Protecție la supracurent folosind op

Circuitele de protecție sunt vitale pentru ca orice proiectare electronică să aibă succes. În tutorialele noastre de circuit de protecție anterioare, am proiectat multe circuite de protecție de bază care pot fi adaptate circuitului dvs., și anume, protecție la supratensiune, protecție la scurtcircuit, protecție împotriva polarității inversă, etc. Adăugând la această listă de circuite, în acest articol, vom va învăța cum să proiecteze și să construiască un circuit simplu pentru protecția la supracurent utilizând Op-Amp.

Protecția la supracurent este adesea utilizată în circuitele de alimentare pentru a limita curentul de ieșire al unui alimentator. Termenul „supracurent” este o condiție când sarcina atrage un curent mare decât capacitățile specificate ale unității de alimentare. Aceasta poate fi o situație periculoasă, deoarece o stare de supracurent ar putea deteriora sursa de alimentare. Astfel, inginerii folosesc în mod normal un circuit de protecție la supracurent pentru a întrerupe sarcina de la sursa de alimentare în timpul unor astfel de scenarii de defecțiune, protejând astfel sarcina și sursa de alimentare.

Protecție la supracurent utilizând amplificator operațional

Există multe tipuri de circuite de protecție la supracurent; complexitatea circuitului depinde de cât de rapid ar trebui să reacționeze circuitul de protecție în timpul unei situații de supracurent. În acest proiect, vom construi un circuit simplu de protecție la supracurent utilizând un amplificator opțional care este foarte frecvent utilizat și care poate fi adaptat cu ușurință pentru proiectele dumneavoastră.

Circuitul pe care urmează să-l proiectăm va avea o valoare de prag de supracurent reglabilă și va avea, de asemenea, o funcție de repornire automată la eșec. Deoarece acesta este un circuit de protecție la supracurent bazat pe un amplificator op, acesta va avea un amplificator op ca unitate de conducere. Pentru acest proiect, este utilizat un amplificator operațional de uz general LM358. În imaginea de mai jos, este prezentată diagrama pinului LM358.

După cum se vede în imaginea de mai sus, în interiorul unui singur pachet IC vom avea două canale op-amp. Cu toate acestea, doar un singur canal este utilizat pentru acest proiect. Op-amp-ul va comuta (deconecta) sarcina de ieșire folosind un MOSFET. Pentru acest proiect, se utilizează un canal N MOSFET IRF540N. Se recomandă utilizarea radiatorului MOSFET adecvat dacă curentul de încărcare este mai mare de 500mA. Cu toate acestea, pentru acest proiect, MOSFET este utilizat fără radiator. Imaginea de mai jos este reprezentarea diagramei IRF540N.

Pentru alimentarea amplificatorului și a circuitelor, se utilizează regulatorul de tensiune liniar LM7809. Acesta este un regulator de tensiune liniar de 9V 1A cu o tensiune nominală largă. Pinout-ul poate fi văzut în imaginea de mai jos

Materiale necesare:

O listă a componentelor necesare pentru circuitul de protecție la supracurent este listată mai jos.

1. Breadboard
2. Este necesară o sursă de alimentare de 12V (minim) sau conform tensiunii.
3. LM358
4. 100uF 25V
5. IRF540N
6. Radiator (conform cerințelor cererii)
7. Oală de 50k.
8. Rezistor 1k cu 1% toleranță
9. Rezistor 1Meg
10. Rezistor 100k cu toleranță de 1%.
11. Rezistor 1ohms, 2W (2W maxim 1,25A curent de sarcină)
12. Sârme pentru panou

Circuit de protecție la supracurent

Un circuit simplu de protecție la supracurent poate fi proiectat folosind un Op-Amp pentru a detecta supracurentul și pe baza rezultatului putem conduce un Mosfet pentru a deconecta / conecta sarcina la sursa de alimentare. Diagrama circuitului pentru același lucru este simplă și poate fi văzută în imaginea de mai jos

Circuitul de protecție la supracurent funcționează

După cum puteți observa din diagrama circuitului, MOSFET IRF540N este utilizat pentru a controla sarcina ca ON sau OFF în condițiile normale și de suprasarcină. Dar înainte de a opri sarcina, este esențial să detectați curentul de sarcină. Acest lucru se face folosind un rezistor de șunt R1, care este un rezistor de șunt de 1 Ohm cu un rating de 2 wați. Această metodă de măsurare a curentului se numește Shunt Resistor Current Sensing. Puteți verifica și alte metode de detectare a curentului care pot fi folosite și pentru detectarea supracurentului.

În timpul stării ON a MOSFET, curentul de sarcină curge prin drenajul MOSFET către sursă și în cele din urmă către GND prin intermediul rezistorului de șunt. În funcție de curentul de sarcină, rezistența de șunt produce o cădere de tensiune peste care poate fi calculată folosind legea Ohms. Prin urmare, să presupunem, pentru 1A de curent de curent (curent de sarcină), căderea de tensiune peste rezistența de șunt este 1V ca V = I x R (V = 1A x 1 Ohm). Deci, dacă această tensiune de cădere este comparată cu o tensiune predefinită folosind un Op-Amp, putem detecta supracurentul și putem schimba starea MOSFET pentru a întrerupe sarcina.

Amplificatorul operațional este utilizat în mod obișnuit pentru efectuarea operațiilor matematice cum ar fi adăugarea, scăderea, multiplicarea etc. Prin urmare, în acest circuit, amplificatorul operațional LM358 este configurat ca un comparator. Conform schemei, comparatorul compară două valori. Primul este tensiunea de cădere peste rezistența de șunt și un altul este tensiunea predefinită (tensiunea de referință) utilizând un rezistor variabil sau un potențiometru RV1. RV1 acționează ca un divizor de tensiune. Tensiunea de cădere peste rezistența de șunt este detectată de terminalul inversor al comparatorului și este comparată cu referința de tensiune care este conectată în terminalul neinversibil al amplificatorului operațional.

Datorită acestui fapt, dacă tensiunea detectată este mai mică decât tensiunea de referință, comparatorul va produce o tensiune pozitivă pe ieșire, care este aproape de VCC-ul comparatorului. Dar, dacă tensiunea detectată este mai mare decât tensiunea de referință, comparatorul va produce tensiune de alimentare negativă pe ieșire (alimentarea negativă este conectată la GND, deci 0V în acest caz). Această tensiune este suficientă pentru a porni sau opri un MOSFET.

Abordarea problemei de răspuns / stabilitate tranzitorie

Dar când încărcătura mare va fi deconectată de la sursă, modificările tranzitorii vor crea o regiune liniară în cadrul comparatorului și acest lucru va crea o buclă în care comparatorul nu ar putea activa sau dezactiva încărcarea în mod corespunzător și amplificatorul operațional va deveni instabil. De exemplu, să presupunem că 1A este setat folosind potențiometrul pentru a declanșa MOSFET în starea OFF. Prin urmare, rezistența variabilă este setată pentru o ieșire de 1V. În timpul unei situații, atunci când comparatorul detectează căderea de tensiune peste rezistența de șunt este de 1,01 V (această tensiune depinde de precizia amplificatorului sau a comparatorului și a altor factori), comparatorul va deconecta sarcina. Modificări tranzitorii apar atunci când o sarcină mare este brusc deconectată de la unitatea de alimentare cu energie electrică și acest tranzitor crește referința de tensiune care invită rezultate slabe în comparator și îl obligă să funcționeze într-o regiune liniară.

Cea mai bună modalitate de a depăși această problemă este de a utiliza o putere stabilă în comparator în cazul în care modificările tranzitorii nu afectează tensiunea de intrare a comparatorului și referința tensiunii. Nu numai acest lucru, istereză metodă suplimentară trebuie adăugată în comparator. În acest circuit, acest lucru este realizat de regulatorul liniar LM7809 și prin utilizarea unui rezistor de histerezis R4, un rezistor de 100k. LM7809 furnizează o tensiune adecvată în comparator, astfel încât schimbările tranzitorii de pe linia de alimentare să nu afecteze comparatorul. C1, condensatorul 100uF este utilizat pentru filtrarea tensiunii de ieșire.

Rezistorul de histerezis R4 alimentează o mică porțiune a intrării pe ieșirea amplificatorului operațional, ceea ce creează un decalaj de tensiune între pragul scăzut (0,99 V) și pragul înalt (1,01 V) în care comparatorul își schimbă starea de ieșire. Comparatorul nu schimbă starea imediat dacă este atins punctul de prag, în loc de asta, pentru a schimba starea de la mare la scăzut, nivelul de tensiune detectat trebuie să fie mai mic decât pragul scăzut (de exemplu 0,97 V în loc de 0,99 V) sau pentru a schimba starea de la scăzută la înaltă, tensiunea detectată trebuie să fie mai mare decât pragul ridicat (1,03 în loc de 1,01). Acest lucru va crește stabilitatea comparatorului și va reduce declanșarea falsă. În afară de acest rezistor, R2 și R3 sunt utilizate pentru controlul porții. R3 este rezistența derulantă Gate a MOSFET-ului.

Testarea circuitului de protecție la supracurent

Circuitul este construit într-o placă de testare și testat utilizând sursa de alimentare Bench împreună cu o sarcină DC variabilă.

Circuitul este testat și sa observat că ieșirea se deconectează cu succes la diferite valori stabilite de rezistorul variabil. Videoclipul oferit în partea de jos a acestei pagini arată o demonstrație completă a testării protecției la supracurent în acțiune.

Sfaturi pentru proiectarea protecției la supracurent

• Circuitul RC snubber pe ieșire ar putea îmbunătăți EMI.
• Chiuveta de căldură mai mare și MOSFET specific pot fi utilizate pentru aplicația necesară.
• PCB bine construit va îmbunătăți stabilitatea circuitului.
• Puterea rezistenței de șunt este necesară pentru a fi ajustată conform legii puterii (P = I ² R) în funcție de curentul de încărcare.
• Rezistența de valoare foarte mică în mili-ohmi poate fi utilizată pentru un pachet mic, dar căderea de tensiune va fi mai mică. Pentru a compensa cu căderea de tensiune poate fi utilizat un amplificator suplimentar cu câștig adecvat.
• Este recomandabil să utilizați un amplificator de detectare a curentului dedicat pentru probleme corecte legate de detectarea curentului.

Sper că ați înțeles tutorialul și v-a plăcut să învățați ceva util din acesta. Dacă aveți întrebări, vă rugăm să le lăsați în secțiunile de comentarii sau să utilizați forumurile pentru alte întrebări tehnice.