При ремонте импульсных блоков питания, для их защиты приходится ограничивать ток источника. В качестве ограничителя, обычно, используют либо лампу накаливания, либо резистор.

Существуют, так же, схемы на транзисторах. Предлагаемая схема является ещё одним подобным устройством. От аналогичных устройств она отличается способностью работать при высоких напряжениях питания и способом включения. Схема является двухполюсником, а её мощностные характеристики определяются только типом используемого полевого транзистора.

Рис. 1.

Основа схемы (рис. 1)– источник тока, собранный на элементах VT2, VT3, R3, R4.

Резистор R3 обеспечивает открывание полевого транзистора VT3. Резистор R4 – токозадающий. Когда падение напряжения на нём превысит 0.55В откроется транзистор VT2 и зашунтирует затвор полевого транзистора, заставляя последний закрыться. Уровень ограничения тока можно вычислить по формуле: I=0,55/R4. При указанном на схеме значении сопротивления резистора R4 (0,39Ом), ток будет ограничен значением, примерно, I=0.55/0.39=1.41А. То есть, при указанных значениях схема будет обеспечивать ток в нагрузке, примерно, до 1,41А на нагрузке постоянного тока и до 1А (действующее значение) в нагрузке переменного тока. При перегрузках или коротком замыкании схема ограничит ток уровнем, примерно, 1.41А.

Схема источника тока особенностей не имеет, но применение, в качестве силового регулирующего элемента, полевого транзистора, позволило увеличить сопротивление резистора R3 до 1МОм. Это уменьшило ток управления и увеличило внутреннее сопротивление источника тока. В результате, ток управления не превышает 0.4мА, соответственно, потери мощности на резисторе R3 не превышают 0.16Вт при максимальном (для транзистора VT3) значении напряжения питания 400В. А высокое внутреннее динамическое сопротивление обеспечило высокий коэффициент стабилизации тока простыми средствами. Так как полевой транзистор имеет, практически, неограниченный коэффициент усиления по постоянному току, то ни что не мешает ещё больше увеличить сопротивление резистора R3, уменьшив тем самым потери мощности в цепи управления и увеличив внутреннее сопротивление источника тока (коэффициент стабилизации тока).

У такого стабилизатора тока на полевом транзисторе есть существенный недостаток – повышенное падение напряжения на открытом транзисторе. Это вызвано высоким пороговым напряжением открывания полевого транзистора. Обычно, оно лежит в пределах 2-4В. К этому напряжению добавляется падение на токозадающем резисторе – 0.5В. В результате, при токах, ниже уровня ограничения, на схеме источника тока падает, примерно, до 6В. При постоянном токе 1А на транзисторе будет выделяться мощность до 6Вт, что потребует применения радиатора. Но, так как этот предохранитель включается кратковременно на время проверки или настройки защищаемого устройства, то с этим недостатком можно мириться.

При значительном снижении сопротивления нагрузки (например, при коротком замыкании в цепях ремонтируемого устройства), ток через неё будет ограничен заданным безопасным уровнем, а напряжение будет значительно меньше напряжения питания. В результате, падение напряжения на транзисторе VT3 увеличится. Увеличится, соответственно, и выделяемая на нём мощность. В пределе (при коротком замыкании в нагрузке) более 300Вт, что не допустимо. Поэтому, в схему был добавлен ещё один узел на элементах VT1, VD1, R1, R2, C1, превращающий источник тока в предохранитель.

Уровень срабатывания определяется делителем R1, R2 и напряжением стабилизации стабилитрона VD1 равным, примерно, 25В. Стабилитрон VD1 обеспечивает ключевой режим включения транзистора VT3, а конденсатор С1 — задержку времени срабатывания, делая схему нечувствительной к помехам и броскам тока при включении питания или помехах со стороны запитываемого устройства (ИБП). От ёмкости конденсатора зависит время срабатывания “предохранителя”.

Указанная на схеме ёмкость выбрана из условия минимальной задержки, но в то же время, нечувствительности к помехам. Без конденсатора С1, “предохранитель” не включается при подаче питания, или срабатывает самопроизвольно. При ёмкости 0,047мкФ время задержки срабатывания составляет, примерно, 2мс.

Это, именно, время задержки срабатывания, а само срабатывание – закрывание транзистора VT3 происходит лавинообразно (за счёт положительной обратной связи через транзистор VT1), и зависит, в основном, от временных характеристик полевого транзистора.

Пока напряжение на схеме не превышает 25В, она работает как источник тока, в противном случае, транзистор VT1 открывается и шунтирует затвор полевого транзистора. В результате, тот закрывается и нагрузка обесточивается. Теперь, ток нагрузки ограничивается только резисторами R1, R3 и током утечки VT3 и в худшем случае не превышает 1мА. В таком состоянии схема может находиться, сколь угодно, долго.

При этом на самой схеме будет рассеиваться мощность не более 0.4Вт – примерно, по 0.16Вт на резисторах R1 и R3, и не боле 0.1Вт на транзисторе VT3. Это при напряжении питания 400В, реально же, при напряжении питания 220В переменного тока (или 310В постоянного), потери мощности будут значительно меньше.

Величина напряжения 25В, при которой срабатывает “предохранитель”, выбрана из следующих соображений.

Если ток нагрузки не превышает установленного значения, падение напряжение на “предохранителе” может меняться от 4.5В при малых токах до 6В при больших. При уменьшении сопротивления нагрузки, ток не может увеличиться свыше заданного значения, по этому, напряжение на нагрузке начнёт уменьшаться. Думаю, снижение напряжения на 25В по сравнению с рабочим, однозначно указывает на перегрузку. В то же время, обеспечивается запас по падению напряжения при переходных режимах в нагрузке.

При этом на самом “предохранителе” напряжение будет увеличиваться. Соответственно, будет расти и рассеиваемая на нём мощность, а величина 25В позволит выбрать относительно небольшой радиатор. К тому же, при питании нагрузок от сети, за счёт ёмкости монтажа, инерционности схемы и её высокого внутреннего сопротивления, напряжение на ней оказывается более 10В, даже при переходе синусоиды через ноль. В результате, схема ведёт себя как предохранитель, даже без конденсатора C2. По этому, выбор порога, величиной 25В, обеспечивает автоматическое восстановление “предохранителя” после устранения короткого замыкания или перегрузки в нагрузке.

Элементы R5, C2, VD3-VD6 нужны только при работе предохранителя в цепи переменного тока. Диоды обеспечивают требуемую полярность напряжения на схеме. Конденсатор С2 – сервисный. Если требуется, что бы после срабатывания, схема сама возвращалась в состояние стабилизации тока, то конденсатор и резистор не нужны. Если же они установлены, то после срабатывания, схема останется выключенной, даже после устранения короткого замыкания (полная имитация предохранителя). Это происходит потому, что после срабатывания схемы, напряжение на конденсаторе остаётся выше уровня срабатывания, что поддерживает транзисторы VT1 в открытом, а VT3 в закрытом состоянии. В этом случае, для восстановления схемы потребуется выключить питание полностью, а затем, снова включить. Постоянная времени цепи разрядки конденсатора С2 равна, примерно, 5-10мс, так что ждать пока он разрядится нет необходимости.

Резистор R5 ограничивает ток нагрузки при включении питания. Так как транзистор VT3 не сразу открывается при подаче питания, то ток нагрузки будет скачком увеличен током зарядки конденсатора С2, а с резистором R5, этого не случится. При этом так же, уменьшаются коммутационные помехи. Величина резистора R5 некритична, и на работу схемы, практически, не влияет. В принципе, его можно не устанавливать вообще. При этом при включении питания, на нагрузке появится короткий импульс полного напряжения питания, после чего оно снизится до величины, определяемой сопротивлением нагрузки и током ограничения “предохранителя”.

Величину резистора R5 можно вычислить по формуле R5=Uп/Iогр, где Uп – напряжение питания, а Iогр – ток ограничения “предохранителя”. В этом случае, на нагрузке не будет ни каких перепадов напряжения.

Стабилитрон VD2 защищает затвор транзистора VT3 от пробоя. Он необходим, несмотря на то, что при анализе работы схемы напряжение на затворе, вроде бы, не увеличивается свыше 5В. При первых экспериментах транзистор VT3 вдруг пробивался (затвор-исток), хотя и не всегда. И происходило это, как бы, случайно и, вроде бы, без причины, но если происходило, то только после срабатывания “предохранителя”.

Дело в том, что сопротивление в цепи затвора транзистора VT3 довольно высокое - R3 на 1МОм, а транзисторы VT1 и VT2 работают в режиме микротоков. Входная ёмкость транзистора VT3 1400пФ, а проходная - 120пФ. Получается ёмкостный делитель с коэффициентом деления, примерно, 1400/120=12. При резком выключении транзистора VT3, когда амплитуда напряжения сети максимальна (например, 300В), на затворе появляется импульс напряжения величиной 300/12=25В. Так как максимальное напряжение затвора транзистора 20В, то затвор пробивается.

Рис. 2.

Существует второй вариант схемы “предохранителя” (рис. 2), в которой транзисторы VT1 и VT2, а так же стабилитроны VD1 и VD2 заменены транзисторами сборки 1НТ251 (рис. 3).

Рис. 3.

В качестве стабилитронов использованы обратно включенные базово-эмиттерные переходы транзисторов. Напряжение стабилизации такого стабилитрона оказывается на уровне, примерно, 7В. Для защиты затвора транзистора VT3 это не существенно, но меняется режим предохранителя. В результате, при одинаковых остальных элементах схемы, пороговое напряжение срабатывания снижается до 10В.

Есть и ещё одно отличие. Дело в том, что по сравнению с обычным стабилитроном, у транзисторного стабилитрона отсутствует порог, и он входит в режим стабилизации при более низких значениях тока. В результате, у схемы появляется гистерезис – “предохранитель” срабатывает при одном напряжении, а восстанавливается при другом, более низком. С обычным стабилитроном “предохранитель” срабатывает и восстанавливается при одном и том же значении порогового напряжения.

При необходимости, устранить гистерезис можно установкой последовательно с транзисторным стабилитроном обычного диода в прямом включении (указан на схеме пунктиром). Но из-за низкого порогового напряжения (10В) “предохранитель” теряет свойство самовосстанавливаться.

Однако это всё не существенно для “предохранителя”, встроенного в конкретное устройство, и работающего в нём в качестве стандартного предохранителя, для чего, собственно, и был придуман второй вариант схемы.

Настройка “предохранителя” заключается в установке тока ограничения и напряжения срабатывания.

Так как это предохранитель, то нет необходимости точно устанавливать значение тока ограничения. Например, при максимальном токе нагрузки 1А, ток ограничения можно выбрать на уровне 1.5А. По этому, ток ограничения можно, просто, рассчитать по приведенной выше формуле для расчёта резистора R4, а полученное значение округлить до ближайшего типового значения. Из-за разброса параметров деталей, реальное значение тока ограничения может сильно отличаться, но в данном случае не важно, будет оно на уровне 1.3А, или 1.6А. Если же потребуется более точная установка тока на уровне, именно, 1.5А, то придётся подбирать резистор R4, изготовив его самостоятельно.

Напряжение срабатывания (выключения) зависит от номиналов делителя R1, R2, VD1. Опять же, можно, просто, впаять детали с указанными номиналами, и проверить, при каком реальном напряжении произойдёт выключение. При настройке какого то конкретного значения, сначала резистором R2 нужно добиться срабатывания схемы при напряжении выше 6В с закороченным стабилитроном VD1, а затем, устанавливая различные стабилитроны, добиться требуемого значения напряжения срабатывания.

При выборе этого значения следует иметь в виду, что при низком значении “предохранитель” не будет сам восстанавливаться, а при высоком, на транзисторе VT3 будет рассеиваться большая мощность.

От транзистора VT3 зависит максимальный ток ограничения и допустимое напряжение питания.

Ток ограничения и напряжение срабатывания схемы следует выбирать так, что бы их произведение ни превышало значения допустимой мощности рассеяния транзистора VT3.

Например, для данного случая, при токе 1.4А и напряжении выключения 25В, транзистор VT3 должен выдерживать мощность 1,4*25=35Вт (указанный на схеме транзистор выдерживает до 100Вт). Это максимально возможная мощность (обычно, она меньше), когда схема ограничивает ток на заданном уровне, сопротивление нагрузки пониженное, а напряжение ещё не достигло установленного порогового значения. По этому, транзистор VT3 открыт, и на нём рассеивается указанная мощность. Если такой режим возможен в течение длительного времени, то радиатор для транзистора VT3 следует рассчитывать, именно, на эту мощность. Минимальная площадь радиатора рассчитывается из условия работы схемы на номинальную нагрузку при токе, равном току ограничения. При этом падение напряжение на схеме (и транзисторе VT3) не превышает 6В, значит, рассеиваемая мощность будет равна 1,4*6=8,4Вт.

В качестве транзисторов VT1 и VT2 могут быть применены любые транзисторы соответствующей проводимости. Они работают при напряжении не выше 5В и токе не более 0.5мА. Коэффициент усиления транзисторов влияет на напряжение выключения (для VT1) и коэффициент стабилизации тока (для VT2).

Для защиты затвора транзистора VT3 подойдёт любой стабилитрон с напряжением стабилизации не менее 5В и не более 18В.

Выпрямительные диоды VD3-VD6 следует выбирать в соответствии с выбранным током ограничения схемы и напряжением питания. Если диоды выбрать импульсные высокочастотные, например, КД226В(Г, Д) или аналогичные, то “предохранитель” можно будет ставить в цепь первичной обмотки выходного трансформатора ИБП, те есть, в высокочастотные цепи.

Если схема будет использоваться только для работы в цепи постоянного тока, то эти диоды и детали R5, С2 можно исключить.