Тема 4.4. Защита мощных транзисторов от короткого замыкания нагрузки

Для мощных транзисторов очень опасно замыкание входа.

При нормальной работе транзистора мощность, потребляемая от источника, распределяется между нагрузкой и коллекторным переходом, а в случае короткого замыкания нагрузки вся потребляемая мощность приходится на коллекторный переход, что может вывести транзистор из строя. В режиме В среднее значение тока, и, следовательно, потребляемой мощности пропорционально амплитуде сигнала, поэтому в случае короткого замыкания наибольшая мощность на коллекторе выделяется в номинальном режиме. Защитить транзистор предохранителем нельзя, так как транзистор сгорит быстрее, поскольку теплоемкость кристалла мала.

При этом внешних признаков перегрева нет – корпус транзистора остается холодным.

Перегрузка может быть вызвана не только коротким замыканием нагрузки, но и повышением питающего напряжения, уменьшением сопротивления нагрузки R_н или подачей на вход усилителя сигнала с частотой 15-20 Гц. Для защиты транзистора используют электронные схемы, которые срабатывают мгновенно и отключают или понижают питающее напряжение, снимают или уменьшают уровень входного сигнала или одновременно и то и другое. Чаще это схемы, которые автоматически отключают источник питания от оконечного усилителя в момент перегрузки или снимают входной сигнал с оконечного каскада. Питание или сигнал могут отключаться не полностью, а только снижаться, чтобы ток оконечных транзисторов остался номинальным. Возможны и комбинированные схемы защиты, когда ток мощных транзисторов снижается за счет уменьшения входного сигнала и одновременно понижается питающее напряжение.

Рассмотрим схему защиты оконечного каскада «Звук Т» (рис. 37) для одного плеча.

Оконечный каскад – двухтактный бестрансформаторный на составных транзисторах. Источник входного сигнала – предоконечный каскад (на схеме он показан эквивалентным генератором с внутренним сопротивлением Ruc). Транзистор защиты VТ_защ включается параллельно входу плеча схемы оконечного каскада. Его

Рис.36 Схема защиты мощных транзисторов от короткого замыкания нагрузки

промежуток коллектор – эмиттер вместе с сопротивлением R_uc образуют делитель входного сигнала.

При нормальной работе транзистор защиты закрыт, и сигнал с предоконечного каскада полностью поступает на базу входного плеча. В нерабочий полупериод входного сигнала, когда транзисторы верхнего плеча закрыты и на базе отрицательная полуволна, диод VД₁ закрыт, потенциал его анода ниже катода, и он отключает транзистор защиты от входа данного плеча. В случае короткого замыкания нагрузки схема отключает транзистор защиты, его сопротивление уменьшается, он шунтирует вход и входной сигнал резко уменьшается. Это, в свою очередь, ограничивает ток оконечных транзисторов, снижает потребляемую ими мощность и мощность, выделяемую на коллекторе. Элементы Rэ, R₁, R₂ с диодом VД₂ и сопротивлением нагрузки Rн образуют плечи мостовой схемы. В одну его диагональ (эмиттер – земля, Э-з) подается выходное напряжение транзистора VТ_защ - оно включает в себя падение напряжения на Rэ и выходное напряжение на нагрузке Rн. В другую диагональ (а - б) включен эмиттерный переход транзистора защиты. При нормальной работе мост сбалансирован, что достигается подбором параметров его элементов, при этом между точками а –б нет разности потенциалов, а значит нет прямого напряжения между выводами Э – Б VТ_защ, и он закрыт. В случае короткого замыкания баланс моста нарушается, понижается потенциал точки (а) – Э, на эмиттерном переходе VТ_защ появляется прямое напряжение, он открывается и шунтирует вход, снижая входной сигнал. Схема защиты верхнего плеча срабатывает в положительный полупериод входного сигнала, а в отрицательный она отключается диодом VД1, а срабатывает аналогичная схема нижнего плеча.

Недостатки схемы:

Низкая чувствительность и высокий уровень ограничения тока. Поэтому недопустима длительная работа устройства в режиме короткого замыкания и его следует перевести на резервный блок. Схемы защиты понижают экономичность устройства, поэтому применять их следует только в усилителях большой мощности (25 – 100 Вт). В маломощных усилителях достаточно включить последовательно в цепь входа резистор, который предотвратит полное короткое замыкание выхода и ограничит выходной ток.

Контрольные вопросы:

1. Какие требования предъявляются к оконечному каскаду?

2. Дать характеристики режимов работы оконечных каскадов;

3. Назначение выходного трансформатора в оконечном каскаде;

4. Принцип работы, назначение элементов схем оконечных каскадов. Свойства схем оконечных каскадов;

5. Объяснить работу схемы смещения и стабилизации режима в оконечных каскадах;

6. Объяснить работу схемы защиты оконечных каскадов от короткого замыкания нагрузки.