Тема электронных предохранителей как самостоятельного класса устройств продолжает оставаться актуальной в случае питания аппаратуры от автономных источников, способных обеспечить значительные разрядные токи. Подтверждением этому является недавний выпуск фирмой Toshiba многофункционального самовосстанавливающегося предохранителя TCKЕ712BNL [1].
В статье предлагается любительский вариант аналогичного устройства на дискретных элементах.
Все электронные предохранители содержат регулирующий элемент в виде биполярного или полевого транзистора и делятся на две категории:
- Ограничители тока, в которых ток, потребляемый нагрузкой, не может превысить некоторую величину;
- Триггерные автоматы, отключающие нагрузку при возникновении перегрузок.
Недостатком первой категории защитных устройств является значительная мощность, рассеиваемая регулирующим элементом при перегрузке и, тем более, при коротком замыкании в нагрузке.
Вторая категория защитных устройств, как ясно из названия, работает по принципу триггера – после аварийного срабатывания электронного предохранителя требуется его ручное или автоматическое приведение в рабочее состояние.
Существенным недостатком этого вида защиты является то обстоятельство, что такие предохранители практически непригодны для защиты устройств, стартовые токи которых в несколько раз превышают номинальные значения, например имеющих на входе конденсаторы большой емкости.
Логически рассуждая, можно прийти к выводу, что оптимальный алгоритм работы электронного предохранителя выглядит так: после возникновения стартовой перегрузки предохранитель переходит в режим ограничения тока на время Т1, позволяющее защищаемой аппаратуре выйти на штатный режим. Если перегрузка продолжается больше времени T1, предохранитель отключает нагрузку от источника питания.
Любая нештатная перегрузка считается случайной, поэтому после отключения нагрузки предохранитель выжидает время Т2, затем делает тестовое включение нагрузки. Если перегрузка не исчезла, повторяется процесс, описанный выше.
Поскольку в течение времени Т1 на регулирующем элементе выделяется значительная мощность, вызывающая его нагрев, время Т2 должно быть достаточным для его охлаждения. Таким образом, время Т1 должно быть больше длительности стартового процесса в защищаемой аппаратуре, а время Т2 определяется допустимым нагревом регулирующего элемента при повторяющихся циклах включения-выключения.
Если время Т2 слишком мало, чтобы обеспечить естественное охлаждение регулирующего элемента, необходимо дополнить предохранитель тепловой защитой, исключающей включение регулирующего элемента до его остывания.
Для того чтобы избежать повреждения при подключении к источнику питания в неправильной полярности, предохранитель должен иметь соответствующую защиту на входе.
Блок-схема предохранителя, реализующая описанный выше алгоритм и дополнительные узлы, приведена на Рисунке 1.
 | |
| Рисунок 1. | Блок-схема электронного предохранителя. |
Несмотря на обилие функциональных узлов в блок-схеме, практическая реализация электронного предохранителя весьма проста и требует лишь нескольких активных компонентов.
Автор использует такой предохранитель при работе с автомобильной электроникой, так как случайные замыкания при наладке устройств, питаемых от аккумуляторов, имеют, как известно, крайне неприятные последствия.
Принципиальная схема электронного предохранителя изображена на Рисунке 2.
 | |
| Рисунок 2. | Принципиальная схема электронного предохранителя. |
Защита от неправильной полярности выполнена на транзисторе VT1 по известной схеме, которая детально разобрана в [2] и [3].
Транзистор VT3 совместно с R7 выполняет функцию детектора перегрузки и одновременно является частью стабилизатора тока. Когда падение напряжения на резисторе R7 достигает величины 0.6 В, транзистор VT3 начинает открываться, частично закрывая транзистор VT4. Это ограничивает ток в нагрузке до момента срабатывания защиты. Ток ограничения определяется сопротивлением резистора R7. Его величина рассчитывается по формуле:
В схеме на Рисунке 2 ток ограничения составляет около 2.4 А.
Транзистор VT2 при перегрузке открывается синхронно с VT3, напряжение на его коллекторе начинает расти, и когда оно достигает примерно трех вольт, триггер Шмитта на элементе DD1.1 формирует на выходе отрицательный перепад напряжения, который затем инвертируется элементом DD1.2. Положительный перепад напряжения на выходе DD1.2 начинает заряд конденсатор С3 через резистор R4. Время заряда конденсатора до порога срабатывания триггера Шмитта на входе элемента DD1.3 соответствует времени Т1, упомянутому при описании алгоритма.
Если перегрузка закончится раньше, чем сработает триггер Шмитта, конденсатор С3 начнет разряжаться через диод VD2 и резистор R3, вследствие чего отключения нагрузки не произойдет! Таким образом, элемент DD1.3 совместно с С3 и R4 соответствует двум узлам на блок-схеме: анализатору длительности перегрузки и блоку задержки сигнала на время Т1.
Если за время Т1 перегрузка не прекратится, то на выходе элемента DD1.3 формируется отрицательный перепад, запускающий ждущий мультивибратор на элементах DD1.4 и DD2.1. При этом на выходе DD1.4 установится высокий уровень, который в свою очередь вызовет появление низкого уровня на выходном транзисторе с открытым стоком микросхемы DD3.1. Ток через резистор R8 полностью откроет VТ3, вследствие чего транзистор VТ4 закроется, обесточив нагрузку.
Через некоторое время (T2), необходимое для заряда конденсатора С6 ждущего мультивибратора, на выходе элемента DD2.1 установится низкий уровень, а на выходе DD3.1 – высокий. Ток через резистор R8 прекратится, и предохранитель вновь перейдет в режим ограничения тока в нагрузке. Если перегрузка исчезла, то восстановится штатный режим работы. Если перегрузка продолжается, описанный выше цикл повторится.
При указанных на схеме величинах времязадающих элементов время Т1 равно 380 миллисекунд, а время Т2 – около 8 секунд. При повторении устройства пользователь может изменить временные параметры предохранителя, исходя из конкретных характеристик нагрузки, или сделать их регулируемыми в широких пределах.
Логические элементы, не использующиеся непосредственно в работе электронного предохранителя, задействованы для индикации аварийного состояния – световой (DD3.2) и звуковой (DD2.2, DD2.3, DD2.4).
Несмотря на высокую скважность тестовых импульсов и относительно небольшой средний ток через VT4, последний ощутимо нагревается при длительных перегрузках, что требует его установки на радиатор.
На блок-схеме присутствует тепловая защита, которой на принципиальной схеме соответствует биметаллический тепловой предохранитель TP1. Тепловой предохранитель выполнен в корпусе ТО-220, что позволяет смонтировать его максимально близко к транзистору VТ4. В реальной конструкции тепловой предохранитель расположен зеркально транзистору VТ4 по другую сторону медной пластины толщиной 2 мм площадью около 10 квадратных сантиметров и крепится тем же винтом.
Температура срабатывания теплового предохранителя составляет 45 градусов. Это в какой-то степени гарантирует, что температура кристалла транзистора VТ4 не превысит допустимых значений.
Специфика работы MOSFET в линейном режиме заставляет очень внимательно относиться к их тепловому режиму и избегать нагрева кристалла до температур, близких к максимально допустимым.
Используемый в качестве регулирующего элемента транзистор IRF4905 не является оптимальным для работы в линейном режиме, однако три года эксплуатации подтвердили надежность устройства.
Электронный предохранитель, описываемый в этой статье, испытывался при коротком замыкании на выходе и напряжении источника 25.5 В (два 12-вольтовых аккумулятора, соединенных последовательно). После 4 - 5 тестовых включений срабатывала тепловая защита.
При штатном напряжении 12.8 В и коротком замыкании на выходе тепловая защита срабатывала после 12 - 15 тестовых включений. Исходя из условий эксплуатации, устройство смонтировано в корпусе без вентиляционных отверстий с размерами 90 × 60 × 20 мм.
Определенным недостатком электронного предохранителя, предложенного вниманию читателей, является относительно большое падение напряжения на резисторе R7 при токах, близких к порогу срабатывания защиты. Однако любой предохранитель предполагает рабочие токи, существенно меньшие порога срабатывания защиты, так что это не является большой проблемой.