Захист від перевантаження по струму з використанням оп

Захисні схеми життєво необхідні для успіху будь-якої електронної конструкції. У наших попередніх навчальних посібниках із схем захисту ми розробили безліч основних схем захисту, які можна адаптувати до вашої схеми, а саме: захист від перенапруги, захист від короткого замикання, захист від зворотної полярності тощо. Додаючи до цього переліку ланцюгів, у цій статті ми навчиться розробляти та будувати просту схему захисту від перенапруги за допомогою Op-Amp.

Захист від перевантаження по струму часто використовується в ланцюгах живлення для обмеження вихідного струму БП. Термін "надмірна сила струму" - це умова, коли навантаження витрачає більший струм, ніж зазначені можливості блоку живлення. Це може бути небезпечною ситуацією, оскільки надтоковий стан може пошкодити джерело живлення. Отже, інженери зазвичай використовують схему захисту від перенапруги для відключення навантаження від джерела живлення під час таких сценаріїв несправностей, захищаючи таким чином навантаження та джерело живлення.

Захист від перевантаження по струму за допомогою операційного підсилювача

Існує багато типів схем захисту від перенапруги; складність схеми залежить від того, наскільки швидко захисна схема повинна реагувати під час перенапруги. У цьому проекті ми побудуємо просту схему захисту від перенапруги з використанням операційного підсилювача, який дуже часто використовується і може бути легко адаптований під ваші конструкції.

Схема, яку ми збираємося розробити, матиме регульоване порогове значення перевантаження, а також матиме функцію автоматичного перезапуску при відмові. Оскільки це схема захисту від перенапруги на основі операційного підсилювача, вона буде мати підсилювач в якості приводу. Для цього проекту використовується операційний підсилювач загального призначення LM358. На зображенні нижче показано схему контактів LM358.

Як видно з наведеного зображення, всередині одного мікросхеми ми матимемо два канали підсилювача. Однак для цього проекту використовується лише один канал. Операційний підсилювач перемкне (від'єднає) вихідне навантаження за допомогою MOSFET. Для цього проекту використовується N-канальний MOSFET IRF540N. Рекомендується використовувати належний радіатор MOSFET, якщо струм навантаження перевищує 500 мА. Однак для цього проекту MOSFET використовується без радіатора. Нижче на зображенні представлено схему розпінації IRF540N.

Для живлення операційного підсилювача та схеми використовується лінійний регулятор напруги LM7809. Це лінійний регулятор напруги 9В 1А з широкою номінальною напругою. Розпірку можна побачити на зображенні нижче

Необхідні матеріали:

Нижче наведено перелік компонентів, необхідних для схеми захисту від перевантаження по струму.

1. Макет
2. Потрібно джерело живлення 12 В (мінімум) або відповідно до напруги.
3. LM358
4. 100 мкФ 25 В
5. IRF540N
6. Радіатор (відповідно до вимоги заявки)
7. 50к горщик для обрізки.
8. 1k резистор з допуском 1%
9. 1Мег резистор
10. 100k резистор з допуском 1%.
11. Резистор 1 Ом, 2 Вт (максимум 2 Вт струму навантаження 1,25 А)
12. Провід для макету

Схема захисту від перевантаження по струму

Просту схему захисту від перевантаження по струму можна розробити, використовуючи підсилювач Op- A для виявлення перевантаження по току, і на основі результату ми можемо керувати Mosfet для відключення / підключення навантаження від джерела живлення. Принципова схема для того ж самого проста і її можна побачити на зображенні нижче

Схема захисту від перевантаження по струму працює

Як ви можете бачити з принципової схеми, MOSFET IRF540N використовується для управління навантаженням як УВІМК. Або ВИМК. Під час нормального та перевантаженого стану. Але перед вимкненням навантаження дуже важливо виявити струм навантаження. Це робиться за допомогою шунтуючого резистора R1, який є шунтовим резистором 1 Ом з потужністю 2 Вт. Цей метод вимірювання струму називається вимірюванням струму шунтового резистора, ви також можете перевірити інші методи вимірювання струму, які також можна використовувати для виявлення перенапруги.

Під час увімкненого стану MOSFET струм навантаження протікає через стік MOSFET до джерела і, нарешті, до GND через шунтуючий резистор. Залежно від струму навантаження шунтуючий резистор виробляє падіння напруги на кожному, яке можна обчислити, використовуючи закон Ом. Тому припустимо, для 1А поточного струму (струму навантаження) падіння напруги на шунтуючому резисторі дорівнює 1В як V = I x R (V = 1A x 1 Ом). Отже, якщо це падіння напруги порівняти із заздалегідь визначеною напругою за допомогою Op-Amp, ми можемо виявити надток і змінити стан MOSFET, щоб відключити навантаження.

Операційний підсилювач зазвичай використовується для виконання математичних операцій, таких як додавання, віднімання, множення тощо. Тому в цій схемі операційний підсилювач LM358 налаштований як компаратор. Відповідно до схеми, компаратор порівнює два значення. Перший - це напруга падіння на маневровому резисторі, а інший - заздалегідь задана напруга (опорна напруга) за допомогою змінного резистора або потенціометра RV1. RV1 діє як дільник напруги. Падіння напруги на маневровому резисторі визначається інвертуючою клемою компаратора і порівнюється з еталонною напругою, яка підключена до неінвертуючої клеми операційного підсилювача.

Завдяки цьому, якщо вимірювана напруга менше опорної напруги, компаратор буде виробляти позитивну напругу на виході, яка близька до VCC компаратора. Але якщо напруга, що вимірюється, перевищує опорну напругу, компаратор вироблятиме негативну напругу живлення на виході (негативна напруга підключена через GND, тож 0 В цьому випадку). Цієї напруги достатньо, щоб увімкнути або вимкнути MOSFET.

Вирішення проблеми перехідної реакції / стабільності

Але коли велике навантаження буде відключено від живлення, перехідні зміни створюватимуть лінійну область по всьому компаратору, і це створить цикл, де компаратор не зможе належним чином увімкнути або вимкнути навантаження, а підсилювач стане нестабільним. Наприклад, припустимо, 1A встановлюється за допомогою потенціометра для спрацьовування MOSFET у стан OFF. Тому змінний резистор встановлюється на вихід 1 В. У ситуації, коли компаратор виявляє падіння напруги на шунтуючому резисторі 1,01 В (ця напруга залежить від точності підсилювача або компаратора та інших факторів), компаратор відключає навантаження. Перехідні зміни виникають, коли раптом відключено високе навантаження від блоку живлення, і це перехідне збільшення опорного значення напруги, що викликає погані результати на компараторі і змушує його працювати в лінійній області.

Найкращий спосіб подолати цю проблему - використовувати стабільну потужність у компараторі, коли перехідні зміни не впливають на вхідну напругу компаратора та еталонну напругу. Мало того, у компаратор потрібно додати додатковий метод гістерезису. У цій схемі це робиться лінійним регулятором LM7809 та за допомогою гістерезисного резистора R4, 100k резистора. LM7809 забезпечує належну напругу на компараторі, щоб перехідні зміни на лінії електропередач не впливали на компаратор. C1, конденсатор 100 мкФ використовується для фільтрації вихідної напруги.

Гістерезисний резистор R4 подає невелику частину вхідного сигналу через вихід операційного підсилювача, що створює зазор напруги між низьким порогом (0,99 В) і високим порогом (1,01 В), де компаратор змінює свій вихідний стан. Компаратор не змінює стан відразу, якщо порогова точка досягнута, замість цього, щоб змінити стан з високого на низький, відчуваний рівень напруги повинен бути нижчим за низький поріг (наприклад, 0,97 В замість 0,99 В) або щоб змінити стан з низького на високий, напруга, що відчувається, повинна бути вищою за високий поріг (1,03 замість 1,01). Це збільшить стабільність компаратора і зменшить помилкове спрацювання. Крім цього резистора, R2 і R3 використовуються для управління затвором. R3 - випадаючий резистор МОП-транзистора.

Тестування ланцюга захисту від перевантаження по струму

Схема побудована в макетній панелі та перевірена за допомогою стендового джерела живлення разом із змінним навантаженням постійного струму.

Схема тестується і спостерігається вихід, який успішно відключається при різних значеннях, встановлених змінним резистором. Відео, представлене внизу цієї сторінки, демонструє повну демонстрацію тестування захисту від перевантаження по струму в дії.

Поради щодо проектування захисту від перевантаження по струму

• RC снубер-ланцюг на виході може покращити EMI.
• Більший радіатор та специфічний MOSFET можуть бути використані для необхідного застосування.
• Добре побудована друкована плата покращить стабільність схеми.
• Потужність шунтового резистора потрібно регулювати відповідно до закону потужності (P = I ² R) залежно від струму навантаження.
• Для невеликої упаковки можна використовувати дуже низькоцінний резистор в міліомах, але падіння напруги буде менше. Для компенсації падіння напруги може бути використаний додатковий підсилювач з належним коефіцієнтом посилення.
• Бажано використовувати спеціальний підсилювач струмового сенсора для точних проблем, пов'язаних із вимірюванням струму.

Сподіваюся, ви зрозуміли підручник і насолоджувались вивченням чогось корисного з нього. Якщо у вас виникли запитання, залиште їх у розділах коментарів або використовуйте форуми для інших технічних питань.