Защита выходных каскадов транзисторных усилителей от перегрузки

Радио №4/1966, ст.59

Серьезным недостатком усили­телей мощности на транзисто­рах с бестрансформаторным выходом является их чувствитель­ность к короткому замыканию на вы­ходе. Это связано с тем, что при значительном снижении сопротивле­ния нагрузки резко возрастает кол­лекторный ток выходных транзисто­ров, в несколько десятков раз пре­вышающий максимально допустимое значение для данного типа транзисто­ров. В большинстве случаев этого бывает достаточно, чтобы транзисто­ры вышли из строя в течение тысяч­ных долей секунды. В настоящее время на страницах иностранных технических журналов появляются описания различных устройств, за­щищающих выходные каскады от перегрузок. Ниже приводятся крат­кие описания некоторых из них.

Наиболее простым и дешевым спо­собом является использование плав­ких предохранителей, включаемых последовательно с оконечной на­грузкой или источником питания, а иногда в обеих цепях одновременно. В ряде случаев вместо плавких пре­дохранителей используются автомо­бильные осветительные лампы нака­ливания. Но применение плавких предохранителей и ламп накаливания связано с рядом неудобств. Делаются попытки применять для защиты вы­ходных каскадов от перегрузки авто­матические тепловые реле, которые отключают оконечную нагрузку от усилителя при выходной мощности, большей допустимой. Однако плав­кие предохранители и тепловые реле имеют значительную инерционность, вследствие чего в ряде случаев эти защитные устройства могут срабо­тать уже после выхода транзисторов из строя.

В настоящее время стали находить применение более сложные электрон­ные схемы защиты, не содержащие ни плавких предохранителей, ни ламп накаливания, а поэтому обла­дающие большим быстродействием. Примером может служить защитное устройство, прин­ципиальная схема которого приведе­на на рис. 1. Уст­ройство содержит три транзистора, один кремниевый диод, пять рези­сторов и один кон­денсатор. Защит­ное устройство включается в раз­рыв плюсового провода источника пи­тания усилителя. Это устройство по­лучило название «электронного вы­ключателя» и позволяет отключить питание в течение ста миллионных долей секунды, то есть значительно раньше, чем может произойти пробой транзисторов.

Устройство работает следующим образом. В нормальном режиме, ког­да потребляемый ток не превышает порога срабатывания устройства (в данном случае 3 а), резистор R₁ и транзистор T1 ведут себя как два низкоомных сопротивления, включен­ные последовательно с источником питания. Транзисторы Т₁ и Т₂ на­ходятся в насыщенном состоянии, то есть полностью открыты, поскольку диод Д₁ и транзистор Т₃, вслед­ствие недостаточного начального сме­щения, находятся в закрытом состоя­нии.

При протекании через защитное устройство тока, превосходящего максимально допустимое значение, общее падение напряжения U стано­вится достаточным для отпирания диода Д₁ и транзистора Т₃. Появле­ние коллекторного тока транзистора Т1, приводит к снижению начального смещения на базе транзистора Т₂, а это в свою очередь вызывает умень­шение тока коллектора транзистора T1. Уменьшение тока транзистора T1 приводит и к увеличению общего падения напряжения U, то есть к еще большему открыванию транзи­стора Т₃ и запиранию транзисторов T1 и Т₂. Процесс изменения режимов работы транзисторов Т1—Т₃ зани­мает примерно 100 мксек, после чего весь ток, потребляемый усилителем, определяется режимом работы тран­зистора Т₃, который задается дели­телем напряжения R₄, R₅ и диодом Д₁. Указанные элементы подобраны таким образом, что все защитное устройство ведет себя как постоян­ное сопротивление, равное несколь­ким сотням ом. В таком состоянии защитное устройство будет находить­ся до тех пор, пока не будет устра­нена неисправность.

На рис. 2 приведена вольтампер­ная характеристика «электронного выключателя». Участок АБ соответ­ствует нормальному режиму работы усилителя, ВГ — аварийному. Пе­реходный режим занимает участок БВ, Как видно из характеристики, на участке ВГ ток, потребляемый усилителем, в десятки раз меньше порога срабатывания схемы защиты, что исключает повреждение транзи­сторов выходного каскада даже в случае продолжительного короткого замыкания.

Предупредить выход из строя тран­зисторов при коротком замыкании оконечной нагрузки можно не толь­ко отключением питания выходного каскада, но также путем прекраще­ния работы каскадов предваритель­ного усиления. Примером этого мо­жет служить двухканальный уси­литель мощности типа LA—200. На рис. 3 приведена принципиальная схема электронной защиты этого усилителя. Напряжение питания на каскады предварительного усиления подается от общего источника пита­ния через гасящие сопротивления — резисторы R1 и R₂. Параллельно конденсатору С₁ фильтра питания подключен транзистор T1, началь­ное смещение на базе которого опре­деляется максимальной амплитудой выходного сигнала, снимаемого с ре­зистора R₁₂, включенного в цепь эмиттера транзистора T₃ левого ка­нала и аналогичного резистора, вклю­ченного в цепь эмиттера транзистора правого канала (на схеме выходной каскад правого канала не показан).

Переменное напряжение выпрям­ляется диодами Д₁ Д2 я через филь­трующую цепочку поступает на базу транзистора T1 При нормальной ра­боте выходного каскада начальное смещение имеет небольшую величи­ну, а поэтому коллекторный ток тран­зистора Т1 мал. В случае короткого замыкания нагрузки одного из ка­налов напряжение на эмиттерном со­противлении R₁₂ достигнет большой величины и как следствие этого резко возрастет смещение на базе транзисто­ра T1 Последнее вызовет значитель­ный рост тока транзистора T₁ на­пряжение на конденсаторе С₁ будет близко к нулю и тем самым каскады предварительного усиления окажутся как бы отключенными от источника питания. Параметры фильтрующей цепочки подобраны таким образом, что транзистор Т1 отключает пита­ние примерно на 30 секунд. Если за указанное время неисправность не будет устранена, то транзистор Т1 будет периодически включать и тут же выключать питание каскадов предварительного усиления. И та­кой колебательный режим будет про­должаться до тех пор, пока сущест­вует неисправность.

«Radio-Electronics», 1965, № 6

ОТ РЕДАКЦИИ. Транзисторы ти­па 2SB-26, 2N2148 можно заменить отечественными транзисторами типа П4Б, П4Г, П4Д, П209, П210, снаб­женными дополнительными радиато­рами. Транзисторы 2N2614 и 2SB-56 заменяются транзисторами П201 — II203. Вместо диодов типа SM-150 можно применить практически любой диод серии Д2, Д9 или Д7. Диод типа 1N3754 можно заменить кремние­выми диодами типов Д101—ДЮЗ, Д 201—Д207