Защита стабилизатора тока от перегрузки

Стабилизаторы тока широко используются в различных устройствах. Их схемы бывают простыми и не очень. Но в любом случае будет лучше, если он будет иметь защиту от перегрузки. Проблема, которую мы рассмотрим, заключается в следующем, есть у нас стабилизатор напряжения с ограничение тока нагрузки. То есть такому стабилизатору не страшны короткие замыкания на его выходе.

Но в режиме КЗ на регулирующем транзисторе такого стабилизатора будет выделяться большая мощность, это потребует применение соответствующего теплоотвода, что повлечет за собой увеличения размеров устройства, ну и его цены. А иначе – тепловой пробой структуры мощного транзистора.

Для примера возьмем простую схему стабилизатора тока на микросхеме, показанную на рисунке 1.

Все в общих чертах. Ток стабилизации, в соответствии с формулой 1, равен 1А. Допустим, нормальное сопротивление нагрузки 6 Ом. Тогда при токе в 1А на микросхеме упадет напряжение, равное: U = IxR — IxRн = 12-1,25-6 = 4,75В. Соответственно на микросхеме выделится мощность P = UxI = 4,75Вт. Если замкнуть выход стабилизатора тока, то на микросхеме уже будет падать напряжение 10,75В и соответственно мощность, выделяющаяся на микросхеме будет равна 10,75Вт. Вот на эту мощность и надо рассчитывать радиатор, тогда надежность вашего устройства будет на высоте. Но, что делать, если нет возможности установить радиатор бо’льших размеров? Правильно! Надо еще ограничить и мощность, выделяемую на микросхеме. Можно перед данной схемой поставить следящий стабилизатор, который бы в случае КЗ брал на себя часть выделяющейся тепловой мощности, но это сложновато. Лучше мы сделаем полное отключение стабилизатора при КЗ на его входе. Зная, что мощность равна произведению на ток, а ток мы выставляем сами и он стабилизирован, то мы будем следить за падение напряжения на регуляторе тока.

Схема регулируемого стабилизатора тока взята из статьи «Блок питания для шуруповерта». Подробно о работе данного регулируемого стабилизатора тока можно прочитать в статье «Регулируемый стабилизатор тока на LM317».

Работа схемы защиты от превышения мощности

Для обеспечения защиты стабилизатора тока вводим в схему всего пять деталей. Транзистор VT1, выполняющий роль ключа и полностью отключающий стабилизатор во время режима КЗ. Здесь применен MOSFET транзистор с каналом P. При небольших токах, порядка одного, двух ампер, подойдет IRFR5505

При больших токах лучше применить транзистор с большим рабочим током стока и меньшим сопротивлением открытого канала. Например — IRF4905

Тиристорный оптрон, можно отечественный – АОУ103 с любой буквой, можно подобрать импортный, например — TLP747GF

Стабилитрон, любой маломощный, дочитаете статью до конца и сами себе, если потребуется, выберете нужный. R1 – это резистор, через который на затвор ключа, подается отрицательное открывающее напряжение. R2 – резистор, ограничивающий ток светодиода тиристорного оптрона. Да, если входное напряжение будет больше 20В, то параллельно тиристору оптрона необходимо поставить еще один стабилитрон на 12В, который будет защищать переход затвор – исток ключевого транзистора. Так как у большинства транзисторов MOSFET максимально допустимое напряжение этого перехода 20В.

Для примера возьмем случай зарядки двенадцативольтового аккумулятора стабильным током 3А. При подаче напряжения питания на схему транзистор VT1 будет открыт, так как на его затвор поступает отрицательное напряжение и схема работает в нормальном режиме. Падение напряжения на ключе учитывать не будем из-за его малой величины. При таких условиях на самом стабилизаторе тока будет падать мощность Р = (20 — 12)∙I= 8 ∙ 3 = 24Вт. При КЗ мощность увеличится до 60Вт, если без защиты. Многовато, и для транзистора VT2 не безопасно, поэтому после 30Вт мы отключим стабилизатор, поставив в цепь защиты стабилитрон с напряжением стабилизации 10В. Таким образом, мы получаем схему с защитой не только от КЗ, но и от превышения допустимой мощности рассеяния на стабилизаторе тока. Допустим, по каким либо причинам, совершенно нам не нужным, начало падать сопротивление нагрузки. Это вызовет увеличение падения напряжения на стабилизаторе и соответственно мощности рассеяния на нем. Но как только напряжение между входом и выходом превысит 10 вольт, «пробьется» стабилитрон VD1, через светодиод оптрона U1 потечет ток. Излучение светодиода откроет фототиристор, который зашунтирует переход затвор – исток ключевого транзистора. Тот в сою очередь закроется и отключит схему стабилизатора. Возвратить схему в рабочее состояние можно будет, или отключением питания и повторным подключением, или кратковременным закорачиванием фототиристора, например кнопкой. Таким образом, отслеживая напряжение между входом и выходом стабилизатора тока, вы можете сами с помощью стабилитронов на разные напряжения стабилизации, установить нужный вам порог ограничения по мощности.

Эта схема применима практически ко всем стабилизаторам, хоть по току, хоть по напряжению. Ее можно встроить уже в готовый стабилизатор, не имеющий защиты от КЗ.
Успехов и удачи. К.В.Ю.