БП 0.5 - 12 В с защитой от КЗ

Предлагается простая схема регулируемого блока питания от 0,5 до 12 В при токе потребления до 300 мА с защитой от короткого замыкания (КЗ) в нагрузке. Рассмотрим работу этого БП.

   Сетевое напряжение 220В понижается вторичной обмоткой трансформатора T1 до 13 - 14В и выпрямляется диодным мостом VD1 - VD4. Конденсатор фильтра C1 сглаживает пульсации выпрямленного напряжения. Это напряжение (18-20В) поступает на вход стабилизатора, обеспечивающего нагрузке, подключенной к его выходу, стабильное постоянное напряжение. Это напряжение не меняется из-за колебаний электросети и непостоянства потребляемого нагрузкой тока. Основой стабилизатора служит стабилитрон VD6 – специальный кремниевый диод, включенный в обратном направлении. При некотором обратном напряжении такой диод пробивается (это так называемый электрический пробой). Это для него не опасно. Дальнейшее незначительное повышение напряжения приводит к резкому увеличению  тока через стабилитрон. Другими словами, если обратный ток через стабилитрон не выходит за определенные пределы (для маломощных стабилитронов  - от единиц до нескольких десятков миллиампер), то напряжение на нем почти не изменяется. Благодаря этому свойству стабилитрона напряжение на подключенной параллельно ему нагрузке также остается практически постоянным. Режим работы стабилитрона, т.е. нужный обратный ток через него, задает резистор R3, называемый балластным.

   Снимаемое со стабилитрона напряжение (его называют напряжением стабилизации Uст.;  у используемого  здесь стабилитрона Д814Д оно примерно 12 В) через переменный резистор R4, выполняющий функции делителя, подается на базу транзистора VT2, образующего с транзистором VT3 составной регулирующий транзистор стабилизатора. Можно сказать, что это усилитель мощности, обеспечивающий нужный ток через нагрузку при заданном выходном напряжении.

   Принцип работы стабилизатора основан на том, что при фиксированном (неизменном) напряжении смещения на эмиттерном переходе транзистора VT2 изменение напряжения между эмиттером и коллектором транзистора VT3 почти не сказывается на силе эмиттерного тока (в данном случае – тока нагрузки). То есть, увеличение (уменьшение) напряжения, поступающего на вход стабилизатора от выпрямителя, например, из-за повышения (понижения) напряжения электросети приводит лишь к незначительному увеличению (уменьшению) выходного напряжения. Это обусловлено в основном приростом (снижением) напряжения на стабилитроне из-за увеличения (уменьшения) тока через него.

   При увеличении (уменьшении) тока нагрузки и связанном с этим снижением (повышением) напряжения на ней возрастает (падает) напряжение смещения на эмиттерном переходе транзистора VT3, поэтому в результате исходный режим  питания нагрузки восстанавливается.       

   При перемещении движка резистора R4 вверх (по схеме) напряжение смещения на базе составного транзистора, а значит и на выходных гнездах XS3 и XS4 возрастает от 0,5 до 12 В.

   Узел защиты стабилизатора от КЗ в выходной цепи (цепь R2, VD5 и транзистор VT1) работает следующим образом.

   Предположим, что провода, идущие от одного из выходных гнезд к нагрузке, оказались замкнутыми накоротко. В этом случае ток, текущий через регулирующий транзистор VT3 мгновенно увеличивается до значения, во много раз превышающего допустимое значение, и ограничивается лишь сопротивлением самого выпрямителя и вторичной обмотки сетевого трансформатора T1. В результате регулирующий транзистор сильно перегревается, происходит тепловой пробой его p-n перехода, перегружаются и выходят из строя диоды выпрямителя VD1 - VD4.

   Чтобы этого не случилось, в стабилизатор напряжения введен узел защиты от КЗ в нагрузке, состоящей из германиевого транзистора  VT1 n-p-n структуры, включенного в прямом направлении кремниевого диода  VD5 и резистора R2, ограничивающего ток через него значением около 12 – 15 мА. Как видно, коллектор   транзистора  VT1 подключен к катоду стабилитрона  VD6, эмиттер соединен с выходом стабилизатора, а база – с анодом VD5. Последний в данном случае выполняет функции стабистора (так называются стабилизирующие диоды, работающие на прямом участке вольт-амперной характеристики), поддерживающего на базе транзистора VT1 неизменное напряжение около 0,6 – 0,7 В относительно общего провода.

   В обычном режиме работы стабилизатора транзистор узла защиты надежно закрыт, так как напряжение на его базе относительно эмиттера отрицательное, и никакого влияния на стабилизатор не оказывает. При возникновении КЗ эмиттер транзистора VT1, как и эмиттер регулирующего транзистора VT3, оказывается соединенным с общим отрицательным проводом стабилизатора. Другими словами, напряжение на его базе относительно эмиттера становится положительным, вследствие чего транзистор VT1 открывается, входит в режим насыщения и своим малым сопротивлением участка коллектор-эмиттер шунтирует стабилитрон VD6. В результате этого транзисторы VT2 и VT3 переходят в состояние, близкое к закрытому, и ток через транзистор VT3 мгновенно уменьшается до небольшого безопасного значения.

   После устранения КЗ напряжение смещения на эмиттерном переходе транзистора VT1 снова становится отрицательным, и он закрывается, а регулирующий транзистор VT3 открывается и вновь начинает работать в штатном режиме.

   Печатная плата с расположением деталей и дорожками представлена ниже.