Доработка источника напряжения ВС 4-12
1
ДОРАБОТКА ИСТОЧНИКА НАПРЯЖЕНИЯ ВС 4-12
Л
юбой
школьный учитель,
преподающий раздел физики «Электричество
и магнетизм) в своей практике систематически
использует такой широко известный
источник постоянного напряжения, как
ВС 4-12, позволяющий получать на выходе
постоянное (пульсирующее) напряжение
4, 6, 8, 10 и 12 В
при максимальном токе нагрузке 4 А.
Принцип действия этого прибора очень
прост и легко понятен из принципиальной
схемы, показанной на рисунке 1 а.
Следует отметить, что этот источник питания оснащён относительно мощным понижающим трансформатором, способным питать нагрузку током, превышающим 4 А. Тем не менее делать этого нельзя, так как диоды выпрямительного моста рассчитаны на меньший ток. Однако незначительная доработка прибора позволяет использовать его как в стандартном режиме работы, так и в качестве источника переменного напряжения с максимальным током нагрузки, превышающим 4 А. Для этого достаточно в конструкцию прибора ввести всего один тумблер, как это показано на рисунке 1 б. В верхнем по схеме положении контактов тумблера выходные гнёзда прибора подключаются к выходу выпрямительного моста, и источник работает в стандартном режиме. Если же контакты тумблера перевести в нижнее по схеме положение, то одно выходное гнёздо окажется подключённым непосредственно ко вторичной обмотке трансформатора, а второе – к ползунку галетного переключателя. Теперь на выходе источника будет действовать переменное напряжение, регулируемое приблизительно в тех же пределах, что и постоянное.
Конструктивно доработка источника напряжения может быть осуществлена следующим образом. Чтобы не делать в металлическом корпусе прибора лишних отверстий, можно удалить индикаторную лампочку накаливания (всё равно она часто теряется или перегорает), а на её место установить тумблер.
Т
акже
хорошо известно, что эти источники
напряжения нередко выходят из строя
из-за перегрузок по току, которые
возникают особенно часто когда прибор
попадает в руки школьников без присмотра
учителя. Причём, наверное, каждый учитель
замечал, что некоторые ВС 4-12 на удивление
живучи, а иные – «горят» очень легко.
Причина этому в следующем. Изначально
диодный мост прибора изготавливался
из, так называемых, селеновых шайб,
устанавливаемых на мощных радиаторах.
Позже промышленность перешла на
использование мощных диодов КД202,
способных выдерживать меньший ток, при
этом установлены они в ВС 4-12 без
радиаторов, что и сокращает срок службы
таких приборов.
Проблема может быть решена путём
изготовления несложного защитного
устройства, отключающего нагрузку
прибора автоматически в случае превышения
током допустимого значения. Принципиальная
схема возможного варианта такого
устройства показана на рисунке 2. При
соответствующем выборе транзисторов
устройство способно защищать от
перегрузок как простые, так и
стабилизированные выпрямители с
выпрямленным напряжением
от 6 до 60 В и
допустимым током нагрузки
от 30 мА до 10
А. Конденсаторы
и
предназначены
для работы защитного устройства в режиме
импульсных перегрузок и при обычном
его использовании должны быть из схемы
исключены.
Принцип действия защитного
устройства состоит в следующем. Когда
ток нагрузки меньше максимально
допустимого тока ()
транзистор
открыт, а
- закрыт. Падение напряжения на участке
эмиттер – коллектор транзистора
(между точками А
и Б) составляет
несколько десятых долей вольта. В случае
перегрузки (
)
напряжение между точками А
и Б возрастает,
что вызывает появление тока в цепи базы
транзистора
.
В результате транзистор
отпирается, а
закрывается. Это ведёт к ещё большему
росту напряжения между точками А
и Б. Благодаря
имеющейся положительной обратной связи
(через резистор
)
схема очень быстро переходит во второе
устойчивое состояние:
- открыт,
- закрыт. При этом большая часть напряжения
выпрямителя
оказывается приложеной к лампе Л,
которая загорается, указывая на
перегрузку. Потребляемый при этом ток
от выпрямителя в наихудшем случае
(короткое замыкание) равен сумме токов
лампы и открытого транзистора
,
что составляет величину в 23
раза меньшую
.
После устранения перегрузки и
кратковременного нажатия кнопки Кн
защитное устройство переходит в исходное
состояние, лампа гаснет.
Выбор типа транзисторов и
минимального сопротивления резисторов
и
осуществляется по ниже приведённой
таблице.
|
|
Типы транзисторов |
|
|
|
|
|
||||
6 15 |
0,03 0,1 |
МП39 МП42 |
МП42; МП42А; МП42Б |
|
|
6 30 |
0,1 1,5 |
МП42 МП42Б |
П213Б П217 |
|
|
6 60 |
1,5 5,0 |
П213Б П217 |
П214В; П214Г; П217В |
|
|
9 60 |
1,5 10,0 |
П213Б П217 |
П210Б; П210В |
|
|
При сборке устройства необходимо
установить резистор
сопротивлением в 2
3 раза больше минимального (окончательно
его подбирают в процессе налаживания
устройства). При использовании мощных
транзисторов (П213, П214 и т. п.) сопротивление
резистора
необходимо уменьшить до величины около
510 Ом.
Поскольку оба транзистора
работают в качестве электронных ключей,
тепловые режимы их лёгкие и радиаторов
можно не применять. Коэффициент передачи
тока транзисторов должен быть не менее
20. Лучше, если эта величина (особенно
для транзистора
)
будет превышать 40, так как в этом случае
уменьшается ток, потребляемый от
выпрямителя для поддержания
в открытом состоянии.
Сигнальную лампу выбирают на
рабочее напряжение и номинальный ток
в 2
3 раза меньший
.
Низковольтные лампы (на 3,5 В
или 6,3 В)
следует включать последовательно с
добавочным резистором, сопротивление
которого можно рассчитать по формуле:
.
При токе
подобрать нужную лампу может оказаться
затруднительно. В этом случае для
коммутации имеющейся лампы можно
воспользоваться электромагнитным реле.
Его обмотка должна обладать сопротивлением,
как минимум, в 1,52
раза большим величины
,
а ток срабатывания - во столько же раз
меньшим, чем
.
Контакты реле могут коммутировать любое
сигнальное устройство.
В некоторых случаях бывает
необходимым, чтобы устройство не
реагировало на импульсные перегрузки
по току. Тогда можно включить в схему
конденсатор
ёмкостью
несколько сотен микрофарад или замедлить
срабатывание защиты путём установки
конденсатора
ёмкостью несколько микрофарад.
Налаживание устройства состоит
в следующем. Резистор
составляют из последовательно включённых
переменного и постоянного резисторов.
При этом общее сопротивление должно
быть не менее вычисленного по формуле:
,
где
- статический коэффициент передачи тока
транзистора
(иначе этот транзистор выйдет из строя).
К выходным гнёздам устройства
последовательно с амперметром подключают
эквивалент нагрузки (проволочный
резистор) сопротивлением
.
Затем
включают питание устройства и подбирают
сопротивление
так, чтобы устройство срабатывало при
заданном токе
.
В исходное состояние устройство
возвращают нажатием кнопки Кн.
После окончания настройки заменяют
переменный и постоянный резисторы одним
постоянным резистором соответствующей
величины, причём его мощность рассчитывают
по формуле:
.
Конструктивно устройство защиты целесообразно выполнять в самостоятельном корпусе из пластмассы или другого диэлектрического материала в виде отдельной приставки, что позволит использовать его при работе с различными источниками постоянного напряжения, удовлетворяющими выше изложенным требованиям. В случае отсутствия такой необходимости плату защитного устройства имеет смысл разместить внутри корпуса прибора на диэлектрическом основании, обеспечив надёжное отсутствие контакта токопроводящих дорожек платы и металлических корпусов деталей устройства с корпусом прибора.