Схемотехника

Индикаторы отказа элементов схем

Для защиты радиоэлектронного оборудования от токовых перегрузок используют плавкие и тепловые предохранители с использованием биметалла или элементов с памятью формы, а также полупроводниковые предохранители с самовосстановлением, см. главу 7. Своевременная реакция на срабатывание системы защиты радиоэлектронного и электросилового оборудования позволит предупредить развитие аварийной ситуации, устранить причину неисправности.
При срабатывании элементов защиты для оперативного установления причин неисправности или оповещения обслуживающего персонала о наличии аварийной ситуации используют визуальные, звуковые и аудиовизуальные индикаторы отказа элементов схем. Наиболее часто такие устройства используют для индикации перегорания предохранителей.
Устройство (рис. 8.1) для контроля напряжения [8.1] позволяет индицировать наличие напряжения постоянного тока, а также факт перегорания предохранителя.

Рис. 8.1. Схема индикатора напряжения — индикатора перегорания предохранителя

При штатном режиме работы предохранитель шунтирует цепь, состоящую из резистора R1 и светодиода HL1 красного цвета свечения. Параллельно источнику питания и нагрузке
подключена цепь из светодиода HL2 зеленого цвета свечения и токоограничивающего резистора R2.
При перегорании предохранителя, в случае, если сопротивление нагрузки много меньше сопротивления резистора R2, нагрузка шунтирует цепь из светодиода HL2 и резистора R2. Светится только светодиод HL1 красного цвета. При одновременном перегорании предохранителя и обрыве нагрузки к источнику питания оказывается подключенной последовательная цепь из резисторов R1 и R2 и светодиодов HL1 и HL2. Оба светодиода светятся неярким светом.
При использовании схемы на переменном токе встречно-параллельно светодиодам следует включить защитные слаботочные диоды, например, КД102.
Одна из простейших схем, позволяющая констатировать факт перегорания предохранителя в цепях как постоянного, так и переменного тока [8.2], показана на рис. 8.2. Она состоит из элементов, включенных параллельно предохранителю: резистора R1, ограничивающего максимальный ток; диода VD1, защищающего индикатор от неправильного подключения к источнику питания или обратного напряжения при работе устройства на переменном токе и, собственно, самого индицирующего элемента — светодиода HL1. При мощности нагрузки более 15 Вт и постоянном напряжении свыше 27 6 сопротивление резистора (кОм) можно приближенно определить как частное от деления величины питающего напряжения (В) на рабочий ток светодиода (мА).

Рис. 8.2. Схема сигнализатора перегорания предохранителя в цепи постоянного тока

При токе через светодиод 10...20 мА величина этого сопротивления (кОм) примерно равна 50...10011ПИТ(В). При малых напряжениях в расчетах следует учитывать, что на светодиоде падает напряжение около 2 В, на диоде — 0,5...0,7 В. При работе
сигнализатора на переменном токе величину сопротивления следует уменьшить вдвое.
Недостатком данного сигнализатора, как, впрочем, и многих остальных, является то, что светодиод не светится при наличии высокоомной нагрузки или обрыве в цепи нагрузки.
Схема индикатора перегорания предохранителя в цепи постоянного тока [8.3] приведена на рис. 8.3. Его основой служит двухцветный светодиод АЛС331А.

Рис. 8.3. Схема индикатора перегорания предохранителя в цепи постоянного тока на двухцветном светодиоде

Пока предохранитель FU1 исправен, напряжение источника питания поступает на обе части светодиода HL1 одновременно. Если бы токи через них были близки по значению, то их общий цвет свечения был бы желтый или оранжевый. Однако, поскольку ВАХ светодиодов красного и зеленого свечения заметно различаются (ВАХ светодиода красного свечения идет круче), большая часть тока будет протекать именно через «красный» светодиод. Суммарный цвет свечения при параллельном включении двухцветного светодиода АЛС331А при исправном предохранителе будет красно-оранжевым.
При перегорании предохранителя светодиод красного свечения останется подключенным к источнику питающего напряжения, а зеленого — окажется отключенным. Поэтому общий цвет свечения светодиода станет красный, что и явится сигналом о выходе из строя предохранителя. Светодиод АЛС331А можно заменить двумя отдельными светодиодами красного и зеленого цветов свечения, например, АЛ307Б и АЛ307В (рис. 8.4).
Для того чтобы разница в суммарном цвете свечения была более заметна, начальные токи в светодиодах разного цвета свечения выравнивают. Проще всего это достигается за счет включения дополнительного диода последовательно с «красным» светодиодом (рис. 8.4). Происходит выравнивание падений напряжения на левой и правой ветвях индикаторов, через светодиоды протекают примерно равные токи, следовательно, суммарный цвет свечения светодиодов будет соответствовать цветовому оттенку, промежуточному между красным и зеленым цветом.

Рис. 8.4. Улучшенная схема индикатора на светодиодах разного цвета свечения

При перегорании предохранителя ток протекает только через светодиод красного свечения.
Индикаторы по схемам рис. 8.3 и 8.4 [8.3] рекомендуются ля использования в устройствах, питающихся от источников наряжения до 3 В. Такое ограничение обусловлено тем, что при пе-егорании предохранителя почти все питающее напряжение (за ычетом падения напряжения на светодиоде HL1 и диоде VD1) эступает на резистор R1, и светодиод HL2 оказывается обрат-эсмещенным. При превышении этого напряжения в обратносме-,енных светодиодах происходит лавинный пробой, а поскольку зличина токоограничивающего резистора невелика, светодиод ожет быть поврежден.
Для защиты светодиодов от пробоя обратным напряжением устройство индикации надо ввести еще два диода, как показано i рис. 8.5 [8.3]. Тогда диод VD3 будет выполнять роль защиты, а)2 — компенсировать напряжение на нем.
Сопротивление резистора R1, как и в предыдущих случаях, >жно определить как отношение разности напряжения питания и дения напряжения на светодиоде (и включенном последова-пьно ему диоде) к току через светодиод.
Индикатор перегорания предохранителя (рис. 8.6) включен следовательно с нагрузкой и параллельно предохранителю [8.4].

Рис. 8.5. Схема индикатора перегорания предохранителя с защитой светодиодов от пробоя обратным напряжением

Рис. 8.6. Схема индикатора перегорания предохранителя для переменного и постоянного тока

В случае перегорания предохранителя и при коротком замыкании в нагрузке ток протекает через индикатор. Диод VD1 и стабилитрон VD2 обеспечивают рекомендованный для светодиодов режим работы, резистор R1 ограничивает предельный ток через светодиод. Устройство работоспособно и в цепях постоянного тока при условии его подключения в соответствующей полярности.
Недостатком устройства является то, что светодиод при высокоомной нагрузке или разрыве цепи нагрузки светится очень слабо или совсем гаснет. Кроме того, через нагрузку даже при перегоревшем предохранителе протекает значительный ток (10...20 мА).
Более простая, но не лишенная тех же недостатков, схема индикатора перегорания предохранителя, работающая как в цепях переменного, так и постоянного тока, показана на рис. 8.7.
Для индикации перегорания предохранителя FU1 (рис. 8.8) был использован или двухцветный светодиод, или пара менее дефицитных разноцветных светодиодов HL1 и HL2, например, зеленого и красного цвета свечения [8.5]. При исправном предохранителе светится только «зеленый» светодиод HL1. Как только предохранитель перегорает, этот светодиод обесточивается, ток начинает протекать через последовательную цепочку, состоящую из диода VD1, стабилитрона VD2, светодиода HL2 и диода VD3.

Рис. 8.7. Схема индикатора перегорания предохранителя для цепей переменного и постоянного тока

Рис. 8.8. Схема индикатора перегорания предохранителя на двух светодиодах

Диод VD3 обеспечивает защиту светодиодов от пробоя при отрицательной полуволне сетевого напряжения.
Рассмотренные ранее индикаторы перегорания предохранителя были недостаточно экономичны, поскольку в своем большинстве нерационально расходовали ресурсы элементов питания: индицирующий элемент — светодиод — был постоянно подключен параллельно цепи питания и постоянно потреблял ток до 20 мА.
Более экономичными индикаторами являются устройства, схемы которых приведены на рис. 8.9 и 8.10 [8.6]. Ток, потребляемый индикаторами в режиме ожидания, не превышает 1...2 мА. При перегорании предохранителя транзистор VT1 открывается, включается сигнализатор аварии — светодиод HL1.
Устройство, схема которого приведена на рис. 8.10, можно использовать и в цепях переменного тока.
Оба устройства рассчитаны на питание от источника 9 Б. При иных напряжениях питания потребуется соответствующая коррекция резистивных элементов.

Рис. 8.9. Схема светодиодного индикатора перегорания предохранителя для цепей постоянного тока

Рис. 8.10. Схема светодиодного индикатора перегорания предохранителя для постоянного и переменного тока

Обычно для индикации перегорания предохранителя используют низковольтные трехполюсники постоянного тока: при срабатывании сигнализации можно наблюдать непрерывное свечение светодиода.
Перегорание предохранителя или иное размыкание цепи системы токовой защиты устройство (рис. 8.11) индицирует синхронными посылками коротких звуковых и световых сигналов [8.7, 8.8].
Индикатор выполнен в виде двухполюсника, включаемого параллельно предохранителю в цепь постоянного или переменного тока напряжением 10... 1000 Б с частотой до 1 кГц и выше. В состав устройства входит резистивныи ограничитель тока — составной времязадающий резистор R1, R2, мостовой диодный выпрямитель (VD1 — VD4), элемент звуковой (BQ1) и световой (HL1) индикации и негатрон, выполненный на транзисторах VT1, VT2 и резисторах R3, R4.

Рис. 8.11. Схема индикатора перегорания предохранителя для постоянного и переменного тока

Роль времязадающего конденсатора в устройстве выполняет пьезокерамический излучатель BQ1, который, если использовать только светодиодную индикацию, можно заменить конденсатором емкостью 0,022...0,5 мкФ.
При перегорании предохранителя (размыкании цепи защиты) на индикатор подается напряжение сети, а устройство генерирует прерывистые световые и звуковые сигналы (щелчки). Предполагается, что сопротивление нагрузки после срабатывании защиты (перегорания предохранителя) находится в пределах от 0 до нескольких МОм. Для индикации перегорания предохранителя при оборванной цепи нагрузки параллельно ей следует включить резистор сопротивлением 1...2 МОм. Остаточный ток, протекающий через нагрузку и индикатор при напряжении сети 220 В, не превышает 1 мА.
Для индикации обрыва в цепи питания радиоэлектронного или электросилового оборудования предназначено устройство (рис. 8.12), которое может быть подключено параллельно элементу защиты — плавкому или тепловому предохранителю, коммутатору нагрузки и т.д. [8.9].

Рис. 8.12. Схема индикатора обрыва питания в цепи переменного или постоянного тока

Индикатор можно применять в цепях постоянного и переменного (до 1 кГц) тока напряжением от 10 до 1000 В. Максимальный ток, протекающий через индикатор и короткозамкнутую нагрузку при срабатывании элемента защиты, ограничен резисторами R1 и R2 — при напряжении 220 В ток не превышает 0,5 мА. При работе на пониженном напряжении (менее 100 В) сопротивление резисторов R1 и R2 можно уменьшить.
Индикатор содержит генератор импульсов, состоящий из элемента с отрицательным динамическим сопротивлением (лавинный транзистор К101КТ1Г либо его аналог К162КТ2 структуры р-п-р, включенный инверсно) и цепочки последовательно включенных резисторов R1, R2 и сопротивления нагрузки RH, a также времязадающего конденсатора С1. Для индикации работы генератора использован светодиод HL1 и телефонный капсюль BF1. Лавинный транзистор можно заменить его аналогом на транзисторах VT2, VT3. Он подключается вместо VT1 (рис. 8.12) к точкам А и В. Громкость звука и яркость вспышек, а также их частоту можно отрегулировать подбором емкости конденсатора С1.
Чтобы предлагаемое устройство срабатывало при обрыве нагрузки, параллельно ей нужно включить резистор Ra сопротивлением около 1 МОм или конденсатор Са емкостью 300... 1000 пФ.