Электронные предохранители и ограничители

Электронные предохранители и ограничители постоянного и переменного тока

Ощутимым недостатком плавких предохранителей является их одноразовость, необходимость последующей ручной замены на другой предохранитель, рассчитанный на тот же ток защиты. Зачастую, когда под рукой нет подходящего, используют предохранители на другой ток или более того, ставят самодельные (суррогатные) предохранители или просто массивные перемычки, что крайне негативно отражается на надежности работы аппаратуры и небезопасно в пожарном отношении.
Обеспечить автоматическую многоразовую защиту устройства и одновременно повысить ее быстродействие можно за счет использования электронных предохранителей. Эти устройства можно подразделить на два основных класса: первые из них самовосстанавливают цепь питания после устранения причин аварии, вторые — только после вмешательства человека. Известны также устройства с пассивной защитой — при аварийном режиме они только индицируют световым или звуковым сигналом о наличии опасной ситуации.
Для защиты радиоэлектронных устройств от перегрузок по току обычно используют резистивные или полупроводниковые датчики тока, включенные последовательно в цепь нагрузки. Как только падение напряжения на датчике тока превысит заданный уровень, срабатывает защитное устройство, отключающее нагрузку от источника питания. Преимуществом такого способа защиты является то, что величину тока срабатывания защиты можно легко изменять. Чаще всего этого достигают с помощью датчика тока.
Другим эффективным методом защиты нагрузки является ограничение величины предельного тока через нее. Даже при наличии в цепи нагрузки короткого замыкания ток ни при каких обстоятельствах не сможет превысить заданный уровень и повредить нагрузку. Для ограничения предельного тока нагрузки используют генераторы стабильного тока.
Схемы простой автоматической защиты радиоэлектронных устройств от перегрузок по току представлены на Рисунок 5.1 и 5.2 [5.1]. Работа устройств такого типа (стабилизатор тока на основе полевого транзистора) подробно рассматривалась ранее в главе 5 (книга 2). Ток нагрузки при использовании такого ограничителя не сможет превысить начального тока стока полевого транзистора. Величину этого тока можно задавать подбором типа транзистора, например, для приведенного на схеме транзистора типа КП302В максимальный ток через нагрузку не превысит значения 30...50 мА. Увеличить значение этого тока можно параллельным включением нескольких транзисторов.

Ограничение предельного тока нагрузки

Рисунок 5.1. Ограничение предельного тока нагрузки при помощи полевого транзистора

Схема автовыключателя нагрузки — таймера

Рисунок 5.8. Схема автовыключателя нагрузки — таймера

При суммарном сопротивлении резисторов R2 и R3 100 кОм таймер обеспечивает выдержку в 1 сек, при суммарном сопротивлении 200 кОм — 2 сек, 300 кОм — 3 сек и т.д. до 33 сек. Увеличить время выдержки на один-два порядка можно увеличением номиналов R2, R3 и С1.

Максимальный ток нагрузки определяется типом используемого транзистора VT1 и наличием у него теплоотвода. Незадействованные ключи коммутатора можно подключить параллельно DA1.1 либо использовать в подобных взаимонезависимых схемах автовыключения нагрузки. Такое включение может быть использовано в схемах резервирования функций для обеспечения повышенной надежности работы устройств: выход из строя одного из сопротивлений нагрузки не вызовет отключения или повреждения других каналов. Переключатель SA2 может быть включен при
малых (до 10 мА на ключ) токах нагрузки. При токах нагрузки до 40 мА можно исключить из схемы транзистор VT1 . В этом случае все ключи /ШО/7-коммутатора DA1 должны быть соединены параллельно.
Устройство работает в диапазоне питающих напряжений 5... 15 В и даже при 4 б. Отключить устройство можно нажатием кнопки SB2. В отключенном состоянии оно потребляет ток до долей-единиц мкА.
Известно, что в последовательно соединенной цепи элементы аккумуляторной батареи, разряженные до напряжения ниже 1,1 В, из источника напряжения превращаются в своего рода дополнительную нагрузку для еще неразрядившихся элементов, вызывая резкое падение напряжения на выводах батареи аккумуляторов. Кроме снижения энергоемкости батареи аккумуляторов в целом, это может привести и к "повреждению отдельных ее элементов.

Схема электронного предохранителя на полевом

Рисунок 5.3. Схема электронного предохранителя на полевом транзисторе VT1

Схема стабилизатора напряжения

Рисунок 5.6. Схема стабилизатора напряжения со звуковой индикацией перегрузки

При работе стабилизатора ток нагрузки проходит через датчик тока R1, создавая на нем падение напряжения. Пока ток небольшой (при указанной на схеме величине этого резистора не более 0,3 А), транзистор VT1 закрыт. По мере роста тока потребления и, соответственно, увеличения напряжения на резисторе, транзистор приближается к порогу открывания. Когда напряжение между базой и эмиттером транзистора VT1 достигнет 0,7 В, он открывается и при дальнейшем росте тока переходит в состояние насыщения. При открывании транзистора выпрямленное напряжение поступает на акустический сигнализатор и приводит его в действие.
Звуковой сигнализатор перегрузки на транзисторе VT1 может быть встроен в любой другой источник питания.
Электронный предохранитель для цепей постоянного тока и, одновременно, стабилизатор напряжения [5.5] может быть выполнен по схеме, показанной на Рисунок 5.7. На первых двух транзисторах (VT1 и VT2) собран стабилизатор напряжения по традиционной схеме, однако параллельно стабилитрону VD1
цключен релейный каскад на транзисторах VT3 — VT5 с дат-сом тока на резисторе Rx. При увеличении сверх заданной эмы тока в нагрузке этот каскад сработает и зашунтирует ста-питрон. Напряжение на выходе стабилизатора упадет до не-(чительной величины.

Схема стабилизатора напряжения с защитой

Рисунок 5.5. Схема стабилизатора напряжения с защитой

Ток защиты в зависимости от величины сопротивления датика тока — резистора R2 — может быть установлен от 20.. .30 мА о 1...2 А. Например, при R2=36 Ом ток срабатывания — 30 мА; ри R2=4 Ом — 0,5 А.
В качестве транзистора VT1 можно использовать КТ815, Т801, КТ807 и др., VT2 — П702, КТ802 — КТ805 (с радиатором).
Схема источника питания со звуковым сигнализатором пре->!шения потребляемого тока [5.4] показана на Рисунок 5.6. Выпря-итель на диодах VD1 — VD4 питается от трансформатора, оричная обмотка которого рассчитана на напряжение 18 6 при же нагрузки не менее 1 А. Регулируемый стабилизатор напря-эния выполнен на транзисторах VT2 — VT5 по известной схеме, этенциометром R7 на выходе стабилизатора может быть уставлено напряжение от 0 до +15 В.
Сигнализатор, обозначенный на схеме устройства как ЗГ (звуковой генератор), представляет собой генератор звуковой частоты с подключенным к нему акустическим излучателем, например, динамической головкой. Для управления работой звукового генератора использован ключ на транзисторе VT1.

Схема устройства автоматического

Рисунок 5.9. Схема устройства автоматического отключения аккумуляторной батареи

Устройство [5.7], схема которого показана на Рисунок 5.9, предотвращает слишком глубокую разрядку элементов в батарее. Оно включается между аккумуляторной батареей и нагрузкой. Принцип действия основан на контроле напряжения на нагрузке. Когда оно снижается до уровня 1,1х пВ (где п — число элементов з аккумуляторной батарее) нагрузка и само устройство отклю-наются контактной группой реле, и ток через аккумуляторные элементы прекращается (если в самой батарее отсутствуют ка-<ие-либо неисправности).
При нажатии кнопки SB1 к источнику тока подключаются и нагрузка, и само контролирующее устройство. Напряжение на
инвертирующем входе микросхемы DA1 (вывод 2) определяется стабилитроном VD1 и составляет 3,9 В, а на неинвертирующем (вывод 3) — делителем напряжения на резисторах R1 и R2, причем при нормальном напряжении источника оно несколько выше, чем на инвертирующем входе. В таком состоянии на выходе микросхемы имеется высокий уровень напряжения — реле К1 включается, и его контакты К1.1 оставляют включенными нагрузку и контролирующее устройство даже при отпускании кнопки включения.
Когда напряжение на батарее упадет настолько, что его величина на неинвертирующем входе станет менее 3,9 6, на выходе микросхемы напряжение станет низким, и реле обесточится, разрывая цепь питания. Момент переключения зависит от напряжения на батарее аккумуляторов и величины сопротивления резистора R1, которое следует выбрать в соответствии с таблицей 5.1. Для ограничения базового тока транзистора между выходом микросхемы и базой следует включить резистор сопротивлением 1...10/Ю/И.

Схема устройства защиты для зарядных устройств

Рисунок 5.10. Схема устройства защиты для зарядных устройств

При коротком замыкании выходное напряжение резко уменьится, обмотка реле будет обесточена, что приведет к размыка-ию контактов и отключению аккумулятора от ЗУ. Повторное ключение после устранения неисправности осуществляется кноп-эй SB1. Конденсатор С1, заряженный до выходного напряжения эшрямителя, подключается к обмотке реле. Резистор R1 огранивает импульс тока при ошибочном включении, когда короткое тыкание на выходе еще не устранено.
Резистор R2 ограничивает ток короткого замыкания. Его ожно не устанавливать, если диоды имеют запас по току. Сле-/ет помнить, что в этом случае выходное напряжение ЗУ долж-з быть больше на значение падения напряжения на резисторе 2 при номинальном зарядном токе. АВМ защищает при пере->узках по току, чего релейная защита выполнить не может.
Автоматический предохранитель (или выключатель) подключают последовательно с контактами реле. Сопротивление АВМ — около 0,4 Ом. В этом случае резистор R2 можно не включать.
Для ЗУ автомобильных аккумуляторных батарей необходимо выбрать реле на номинальное напряжение 12 Б с допустимым током через контакты не менее 20 А. Этим условиям удовлетворяет реле РЭН-34 ХП4.500.030-01, контакты которого следует включить параллельно. Для ЗУ с номинальным током до 1 А можно применить реле РЭС-22 РФ4.523.023-05.
Тиристорно-транзисторная схема защиты источника питания от короткого замыкания [5.9] показана на Рисунок 5.11. Схема работает следующим образом. При номинальном режиме тиристор отключен, транзисторы устройства, включенные по схеме Дарлингтона, находятся в состоянии насыщения, падение напряжения на них минимально (обычно единицы вольт). При возникновении короткого замыкания в нагрузке начинает протекать ток через управляющий переход тиристора VS1, происходит его включение. Открытый тиристор шунтирует цепь управления составного транзистора, ток через который снижается до минимума.

Схема защиты источника питания от короткого замыкания

Рисунок 5.11. Схема защиты источника питания от короткого замыкания

Светодиод HL1 индицирует наличие короткого замыкания в нагрузке.
Схема рассчитана на работу при больших токах, поэтому на самой схеме защиты падает довольно значительная часть напряжения питания и рассеивается, соответственно, большая мощность.
Устройство, описанное ниже, одновременно может выпол-ять роль стабилизатора постоянного и переменного тока боль-юй величины, защищать цепь нагрузки от короткого замыкания, ыполнять роль регулируемой активной нагрузки с предельной ощностью рассеяния сотни бг[5.10, 5.11].
Основой стабилизатора тока является токостабилизирую-(ий двухполюсник, схема которого приведена на Рисунок 5.12. Он эедставляет собой модифицированный источник тока, описанный работе [5.12]. Ток через канал полевого транзистора VT1 опреде-чется, преимущественно, напряжением U1 (Рисунок 5.12) и может эггь вычислен из выражения: I=U1/RM. Напряжение U1 является 1стыо напряжения +Е, приложенного к двухполюснику, а посколь-/ резистивный делитель R1/R2 обеспечивает прямо пропорцио-1льную зависимость между величинами U1 и +Е, то такое же ютношение будет наблюдаться между током I и напряжением +Е.

Стабилизатор переменного (и постоянного)

Рисунок 5.13. Стабилизатор переменного (и постоянного) тока с регулируемым током нагрузки от единиц мА до 8 А

Ток в цепи стабилизатора можно плавно регулировать поворотом ручки потенциометра R2 в пределах от нескольких мА до 8 А, причем максимальный ток нагрузки при необходимости можно увеличить еще на порядок, применив вентиляторы, радиаторы, нарастив количество параллельно задействованных полевых транзисторов.

Сопротивление резистора

Таблица 5.1. Сопротивление резистора R1 при различном напряжении батареи

Напряжение батареи, В	Сопротивление резистора, кОм
6,0	1,6
7,2	2,7
8,4	3,9
9,6	4,7
10,8	6,2
12,0	7,5

Данное устройство может давать ложные срабатывания, если к источнику питания подключают слишком мощную нагрузку, при которой напряжение батареи мгновенно «подсаживается». В этом случае отключение нагрузки еще не говорит о том, что элемент (элементы) батареи аккумуляторов разрядился до нижней допустимой границы. Повысить помехозащищенность
/стройства позволит подключение конденсаторов параллельно $ходам компаратора.
Зарядные устройства (ЗУ) обычно снабжены электронной ощитой от короткого замыкания на выходе [5.8]. Однако еще !стречаются простые ЗУ, состоящие из понижающего транс-рорматора и выпрямителя. В этом случае можно применить неложную электромеханическую защиту с использованием реле 1ли автоматических выключателей многократного действия (на-|ример, автоматические предохранители или АВМ в квартирных >лектросчетчиках) [5.8]. Быстродействие релейной защиты со-тавляет примерно 0,1 сек, а с использованием ABM — 1...3 сек.
Когда аккумулятор (или аккумуляторная батарея) соединен выходом устройства, реле К1 срабатывает и своими контактами 11.1 подключает ЗУ (Рисунок 5.10).

Токостабилизирующий двухполюсник

Рисунок 5.12. Токостабилизирующий двухполюсник на основе дифференциального усилителя и полевого транзистора

Эквивалентное сопротивление двухполюсника можно пред-авить как: R3=E/l=ExRM/U1. В свою очередь U1=E*RM/(R1+R2).
Отсюда R3=RM+(R1XRM/R2) или R3=R|/,'<(1+R1/R2). Следова-пьно, ток через двухполюсник можно изменять, регулируя либо личину Ри, либо соотношение сопротивлений делителя R1/R2. in R1»R2 выражение для вычисления эквивалентного сопро-вления двухполюсника упростится: R3=RMxR1/R2.
Практическая схема узла активной нагрузки — стабилиза-эа постоянного тока — приведена в статье [5.10], а ниже, на с. 5.13 показана возможность использования этого схемного шения для стабилизации переменного тока [5.1 1].

Транзисторный ограничитель предельного тока через нагрузку

Рисунок 5.2. Транзисторный ограничитель предельного тока через нагрузку

В ограничителе тока нагрузки (Рисунок 5.2) работают обычные биполярные транзисторы с коэффициентом передачи по току не менее 80... 100. Входное напряжение через резистор R1 поступает на базу транзистора VT1 и открывает его. Транзистор работает в режиме насыщения, поэтому большая часть входного напряжения поступает на выход источника питания. При токе меньше порогового транзистор VT2 закрыт, и светодиод HL1 не горит. Резистор R3 выполняет роль датчика тока. Как только падение напряжения на нем превысит порог открывания транзистора VT2, он
откроется, включится светодиод HL1, а транзистор VT1, напротив, начнет закрываться, и ток через нагрузку ограничится.
При указанных на схеме номиналах элементов ток короткого замыкания равен (0,7 В)/(3,6 Ом)=0,2...0,23 А.

Вариант электронного предохранителя на полевом транзисторе

Рисунок 5.4. Вариант электронного предохранителя на полевом транзисторе

Электронные предохранители [5.2] можно выполнить с использованием мощного полевого транзистора VT1 в качестве ключа (Рисунок 5.3 и 5.4). Ток срабатывания защиты определяется соотношением резистивных элементов и зависит, в первую очередь, от величины сопротивления датчика тока, включенного последовательно с полевым транзистором.
После срабатывания защиты для повторного подключения нагрузки необходимо нажать кнопку SA1.
Стаиилизатор (Рисунок 5.5) позволяет получить на выходе регулируемое в пределах от 0 до 17 Б стабильное напряжение [5.3]. Для защиты стабилизатора от короткого замыкания и превышения тока в нагрузке использован тиристор VS1 с датчиком тока на резисторе R2. При увеличении тока в нагрузке включается тиристор, шунтируя цепь управления транзистора VT1, после чего напряжение на выходе падает до нуля. Светодиод HL1 индицирует факт срабатывания защиты. Для повторного запуска стабилизатора после устранения причин перегрузки следует нажать кнопку SB1 и разблокировать тиристор.

Электронные предохранители переменного тока

Схемы защиты радиоэлектронного оборудования, работающие на переменном токе, обычно более сложны и получили меншее распространение. Это обусловлено тем, что большинство полупроводниковых приборов работает на постоянном токе и, <роме того, надежность работы полупроводниковых приборов на повышенных напряжениях сетевого уровня невелика, поскольку пюбой случайный бросок напряжения, например, при переходных процессах, может легко пробить переход даже самого высоковольтного полупроводникового прибора.

Схема электронного предохранителя переменного тока

Рисунок 6.3. Схема электронного предохранителя переменного тока

Питание устройство контроля тока получает от простейшего выпрямителя с использованием гасящего конденсатора и параметрического стабилизатора на стабилитроне VD3.
Для принудительного отключения нагрузки и проверки работы устройства, а также для повторного запуска (включения) устройства после устранения причин перегрузки служат кнопки SB1 и SB2.

Схема полуавтомата защиты аппаратуры

Рисунок 6.2. Схема полуавтомата защиты аппаратуры при изменении напряжения сети

Для питания обмотки электромагнитного реле К1 использован мостовой выпрямитель VD1 — VD4, подключенный к сети через гасящие конденсаторы С1 и С2. Включают устройство фатковременным нажатием на кнопку SB1. Реле К1 срабатыва-эт, его контакты К1.1 блокируют контакты пусковой кнопки. Конденсатор С1 обеспечивает необходимый пусковой ток реле при включении.
При повышении напряжения сети до 240 Б начинают прово-?ить ток стабилитроны VD7 и VD8. Ток через оптрон U1 отпирает ринистор VS1, который блокирует цепь питания обмотки реле (1. Реле отключает нагрузку устройства от сети.
В рабочем режиме реле удерживается током, протекающим !ерез конденсатор С2. При снижении напряжения сети ниже 160 В юле самоотключается.
Налаживают устройство подбором емкости конденсаторов /2 и С1 по срабатыванию устройства при снижении напряжения ети до 160... 170 В и надежному включению его пусковой кнопкой !В1. Подбор емкостей производят путем параллельного подклю-ения конденсаторов малой емкости к конденсаторам большой мкости. Рабочее напряжение этих конденсаторов должно быть е ниже 300 В. В цепь анода тиристора VS1 желательно устано-ить ограничительный резистор сопротивлением 10 Ом.
Оптрон можно заменить маломощным импульсным транс-юрматором, например, согласующим трансформатором УЗЧ, об-отки которого содержат по 150...300 витков провода ПЭВ-2 ,15...0,3. Обмотку с меньшим числом витков подключают вместо ютодиода оптрона U1, а обмотку с большим числом витков — место его светодиода; резисторы R3 и R4 удаляют. Реле К1 — на абочее напряжение 12...60 В, его контакты должны быть рассчи-мы на ток 2...3 А при напряжении сети 220 В.
Все элементы устройства гальванически связаны с электро-лъю, что требует повышенной осторожности при работе с ним.
Электронный предохранитель, работающий на переменном же и срабатывающий при токе нагрузки около 10 А разработал Флавицкий (Рисунок 6.3) [6.4].
В качестве ключевого элемента использован тиристор VS1, (пряженный с элементом управления — оптоэлектронной парой I типа АОУ103А. В свою очередь светодиод оптронной пары лючен в качестве нагрузки в схему контроля тока нагрузки. Дат-IKOM этого тока служит проволочный резистор R11. Как только
напряжение на нем возрастет до 1,3 В, что соответствует току нагрузки 10 А, откроется транзистор VT1 и включит тиристор VS2. Нагрузкой этого тиристора и является светодиод оптрона LJ1, а также индикатор визуального контроля — светодиод HL1.

Схема полупроводникового биполярного

Рисунок 6.1. Схема полупроводникового биполярного предохранителя на позисторе

Полупроводниковый биполярный «предохранитель» (Рисунок 6.1) способен защитить электронную схему от перегрузки по току [6.1]. ля уменьшения остаточного тока в отключенном состоянии в схе-ie использован позистор. Когда ток нагрузки меньше допустимого, ранзистор VT1 заперт, a VT2 — открыт и находится в состоянии насыщения. Падение напряжения на участке эмиттер — коллектор ранзистора VT2 мало. При перегрузке это напряжение заметно юзрастает, что вызывает открывание транзистора VT1 и возрастаие его коллекторного тока. При этом транзистор VT2 закрывается, ок через электронный предохранитель уменьшается. К позистору рикладывается значительно большее напряжение, в связи с чем
он разогревается. Сопротивление позистора резко увеличивается на несколько порядков, VT2 закрывается еще больше, и остаточный ток через предохранитель существенно снижается.
«Предохранитель» можно использовать в цепях как постоянного, так и переменного тока, а также для защиты выходных каскадов транзисторных усилителей.
Конденсатор С2 снижает чувствительность устройства к импульсным перегрузкам малой длительности. Диоды VD5 и VD6 защищают транзистор VT2 от импульсов тока большой величины при работе устройства на переменном токе.
Быстрое отключение радиоаппаратуры от питающей сети при изменении ее напряжения более допустимых пределов осуществляет т.н. полуавтомат (Рисунок 6.2) [6.2]. От подобного устройства [6.3] он отличается тем, что при «скачках» напряжения отключает нагрузку от сети, и повторное его включение возможно только после нажатия на пусковую кнопку SB1.

Полупроводниковые самовосстанавливающиеся

Полупроводниковые самовосстанавливающиеся элементы защиты электронных схем

Для нормального функционирования РЭА опасными являются стойкие или кратковременные превышения напряжения питающей сети. Известно, что в обычной питающей сети 220 В 50 Гц достаточно часто присутствуют опасные для бытовой аппаратуры высоковольтные (свыше 400 В) импульсы напряжения длительностью от десятых долей микросекунды до единиц миллисекунд [7.1].
Источником этих импульсов' могут быть разряды молний, переходные процессы, пробои изоляции и т.д. Методы снижения импульсных помех в цепях питания с помощью LC- и RC-фильт-ров, экранов между обмотками сетевых трансформаторов зачастую не спасают положения. Например, до микросхем реально доходят импульсы с энергией до миллиджоуля, вполне способные вывести аппаратуру из строя [7.1]
Ранее для защиты радиоэлектронной аппаратуры и ее узлов от перенапряжения широко использовали газоразрядные приборы.
В ионных разрядниках используют свойства дугового разряда, искрового разряда и, реже, тлеющего разряда. Наиболее широко применяется дуговой разряд, характеризующийся низким падением напряжения в разрядном промежутке и большими токами. В низковольтных разрядниках (до 500 8) при приложении напряжения выше напряжения пробоя или равного ему возникает сначала тлеющий разряд, который быстро переходит при дальнейшем повышении напряжения в дуговой. В высоковольтных разрядниках сначала возникает искровой разряд, который также переходит в дуговой при условии достаточно мощного источника тока или большой разряжающейся емкости [7.2 — 7.4].
Разрядники — это двухэлектродные, реже трехэлектродные приборы, их выполняют в стеклянном или в металлокерамиче-ском оформлении. В ионных разрядниках обычно используют активированные электроды: оксидированный или торированный вольфрам, никель, покрытый калием или барием, сплавы вольфрама, никеля и окиси бария или молибдена и вольфрама. Применяют также чистые металлы: вольфрам, нержавеющую сталь, молибден, алюминий. В качестве наполнителя в ионных разрядниках служат чистые инертные газы или их смеси, водород, воздух, кислород в смеси с водяными парами или углекислым газом [7.2 — 7.4].
Важнейшие параметры ионных разрядников: напряжение пробоя (75...20000 Б); допустимый ток разряда (от сотых долей до 1000 А) или энергия разряда; сопротивление изоляции; допустимое время разряда или длительность импульса; допустимое число пробоев (до 107) или время работы. Параметры, определяющие общую работоспособность прибора: время запаздывания зажигания и время установления электрической прочности прибора [7.2 — 7.4].
Из числа зарубежных разрядников наибольшую известность в России приобрели изделия фирмы Epcos. Газонаполненные разрядники этой фирмы обычно применяют для защиты телефонных линий, линий связи и радиоэлектронного оборудования от перенапряжений, возникающих в результате грозовых разрядов и электромагнитных импульсов [7.5].
При достижении заданного напряжения в разряднике возникает дуговой разряд, и сопротивление его резко снижается с величины, превышающей 1 ГОм до значения менее 0,1 Ом. После окончания воздействия перенапряжения высокое электрическое сопротивление разрядника восстанавливается.
Разрядники фирмы Epcos [7.5] имеют маркировку Мхх-Сууу, где хх — код конструктивного исполнения элемента (50 — без выводов; 51 — с выводами); ууу— значение напряжения статического пробоя, В. Амплитуда тока через разрядники этого типа в импульсе длительностью 8/20 /икс, а также для синусоидального тока частотой 50 Гц может достигать 2,5 кА. Межэлектродная емкость разрядников около 1 пФ. Размеры: диаметр — 5 мм, высота — 5 мм.
Ряд значений напряжения пробоя для разрядников серии М50-Сууу (М51-Сууу) составляет: 90; 230; 350: 600 В. Напряжение горения дуги для разрядников этого типа составляет 10...25 В.
Газонаполненные разрядники типов Q69-X891 и Т83-А230Х предназначены для защиты телекоммуникационных систем, мобильных систем связи, оборудования кабельного телевидения, измерительного оборудования от повреждения высоковольтным напряжением, в том числе грозового происхождения. Импульсный разрядный ток может доходить до 5...20 кА при напряжении пробоя 90, 150, 230, 350 и 600 В.
Для разрядников других серий фирмы Epcos диапазон рабочих напряжений (пробоя) находится в пределах 70...4500 В, импульсный ток — до 40 кА (импульс 8/20 мкс) и 20 А при действии тока до 1 сек. Для получения нестандартных значений напряжений защиты возможно каскадирование нескольких разрядников с введением выравнивающих напряжение резисторов.
К полупроводниковым приборам, применяемым для уменьшения импульсных помех, относят металлооксидные варисторы, полупроводниковые приборы общего назначения и специальные полупроводниковые ограничители напряжения [7.1].
У полупроводниковых ограничителей напряжения ВАХ аналогична стабилитронной. ВАХ ограничителя, как и у стабилитрона, не симметрична. Для ограничения импульсов обоих знаков удобно два ограничителя включить встречно-последовательно (Рисунок 7.1). Основное отличие полупроводниковых ограничителей от стабилитронов — их способность рассеивать большую импульсную мощность. Современные варисторы, уступая ограничителям по времени срабатывания, конкурируют с ними по стоимости. Однако характеристики варисторов ухудшаются на некоторое время после воздействия каждого импульса помехи. У полупроводниковых ограничителей это явление отсутствует.
Для снижения амплитуды высоковольтных импульсов на пути от сети 220 В до выводов питания микросхем наиболее целесообразно включать ограничители в состав источника питания [7.1]. Если в питающей сети появятся импульсы, энергия которых будет больше допустимой для примененного ограничителя, он, как и стабилитрон при слишком большом токе стабилизации, перегреется и выйдет из строя. С этого момента аппаратура, включенная в сеть, окажется незащищенной.
Поэтому существенным недостатком применения ограничителей считают отсутствие информации об их работоспособности или выходе из строя после воздействия мощных импульсов. Чтобы обеспечить индикацию исправного состояния симметричного ограничителя, его составляют из двух одиночных и подключают к нему цепь из трех светодиодов и двух токоограничивающих резисторов (Рисунок 7.2).

Типовая схема включения ограничителя

Рисунок 7.2. Типовая схема включения ограничителя напряжения с индикацией отказа

При смене полярности напряжения сети происходят те же процессы, только меняются местами VD1 и VD2, R2 и R1, HL3 и HL2. То есть исправность ограничителей подтверждает зеленый сигнал индикатора. В ряде случаев описанный индикатор может одновременно служить индикатором наличия сетевого напряжения.
При выходе из строя (обрыве) ограничителя VD1 гаснет «зеленый» светодиод HL1 и включается «красный» светодиод HL2, а при порче ограничителя VD2 — «красный» HL3.
В схеме на Рисунок 7.2 использованы ограничители типа 1,50Н400А. Импульсная максимальная допустимая мощность ограничителя — 1,5 кВт. Амплитуда переменного напряжения открывания ограничителей при токе открывания 1 мА — 400±20 6. Коэффициент ограничения — 1,2... 1,3. Мощность, потребляемая от сети при отсутствии высоковольтных импульсов — до 0,5 Вт.
Выпускаемые в России комбинированные защитные микросборки ЗА-0 имеют проволочные выводы и рассчитаны на встраивание в аппаратуру, а ЗА-1 оформлены в виде пластмассовой сетевой вилки с жесткими штырями для установки в стандартную сетевую розетку [7.6]. Их электрическая схема соответствует типовой, приведенной на Рисунок 7.2.
Маркировка защитных устройств ЗА-0-1.5-400А — ЗА-0-1.5-800Б расшифровывается так: 0 или 1 — вариант конструктивного
оформления (см. выше); 1,5 — импульсная максимальная допустимая мощность индикатора в кВт; трехзначное число — напряжение открывания, Б; буква А или Б — разброс напряжения открывания, 5 или 10%, соответственно.
Повреждение электронных компонентов может произойти и от перегрузки по току. Традиционно для защиты радиоэлектронного оборудования и линий связи используют плавкие предохранители и позисторы — терморезисторы с положительным температурным коэффициентом (ПТК) или Positive Temperature Coefficient (PTC) [7.5, 7.7 — 7.10]. Плавкие предохранители обеспечивают только однократную защиту, следовательно, для продолжения работы требуется их замена. Известны также примеры использования в устройствах защиты термисторов (терморезисторов) с отрицательным температурным коэффициентом типа Л/ТС или Negative Temperature Coefficient.
Для защиты от токовых перегрузок в последнее время используют самовосстанавливающиеся предохранители PolySwitch (Рисунок 7.3) фирм Raychem, Epcos, Bourns и др. [7.5, 7.7 — 7.9]. Элементы токовой защиты PolySwitch с рабочим напряжением 15, 30 и 60 6 изготавливают из материалов с ПТК. Эти материалы выполнены из органического полимера с малой теплоемкостью и содержат равномерно рассеянные ультрадисперсные частицы токопроводящего вещества (углерода). В нормальном (проводящем) состоянии эти частицы внутри элемента PolySwitch образуют токопроводящие цепочки в окружающем их полимерном материале. Если ток через элемент превышает допустимый, происходит его внутренний разогрев. Это вызывает фазовый переход: структура полимерного материала скачкообразно переходит из кристаллической в аморфную, разрываются внутренние токопроводящие цепи, и сопротивление предохранителя PolySwitch увеличивается до 107 Ом. В высокоомном состоянии внутренняя температура элемента достигает 120°С. За счет протекания остаточного тока (десятые-сотые доли мА) внутренняя температура элемента PolySwitch поддерживается довольно высокой для предотвращения образования вновь токопроводящих цепей. Когда приложенное к цепи напряжение снимается, предохранитель PolySwitch быстро остывает, происходит восстановление токопроводящих цепей. Сопротивление элемента уменьшается до исходной величины.
элементы PolySwitch серий TR и TS срабатывают значительно быстрее, чем керамические позисторы. Их использование для защиты РЭА наиболее эффективно в составе комплексной системы, состоящей из устройства защиты от перенапряжений и элементов PolySwitch в качестве средства токовой защиты (Рисунок 7.3).

Типовые схемы включения полупроводниковых

Рисунок 7.3. Типовые схемы включения полупроводниковых элементов самовосстанавливающейся защиты от токовых перегрузок и перенапряжения

В качестве элементов защиты от перенапряжений можно использовать двух- или трехэлектродные разрядники фирмы Siemens. Защитные устройства на базе элементов PolySwitch корпорации Raychem совместно с разрядниками Siemens обеспечивают многоразовую самовосстанавливающуюся защиту оборудования [7.7, 7.8].
Полимерные самовосстанавливающиеся предохранители корпорации Raychem типа RXExxx рассчитаны на максимальный допустимый ток при ххх=010; 030; 090; 375, соответственно 0,1; 0,3; 0,9 и 3,75 А (включая промежуточные значения). Рабочее напряжение — 60 В. Они имеют максимальное сопротивление в проводящем состоянии 7,5; 2,1; 0,47 и 0,1 О/и, а минимальное — 2,5; 0,88; 0,20 и 0,04 Ом при времени срабатывания 0,4;.0,9; 1,5 и 7 сек, соответственно [7.8]. Кроме них известны предохранители серий RUExxx (рабочее напряжение 30 б), SRPxxx, SMDxxx, TRxxx-yyy.

ВАХ полупроводникового симметричного ограничителя напряжения

Рисунок 7.1. ВАХ полупроводникового симметричного ограничителя напряжения

Особенность работы такого индикатора исправности — использование светодиодов в нестандартном режиме. При исправных ограничителях VD1 и VD2 и положительном полупериоде напряжения сети (плюс — на верхнем по схеме сетевом проводе) ток беспрепятственно протекает через ограничитель VD1, открытый в прямом направлении, и через светодиод HL1. Ограничитель VD2 в это время закрыт.
В результате почти все сетевое напряжение оказывается приложенным к цепи HL3 и R2, причем к светодиоду — в обратном направлении. Поэтому светодиод HL3 открывается в обратном направлении, а ток через него ограничивает резистор R2. Таким образом, через всю цепь от плюсового провода до минусового протекает ток около 2 мА. Этого достаточно, чтобы обеспечить заметное свечение «зеленого» светодиода HL1. Светодиод HL2 не излучает свет, так как к цепи HL2 и R1 приложено слишком малое напряжение (менее 3 6)..

Индикаторы отказа элементов схем

Для защиты радиоэлектронного оборудования от токовых перегрузок используют плавкие и тепловые предохранители с использованием биметалла или элементов с памятью формы, а также полупроводниковые предохранители с самовосстановлением, см. главу 7. Своевременная реакция на срабатывание системы защиты радиоэлектронного и электросилового оборудования позволит предупредить развитие аварийной ситуации, устранить причину неисправности.
При срабатывании элементов защиты для оперативного установления причин неисправности или оповещения обслуживающего персонала о наличии аварийной ситуации используют визуальные, звуковые и аудиовизуальные индикаторы отказа элементов схем. Наиболее часто такие устройства используют для индикации перегорания предохранителей.
Устройство (Рисунок 8.1) для контроля напряжения [8.1] позволяет индицировать наличие напряжения постоянного тока, а также факт перегорания предохранителя.

Схема индикатора напряжения —

Рисунок 8.1. Схема индикатора напряжения — индикатора перегорания предохранителя

При штатном режиме работы предохранитель шунтирует цепь, состоящую из резистора R1 и светодиода HL1 красного цвета свечения. Параллельно источнику питания и нагрузке
подключена цепь из светодиода HL2 зеленого цвета свечения и токоограничивающего резистора R2.
При перегорании предохранителя, в случае, если сопротивление нагрузки много меньше сопротивления резистора R2, нагрузка шунтирует цепь из светодиода HL2 и резистора R2. Светится только светодиод HL1 красного цвета. При одновременном перегорании предохранителя и обрыве нагрузки к источнику питания оказывается подключенной последовательная цепь из резисторов R1 и R2 и светодиодов HL1 и HL2. Оба светодиода светятся неярким светом.
При использовании схемы на переменном токе встречно-параллельно светодиодам следует включить защитные слаботочные диоды, например, КД102.
Одна из простейших схем, позволяющая констатировать факт перегорания предохранителя в цепях как постоянного, так и переменного тока [8.2], показана на Рисунок 8.2. Она состоит из элементов, включенных параллельно предохранителю: резистора R1, ограничивающего максимальный ток; диода VD1, защищающего индикатор от неправильного подключения к источнику питания или обратного напряжения при работе устройства на переменном токе и, собственно, самого индицирующего элемента — светодиода HL1. При мощности нагрузки более 15 Вт и постоянном напряжении свыше 27 6 сопротивление резистора (кОм) можно приближенно определить как частное от деления величины питающего напряжения (В) на рабочий ток светодиода (мА).

Схема индикатора обрыва питания

Рисунок 8.12. Схема индикатора обрыва питания в цепи переменного или постоянного тока

Индикатор можно применять в цепях постоянного и переменного (до 1 кГц) тока напряжением от 10 до 1000 В. Максимальный ток, протекающий через индикатор и короткозамкнутую нагрузку при срабатывании элемента защиты, ограничен резисторами R1 и R2 — при напряжении 220 В ток не превышает 0,5 мА. При работе на пониженном напряжении (менее 100 В) сопротивление резисторов R1 и R2 можно уменьшить.
Индикатор содержит генератор импульсов, состоящий из элемента с отрицательным динамическим сопротивлением (лавинный транзистор К101КТ1Г либо его аналог К162КТ2 структуры р-п-р, включенный инверсно) и цепочки последовательно включенных резисторов R1, R2 и сопротивления нагрузки RH, a также времязадающего конденсатора С1. Для индикации работы генератора использован светодиод HL1 и телефонный капсюль BF1. Лавинный транзистор можно заменить его аналогом на транзисторах VT2, VT3. Он подключается вместо VT1 (Рисунок 8.12) к точкам А и В. Громкость звука и яркость вспышек, а также их частоту можно отрегулировать подбором емкости конденсатора С1.
Чтобы предлагаемое устройство срабатывало при обрыве нагрузки, параллельно ей нужно включить резистор Ra сопротивлением около 1 МОм или конденсатор Са емкостью 300... 1000 пФ.

Схема индикатора перегорания предохранителя

Рисунок 8.3. Схема индикатора перегорания предохранителя в цепи постоянного тока на двухцветном светодиоде

Пока предохранитель FU1 исправен, напряжение источника питания поступает на обе части светодиода HL1 одновременно. Если бы токи через них были близки по значению, то их общий цвет свечения был бы желтый или оранжевый. Однако, поскольку ВАХ светодиодов красного и зеленого свечения заметно различаются (ВАХ светодиода красного свечения идет круче), большая часть тока будет протекать именно через «красный» светодиод. Суммарный цвет свечения при параллельном включении двухцветного светодиода АЛС331А при исправном предохранителе будет красно-оранжевым.
При перегорании предохранителя светодиод красного свечения останется подключенным к источнику питающего напряжения, а зеленого — окажется отключенным. Поэтому общий цвет свечения светодиода станет красный, что и явится сигналом о выходе из строя предохранителя. Светодиод АЛС331А можно заменить двумя отдельными светодиодами красного и зеленого цветов свечения, например, АЛ307Б и АЛ307В (Рисунок 8.4).
Для того чтобы разница в суммарном цвете свечения была более заметна, начальные токи в светодиодах разного цвета свечения выравнивают. Проще всего это достигается за счет включения дополнительного диода последовательно с «красным» светодиодом (Рисунок 8.4). Происходит выравнивание падений напряжения на левой и правой ветвях индикаторов, через светодиоды протекают примерно равные токи, следовательно, суммарный цвет свечения светодиодов будет соответствовать цветовому оттенку, промежуточному между красным и зеленым цветом.

Рисунок 8.5. Схема индикатора перегорания предохранителя с защитой светодиодов от пробоя обратным напряжением

Рисунок 8.6. Схема индикатора перегорания предохранителя для переменного и постоянного тока

В случае перегорания предохранителя и при коротком замыкании в нагрузке ток протекает через индикатор. Диод VD1 и стабилитрон VD2 обеспечивают рекомендованный для светодиодов режим работы, резистор R1 ограничивает предельный ток через светодиод. Устройство работоспособно и в цепях постоянного тока при условии его подключения в соответствующей полярности.
Недостатком устройства является то, что светодиод при высокоомной нагрузке или разрыве цепи нагрузки светится очень слабо или совсем гаснет. Кроме того, через нагрузку даже при перегоревшем предохранителе протекает значительный ток (10...20 мА).
Более простая, но не лишенная тех же недостатков, схема индикатора перегорания предохранителя, работающая как в цепях переменного, так и постоянного тока, показана на Рисунок 8.7.
Для индикации перегорания предохранителя FU1 (Рисунок 8.8) был использован или двухцветный светодиод, или пара менее дефицитных разноцветных светодиодов HL1 и HL2, например, зеленого и красного цвета свечения [8.5]. При исправном предохранителе светится только «зеленый» светодиод HL1. Как только предохранитель перегорает, этот светодиод обесточивается, ток начинает протекать через последовательную цепочку, состоящую из диода VD1, стабилитрона VD2, светодиода HL2 и диода VD3.

Рисунок 8.7. Схема индикатора перегорания предохранителя для цепей переменного и постоянного тока

Рисунок 8.8. Схема индикатора перегорания предохранителя на двух светодиодах

Диод VD3 обеспечивает защиту светодиодов от пробоя при отрицательной полуволне сетевого напряжения.
Рассмотренные ранее индикаторы перегорания предохранителя были недостаточно экономичны, поскольку в своем большинстве нерационально расходовали ресурсы элементов питания: индицирующий элемент — светодиод — был постоянно подключен параллельно цепи питания и постоянно потреблял ток до 20 мА.
Более экономичными индикаторами являются устройства, схемы которых приведены на Рисунок 8.9 и 8.10 [8.6]. Ток, потребляемый индикаторами в режиме ожидания, не превышает 1...2 мА. При перегорании предохранителя транзистор VT1 открывается, включается сигнализатор аварии — светодиод HL1.
Устройство, схема которого приведена на Рисунок 8.10, можно использовать и в цепях переменного тока.
Оба устройства рассчитаны на питание от источника 9 Б. При иных напряжениях питания потребуется соответствующая коррекция резистивных элементов.

Рисунок 8.11. Схема индикатора перегорания предохранителя для постоянного и переменного тока

Роль времязадающего конденсатора в устройстве выполняет пьезокерамический излучатель BQ1, который, если использовать только светодиодную индикацию, можно заменить конденсатором емкостью 0,022...0,5 мкФ.
При перегорании предохранителя (размыкании цепи защиты) на индикатор подается напряжение сети, а устройство генерирует прерывистые световые и звуковые сигналы (щелчки). Предполагается, что сопротивление нагрузки после срабатывании защиты (перегорания предохранителя) находится в пределах от 0 до нескольких МОм. Для индикации перегорания предохранителя при оборванной цепи нагрузки параллельно ей следует включить резистор сопротивлением 1...2 МОм. Остаточный ток, протекающий через нагрузку и индикатор при напряжении сети 220 В, не превышает 1 мА.
Для индикации обрыва в цепи питания радиоэлектронного или электросилового оборудования предназначено устройство (Рисунок 8.12), которое может быть подключено параллельно элементу защиты — плавкому или тепловому предохранителю, коммутатору нагрузки и т.д. [8.9].

Схема сигнализатора перегорания

Рисунок 8.2. Схема сигнализатора перегорания предохранителя в цепи постоянного ток

При токе через светодиод 10...20 мА величина этого сопротивления (кОм) примерно равна 50...10011ПИТ(В). При малых напряжениях в расчетах следует учитывать, что на светодиоде падает напряжение около 2 В, на диоде — 0,5...0,7 В. При работе
сигнализатора на переменном токе величину сопротивления следует уменьшить вдвое.
Недостатком данного сигнализатора, как, впрочем, и многих остальных, является то, что светодиод не светится при наличии высокоомной нагрузки или обрыве в цепи нагрузки.
Схема индикатора перегорания предохранителя в цепи постоянного тока [8.3] приведена на Рисунок 8.3. Его основой служит двухцветный светодиод АЛС331А.

Схема светодиодного индикатора

Рисунок 8.9. Схема светодиодного индикатора перегорания предохранителя для цепей постоянного тока

Схема светодиодного индикатора

Рисунок 8.10. Схема светодиодного индикатора перегорания предохранителя для постоянного и переменного тока

Обычно для индикации перегорания предохранителя используют низковольтные трехполюсники постоянного тока: при срабатывании сигнализации можно наблюдать непрерывное свечение светодиода.
Перегорание предохранителя или иное размыкание цепи системы токовой защиты устройство (Рисунок 8.11) индицирует синхронными посылками коротких звуковых и световых сигналов [8.7, 8.8].
Индикатор выполнен в виде двухполюсника, включаемого параллельно предохранителю в цепь постоянного или переменного тока напряжением 10... 1000 Б с частотой до 1 кГц и выше. В состав устройства входит резистивныи ограничитель тока — составной времязадающий резистор R1, R2, мостовой диодный выпрямитель (VD1 — VD4), элемент звуковой (BQ1) и световой (HL1) индикации и негатрон, выполненный на транзисторах VT1, VT2 и резисторах R3, R4.

Улучшенная схема индикатора на

Рисунок 8.4. Улучшенная схема индикатора на светодиодах разного цвета свечения

При перегорании предохранителя ток протекает только через светодиод красного свечения.
Индикаторы по схемам Рисунок 8.3 и 8.4 [8.3] рекомендуются ля использования в устройствах, питающихся от источников наряжения до 3 В. Такое ограничение обусловлено тем, что при пе-егорании предохранителя почти все питающее напряжение (за ычетом падения напряжения на светодиоде HL1 и диоде VD1) эступает на резистор R1, и светодиод HL2 оказывается обрат-эсмещенным. При превышении этого напряжения в обратносме-,енных светодиодах происходит лавинный пробой, а поскольку зличина токоограничивающего резистора невелика, светодиод ожет быть поврежден.
Для защиты светодиодов от пробоя обратным напряжением устройство индикации надо ввести еще два диода, как показано i Рисунок 8.5 [8.3]. Тогда диод VD3 будет выполнять роль защиты, а)2 — компенсировать напряжение на нем.
Сопротивление резистора R1, как и в предыдущих случаях, >жно определить как отношение разности напряжения питания и дения напряжения на светодиоде (и включенном последова-пьно ему диоде) к току через светодиод.
Индикатор перегорания предохранителя (Рисунок 8.6) включен следовательно с нагрузкой и параллельно предохранителю [8.4].

Индикаторы аварийного отключения источника питания

Неплановое или несанкционированное отключение источника электрической энергии может повлечь для сложнотехниче-ских систем, радиоэлектронного бытового и производственного оборудования катастрофические последствия. Ущерб от создавшейся аварийной ситуации можно снизить за счет использования средств оперативного контроля и оповещения обслуживающего персонала о сложившейся аварийной ситуации.
Для оповещения персонала об аварийном отключении источника питания используют визуальные, звуковые и аудиовизуальные индикаторы. В состав этих устройств, как правило, входят источник автономного питания, устройство контроля наличия сетевого напряжения, релейная схема включения звуковой и/или световой индикации. В ряде схем подобного назначения для защиты собственного источника питания от разряда предусмотрено устройство автовыключения сигнализации через определенный интервал времени.

Схема индикатора отключения сетевого напряжения

Рисунок 9.2. Схема индикатора отключения сетевого напряжения

Цепь С2, R3 сглаживает пульсации сетевого напряжения. При увеличении постоянной времени этой цепи может быть реализована функция задержки сигнализации об отключении сетевого питания, что может быть актуально при использовании устройства в качестве индикатора открытой двери холодильника.
Схема сигнализатора отключения электросети [9.3] показана на Рисунок 9.3.
Напряжение осветительной сети 220 6 через токоограничи-тельные резисторы R1 и R2 поступает на выпрямитель VD1 и VD2 с параметрическим стабилизатором на стабилитроне VD3. Светящийся в дежурном режиме светодиод HL1 сигнализирует о наличии напряжения в сети и нормальной работе устройства. От бросков сетевого напряжения светодиод защищает резистор R3. В дежурном режиме постоянное напряжение 10,5... 11,5 6 через диод VD4 и резистор R4 поступает на базу транзистора VT1. Он находится в открытом состоянии, и на входе 1 микросхемы DD1.1 напряжение равно логическому нулю. Генератор на элементах DD1.1 и DD1.2 заблокирован, не работает и звуковой генератор на элементах DD1.3 и DD1.4. Устройство находится в ждущем режиме.

Схема сигнализатора отключения электросети

Рисунок 9.3. Схема сигнализатора отключения электросети

При отключении сетевого напряжения конденсатор С1 начинает разряжаться. Как только напряжение на нем упадет до 2 6 и ниже, транзистор VT1 закроется, и на входе 1 микросхемы DD1.1 появится напряжение единичного уровня. Оба генератора запустятся, и из динамической головки ВА1 будет раздаваться прерывистый тональный сигнал частотой 1 ...2 кГц. В режиме тревожной сигнализации устройство питается от батареи гальванических элементов или аккумуляторов GB1 напряжением 4,5...9 В. В дежурном режиме эта батарея подзаряжается от сети через диод VD5 и токоограничивающий резистор R6. Диод VD4 обеспечивает закрывание транзистора VT1.
Несколько схем аудиовизуальной индикации отключения источника электрической энергии, не имеющих собственного источника питания, были рассмотрены ранее в нашей предыдущей книге [9.4].

Схема сигнализатора отключения питания

Рисунок 9.1. Схема сигнализатора отключения питания

Для индикации отключения источника электроэнергии на Рисунок 9.1 использован аналог оптрона на основе неоновой змпы HL1 и фотодиода VD1 (или фотосопротивления) [9.1]. В дущем режиме устройство потребляет от батареи питания на-эяжением 9 В минимальный ток. Пока светится неоновая лампа _1, сопротивление фотодиода VD1 мало, напряжение на входе 2 /ШО/7-тригтера первого элемента микросхемы DD1 минимально, а на выходе 3 — максимально (около 9 S).
При отключении сетевого напряжения неоновая лампа гаснет, сопротивление фотодиода резко возрастает, /ШО/7-триггер первого элемента микросхемы DD1 переключается, конденсатор С1 соединяется с земляной шиной, происходит его заряд через резистор R3. Через некоторое время задержки (время заряда конденсатора С1), пропорциональное произведению C1R3 (т.е. около 20...30 сек), напряжение на выводе 4 микросхемы DD1 возрастает от нуля до 9 Б. В результате включается звуковой индикатор, и пьезокерамический излучатель издает звук, сигнализирующий об аварии.
Частота звукового сигнала определяется индивидуальными свойствами пьезокерамического излучателя и параметрами элементов R4 и С2, поэтому может потребоваться их подбор (R4=39...1000 кОм) до получения требуемой частоты звучания или настройки излучателя BQ1 в резонанс.
После включения сетевого напряжения схема возвращается в исходное состояние, сигнализация прекращается, ток, потребляемый устройством вновь становится минимальным — десятки мкА.
Индикатор отключения сетевого напряжения (Рисунок 9.2) содержит простейший выпрямитель сетевого напряжения, к выходу которого подсоединен ключевой элемент на транзисторах VT1 и VT2 [9.2]. При наличии сетевого напряжения ключ закрыт, но при пропадании сетевого напряжения ключ открывается и включает звуковой генератор, состоящий из трехчастотного генератора импульсов, выполненного на трех /ШО/7-микросхемах. В генераторе импульсы суммируются и поступают на двухкаскадный усилитель на транзисторах VT3 и VT4 и в итоге в громкоговорителе раздастся звук сирены.
Недостатком устройства является то, что в нем не предусмотрена функция самоотключения, в результате чего может разрядиться элемент питания. Для принудительного отключения звукового сигнала предусмотрен ключ SA1. Для повышения надежности работы устройства в цепь базы транзистора VT3 желательно включить резистор сопротивлением 22...51 кОм, а между базой этого транзистора и эмиттером транзистора VT4 включить резистор сопротивлением 100...300 кОм.

Комбинированный блок питания электронномеханических часов

Рисунок 10.8. Комбинированный блок питания электронно-механических часов

При наличии напряжения в сети часы питаются от нее во время положительных полупериодов, а во время отрицательных полупериодов — энергией, запасенной аккумулятором GB1 и конденсатором СЗ. При пропадании сетевого напряжения источником питания становится аккумулятор.
Освещение циферблата включают размыканием контактов выключателя SA1. В этом случае ток зарядки и разрядки конденсаторов С1 и С2 протекает через нити накала ламп EL1 и EL2, и они начинают светиться. А ранее замкнутый двуханодный стабилитрон VD1 теперь выполняет две функции: ограничивает напряжение на лампах до значения, при котором они светятся с небольшим недокалом, а в случае перегорания нити накала одной из ламп пропускает через себя зарядно-разрядный ток конденсаторов, что предотвращает нарушение работы блока питания в целом.
Двуханодный стабилитрон VD1 типа КС213Б можно заменить на два включенных встречно-последовательно стабилитрона Д814Д, КС213Ж, КС512А. Светодиод HL1 — АЛ341 с прямым падением напряжения при токе 10 мА — 1,9...2,1 В. Лампы накаливания EL1 и EL2 типа СМН6,3-20 (на напряжение 6,3 В и ток и м/ч; или аналогичные, корпус выключателя SA1 должен быть надежно изолирован от сети.
В блоке питания для электронных часов (Рисунок 10.9) гашение избыточного сетевого напряжения осуществляется резисторами R1 и R2 [10.8]. Это не самое экономичное решение проблемы, но при малых токах потребления вполне оправдано. Кроме того, при случайном касании выхода выпрямителя максимальный ток через тело человека не достигнет опасных значений (не более 4 мА), поскольку величина ограничивающих ток резисторов достаточно велика.

Основная схема резервирования источников питания

Рисунок 10.1. Основная схема резервирования источников питания

Схема автоматического коммутатора питания

Рисунок 10.7. Схема автоматического коммутатора питания

Дальнейшим развитием предыдущего устройства является автоматический коммутатор питания (Рисунок 10.7) [10.6]. Устройство предназначено для установки в любые носимые и переносные устройства (приемники, плейеры, магнитофоны), имеющие внутренние источники питания. Автоматический коммутатор питания позволяет автоматически переходить от внутреннего к внешнему питанию и обратно.
В исходном состоянии, когда внешний источник питания отключен, реле К1 обесточено, и через его нормально замкнутые контакты напряжение подается с батареи GB1 на нагрузку RH и через диод VD1 на нижний по схеме (красный) диод HL1. При подключении внешнего источника питания реле К1 срабатывает, его контакты К1.1 устанавливаются в нижнее по схеме положение, и питание на нагрузку подается от внешнего источника. Так как на анод верхнего по схеме диода HL1 (зеленого цвета) подается напряжение на 2 В больше, чем на анод нижнего диода HL1 (красного цвета), двухцветный двуханодный светодиод HL1 светится зеленым цветом, указывая на режим работы от сети. При пропадании сетевого напряжения обмотка реле К1 обесточивается, и нагрузка автоматически переключается на работу от батареи GB1. Об этом сигнализирует индикатор HL1, меняя цвет свечения с зеленого на красный. Диод VD1 следует взять типа КД503, КД521 или КД510. Падение напряжения на нем в прямом включении должно быть не менее 0,7 б.-Тогда при свечении зеленого светодиода не будет подсвечиваться красный.
Резистором R2 устанавливают ток через HL1, равный 20 мА. Реле К1 типа РЭС-15 (паспорт РС4.591.005) или другое с рабочим напряжением не более 5 В. Обычно срабатывание реле происходит при напряжении, на 30...40% меньшем его рабочего напряжения.
При настройке устройства резистор R1 подбирают такой величины, чтобы реле К1 надежно срабатывало при напряжении 4 В. При использовании реле К1 других типов с напряжением срабатывания, близким к 4,5 В, резистор R1 можно исключить.
При сетевом питании электронно-механических часов наблюдается неприятный эффект: при отключении сетевого напряжения происходит остановка хода часов.
Более надежными и удобными в эксплуатации являются комбинированные блоки питания — сетевые блоки питания в сочетании с никель-кадмиевыми аккумуляторами Д-0,1 или Д-0,125 (Рисунок 10.8) [10.7].
Здесь конденсаторы С1 и С2 выполняют функцию балластных реактивных элементов, гасящих избыточное напряжение сети. Резистор R2 служит для разрядки конденсаторов С1 и С2 при отключении устройства от сети.
Если контакты выключателя SA1 замкнуты, то при отрицательной полуволне сетевого напряжения на верхнем (по схеме) проводе диод VD2 откроется, и через него будут заряжаться конденсаторы С1 и С2. При положительных же полуволнах конденсаторы станут перезаряжаться, ток потечет, в первую очередь, через открытый диод VD3 и начнет подзаряжаться аккумулятор GB1 и конденсатор СЗ. Напряжение на полностью заряженном аккумуляторе будет не менее 1,35 В, на светодиоде HL1 -- около 2 В. Поэтому светодиод начнет открываться и тем самым ограничивать зарядный ток аккумулятора. Следовательно, аккумулятор постоянно будет в заряженном состоянии.

Схема автоматического переключения

Рисунок 10.6. Схема автоматического переключения нагрузки на резервное питание с

индикацией

Схема автоматического включения

Рисунок 10.5. Схема автоматического включения резервного источника питания для АОНа

Аккумуляторная батарея состоит из шести элементов Д-0,55. Ее ресурса хватает для автономной работы телефона в течение часа.
В схеме использовано реле РЭС-64А РС4.569.724.
Налаживают устройство подбором резистора R1, которым устанавливают напряжение отпускания реле К1. Подбором R2 устанавливают величину зарядного тока. Для исключения перезаряда аккумулятора рекомендуется снизить величину зарядного тока до 0,2 мА.
Автоматический перевод питания нагрузки, например, радиоприемника, на резервное батарейное питание при отключении сетевого источника питания позволяет осуществить устройство по схеме на Рисунок 10.6 [10.5]. Режим работы устройства индицируется свечением светодиода: зеленый цвет -- работа в штатном режиме; красный — в аварийном (на батареях).
Особенностью индикатора является то, что при работе от батареи ее разряд через подключенный основной блок питания исключен за счет использования диода в цепи затвора полевого транзистора.
Для того чтобы при работе устройства от блока питания не происходила подпитка нагрузки от батареи, выходное напряжение блока питания должно на 0, 7... 0, 8 В превышать напряжение батареи.

Схема низковольтного источника бесперебойного питания

Рисунок 10.10. Схема низковольтного источника бесперебойного питания

Схема резервирования источника питания охранного устройства

Рисунок 10.3. Схема резервирования источника питания охранного устройства

Кроме того, на светодиоде падает около двух вольт, необходимых для его работы. Световая индикация неустойчива при несущественной разности напряжений питания.
Схема авторезервирования источника питания для ответственного оборудования — охранного устройства [10.1, 10.2] — приведена на Рисунок 10.3. На схеме условно показан основной — сетевой источник питания. На его выходе — нагрузке RH и конденсаторе С2 — формируется стабильное напряжение 12 6 или более! Батарея резервного питания GB1 подключена к сопротивлению нагрузки через цепочку диодов VD1 и VD2. Поскольку разность напряжения на этих диодах минимальна, ток через диоды в нагрузку не протекает. Однако, стоит отключиться основному
источнику питающего напряжения, как диоды откроются. Таким образом питание подается на нагрузку без перебоев.
Светодиод HL1 индицирует исправное состояние резервного источника питания, а диод VD2 не допускает питание светодио-да от источника основного питания.
Схему можно изменить таким образом, чтобы два светодио-да независимо друг от друга индицировали рабочее состояние обоих источников питания. Для этого достаточно схему (Рисунок 10.3) дополнить элементами индикации.
Устройство для автоматического включения резервной батареи питания описано в патенте ГДР № 271600 [10.3], а его схема показана на Рисунок 10.4.

Схема резервирования источников

Рисунок 10.2. Схема резервирования источников питания с использованием светодиодов

Схема резервированного питания электронных часов

Рисунок 10.9. Схема резервированного питания электронных часов

С выхода стабилизатора (аналога стабилитрона и, одновременно, индикатора включения — светодиода HL1) напряжение питания через германиевый диод VD5 подается на электронные часы. В случае отключения сетевого напряжения часы получают питание от батареи GB1, при наличии сетевого напряжения ток выпрямителя подзаряжает элемент питания. В схеме не использован конденсатор фильтра. Роль конденсатора фильтра большой емкости выполняет сам элемент питания.
Электронно-механические часы обычно питают от одного гальванического элемента напряжением 1,5 В. Предлагаемый источник бесперебойного питания (Рисунок 10.10) для кварцевых электронно-механических часов вырабатывает напряжение 1,4 В при среднем токе нагрузки 1 мА [10.9]. Напряжение, снимаемое с емкостного делителя С1 и С2, выпрямляет узел на элементах VD1, VD2, СЗ. Без нагрузки напряжение на конденсаторе СЗ не превышает 12 В.
Рассмотренные ранее устройства автоматического перехода на резервное питания в случае отключения основного источника использовали в качестве базового (основного) источник постоянного тока. Менее известны схемы резервирования устройств, работающие на переменном токе. Схема одного из них, способного работать в цепях как постоянного, так и переменного тока приведена ниже [10.10].

Схема устройства для автоматического

Рисунок 10.4. Схема устройства для автоматического включения резервной батареи питания

В исходном (штатном) режиме ток от источника основного питания Еа через светодиод-индикатор тока нагрузки поступает в нагрузку. Транзистор VT1 открыт, транзистор VT2 закрыт, резервная батарея питания Еь отключена. Как только произойдет отключение основного источника питания, светодиод HL1 погаснет, закроется транзистор VT1 и, соответственно, откроется транзистор VT2. Батарея Еь подключится к нагрузке.
Недостатком устройства является то, что максимальный ток через нагрузку не может превышать максимально допустимого тока через светодиод. Кроме того, на самом светодиоде теряется до 2 В. Если пожертвовать функцией индикации и заменить светодиод на германиевый диод, рассчитанный на повышенный ток, это ограничение снимется.
Для нормальной работы телефонных автоматических определителей номера (АОН) необходимым условием является
использование резервного источника питания. Схема одного из них [10.4] показана на Рисунок 10.5.
Когда источник питания включают в сеть, срабатывает реле К1, которое одновременно является датчиком разряда аккумулятора GB1. Через резистор R2 протекает зарядный ток 5... 10 мА. При отключении сетевого напряжения устройство получает питание от аккумулятора GB1, однако, если напряжение на аккумуляторе упадет ниже 6,5 В, реле отключится. Контакты реле разомкнут цепь питания и защитят таким образом аккумулятор от дальнейшего разряда.

Схема включения источника резервного

Рисунок 10.11. Схема включения источника резервного питания с гальванической развязко

Схема включения источника резервного питания с гальванической развязкой (ИР/7) питается от источника управляющего сигнала (Рисунок 10.11), потребляя при этом минимальный ток (доли мА). Управляющий сигнал поступает на резистивный делитель R1, R2. Стабилитрон VD6 и диоды VD1 — VD5 защищают вход устройства от перенапряжения и неправильного подключения полярности. ИР/7 отключен контактами реле К1.1. Напряжение, снимаемое с резистора R2 и стабилитрона VD6, поступает через диод VD5 на электролитический конденсатор С1 большой емкости. Этот конденсатор при первом включении устройства заряжается до 9... 10 В за 2.. .3 минуты, после чего схема готова к работе. Скорость заряда и потребляемый устройством ток определяются резистором R1. Транзистор VT1 закрыт падением напряжения на VD5.

Через диод VD7 и резистор R4 устройство подключено к ИР/7.
При отключении управляющего напряжения переход эмиттер — база входного транзистора устройства более не шунтируется. Транзисторы VT1 и VT2 открываются. Конденсатор С1 разряжается через реле К1 и транзистор VT2. Контакты К1.1 реле замыкаются, включая ИРП. Питание на схему поступает от ИРП. Одновременно контакты реле К1.2 могут управлять другой нагрузкой. Если на входе устройства вновь появляется управляющее напряжение, транзистор VT1 запирается. Соответственно, запирается и транзистор VT2. Реле К1 обесточивается, отключая своими контактами К1.1 ИРП. Напряжение на конденсаторе С1 сохраняется на уровне 9... 10 Б, и схема переходит в ждущий режим работы.

Схемы резервирования источников питания

Для резервирования питания ответственных энергопотребителей используют параллельное соединение нескольких источников питания, исключая при этом взаимное влияние одного источника на другой.
При повреждении или отключении одного из нескольких питающих устройств нагрузка автоматически и без разрыва цепи питания подключится к источнику питания, напряжение которого выше остальных. Обычно в цепях постоянного тока для разделения питающих цепей используют полупроводниковые диоды. Эти диоды препятствуют влиянию одного источника питания на другой. В то же время на этих диодах нерационально расходуется некоторая доля энергии источника питания. В этой связи в схемах резервирования стоит использовать диоды с минимальным падением напряжения на переходе. Обычно это германиевые диоды.
В первую очередь питание на нагрузку подают с основного источника, имеющего обычно (для реализации функции самопереключения на резервное питание) более высокое напряжение. В качестве такого источника чаще всего используют сетевое напряжение (через блок питания). В качестве источника резервного питания обычно используют батарею или аккумулятор, имеющие напряжение заведомо меньшее, чем у основного источника питания.
Самые простые и очевидные схемы резервирования источников постоянного тока показаны на Рисунок 10.1 и 10.2. Подобным образом можно подключить неограниченное количество источников питания к ответственному радиоэлектронному оборудованию.
Схема резервирования источников питания (Рисунок 10.2) отличается тем, что роль диодов, разделяющих источники питания, выполняют светодиоды. Свечение светодиода индицирует задействованный источник питания (обычно имеющий более высокое напряжение). Недостатком подобного схемного решения является то, что максимальный ток, потребляемый нагрузкой, невелик и непревышает максимально допустимого прямого тока через свето-диод.