетке им тоже по большому счету, ни к чему. Хоть постоянкой корми. Но вот повышенное напряжение уже в 260-270В часто приводит к распуханию конденсаторов в первичных цепях или разрыву в клочья варисторов, предохранителей а иногда и диодных мостов за компанию с силовыми ключами. Если искать недорогое решение проблемы сохранения здоровья бытовых электроприборов, то в первую очередь взгляд падает на разнообразные стабилизаторы релейного типа или автотрансформаторные с сервоприводом подвижного контакта. Такие устройства относительно недороги, довольно мощны и обеспечивают хорошую стабилизацию, но они медлительны, как кот под валерианой. Особенно плохо они справляются со своей работой если в сети присутствуют частые но кратковременные провалы напряжения (например, кто-то из соседей занимается электросваркой). Тогда при понижении напряжения сети автоматика стабилизатора «подкручивает» транс, добавляя на выход напряжения, но как только напряжение в сети вернется в норму, реле, а тем более подвижный контакт ЛАТРа, не успевают достаточно быстро отреагировать и на выходе стабилизатора получается кратковременный но очень ощутительный всплеск напряжения до 350-400В, отрицательно сказывающийся на здоровье всего, что включено. С помощью предлагаемого устройства эту проблему можно решить, существенно повысив эксплуатационные характеристики «медленных» стабилизаторов сетевого напряжения.

Как только устройство включается в сеть, ток зарядки С1 открывает транзистор VT1, включенный в диагональ силового диодного моста Br2, благодаря чему подается питание на выход а также трансформатор, питающий всю схему. На выходе стабилизатора напряжения 7805 появляются стабильные 5В, через R2 в базу VT1 начинает протекать ток около 60 мА, обеспечивая поддержание силового транзистора в открытом состоянии. Пока напряжение сети в норме, стабилитрон VD3 заперт, следовательно, заперт и транзистор VT2. Как только напряжение сети превысит разумные пределы, откроется VD3 а за ним и VT2, шунтируя переход Б-Э VT1. Силовой ключ начнет закрываться, напряжение на нагрузке падает. Как только напряжение упадет настолько, что VD3 закроется, силовой ключ опять откроется. Благодаря довольно медлительной обратной связи через трансформатор а также наличию конденсатора С4 схема обладает необходимым гистерезисом для работы силового транзистора практически в ключевом режиме. В линейный режим он попадает только при небольшом длительном превышении сетевого напряжения, но это не страшно, потому как мощность небольшая на нем будет рассеиваться в этом случае, да и не характерна такая ситуация, если данный ограничитель стоит после релейного стабилизатора. По результатам экспериментов работа схемы выглядит следующим образом: пока напряжение в сети не выше установленного предела, оно все целиком присутствует на нагрузке. Как только появляется небольшое превышение — начинают срезаться верхушки синусоиды. При более существенном превышении из синусоиды начинают выкусываться короткие прямоугольные фрагменты, по сути осуществляется диммирование нагрузки. Конечно, форма напряжения портится, что не допускает применение этого устройства как самостоятельного стабилизатора например для холодильника или электродвигателя, но как ограничитель аварийно высокого напряжения перед аппаратурой с импульным источником питания оно срабатывает отлично.

О деталях. Описанный выше девайс можно собрать практически из металлолома, который без дела валяется по углам шкафа, куда лапы не доходят. Трансформатор 220/12 В, мощностью 5-10 Вт вполне достаточно. Диодный мост для питаня схемы Br1 может быть составлен из диодов КД105, 1N4001-4007 или взять подходящий. Силовой диодный мост Br2 берем с запасом, хорошо подходят мосты из компьютерных БП, на 2-5 А, 600-800В. Силовой транзистор VT1 должен с запасом выдерживать ток нагрузки и иметь большой запас по напряжению, дабы не быть пробитым экстремальным напряжением в сети. Такие можно добыть в строчной развертке мониторов и телевизоров. Из отечественных можно попробовать КТ840, КТ838, можно применить также и мощные полевики, правда при таком раскладе понадобится стабилизатор 7805 заменить на 7809 или 7812, повысив также напряжение вторички трансформатора, чтобы обеспечить надежное отпирание полевика.

Настройка ограничителя сводится к установке порогового напряжения, при котором начинает срабатывать ограничение напряжения. Для этого в схеме предусмотрен подстроечник Р1. Вначале настройки выкручиваем его на максимум сопротивления, на вход ограничителя с помощью ЛАТРа подаем напряжение, которое еще согласны терпеть приборы, например 250 В. Плавно вращая подстроечник находим положение при котором напряжение на нагрузке начнет ограничиваться. Все. Можно пихать ограничитель в релейный стаб и пользоваться.

В моем варианте исполнения устройство обеспечивает питанием LCD телевизор, спутниковый ресивер, DVD плеер и еще некоторую мелочь, общей мощностью не более 200 Вт. Для такого применения хватило очень небольшого теплоотвода на силовой транзистор.

Источник

Ограничитель сетевого напряжения

Ограничитель сетевого напряжения

В радиолюбительской литературе часто затрагивается вопрос о нестабильности сетевого напряжения и, соответственно, защиты от перенапряжения. Но при этом все меры защиты направлены на отключение нагрузки от сети. Предлагаю в этой ситуации использовать устройство, позволяющее продолжать работу при повышении сетевого напряжения вплоть до 380В.

Читайте также:  Что делать во время нервного напряжения

Принцип работы заключается в ограничении по входу сетевого напряжения при увеличении его выше заданного предела, т.е. стабилизируется амплитуда напряжения. Т.к. в большинстве современной аппаратуры применяются импульсные блоки питания, содержащие на входе выпрямитель, то при ограничении амплитуды входного напряжения на одном уровне, напряжение на выходе блока питания будет неизменно. А поскольку в устройстве отсутствует какая-либо обратная связь, то нет и инерционности, т.е. любое превышение входным напряжением заданного уровня не может пройти в нагрузку.

Обращаю внимание, что первоначальная идея позаимствована из старого журнала «Радио» [1]. Но в исходной схеме применялся трансформатор, что не всегда удобно, да и доступные тогда детали не позволяли работать с большими напряжениями. Поэтому пришлось использовать схемное решение из другого журнала [3].

На рис.1 в упрощенном виде показана получившаяся схема, а на рис.2 — график, поясняющий ее работу.

В каждый из полупериодов работает один из транзисторов, включенных по схеме эмиттерного повторителя. Другой транзистор в это время шунтируется диодом, включенным в обратной полярности. Максимальное напряжение на базах задается напряжением стабилизации стабилитрона (минус падение на двух диодах). Как только входное напряжение становится больше напряжения стабилизации, транзисторы начинают закрываться, ограничивая напряжение на выходе. Амплитудное значение нормального сетевого напряжения (220В) равняется 311В. Если задать напряжение ограничения применяемой схемы на этом уровне, то при повышении сетевого напряжения все лишнее напряжение будет гаситься на транзисторах. Заштрихованная область на рис.2 показывает мощность, рассеиваемую регулирующим элементом.

В [2] приводится расчет рассеиваемой мощности, привожу здесь лишь окончательную формулу:

Из нее следует, что даже при мощности нагрузки 250 Вт и сетевом напряжении 380 В (редко, но бывает) на каждом транзисторе рассеивается всего по 72 Вт (вполне приемлемая величина). Если длительная работа в таких экстремальных условиях не предполагается, достаточно радиаторов на транзисторы, в противном случае можно дополнительно применить вентилятор (например, от компьютера).

На рис.3 показана полная схема. В качестве силовых здесь применяются полевые транзисторы КП707, требующие меньшей мощности для управления (и имеющиеся под рукой). А в качестве высоковольтных стабилитронов использованы диоды в обратном включении[4], усиленные по току транзисторами. Применение обычных стабилитронов возможно, но при высоком напряжении стабилизации и токе через стабилитрон даже в несколько миллиампер на стабилитронах будет рассеиваться значительная мощность. Для получения необходимого напряжения стабилизации последовательно включены две такие цепочки. Если напряжение стабилизации сильно отличается от требуемого, придется подбирать диоды.

Для защиты силовых транзисторов от перегрузки по току в истоковые цепи полевых транзисторов включены датчики тока (у меня это резисторы сопротивлением 1Ом). Если падение напряжения на этом резисторе превысит 0,6-0,7 В, то откроется маломощный транзистор и участком К-Э зашунтирует цепь затвора мощного транзистора, ограничивая его ток. При этом возрастет рассеиваемая на транзисторе мощность. Поэтому желательно применение принудительного воздушного охлаждения, а чтобы вентилятор не работал зря, подключить его через любое термореле. Для защиты от явного короткого замыкания не помешают обыкновенные предохранители.

В случае применения нагрузки, для которой важно действующее напряжение (например, лампа накаливания), то и в этом случае возможно применение предложенного ограничителя. При изменении сетевого напряжения от 220 до 380В изменение яркости лампы значительно менее заметно при использовании ограничителя.

Применение данного стабилизатора позволяет обеспечить нормальную работу потребителей и в случае понижения сетевого напряжения (например, если Ваш сосед пользуется сваркой). В этом случае необходимо с помощью автотрансформатора повысить входное напряжение до такого уровня, чтобы даже при «провале» напряжение оставалось выше порога ограничения.

Источник



Простые электронные ограничители тока

Infineon IRF9540N

В. И. Иволгин, г. Тамбов

Любое электронное устройство имеет источник питания, за счет энергии которого оно выполняет свои функции. И неудивительно, что в печати значительное место отводится их описаниям, рекомендациям по конструированию, рассмотрению работы отдельных узлов, предложениям по их улучшению.

Следует отметить, что современные источники питания, как правило, обладают довольно низким выходным сопротивлением. И по этой причине в нештатных ситуациях, даже при низких напряжениях на их выходе, не исключены значительные токовые перегрузки, приводящие к повреждению источника или самого устройства. В связи с этим источники питания, как правило, снабжаются системами защиты. Они достаточно разнообразны, обладают большей или меньшей автономностью относительно конструкции самого источника.

Один из вариантов такого устройства, которое можно использовать в виде самостоятельного узла, предлагается в [1]. Его принцип действия основан на ограничении потребляемого тока, в качестве датчика которого применяется низкоомный резистор, включенный последовательно в один из проводов между источником питания и нагрузкой. Напряжение с датчика, пропорциональное потребляемому току, после усиления используется для управления проходным транзистором. Изменением в нужный момент режима его работы и выполняется непосредственная защита от перегрузки.

В указанной статье в качестве прототипа приводится хорошо известная структура на двух биполярных транзисторах (Рисунок 1). Основной недостаток устройства – значительное падение напряжения на нем, которое достигает максимального значения при предельном рабочем токе. По данным автора, оно составляет примерно 1.6 В, причем на проходном транзисторе VT1 падает около 1 В, а на токовом датчике Rs – остальные 0.6 В. В связи с чем автором предлагается другая схема, которая позволяет снизить падение напряжения на нем до 0.235 В при токе ограничения в 1.3 А. Это значение достаточно мало, правда достигается оно использованием более сложной схемы, содержащей около 20 элементов [1].

С другой стороны, эта конструкция, по сравнению с предложенной автором, привлекает своей простотой. И в связи с этим возникает вопрос: а можно ли, оставаясь в рамках такой простой структуры, добиться снижения падения напряжения на подобном предохранителе без ее заметного усложнения? И каким образом?

Как следует из приведенных числовых данных по прототипу, наибольшее падение напряжения приходится на проходной биполярный транзистор VT1. Анализ показывает, что при подобном включении добиться его насыщения, и тем самым достичь малых значений падения напряжения, невозможно без дополнительного источника питания. Но его введение только для этой цели было бы накладным. И хотя можно было бы, наверное, предложить и какие-то другие способы уменьшения этих потерь на VT1, будет рациональнее сразу произвести замену биполярного транзистора на полевой с низким значением сопротивления канала. Это позволит уменьшить как падение напряжения на регулирующем транзисторе, так и собственное потребление ограничителя за счет снижения токов управления. Кроме того, целесообразно изменить связи между транзисторами так, чтобы преобразовать ограничитель в систему двух усилительных каскадов, вместо лишь одного в исходной структуре. В конечном итоге принципиальная схема исследуемого ограничителя будет выглядеть уже так (Рисунок 2), которую можно рассматривать и как упрощенный вариант устройства, приведенного в [2].

Рисунок 2. Принципиальная схема преобразованного
ограничителя тока.

Проверка работоспособности предлагаемого ограничителя, а также выполнение измерений, проводились на макете, в котором использовались в качестве VT1 полевой транзистор IRF9540, установленный на радиаторе, VT2 – транзистор SS8550 с β ≈ 300, RS – резистор 1.2 Ом, R1 – 4.2 кОм, а нагрузкой являлся набор переменных проволочных резисторов необходимой мощности. Напряжение на входе ограничителя составляло 12 В. Результаты измерений приведены на Рисунке 3.

Рисунок 3. Зависимость падений напряжения на датчике
тока RS и проходном транзисторе VT1 на
начальной стадии ограничения.

Испытание ограничителя коротким замыканием показало, что при выполнении этой манипуляции ток через проходной транзистор устанавливается на уровне 0.5 А при напряжении на токовом датчике 0.60 В. И, таким образом, подобный ограничитель тока вполне работоспособен. Можно также отметить его довольно высокое выходное сопротивление в режиме ограничения тока – при изменении напряжения на его выходе в интервале 0…11.3 В ток через нагрузку практически остается равным 0.5 А. Кроме того, в связи с известной зависимостью параметров транзисторов от температуры, была проконтролирована зависимость значения ограничения тока от нагрева VT2. Как оказалось, ее величина составила всего около –0.2% относительной погрешности на градус.

Из анализа графиков следует, что падение напряжения на проходном транзисторе этой конструкции уже достаточно мало и даже на краю токового диапазона не превышает 0.1 В. Можно так же отметить, что на графике зависимости падения напряжения на VT1 визуально можно выделить два интервала. На первом из них, при токах от 0 до 0.45 А, рост падения напряжения является его линейной функцией, что указывает на насыщение транзистора в этой части диапазона. И действительно, вычисленное по этим данным сопротивление канала транзистора составляет приблизительно 0.125 Ом, что практически совпадает с паспортными данными используемого транзистора VT1. При бóльших же токах, в интервале 0.45 – 0.5 А, происходит сначала медленный, а затем резкий нелинейный рост этой величины, связанный уже с включением механизма ограничения тока.

Таким образом, из приведенных выше данных следует, что общее падение напряжения на ограничителе заметно снизилось, и уже определяется в основном не падением напряжения на VT1, а напряжением датчика RS. Каким же образом можно уменьшить последнюю величину?

Ответ напрашивается сам собой – нужно уменьшить значение RS, как это и сделано в [1], а для компенсации снижения уровня сигнала датчика использовать дополнительный усилитель. Но с другой стороны, и в рассмотренной выше схеме (Рисунок 2) такой усилитель, выполненный на транзисторе VT2, уже есть. Тем не менее, его параметры не позволяют снизить падение напряжения RS до меньших значений, хотя он и обладает достаточно высоким коэффициентом усиления. В связи с этой проблемой рассмотрим подробнее особенности работы VT2 в роли предварительного усилителя сигнала с датчика тока.

Как следует из принципиальной схемы (Рисунок 2), ограничение тока через VT1 происходит за счет изменения напряжения на его затворе, возникающего при изменении коллекторного тока транзистора VT2. Управление же его режимом осуществляется напряжением с резистора датчика тока RS. И, как следует из данных последних измерений (Рисунок 3), выход устройства на полное ограничение тока происходит только при напряжениях около 0.6 В на его базе относительно эмиттера. Этим обстоятельством и определяется величина сопротивления резистора RS.

Читайте также:  Чем вредно психическое напряжение

Но характерно, что часть напряжения на датчике в диапазоне от 0 до 0.55 В можно считать «лишней», поскольку в этом интервале VT2 практически не «чувствует» его, а по настоящему «рабочим» для него будет только интервал 0.55 — 0.6 В. Сдвинув же нижнюю границу чувствительности усилителя, визуально составляющую 0.55 В, к нулю, можно будет решить проблему снижения значения RS.

Технически этого результата можно достичь, например, вводом в цепь между базой VT2 и правым выводом RS отдельного вспомогательного источника напряжением 0.55 В. Но удобнее сформировать его применением делителя из двух резисторов, включенных между общим проводом и эмиттером транзистора VT1 (резисторы R2, R3, Рисунок 4). И его параметры должны обеспечивать падение напряжения на R2, равное 0.55 В. Для меньшей зависимости этой величины от входного тока транзистора ток этого делителя желательно выдерживать в пределах 0.5 — 1 мА. При этих условиях уже незначительное напряжение на RS переведет транзистор VT2 в активный режим начала ограничения, а полное ограничение тока произойдет при падения напряжения на RS всего лишь немногим более 0.05 В. Понятно, что изменением этих резисторов можно будет изменять порог ограничения тока. И это будет удобнее, чем подбирать величину RS.

Рисунок 4. Принципиальная схема ограничителя
тока со сниженным падением напряжения
на резистивном датчике.

Новая редакция принципиальной схемы ограничителя, уже с учетом изложенных соображений, представлена на Рисунке 4. Его макет для испытаний был выполнен с сохранением деталей устройства предыдущей версии с изменением сопротивления RS на 0.2 Ом, а установленные дополнительные резисторы R2 и R3 имеют значения, соответственно, 680 Ом и 15 кОм. Условия проведения испытаний и измерений сохранены теми же, что и ранее.

Основные результаты испытаний, как следует из представленных графиков (Рисунок 5), сводятся к следующему. Как и ранее, ток короткого замыкания устройства составляет 0.5 А. Точнее, реально при указанных значениях резисторов R2, R3, он составил 0.48 А, но это значение было скорректировано включением последовательно с R3 дополнительного переменного резистора. Что касается максимального значения падения напряжения на датчике RS, то оно упало пропорционально уменьшению величины установленного RS и составило всего около 0.1 В. График падения напряжения на регулирующем транзисторе, по сравнению с аналогичным параметром предыдущей схемы, в общем, сохранил свои черты, хотя и несколько изменился. Так, например, следует обратить внимание на то, что в этот раз область резко нелинейного роста падения напряжения на проходном транзисторе сместилась в диапазон 0.4 — 0.5 А, а в остальной – растет практически линейно. Из этого следует, что определенный резерв по снижению падения напряжения на датчике тока RS еще есть.

Рисунок 5. Зависимость падения напряжения на RS и
проходном транзисторе VT1.

Как уже отмечалось, незначительная коррекция тока ограничения в этой конструкции была проведена изменением сопротивления R3, но когда требуется его значительное изменение, удобнее пользоваться R2. При расчете его величины целесообразно предварительно задаться величиной максимального падения напряжения VSM на датчике тока RS в режиме ограничения. В принципе, это значение может быть любым из интервала от 0 до 0.6 В. Но нужно иметь в виду, что с его уменьшением ухудшается температурная стабильность предложенного решения. Так при VSM = 0.6 В температурный коэффициент зависимости изменения предела ограничения тока в области комнатных температур не превышает значения 0.2% на градус, а при VSM = 0.1 В этот показатель возрастает уже до 1.5% . Эта величина в ряде случаев может оказаться еще приемлемой, и ее условно можно принять за нижнюю границу интервала допустимых значений VSM, верхняя же будет обусловлена максимальным падением напряжения на базе транзистора VT2 в режиме ограничения тока. Если для расчета выбрать VSM равным 0.15 В, то из этого условия при заданном токе ограничения IM, например, 1.5 А, определится величина

Далее, допустив, что в режиме ограничения сумма падений напряжения на RS и R2 будет равняться 0.6 В, как это следует из результатов предшествующих измерений (Рисунок 3), получим уравнение:

из которого следует, что

При VВХ = 12 В и R3 = 15 кОм получаем, что R2 = 0.58 кОм.

При необходимости этим резистором, если его заменить на переменный, можно будет оперативно менять ток ограничения в значительных пределах, что, правда, будет сопровождаться изменением величины максимального падения напряжения VSM и соответствующего ему изменения температурного коэффициента нестабильности.

Подводя итог обсуждению вопроса о конструкции простого ограничителя тока (Рисунок 4), можно сделать вывод о том, что изменения, внесенные в структуру прототипа (Рисунок 1), в конечном итоге, позволили снизить потери напряжения на нем до десятых долей вольта. Следует также добавить, что его работа выборочно была проверена и в других режимах, не отраженных в статье. В частности, при токах ограничения в диапазоне от 10 мА до 5 А и входных напряжениях 7, 12 и 20 В. Для адаптации к этим условиям изменялись лишь значения RS ( 0.05, 0.2 и 1.2 Ом), а для задания тока ограничения в качестве R2 использовался переменный резистор на 1 кОм, сопротивление которого устанавливалось в соответствии с расчетом по (2). Все остальные элементы, включая и транзисторы, оставались прежними.

Источник