Zabezpieczenie nadprądowe za pomocą op

Obwody ochronne są niezbędne dla powodzenia każdego projektu elektronicznego. W naszych poprzednich samouczkach dotyczących obwodów zabezpieczających zaprojektowaliśmy wiele podstawowych obwodów zabezpieczających, które można dostosować do obwodu, a mianowicie: ochrona przed przepięciem, ochrona przed zwarciem, ochrona przed odwrotną polaryzacją itp. Dodając do tej listy obwodów, w tym artykule dowie się, jak zaprojektować i zbudować prosty obwód do ochrony przed przepięciami za pomocą wzmacniacza operacyjnego.

Zabezpieczenie nadprądowe jest często stosowane w obwodach zasilacza w celu ograniczenia prądu wyjściowego zasilacza. Termin „przetężenie” oznacza stan, w którym obciążenie pobiera prąd o wyższym natężeniu niż określone możliwości zasilacza. Może to być niebezpieczna sytuacja, ponieważ stan przetężenia może spowodować uszkodzenie zasilacza. Dlatego inżynierowie zwykle używają obwodu zabezpieczającego przed przepięciem, aby odciąć obciążenie od zasilania podczas takich scenariuszy awarii, chroniąc w ten sposób obciążenie i zasilanie.

Zabezpieczenie nadprądowe za pomocą wzmacniacza operacyjnego

Istnieje wiele rodzajów obwodów zabezpieczających przed przetężeniem; złożoność obwodu zależy od tego, jak szybko obwód zabezpieczający powinien zareagować w sytuacji przetężenia. W tym projekcie zbudujemy prosty obwód zabezpieczający przed przepięciem za pomocą bardzo powszechnie używanego wzmacniacza operacyjnego, który można łatwo dostosować do twoich projektów.

Obwód, który zamierzamy zaprojektować, będzie miał regulowaną wartość progową przetężenia i będzie miał również funkcję automatycznego restartu w przypadku awarii. Ponieważ jest to obwód zabezpieczenia nadprądowego oparty na wzmacniaczu operacyjnym, będzie miał wzmacniacz operacyjny jako jednostkę napędową. W tym projekcie zastosowano wzmacniacz operacyjny ogólnego przeznaczenia LM358. Na poniższym obrazku pokazano schemat pinów LM358.

Jak widać na powyższym obrazku, w jednym pakiecie IC będziemy mieć dwa kanały wzmacniacza operacyjnego. Jednak w tym projekcie używany jest tylko jeden kanał. Wzmacniacz operacyjny będzie przełączać (odłączać) obciążenie wyjściowe za pomocą tranzystora MOSFET. W tym projekcie, IRF540N kanału n MOSFET jest używany. Zaleca się użycie odpowiedniego radiatora MOSFET, jeśli prąd obciążenia jest większy niż 500 mA. Jednak w tym projekcie MOSFET jest używany bez radiatora. Poniższy obraz przedstawia schemat wyprowadzeń IRF540N.

Do zasilania wzmacniacza operacyjnego i obwodów służy liniowy regulator napięcia LM7809. Jest to liniowy regulator napięcia 9V 1A o szerokim napięciu wejściowym. Pinout można zobaczyć na poniższym obrazku

Wymagane materiały:

Lista komponentów wymaganych dla obwodu zabezpieczenia nadprądowego znajduje się poniżej.

1. Płytka prototypowa
2. Wymagane jest zasilanie 12 V (minimum) lub zgodnie z napięciem.
3. LM358
4. 100 uF 25 V.
5. IRF540N
6. Radiator (zgodnie z wymaganiami aplikacji)
7. Potnij 50k.
8. Rezystor 1k z tolerancją 1%
9. Rezystor 1Meg
10. Rezystor 100k z tolerancją 1%.
11. Rezystor 1 omów, 2 W (maksymalnie 2 W przy prądzie obciążenia 1,25 A)
12. Przewody do płytki stykowej

Obwód zabezpieczenia nadprądowego

Prosty obwód zabezpieczenia nadprądowego można zaprojektować za pomocą wzmacniacza operacyjnego do wykrywania przetężenia i na podstawie wyniku możemy sterować mosfetem w celu odłączenia / podłączenia obciążenia do źródła zasilania. Schemat obwodu tego samego jest prosty i można go zobaczyć na poniższym obrazku

Obwód zabezpieczenia nadprądowego działa

Jak widać na schemacie obwodu, tranzystor MOSFET IRF540N jest używany do sterowania obciążeniem jako WŁ. Lub WYŁ. Podczas stanu normalnego i przeciążenia. Ale przed wyłączeniem obciążenia konieczne jest wykrycie prądu obciążenia. Odbywa się to za pomocą rezystora bocznikowego R1, który jest rezystorem bocznikowym 1 Ohm o mocy 2 W. Ta metoda pomiaru prądu nazywa się wykrywaniem prądu z rezystorem bocznikowym, można również sprawdzić inne metody wykrywania prądu, które można również wykorzystać do wykrywania przetężenia.

W stanie włączenia tranzystora MOSFET prąd obciążenia przepływa przez dren tranzystora MOSFET do źródła i ostatecznie do GND przez rezystor bocznikowy. W zależności od prądu obciążenia rezystor bocznikowy wytwarza spadek napięcia, który można obliczyć za pomocą prawa Ohma. Dlatego załóżmy, że dla 1A przepływu prądu (prądu obciążenia) spadek napięcia na rezystorze bocznikowym wynosi 1V jako V = I x R (V = 1A x 1 Ohm). Tak więc, jeśli ten spadek napięcia zostanie porównany z predefiniowanym napięciem za pomocą wzmacniacza operacyjnego, możemy wykryć przetężenie i zmienić stan tranzystora MOSFET, aby odciąć obciążenie.

Wzmacniacz operacyjny jest powszechnie używany do wykonywania operacji matematycznych, takich jak dodawanie, odejmowanie, mnożenie itp. Dlatego w tym obwodzie wzmacniacz operacyjny LM358 jest skonfigurowany jako komparator. Zgodnie ze schematem komparator porównuje dwie wartości. Pierwszy to spadek napięcia na rezystorze bocznikowym, a drugi to predefiniowane napięcie (napięcie odniesienia) za pomocą rezystora zmiennego lub potencjometru RV1. RV1 działa jako dzielnik napięcia. Spadek napięcia na rezystorze bocznikowym jest wykrywany przez zacisk odwracający komparatora i porównywany z napięciem odniesienia podłączonym do nieodwracającego zacisku wzmacniacza operacyjnego.

Z tego powodu, jeśli wykryte napięcie jest mniejsze niż napięcie odniesienia, komparator wytworzy dodatnie napięcie na wyjściu, które jest bliskie VCC komparatora. Ale jeśli wykryte napięcie jest większe niż napięcie odniesienia, komparator wytworzy ujemne napięcie zasilania na wyjściu (ujemne zasilanie jest podłączone do GND, więc w tym przypadku 0V). To napięcie jest wystarczające do włączenia lub wyłączenia tranzystora MOSFET.

Radzenie sobie z przejściowym problemem odpowiedzi / stabilności

Ale gdy wysokie obciążenie zostanie odłączone od zasilania, przejściowe zmiany utworzą obszar liniowy w poprzek komparatora, co utworzy pętlę, w której komparator nie może prawidłowo włączać lub wyłączać obciążenia, a wzmacniacz operacyjny stanie się niestabilny. Na przykład, załóżmy, że za pomocą potencjometru ustawiono 1A do przełączenia MOSFET-u w stan OFF. Dlatego rezystor zmienny jest ustawiony na wyjście 1 V. W sytuacji, gdy komparator wykryje spadek napięcia na rezystorze bocznikowym wynosi 1,01 V (napięcie to zależy od dokładności wzmacniacza operacyjnego lub komparatora oraz innych czynników), komparator odłączy obciążenie. Zmiany przejściowe występują, gdy wysokie obciążenie zostaje nagle odłączone od zasilacza i ten stan przejściowy zwiększa napięcie odniesienia, co prowadzi do słabych wyników w komparatorze i zmusza go do pracy w obszarze liniowym.

Najlepszym sposobem rozwiązania tego problemu jest użycie stabilnej mocy na komparatorze, gdzie przejściowe zmiany nie wpływają na napięcie wejściowe komparatora i napięcie odniesienia. Mało tego, w komparatorze należy dodać dodatkową histerezę metody. W tym obwodzie jest to realizowane przez regulator liniowy LM7809 i za pomocą rezystora histerezy R4, rezystor 100k. LM7809 zapewnia odpowiednie napięcie na komparatorze, dzięki czemu przejściowe zmiany w linii zasilającej nie wpływają na komparator. C1, kondensator 100uF służy do filtrowania napięcia wyjściowego.

Rezystor histerezy R4 podaje niewielką część sygnału wejściowego przez wyjście wzmacniacza operacyjnego, co tworzy przerwę napięciową między dolnym progiem (0,99 V) i wysokim progiem (1,01 V), w którym komparator zmienia swój stan wyjściowy. Komparator nie zmienia stanu natychmiast po osiągnięciu punktu progowego, zamiast tego, aby zmienić stan z wysokiego na niski, wykrywany poziom napięcia musi być niższy od dolnego progu (na przykład 0,97 V zamiast 0,99 V) lub aby zmienić stan z niskiego na wysoki, wykrywane napięcie musi być wyższe niż górny próg (1,03 zamiast 1,01). Zwiększy to stabilność komparatora i zmniejszy fałszywe wyzwalanie. Oprócz tego rezystora do sterowania bramką służą R2 i R3. R3 jest rezystorem obniżającym bramkę MOSFET.

Testowanie obwodu zabezpieczenia nadprądowego

Obwód jest zbudowany w płytce stykowej i testowany przy użyciu zasilacza laboratoryjnego wraz ze zmiennym obciążeniem DC.

Obwód jest testowany i zaobserwowano pomyślne odłączenie wyjścia przy różnych wartościach ustawionych przez rezystor zmienny. Film zamieszczony na dole tej strony przedstawia pełną demonstrację testowania zabezpieczenia nadprądowego w akcji.

Wskazówki dotyczące projektowania zabezpieczeń nadprądowych

• Obwód tłumika RC na wyjściu może poprawić EMI.
• W wymaganym zastosowaniu można zastosować większy radiator i specjalny tranzystor MOSFET.
• Dobrze skonstruowana płytka drukowana poprawi stabilność obwodu.
• Moc rezystora bocznikowego należy regulować zgodnie z prawem mocy (P = I ² R) w zależności od prądu obciążenia.
• W małej obudowie można zastosować rezystor o bardzo niskiej wartości o wartości znamionowej milioomów, ale spadek napięcia będzie mniejszy. Aby skompensować spadek napięcia można zastosować dodatkowy wzmacniacz o odpowiednim wzmocnieniu.
• Zaleca się użycie dedykowanego wzmacniacza z czujnikiem prądu w celu uzyskania dokładnego pomiaru prądu.

Mam nadzieję, że zrozumiałeś samouczek i nauczyłeś się czegoś pożytecznego. Jeśli masz jakieś pytania, zostaw je w sekcjach komentarzy lub skorzystaj z forum, aby uzyskać odpowiedzi na inne pytania techniczne.