Надежная схема защиты от перенапряжения на стабилитроне: пошаговое руководство

Как сделать схему защиты от перенапряжения с использованием стабилитрона?

Современные источники питания достаточно надежны, но риск отказа всегда существует. Особенно опасен сценарий, когда сериальный стабилизирующий элемент (транзистор или MOSFET) замыкается, подавая на нагрузку полное нестабилизированное входное напряжение. Это может привести к гибели дорогостоящих микросхем и целых узлов. Ущерб можно минимизировать или исключить, используя схему защиты от перенапряжения (overvoltage protection).

Существуют защита от короткого замыкания, от обратной полярности, от перенапряжения и недонапряжения. Обычно используют предохранители или автоматы, но в этом проекте мы создадим схему, которая работает быстрее и не требует замены после срабатывания, устраняя недостатки базовых средств защиты.

Защита от перенапряжения — это характеристика блока питания, ограничивающая напряжение на нагрузке, когда входное напряжение превышает заданный порог. В случаях, когда входное напряжение выше ожидаемого, применяют схемы защиты от перенапряжения или «кровобороздящие» (crowbar) схемы. Crowbar-схема — один из самых популярных вариантов такой защиты.

Простейший способ — поставить предохранитель на входе. Но его недостаток: он сгорает разово, цепь разрывается, и для восстановления работы нужно заменять предохранитель и пересобирать цепь.

Обычно отказ блока питания проявляется в отсутствии выходного напряжения. Но бывают редкие случаи, когда происходит пробой транзистора, и на выходе появляется полное входное напряжение. Например, в линейном стабилизаторе на стабилитроне. Если сериальный транзистор закоротится коллектор-эмиттер, на нагрузку попадет полное нестабилизированное напряжение, что фатально для питаемых микросхем. В импульсных стабилизаторах также возможны сценарии пробоя на выходе.

Мы рассмотрим два способа сделать схему защиты от перенапряжения на стабилитроне и биполярных транзисторах.

Схема стабилизатора напряжения на стабилитроне

Эта схема использует стабилитрон для выдачи стабилизированного напряжения на нагрузку, защищая схему. Однако питание нагрузки не отключается при превышении безопасных пределов — выходное напряжение всегда равно стабилитронному (за вычетом падений на транзисторах).

Схема защиты от перенапряжения на стабилитроне (отключение нагрузки)

Этот метод более прямой: схема отключает питание нагрузки, когда напряжение превышает установленный порог.

Необходимые компоненты

• Стабилитрон 1N4740A (10В, 1Вт)
• PNP-транзистор FMMT718
• Резисторы: 1 кОм, 2.2 кОм, 6 кОм
• NPN-транзистор 2N2222

Стабилитрон

Стабилитрон — диод, пропускающий ток в обратном направлении при превышении порогового напряжения (стабилитронного). В прямом направлении работает как обычный диод. Обратный ток возникает за счет стабилитронного эффекта (при низких напряжениях) или лавинного пробоя (при высоких). Имеют сильно легированный p-n-переход. Применяются для создания маломощных стабилизированных источников питания, защиты от перенапряжения и статического разряда.

NPN-транзистор 2N2222

Популярный биполярный NPN-транзистор для коммутации и усиления малой мощности. Работает на умеренно высоких частотах. Низкая стоимость, малые габариты, способен коммутировать значительные токи для своего размера. Корпус TO-92. Коллектор соединен с корпусом.

Распиновка 2N2222 (TO-92):

Вывод	Назначение
1	Эмиттер
2	База
3	Коллектор (к корпусу)

При усилении аналоговый сигнал подается на коллектор, управляющий — на базу. Частота голосового сигнала ~4 кГц.

PNP-транзистор FMMT718

PNP-транзистор в корпусе SOT-23. При заземленной базе открыт (прямое смещение), при сигнале на базе — закрыт. Отличается низким напряжением насыщения коллектор-эмиттер (Vce(sat)), что минимизирует потери напряжения на транзисторе в открытом состоянии.

Распиновка FMMT718 (SOT-23):

Вывод	Название	Описание
1	Коллектор	Ток входит через коллектор
2	База	Управление смещением
3	Эмиттер	Ток вытекает через эмиттер

Схема стабилизатора напряжения на стабилитроне (вариант 1)

Эта конфигурация не только защищает нагрузку, но и стабилизирует входное напряжение. Порог срабатывания (предельное напряжение на нагрузке) равен номиналу стабилитрона — около 5.1В для 1N4740A (на самом деле 1N4740A — 10В, 1N4733A — 5.1В; в тексте неточность, сохраняем логику описания).

Проводимость транзистора Q1 зависит от его базо-эмиттерного напряжения. При росте выходного напряжения Vbe увеличивается, транзистор закрывается сильнее, снижая выходное напряжение, удерживая его почти постоянным.

Схема защиты от перенапряжения с отключением нагрузки (вариант 2)

Принцип работы

Нормальный режим: Напряжение питания в норме. База Q2 на высоком потенциале — Q2 закрыт. База Q1 на низком потенциале — Q1 открыт. Нагрузка подключена к питанию.

Режим перенапряжения: Напряжение питания превышает порог. Стабилитрон D2 входит в пробой, заземляя базу Q2. Q2 открывается. База Q1 подтягивается к питанию через Q2 — Q1 закрывается. Нагрузка гальванически отделяется от источника питания, предотвращая повреждение.

Для минимизации падения напряжения на транзисторах в открытом состоянии использован FMMT718 с низким Vce(sat), что важно для эффективности схемы.