Резервирование элементов устройств

В технике электропитания зачастую является актуальным выполнение тех или иных функций даже в случае возникновения аварийных ситуаций. К задачам такого рода относятся, например, поддержание освещенности в помещениях пультов управления сложным техническим оборудованием, сохранение постоянным тока нагрузки цепей питания ряда источников питания и т.д.
Ниже рассмотрены основные варианты решения задачи дублирования элементов. В качестве нагрузки в этих схемах использована, преимущественно, лампа накаливания, хотя вместо нее могут быть использованы активные нагрузки иного рода: тепловыделяющие элементы, резистивные элементы нагрузки, системы сигнализации,генераторы и усилители.

Рис. 11.1. Схема дублирования на примере ламп накаливания

Одна из наиболее простых схем, позволяющих дублировать основной источник светового излучения в случае перегорания его нити накала, показана на рис. 11.1 [11.1]. При включении устройства горит лампа EL1. Транзистор VT1 открыт, VT2 — закрыт. При обрыве в цепи смещения транзистора VT1 (перегорании лампы EL1, нарушении контакта в панельке) транзистор VT1 закрывается, соответственно открывается транзистор VT2 и включается лампа EL2.
Схема резервирования нагрузки при ее сетевом питании переменным током показана на рис. 11.2 [11.2].
Падение напряжения на датчике тока - - сопротивлении R1 — составляет 0,5... 1,7 В с лампой накаливания мощностью 60...200 Вт. Резистор R2 предназначен для защиты транзистора VT1 в случае короткого замыкания в лампе EL1.

Рис. 11.3. Схема светодиодного контроля исправности нагрузки

Для контроля исправности лампы EL1 или иной резистив-ой нагрузки может быть использована схема, показанная на ис. 11.3 [11.3]. Нагрузка — лампа EL1 — питается постоянным эком через диод — датчик тока VD1. Пока через нагрузку проте-ает ток, на датчике тока — диоде VD1 падает часть напряжения итания — около 0,7 В. Это напряжение поддерживает в откры-эм состоянии транзистор VT1, в коллекторную цепь которого ключей светодиод HL1 и токоограничивающий резистор R1.
При обрыве в цепи нагрузки или отключении питания ток эрез осветительную лампу прервется, одновременно погаснет светодиод HL1, сигнализируя о неисправности или аварии.Для повышения надежности работы устройства желательно ввеги в цепь базы транзистора дополнительный резистор, который защитит транзистор от перегрузки по току в случае короткого замыкания нагрузки.
Недостатком устройства (рис. 11.3) является то, что свето-диод «дублирует» работу лампы: светится одновременно с ней, хотя более логичным было бы его зажигание при обрыве в цепи нагрузки при перегорании лампы или отсутствии контакта в цепи ее питания. Диод VD1 должен быть рассчитан на прямой ток, по меньшей мере на 50% превышающий величину номинального рабочего тока через лампу EL1.
На рис. 11.4 показан усовершенствованный вариант предшествующего устройства [11.3]. Лампа EL2 одновременно является индикатором неисправности и дублирует утраченную в результате аварии основную функцию осветительного прибора — является дублирующим источником света. Принцип действия такой же, что и у прототипа, однако в схему введен дополнительный транзистор VT2, назначение которого — инвертировать сигнал, снимаемый с резистора R1. Таким образом, пока исправна лампа EL1, лампа EL2 не светится. При обрыве (перегорании) основной лампы EL1 загорается дублирующая EL2.

Рис. 11.4. Схема переключателя нагрузки, дублирующей функции основной

Слаботочная лампа накаливания EL3 индицирует наличие короткого замыкания в цепи лампы EL1.
Для индикации работы ламп накаливания могут быть использованы светодиоды, подключенные через токоограничиваю-щие резисторы параллельно лампам накаливания (рис. 11.5).
Сами лампы включены в коллекторные цепи мощных транзисторов симметричного триггера. В силу неравенства свойств элементов, входящих в состав «симметричного» триггера, триггер устанавливается в одно из двух возможных устойчивых состояний, светится одна из ламп накаливания, например, EL,, горит светодиод НЦ, соответствующий этой лампе.

Рис. 11.5. Триггерная схема включения ламп накаливания

Стоит этой лампе перегореть, коллекторный ток транзистора VT1 уменьшится, схема переключится, будет светиться вторая лампа ELr и соответствующий ей светодиод Hl_r.
Для устойчивой и надежной работы целого ряда устройств зачастую требуется не только решить столь частную и простую задачу, как авторезервирование осветительных элементов, но и обеспечить, например, постоянство сопротивления нагрузки при возможном отказе (выходе из строя, отключении) нескольких из параллельно подключенных к источнику питания потребителей. Решить такую задачу достаточно просто при использовании управляемых мощных сопротивлений нагрузки. Кроме того, подобные устройства могут пригодиться для настройки и испытания источников питания радиоэлектронных схем.
Управляемые вручную мощные сопротивления-двухполюсники (реостаты) достаточно дефицитны и не очень удобны в управлении. В качестве таких изделий — мощных управляемых сопротивлений нагрузки — можно использовать их электронные аналоги [11.4], схема одного из которых представлена на рис. 11.6, см. также гл. 5 (рис. 5.12, 5.13). Роль управляемого сопротивления выполняет транзистор VT1. Нагрузочное устройство включается/отключается при помощи слаботочного переключателя SA1. Диод VD1 обеспечивает правильную полярность подключения транзистора. Предохранитель ограничивает предельный
ток через устройство. Для питания эквивалента нагрузки от переменного тока необходимо добавить мостовой выпрямитель, в диагональ которого включают электронный аналог мощного сопротивления. Транзистор VT1 следует устанавливать на теплоот-водящей пластине.

Рис. 11.6. Схема электронного аналога мощного сопротивления нагрузки

Предельная мощность, рассеиваемая такой нагрузкой, определяется типом транзистора и площадью теплоотвода. Для указанного в первоисточнике типа транзистора максимальная длительно рассеиваемая мощность составляет 50 Вт.
Чтобы обеспечить управление величиной электрического сопротивления электронного аналога (рис. 11.6), достаточно подать внешнее управляющее напряжение соответствующей полярности и величины на базу транзистора VT1 через токоограничивающий резистор R1.
Аналог мощного реостата (рис. 11.7) позволяет установить ток нагрузки от десятков мА до нескольких ампер [11.5]. С его помощью можно исследовать параметры выпрямителей, стабилизаторов, преобразователей напряжения, аккумуляторов и батарей под нагрузкой.

Эквивалент нагрузки в соответствии с полярностью питающего напряжения подключают к выходу источника постоянного тока. Через составной транзистор VT2 и VT3 может протекать ток до 4 А. Переключателем SA2 можно отключить мощный выходной транзистор VT3 и ограничить величину тока через эквивалент нагрузки до 0,7 А. Диапазон регулируемых эквивалентных сопротивлений составляет 1,5...4 Ом и 4...24 Ом, соответственно.
Если переключатель SA1 перевести из положения «Резистор» в положение «Стабилизатор тока», вольтамперная характеристика эквивалента нагрузки будет напоминать выходную характеристику полевого транзистора: при напряжении источника питания менее 2 б устройство ведет себя как резистор небольшого сопротивления (порядка 1 Ом). При напряжении выше 2 В наступает насыщение транзистора, и потребляемый устройством ток почти перестает зависеть от входного напряжения. Величину этого тока можно регулировать потенциометром R1 в пределах 0,1...4 А (0,1...0,7 и 0,7...4 А) при входном напряжении 2...30 В.
Рис. 11.7. Схема электронного мощного реостата — стабилизатора тока
Транзисторы VT2 и VT3 устанавливают на общем ребристом теплоотводе площадью 450 см2. К их корпусам планкой из цветного металла плотно прижаты термостабилизирующие диоды VD1 и VD2, соответственно.
Устройство можно использовать для зарядки аккумуляторов емкостью до 40 А-ч стабильным током.
Аналог реостата нельзя использовать в цепях переменного тока. Впрочем, это препятствие легко преодолимо, если использовать диодный мост, в диагональ которого в соответствии с полярностью следует подключить эквивалент нагрузки. В этом случае рабочая область частот определяется характеристиками используемых элементов (обычно на выше 1 кГц).