ЗАЩИТА С ОБРАТНЫМ НАКЛОНОМ ТОКОВОЙ НАГРУЗОЧНОЙ ХАРАКТЕРИСТИКИ
На нагрузочной характеристике блока питания с защитой указанного типа можно найти два участка.
На участке CA выходное напряжение практически не зависит от нагрузки. Сопротивление нагрузки на участке CA может изменяться от бесконечно большой величины (холостой ход) до 4,8ом (точка A, максимальная нагрузка для блока питания на 12в, 2,5А). На участке CA при уменьшении сопротивления нагрузки ток возрастает.
На участке AB сопротивление нагрузки может изменяться от 4,8ом (номинальная нагрузка) до 0ом (короткое замыкание). Однако на этом участке при уменьшении сопротивления нагрузки ток не возрастает, а падает и достигает минимального значения 1,25А при коротком замыкании (точка B).
На рисунке приведен пример схемы. Это типичный выходной каскад линейного компенсационного стабилизатора напряжения. Символом I1 обозначен источник стабильного тока. Только с ним получится почти линейный участок с обратным наклоном. Цепи обратной связи стабилизатора должны быть подключены правее точки 2.
Ставится задача найти сопротивление резистора R3, а также K – соотношение номиналов резисторов R1 и R2.
,
Где 
. Этот параметр вводится просто для упрощения расчетов и большей наглядности.
UБЭ – напряжение между базой и эмиттером транзистора VT2, при котором он начинает открываться и проводить ток. Собственно, к этой величине и привязан в конечном итоге порог срабатывания защиты. Для кремниевого транзистора обычно принимают UБЭ = 0,65в. Это довольно большое напряжение, которое вынуждает применять резистор R3 с относительно большим сопротивлением. Как следствие, этот резистор сильно греется, снижает и без того невысокий КПД линейного стабилизатора, а также увеличивает его выходное сопротивление. Иными словами, можно сказать, что из-за R3 заметно снижается коэффициент стабилизации по току. Следует отметить, что напряжение UБЭ зависит не только от типа, и даже от конкретного экземпляра транзистора, оно также сильно зависит от колебаний температуры. При повышении температуры на каждые 10°С напряжение UБЭ уменьшается на 0,021в. Аналогично, при понижении температуры на каждые 10°С напряжение UБЭ возрастает на 0,021в. Поэтому точность порога срабатывания защиты невысокая. Следовательно, и подбирать номиналы резисторов R1…R3 с высокой точностью никакого смысла нет. Вполне достаточно обычных резисторов с классом точности ±5%. В то же время, температурная зависимость напряжения UБЭ как раз нужная. Чем сильнее нагрелся блок питания, тем раньше (в смысле, при меньшем токе) защита начинает срабатывать. И наоборот, чем ниже температура блока питания, тем позднее (в смысле, при большем токе) начинает срабатывать защита.
Точка B соответствует короткому замыканию, поэтому UB = 0 и система уравнений немного упрощается, приходя к следующему виду
.
Далее просто решаем полученную систему уравнений относительно K и R3. Сначала находим K из второго уравнения
.
Затем подставляем первую часть полученного выражения в первое уравнение системы, раскрываем скобки, группируем коэффициенты и находим значение номинала резистора R3.
,
,
,
, или 
Повторим из сделанных выше выкладок, что
.
Как было отмечено ранее, параметр K является вспомогательным. На практике же нужны номиналы резисторов R1 и R2, а не их соотношение. Чаще всего один из номиналов выбирается среди имеющихся в наличии, а второй рассчитывается. Обычно, хотя и не обязательно, номинал резистора R1 выбирается в пределах от 220ом до 2,2кОм. Расчетные формулы для другого резистора следующие.
или 
.
ПРИМЕР. Имеется компенсационный стабилизатор напряжения на 12в 2,5А. Необходимо снабдить его защитой с падающей характеристикой и током короткого замыкания 1,25А. Ток источника тока 2мА.
РЕШЕНИЕ. Построение защиты возможно ввиду наличия источника тока в базовой цепи регулирующего транзистора. В результате эксперимента найдено, что имеющийся в наличии кремниевый транзистор при UКЭ = 3в и температуре +27°С обеспечивает ток коллектора 2мА при напряжении UБЭ = 0,682в. Для этого была собрана следующая схема.
Для исключения ложного срабатывания защиты ввиду большого температурного дрейфа напряжения UБЭ, примем ток срабатывания защиты на 15% больше номинального тока блока питания. Иными словами, IA = 2,5 * 1,15 = 2,875А. Из условия задачи имеем IB = 1,25А; UA = 12в. Сначала находим номинал резистора R3.
.
Далее находим вспомогательный параметр K
.
Затем выбираем сопротивление резистора R1 = 470ом. (С таким сопротивлением при номинальной нагрузке ток делителя R1, R2 составляет примерно 2мА. Ток делителя кажется завышенным, однако низкое сопротивление R1 важно в режиме короткого замыкания. При таком токе делителя действительный ток короткого замыкания превышает расчетное значение не более чем на 1,5%. В исходной системе уравнений в целях упрощения вообще не учитывается ток делителя R1, R2. Вместо тока делителя R1, R2 и связанных с ним уравнений вводится вспомогательный параметр K. Сам ток делителя R1, R2 при такой замене подразумевается бесконечно большим по сравнению с током базы защитного транзистора. Разумеется, я просчитал все это заранее. Впрочем, без особых проблем можно было бы взять 220ом…2,2кОм).
Вслед за номиналом R1 теперь можно найти и номинал R2
.
На практике можно применить резистор с номиналом 5,6кОм или 6,2кОм. Однако лучше взять номинал 6,2кОм, т. к. при этом немного снизится ток короткого замыкания. Тем самым отчасти скомпенсируется проблема несовпадения расчетного и реального значения тока короткого замыкания, которая упомянута в предыдущем абзаце.
