Защита блока питания по току своими руками. Простая защита от короткого замыкания для блока питания схема своими руками. Описание работы регулируемого блока питания

Вам уже приходилось строить самоделки с самым разным напряжением питания: 4,5, 9, 12 В. И каждый раз нужно было приобретать соответствующее число батареек или элементов. Но не всегда есть нужные источники питания, да и срок службы их ограничен. Вот почему для домашней лаборатории необходим универсальный источник, пригодный практически для всех случаев радиолюбительской практики. Им может стать описанный ниже блок питания, работающий от сети переменного тока и обеспечивающий любое постоянное напряжение от 0,5 до 12 В. В то время как величина тока, потребляемого от блока, может достигать 0,5 А, выходное напряжение остается стабильным. И еще одно достоинство блока - он не боится коротких замыканий, часто встречающихся на практике во время проверки и налаживания конструкций, что особенно важно для начинающего радиолюбителя.

Схема блока питания приведена на рис. 1 . Сетевое напряжение подается через вилку XI, предохранитель FX и выключатель S1 на первичную обмотку понижающего трансформатора T1. Переменное напряжение со вторичной обмотки поступает на выпрямитель, собранный на диодах VI - V4. На выходе выпрямителя будет уже постоянное напряжение, оно сглаживается конденсатором С1.

Далее следует стабилизатор напряжения, в который входят резисторы R2- R5, транзисторы V8, V9 и стабилитрон V7. Переменным резистором R3 можно устанавливать на выходе блока (в гнездах Х2 и ХЗ) любое напряжение от 0,5 до 12 В.

Защита от короткого замыкания реализована на транзисторе V6. Как только короткое в нагрузке пропадет - на выходе снова появится напряжение установленное ранее без каких-либо перезапусков.

На вторичной обмотке понижающего трансформатора 13 – 17 вольт.

Диоды могут быть любые из серии Д226 (например, Д226В, Д226Д и т.д.)- Конденсатор С1 типа К50-16. Постоянные резисторы - МЛТ, переменный - СП-1. Вместо стабилитрона Д814Д можно применить Д813. Транзисторы V6, V8 можно взять типа МП39Б, МП41, МП41А, МП42Б с возможно большим коэффициентом передачи тока. Транзистор V9 - П213, П216, П217 с любым буквенным индексом. Подойдут и П201 - П203. Транзистор нужно установить на радиатор.

Остальные детали - выключатель, предохранитель, вилка и гнезда - любой конструкции.

Как обычно, после окончания монтажа сначала проверьте правильность всех соединений, а затем вооружитесь вольтметром и приступайте к проверке блока питания. Вставив вилку блока в сетевую розетку и подав питание выключателем S1, сразу же проверьте напряжение на конденсаторе С1- оно должно быть 15-19 В. Затем установите движок переменного резистора R3 в верхнее по схеме положение и измерьте напряжение на гнездах Х2 и ХЗ- оно должно быть около 12 В. Если напряжение намного меньше, проверьте работу стабилитрона - подключите вольтметр к его выводам и измерьте напряжение. В этих точках напряжение должно быть около 12 В. Его значение может быть значительно меньше из-за использования стабилитрона с другим буквенным индексом (например, Д814А), а также при неправильном включении выводов транзистора V6 или его неисправности. Чтобы исключить влияние этого транзистора, отпаяйте вывод его коллектора от анода стабилитрона и вновь измерьте напряжение на стабилитроне. Если и в этом случае напряжение мало, проверьте резистор R2 на соответствие его номинала заданному (360 Ом). Когда добьетесь на выходе блока питания нужного напряжения (примерно 12 В), попробуйте перемещать движок резистора вниз по схеме. Выходное напряжение блока должно плавно уменьшаться почти до нуля.
Теперь проверьте работу блока под нагрузкой. Подключите к гнездам зажимам резистор сопротивлением 40-50 Ом и мощностью не менее 5 Вт. Его можно составить, например, из четырех параллельно соединенных резисторов МЛТ-2,0 (мощностью 2 Вт) сопротивлением по 160-200 Ом. Параллельно резистору включите вольтметр и установите движок переменного резистора R3 в верхнее по схеме положение. Стрелка вольтметра должна показать напряжение не ниже 11 В. Если напряжение падает сильнее, попробуйте уменьшить сопротивление резистора R2 (установите вместо него резистор сопротивлением 330 или 300 Ом).

Настудило время проверить действие автомата защиты. Понадобится амперметр на 1-2 А, но вполне можно воспользоваться и тестером типа Ц20, включенным на измерение постоянного тока до 750 мА. Сначала установите переменным резистором блока питания выходное напряжение 5-6 В, а затем подключите щупы амперметра к выходным гнездам блока: минусовый щуп к гнезду Х2, плюсовый - к гнезду ХЗ. В первый момент стрелка амперметра должна отклониться скачком на конечное деление шкалы, а затем возвратиться на нулевую отметку. Если это так, автомат работает исправно.

Максимальное выходное напряжение блока определяется только напряжением стабилизации стабилитрона. А оно для указанного на схеме Д814Д (Д813) может быть от 11,5 до 14 В. Поэтому при необходимости несколько поднять максимальное напряжение подберите стабилитрон с нужным напряжением стабилизации или замените его другим, например Д815Е (с напряжением стабилизации 15 В). Но в этом случае придется изменить резистор R2 (уменьшить его сопротивление) и использовать трансформатор, с которым выпрямленное напряжение будет не менее 17 В при нагрузке 0,5 А (измеряется на выводах конденсатора).

Заключительный этап - градуировка шкалы переменного резистора, которую вы заранее должны наклеить на лицевую панель корпуса. Понадобится, конечно, вольтметр постоянного тока. Контролируя выходное напряжение блока, устанавливайте движок переменного резистора в разные положения и отмечайте на шкале значение напряжения для каждого из них.

Регулируемый блок питания с защитой от КЗ на транзисторе КТ805.

На рисунке ниже представлена схема несложного стабилизированного источника питания. Он содержит понижающий трансформатор (Т1), мостовой выпрямитель (VD1 – VD4), конденсаторный фильтр (C1) и полупроводниковый стабилизатор напряжения. Схема стабилизатора напряжения позволяет плавно регулировать выходное напряжение в пределах от 0 до 12 вольт и защищена от коротких замыканий на выходе (VT1). Для питания низковольтного паяльника, а также для экспериментов с переменным электрическим током предусмотрена дополнительная обмотка трансформатора. Имеется индикация постоянного напряжения (светодиод HL2) и переменного (светодиод HL1). Для включения всего устройства используется тумблер SA1, а паяльника - SA2. Нагрузку отключает SA3. Для защиты цепей переменного тока от перегрузок предусмотрены предохранители FU1 и FU2. На ручке регулятора выходного напряжения (потенциометр R4) нанесены значения выходных напряжений. При желании можно на выходе стабилизатора установить стрелочный вольтметр или собрать вольтметр с цифровой индикацией.

На рисунке ниже показан фрагмент схемы модифицированного стабилизатора с индикацией короткого замыкания в нагрузке. В нормальном режиме светится зеленый светодиод, при замыкании нагрузки - красный.

Представленные ниже радиолюбительские схемы защиты блоков питания или зарядных устройств могут совместно работать практически с любыми источниками - сетевыми, импульсными и аккумуляторными батареями. Схемотехническая реализация этих конструкция относительна проста и доступна для повторения даже начинающим радиолюбителем.

Силовая часть выполнена на мощном полевом транзистор. В процессе работы он не перегревается, поэтому теплоотвод можно не использовать. Устройство одновременно является отлично защитой от переплюсовки, перегрузки и короткого замыкания в выходной цепи, ток срабатывания можно подобрать подбором резистора шунта, в нашем случае он составляет 8 Ампер, использовано 6 параллельно подключенных сопротивлений мощностью 5 ватт 0,1 Ом. Шунт можно сделать также из сопротивления мощностью 1-3 ватт.

Более точно защиту можно подстроить путем регулировки сопротивления подстроечного резистора. При коротком замыкании и перегрузке на выходе, защита почти сразу сработает, отключив блок питания. О сработавшей защите подскажет светодиод. Даже при замыкании выхода на 30-40 секунд, полевик остается почти холодным. Его тип не критичен, подойдут практически любые силовые ключи с током 15-20 Ампер на рабочее напряжение 20-60 Вольт. Отлично подойдут транзисторы из серии IRFZ24, IRFZ40, IRFZ44, IRFZ46, IRFZ48 или более мощные.

Данный вариант схемы будет полезен автолюбителям в роли защиты зарядного устройства для свинцовых аккумуляторов, если вдруг перепутаете полярность подсоединения, то с ЗУ ничего страшного не случится.

Благодаря быстрому срабатыванию защиты, ее можно отлично использовать для импульсных схем, при коротком замыкании защита сработает гораздо быстрее, чем перегорят силовые ключи импульсного БП. Конструкция подойдет также для импульсных инверторов, в роли токовой защиты.

Если в ваших блоках питания и ЗУ для переключения нагрузки используется полевой транзистор (MOSFET), то вы можете легко добавить в такую схему защиту от короткого замыкания или перегрузки. В данном примере мы будем применять внутреннее сопротивление RSD, на котором возникает падение напряжения, пропорциональное току, идущему через MOSFET.

Напряжение, следующее через внутренний резистор, может регистрироваться с помощью компаратора или даже транзистора, переключающегося при напряжении уровнем от 0.5 В, т.е, можно отказаться от применения токочувствительного сопротивления (шунта), на котором обычно возникает излишек напряжения. За компаратором можно следить с помощью микроконтроллера. В случае КЗ или перегрузки программно можно запустить ШИМ-регулирование, сигнализацию, аварийную остановку). Возможно также подсоединение выхода компаратора к затвору полевого транзистора, если при возникновении КЗ нужно сразу же отключить полевик.

Схема подключения транзистора к блоку питания приведена на рис.1, а вольт-амперные характеристики транзистора для различных сопротивлений резистора R1 - на рис.2. Работает защита так. Если сопротивление резистора равно нулю (т. е. исток соединен с затвором), а нагрузка потребляет ток около 0,25 А, то падение напряжения на полевом транзисторе не превышает 1,5 В, и практически на нагрузке будет все выпрямленное напряжение. При появлении же в цепи нагрузки КЗ ток через выпрямитель резко возрастает и при отсутствии транзистора может достичь нескольких ампер. Транзистор ограничивает ток короткого замыкания на уровне 0,45...0,5 А независимо от падения напряжения на нем. В этом случае выходное напряжение станет равным нулю, а все напряжение упадет на полевом транзисторе. Таким образом, в случае КЗ мощность, потребляемая от источника питания, увеличится в данном примере не более чем вдвое, что в большинстве случаев вполне допустимо и не отразится на "здоровье" деталей блока питания.

Рис. 2

Уменьшить ток короткого замыкания можно увеличением сопротивления резистора R1. Нужно выбирать такой резистор, чтобы ток короткого замыкания был примерно вдвое больше максимального тока нагрузки.
Подобный способ защиты особенно удобен для блоков питания со сглаживающим RC-фильтром - тогда полевой транзистор включают вместо резистора фильтра (такой пример показан на рис. 3).
Поскольку во время КЗ на полевом транзисторе падает почти все выпрямленное напряжение, его можно использовать для световой или звуковой сигнализации. Вот, к примеру, схема включения световой сигнализации - рис.7. Когда с нагрузкой все в порядке, горит светодиод HL2 зеленого цвета. При этом падения напряжения на транзисторе недостаточно для зажигания светодиода HL1. Но стоит появиться КЗ в нагрузке, как светодиод HL2 гаснет, но зато вспыхивает HL1 красного свечения.

Рис. 3

Резистор R2 выбирают в зависимости от нужного ограничения тока КЗ по высказанным выше рекомендациям.
Схема подключения звукового сигнализатора приведена на рис. 4. Его можно подключать либо между стоком и истоком транзистора, либо между стоком и затвором, как светодиод HL1.
При появлении на сигнализаторе достаточного напряжения вступает в действие генератор ЗЧ, выполненный на однопереходном транзисторе VT2, и в головном телефоне BF1 раздается звук.
Однопереходный транзистор может быть КТ117А- КТ117Г, телефон - низкоомный (можно заменить динамической головкой небольшой мощности).

Рис. 4

Остается добавить, что для слаботочных нагрузок в блок питания можно ввести ограничитель тока КЗ на полевом транзисторе КП302В. При выборе транзистора для других блоков следует учитывать его допустимую мощность и напряжение сток - исток.
Конечно, подобную автоматику можно ввести и в стабилизированный блок питания, не имеющий защиты от КЗ в нагрузке.

У каждого радиолюбителя, регулярно занимающегося конструированием электронных устройств, думаю, имеется дома регулируемый блок питания. Штука действительно удобная и полезная, без которого, испробовав его в действии, обходиться становится трудно. Действительно, нужно ли нам проверить, например светодиод, то потребуется точно выставлять его рабочее напряжение, так как при значительном превышении подаваемого напряжения на светодиод, последний может просто сгореть. Также и с цифровыми схемами, выставляем выходное напряжение по мультиметру 5 вольт, или любое другое нужное нам и вперед.

Многие начинающие радиолюбители, сначала собирают простой регулируемый блок питания, без регулировки выходного тока и защиты от короткого замыкания. Так было и со мной, лет 5 назад собрал простой БП с регулировкой только выходного напряжения от 0,6 до 11 вольт. Его схема приведена на рисунке ниже:

Но несколько месяцев назад решил провести апгрейд этого блока питания и дополнить его схему небольшой схемкой защиты от короткого замыкания. Эту схему нашел в одном из номеров журнала Радио. При более детальном изучении выяснилось, что схема во многом напоминает приведенную выше принципиальную схему, собранного мной ранее блока питания. При коротком замыкании в питаемой схеме светодиод индикации КЗ гаснет, сигнализируя об этом, и выходной ток становится равен 30 миллиампер. Было решено, взяв часть этой схемы дополнить свою, что и сделал. Оригинал, схему из журнала Радио, в которую входит дополнение, привожу на рисунке ниже:

На следующем рисунке показывается часть этой схемы, которую нужно будет собрать.

Номинал некоторых деталей, в частности резисторов R1 и R2, нужно пересчитать в сторону увеличения. Если у кого-то остались вопросы, куда подсоединять выходящие провода с этой схемы, приведу следующий рисунок:

Еще дополню, что в собираемой схеме, вне зависимости, будет это первая схема, или схема из журнала Радио необходимо поставить на выходе, между плюсом и минусом резистор 1 кОм. На схеме из журнала Радио это резистор R6. Дальше осталось протравить плату и собрать все вместе в корпусе блока питания. Зеркалить платы в программе Sprint Layout не нужно. Рисунок печатной платы защиты от короткого замыкания:

Примерно месяц назад мне попалась на глаза схема приставки регулятора выходного тока, которую можно было использовать совместно с этим блоком питания. взял с этого сайта. Тогда собрал эту приставку в отдельном корпусе и решил подключать её по мере необходимости для зарядки аккумуляторов и тому подобных действий, где важен контроль выходного тока. Привожу схему приставки, транзистор кт3107 в ней заменил на кт361.

Но впоследствии пришла в голову мысль соединить, для удобства, все это в одном корпусе. Открыл корпус блока питания и посмотрел, места осталось маловато, переменный резистор не поместится. В схеме регулятора тока используется мощный переменный резистор, имеющий довольно большие габариты. Вот как он выглядит:

Тогда решил просто соединить оба корпуса на винты, сделав соединение между платами проводами. Также поставил тумблер на два положения: выход с регулируемым током и нерегулируемым. В первом случае, выход с основной платы блока питания соединялся с входом регулятора тока, а выход регулятора тока шел на зажимы на корпусе блока питания, а во втором случае, зажимы соединялись напрямую с выходом с основной платы блока питания. Коммутировалось все это шести контактным тумблером на 2 положения. Привожу рисунок печатной платы регулятора тока:

На рисунке печатной платы, R3.1 и R3.3 обозначены выводы переменного резистора первый и третий, считая слева. Если кто-то захочет повторить, привожу схему подключения тумблера для коммутации:

Печатные платы блока питания, схемы защиты и схемы регулировки тока прикрепил в архиве . Материал подготовил AKV.

Этот блок питания прост для повторения, надежно защищен от случайных коротких замыканий, имеет плавную регулировку выходного напряжения от “нуля”, коллекторы транзисторов крепятся непосредственно к радиатору или корпусу (массе шасси).

Блок состоит из понижающего трансформатора, выпрямителя, сравнивающего устройства на операционном усилителе, который своим током потребления управляет составным транзистором и, узле защиты (рис. 1).

Понижающий трансформатор следует проверить на отдаваемую им мощность. Для этого первичную обмотку включают через предохранитель в сеть 220 вольт, предварительно заизолировав все открытые участки проводки. Переменное напряжение на вторичной обмотке не должно превышать 20 вольт, иначе после выпрямителя постоянное напряжение на электролитическом конденсаторе превысит 30 вольт, предельное для микросхемы операционного усилителя. Параллельно к выводам вторичной обмотки трансформатора подключают вольтметр и кратковременно накоротко замыкают мощным резистором сопротивлением 20 ом. Ток через резистор будет приблизительно 1 ампер. Обычно этого достаточно, но “дело вкуса”. Если показания вольтметра изменились незначительно и такая мощность устраивает, проверка закончена.

В выпрямителе лучше использовать микросборку КЦ-402 или КЦ-405 с любым буквенным индексом. Тогда постоянное напряжение на выходе будет более “красивым” благодаря одинаковым параметрам диодов моста. При потребности в больших токах блока выпрямительный мост собирается из отдельных мощных диодов.

Сравнивающее устройство (см. рис. 1) состоит из операционного усилителя DА1 и измерительного моста, образованного резисторами R5-R7 и стабилитроном VD2. Изменение напряжения на выходе блока питания приводит к разбалансу измерительного моста. Операционный усилитель усиливает напряжение разбаланса, изменяя напряжение на нагрузочном сопротивлении R4, но, так как эта нагрузка постоянна, то меняется ток, проходящий через микросхему. Этот ток, как нельзя лучше, подходит для управления регулирующим транзистором, так как транзистор, в общем, токовый элемент. Идея нестандартного включения операционного усилителя взята из . В сравнивающем устройстве можно применить любой операционный усилитель, особенно, если блок будет использоваться как нерегулируемый стабилизатор напряжения в каком-либо устройстве. Напряжение на выходе блока будет равно удвоенному напряжению стабилизации применяемого стабилитрона (это соотношение можно изменять резисторами R5 и R6). Если понадобится стабилизировать напряжение более 30 вольт, то необходимо установить стабилитрон VD3 (показан пунктиром), который погасит избыточное напряжение на ОУ. При этом сопротивление резистора R7 должно быть рассчитано на номинальный рабочий ток стабилитрона VD2. Операционный усилитель без обратной связи может возбудиться и тогда потребуется ввести конденсатор С4.

Не все операционные усилители подходят для регулируемого варианта блока (см. рис. 2). Нужно проследить, чтобы при уменьшении выходного напряжения до “нуля” потенциометром R7 процесс стабилизации не срывался. Иначе на выходе блока появится полное напряжение от выпрямителя.

Узел защиты состоит из шунта и тринистора 2У107А. Ток, проходящий через шунт, создает на нем пропорциональное падение напряжения. Как только напряжение достигнет определенного уровня, тринистор откроется и разбалансирует уравновешивающий мост R5-R8 (рис. 2). Тогда составной транзистор VT1-VT2 закроется и ток через нагрузку блока прекратится. Для возврата защиты в исходное состояние служит кнопка SB1. Здесь не следует применять тумблер или выключатель: можно забыть включить защиту. При необходимости получения максимального тока можно просто удерживать кнопку нажатой. В качестве шунта использован отрезок манганинового провода. Сечение и длина провода подбираются экспериментально в зависимости от требуемого тока и порога срабатывания защиты. Тринистор 2У107А по чувствительности, быстроте и надежности срабатывания оказался наиболее удачным выбором. Другие тринисторы не дали нужного результата.

Составной транзистор может быть собран из любых транзисторов при соблюдении общих правил, например: VT1-КТ808А, VT2-КТ815А. Подстроечное сопротивление R3 (рис.1) служит для настройки составного транзистора на максимальную отдачу тока. Для этого следует нагрузочным сопротивлением (например, 12 ом) кратковременно замыкать выход блока питания и установить R3 по меньшему отклонению выходного напряжения.

На основе изложенного был собран двуполярный лабораторный блок питания (см. рис. 3 и фото 1-3). Верхний по схеме стабилизатор удобно использовать без защиты. Вместе с нижним стабилизатором можно получить напряжение до 25 вольт, плюс защита от перегрузки. Транзистор VT1 необходимо изолировать от радиатора слюдяной прокладкой.

Детали блока питания собраны на печатной плате размером 80х110 мм. Корпус блока сделан из одностороннего фольгированного стеклотекстолита размером 235х100х160 мм. Детали корпуса скреплены между собой оловом. Верхняя крышка корпуса укреплена треугольными косынками. Передняя и задняя стенки скреплены с поддоном прямоугольниками. В них просверлены отверстия и изнутри припаяны гайки М3 для крепления крышки.

Фальшпанель крепится к передней панели с помощью винта и гайки через отверстие, просверленное посередине. На фальшпанель выведены светодиоды: красный - загорается при срабатывании защиты, зеленый - указывает о включенном состоянии блока в сеть. Для вольтметра и миллиамперметра вырезаны отверстия. Миллиамперметр отрегулирован шунтом на полное отклонение стрелки и срабатывание защиты при токе 300 миллиaмпер. Такая защита срабатывает мгновенно и спасла не одно устройство.

На задней панели находятся радиаторы с транзисторами VT1 и VT3, предохранитель, клеммы выходного напряжения, тумблер включения блока питания в сеть, тумблер переключения вольтметра, кнопка “Сброс защиты”.

Литература:

1. Журнал “Радио”, 1986 г., номер 9, стр. 48.

М. Файзуллин (UA9WNH/9), Тюменская обл., г. Нижневартовск