ВЫКЛЮЧАТЕЛЬ С ЗАЩИТОЙ

Во многих технических конструкциях, приборах, в лабораторном и стендовом оборудовании, в автомобилях применяются электросети постоянного тока напряжением 12 В. Их защита от перегрузок, которые могут привести к самовозгоранию, является весьма актуальной задачей.

Предлагаемое устройство предназначено именно для этого. Оно содержит: транзисторный ключ VT6; узел контроля его базового тока, выполненный на транзисторах VT5, VT9, резисторах R14, R15, R17, реле К1; предварительный каскад — на транзисторе VT7, резисторах R2, R12; узел защиты — на стабилитроне VD3, конденсаторе С3, резисторах R6, R16, R18, R19, R21 — R23, R25 — R27, компараторе DA1, триггере DD2, транзисторах VT10, VT11, транзисторной оптопаре VT2; узел запуска — на транзисторах VT3, VT4, VT8, конденсаторах С1, С2, резисторах R3 — R5, R7 — R9, R11, R13, R20, микросхеме DD1; стабилизатор напряжения — на транзисторе VT1, стабилитроне VD1, резисторе R1, цепь индикации — на светодиоде HL1, резисторе R24.

Отличительная особенность данного устройства — низкое падение напряжения в открытом состоянии (что достигается отсутствием токового датчика для схемы защиты), а также автоматическая регулировка тока базы ключевого транзистора (в результате которой уменьшаются потери в цепи управления ключа при токах нагрузки, меньше номинального).

Устройство работает следующим образом. При подключении питания на инвертирующем входе компаратора DA1 напряжение отсутствует, а к прямому входу подключено опорное напряжение. На выходе компаратора DA1 устанавливается высокий уровень напряжения, транзистор VT10 открывается и на вход 1 триггера DD2 подается низкий уровень напряжения, а на выходе 3 устанавливается высокий уровень напряжения; транзистор VT11 открывается, и через светодиод оптопары VT2 проходит ток; транзистор оптопары VT2 открывается и шунтирует переход «база — эмиттер» транзистора VT7, препятствуя тем самым его открытию На выходе 6 триггера устанавливается низкий уровень напряжения, светодиод HL1 не светится.

На микросхеме DD1 собран формирователь одиночного импульса низкого напряжения; на транзисторах \/ТЗ, VТ4, VТ8 — электронный переключатель. При поступлении на вход устройства сигнала управления положительной полярности электронный переключатель устанавливается таким образом, что на вход 2 формирователя DD1 поступает высокий уровень напряжения, а на вход 5 — низкий. В результате на выходе 11 формирователя DD1 образуется короткий импульс низкого напряжения, длительность которого задается резистором R20 и конденсатором С2 и который подается на вход 5 триггера DD2. Триггер перебрасывается, и значения уровней напряжения на его выходах меняются местами — на выходе 3 устанавливается низкий уровень напряжения, а на выходе 6 — высокий. В результате этого закрываются транзистор VТ11 и транзистор оптопары VТ2. Одновременно при поступлении сигнала управления на вход устройства через форсирующую цепочку С1 — R5 открывается транзистор VT7, а затем и транзистор VТ6, в результате нагрузка оказывается подключенной к источнику питания. Включается реле К1 и замыкаются его контакты К1.1, подсоединяя базу транзистора VТ5 к резистору R15. При увеличении тока нагрузки происходит падение напряжения на эмиттер-коллекторе ключа VТ6 до 0,6 вольта — открывается транзистор VТ5, а затем и транзистор VТ9. Резистор R14 оказывается подсоединенным параллельно резистору R12. В результате общее сопротивление цепи базы ключа VТ6 уменьшается, ключ заходит в режим насыщения — и падение напряжения на нем уменьшается. (Этот режим автоматического регулирования тока базы ключа VT4 предотвращает ложное срабатывание защиты в случае кратковременного повышения тока нагрузки). На инвертирующем входе компаратора DA1 появляется напряжение источника питания, которое превышает опорное напряжение подаваемое на неинвертирующий вход компаратора. На его выходе 1 устанавливается низкий уровень напряжения — транзистор VT10 закрывается. На входе 1 триггера DD2 устанавливается высокий уровень напряжения. однако это не влияет на состояние триггера: на его выходе 6 по-прежнему высокий уровень напряжения, а на выходе 3 — низкий.

Принципиальная электрическая схема транзисторного выключателя с защитой от перегрузок

В случае реальной перегрузки или короткого замыкания напряжение на сопротивлении нагрузки уменьшается до величины, меньшей опорного напряжения, задаваемого стабилитроном VD3. Это приводит к срабатыванию компаратора DA1; на его выходе устанавливается высокий уровень напряжения, транзистор VT10 открывается, и на вход 1 триггера DD2 подается низкий уровень напряжения. Триггер перебрасывается и положительным уровнем напряжения на выходе 3 открывает транзистор VT11, ток через который вызывает свечение светодиода оптопары VT2. Транзистор последней открывается и шунтирует базоэмиттерный переход транзистора VT7, который закрывается. Закрывается и транзистор VT6, отключая источник питания от аварийной нагрузки.

Для восстановления работы устройства после устранения причины перегрузки необходимо отключить и вновь включить сигнал управления положительной полярности на вход устройства, ну а если нужен ручной выключатель, воспользуйтесь кнопкой КМЕ.

Свечение светодиода HL1 подтвердит рабочее состояние устройства.

Диод VD2 служит для защиты ключа VT6 от перенапряжения в момент отключения индуктивной нагрузки. Стабилизатор на стабилитроне VD1, транзисторе VT1 и резисторе R1 на выходе имеет напряжение +5 вольт — для питания цепей микросхем DD1, DD2 K155ЛА3 Заменяя стабилитрон VD1, можно изменять ток срабатывания защиты, например, при стабилитроне КС133А ток равен 2,9 А, а при стабилитроне КС156А — 2,8 А.

Технические характеристики выключателя:

Напряжение питания, В……………..12

Номинальный ток, А…………………..2

Падение напряжения, В……………..0,35

Ток управления, А……………………..0,015

Ток срабатывания защиты, А……..2,5

О. СИДОРОВИЧ, г. Львов