Устройство защиты сильноточной аппаратуры
Предлагаемое устройство предназначено для защиты аппаратуры, потребляющей от источника постоянного напряжения значительный импульсный ток (УМЗЧ, трансиверы и т. п.). Устройство отключает нагрузку в случаях чрезмерного повышения или понижения напряжения питания. Пороги срабатывания защиты можно регулировать в широких пределах. Малые габариты устройства позволяют встроить его в питаемую нагрузку. Когда мощная низковольтная радиоаппаратура получает питание от случайных нештатных источников, в том числе автомобильных аккумуляторов, весьма актуальна ее защита от переполюсовки и недопустимого напряжения питания (слишком высокого или низкого). В первом случае можно применить классический прием - предохранитель и мощный диод, подключенный катодом к плюсовой, а анодом к минусовой шине питания. Для второго случая, разработано предлагаемое устройство, которое включается в линию питания нагрузки и может быть встроено в нагрузку. Схема устройства показана на рис. 1.
Нагрузку коммутирует мощный ключевой р-канальный полевой транзистор IRF 4905 ( VT 1), которым управляют две микросхемы - параллельные стабилизаторы напряжения - КР142ЕН19 ( DA 1 и DA 2), работающие в режиме компаратора. Если напряжение на входе микросхемы КР142ЕН19 меньше порога ее переключения (2,5 В), то микросхема закрыта и потребляет ток около 1 мкА. В противном случае ток через микросхему резко возрастает (с крутизной примерно 2 А/В), поэтому его ограничивают внешними элементами так, чтобы он не превышал 100 мА. На микросхеме DA 1 собран узел, реагирующий на повышение напряжения питания, а на DA 2 - на понижение. Характеристика устройства показана на рис. 2.
Рассмотрим плавное увеличение напряжения питания. Пока оно меньше 10 В, обе микросхемы закрыты и ток через резистор R 7 невелик. Напряжение на этом резисторе недостаточно для открывания транзистора VT 1, нагрузка отключена, светодиод HL 1 не горит. Когда напряжение питания возрастет до 10 В, напряжение на управляющем входе микросхемы DA 2 достигнет 2,5 В и микросхема откроется. Ток через нее возрастет, напряжение на резисторе R 7 увеличится, и транзистор откроется и подключит нагрузку. Благодаря малому сопротивлению канала открытого транзистора VT 1 (0,02 Ом) падение напряжения на нем будет невелико и почти все входное напряжение поступает на нагрузку. Светодиод HL 1 индицирует включенное состояние нагрузки. Когда напряжение питания достигнет 16 В, откроется микросхема DA 1, напряжение на ней не превысит 2 В, вследствие чего микросхема DA 2 закроется, транзистор VT 1 также закроется и отключит нагрузку. Светодиод HL 1 погаснет. При плавном уменьшении напряжения питания нагрузка будет включена при напряжении 15 В и отключена при 9 В. Таким образом, каждый порог переключения имеет гистерезис, что повышает надежность переключения и исключает многократную коммутацию нагрузки, когда нестабильное напряжение питания колеблется на пороговом уровне. Гистерезис верхнего порога осуществлен с помощью положительной обратной связи через резистор R 6, нижнего порога - через резистор R 8. Указанные выше пороги срабатывания могут быть изменены в широких пределах: верхний - подстроечным резистором R 1, нижний - R 4. Увеличение сопротивления резисторов R 6 уменьшает гистерезис верхнего порога, R 8 - нижнего. Для уменьшения влияния помех в цепь отрицательной обратной связи микросхем включены конденсаторы С1 и СЗ, но следует учесть, что они уменьшают быстродействие устройства. При токе нагрузки 10 А падение напряжения на открытом транзисторе VT 1 не превысит 0,2 В, а рассеиваемая мощность будет не более 2 Вт, поэтому транзистор можно использовать без теплоотвода. При токе 20 А рассеиваемая мощность может достичь 8 Вт, поэтому необходим небольшой теплоотвод или включение двух транзисторов параллельно. Напряжение питания с учетом пульсаций должно быть меньше предельно допустимого напряжения микросхем - 30 В.
Конструкция и детали. Транзистор IRF 4905 ( VT 1) - полевой с р-каналом в корпусе ТО-220 или IRF 4905 L в корпусе ТО-262, также можно использовать IRFU 5305 в корпусе ТО-251АА. Микросхему КР142ЕН19 ( DA 1 и DA 2) можно заменить зарубежным аналогом TL 431 CLR . Все конденсаторы - К10-17 или аналогичные импортные, постоянные резисторы - Р1-4, МЛТ, С2-33, подстроечные - СПЗ-19. Для этих деталей рассчитана плата, чертеж которой показан на рис. 3. Она изготовлена из односторонне фольгированного стеклотекстолита.
Если необходимо уменьшить габаритные размеры устройства, то надо применить детали для поверхностного монтажа: транзистор VT 1 IRF 4905 S - в корпусе D 2- Pak или IRFR 5305 - в корпусе D - Pak , микросхемы DA 1 и DA 2 TL 431 CD - в корпусе SOP -8, подстроечные резисторы PVZ , постоянные резисторы и конденсаторы - типоразмера 1206. Чертеж печатной платы для таких деталей показан на рис. 4, фотография смонтированной платы - на рис. 5.
Светодиод HL 1 можно применить любой маломощный видимого спектра излучения. Сопротивление резистора R 9 выбирают так, чтобы при максимальном напряжении питания нагрузки ток через светодиод не превысил максимально допустимого значения. Светодиод HL 1 и резистор R 9 установлены вне платы навесным монтажом. Эти элементы нужны только в том случае, если у нагрузки нет собственной индикации включенного состояния.
Налаживание сводится к установке порогов переключения подстроечными резисторами R 1 и R 4, требуемые значения гистерезисов устанавливают подбором резисторов R 6 и R 8.
И . Нечаев, г . Курск. Радио №11, 2006г.