Overstrømsbeskyttelse ved bruk av op

Beskyttelseskretser er avgjørende for at elektronisk design skal lykkes. I våre tidligere opplæringsprogrammer har vi designet mange grunnleggende beskyttelseskretser som kan tilpasses kretsen din, nemlig overspenningsbeskyttelse, kortslutningsbeskyttelse, omvendt polaritetsbeskyttelse osv. I denne artikkelen legger vi til denne kretslisten vil lære å designe og bygge en enkel krets for overstrømsbeskyttelse ved hjelp av Op-Amp.

Overstrømsbeskyttelse brukes ofte i strømforsyningskretser for å begrense utgangsstrømmen til en PSU. Begrepet "Overstrøm" er en tilstand når lasten trekker en stor strøm enn de spesifiserte funksjonene til strømforsyningsenheten. Dette kan være en farlig situasjon, da en overstrømstilstand kan skade strømforsyningen. Så ingeniører bruker normalt en overstrømsbeskyttelseskrets for å kutte belastningen fra strømforsyningen under slike feilscenarier, og dermed beskytte belastningen og strømforsyningen.

Overstrømsbeskyttelse ved bruk av operasjonsforsterker

Det er mange typer overstrømsbeskyttelseskretser; kretsens kompleksitet avhenger av hvor raskt beskyttelseskretsen skal reagere under en overstrømsituasjon. I dette prosjektet vil vi bygge en enkel overstrømsbeskyttelseskrets med en op-amp som er veldig vanlig og lett kan tilpasses dine design.

Kretsen vi skal utforme, vil ha en justerbar terskelverdi for overstrøm og vil også ha en automatisk omstart ved feilfunksjon. Siden dette er en op-amp-basert overstrømsbeskyttelseskrets, vil den ha en op-amp som drivenhet. For dette prosjektet brukes en generell operasjonsforsterker LM358. På bildet nedenfor vises pin-diagrammet til LM358.

Som vist i bildet ovenfor, vil vi inne i en enkelt IC-pakke ha to op-amp kanaler. Imidlertid brukes bare en kanal for dette prosjektet. Op-amp vil bytte (koble fra) utgangsbelastningen ved hjelp av en MOSFET. For dette prosjektet brukes en N-kanal MOSFET IRF540N. Det anbefales å bruke riktig MOSFET-varmeavleder hvis belastningsstrømmen er større enn 500 mA. For dette prosjektet brukes MOSFET imidlertid uten varmeavleder. Bildet nedenfor er representasjonen av IRF540N pinout-diagrammet.

For å drive op-amp og kretsløp brukes LM7809 lineær spenningsregulator. Dette er en 9V 1A lineær spenningsregulator med bred inngangsspenning. Pinout kan sees i bildet nedenfor

Nødvendige materialer:

En liste over komponenter som kreves for overstrømsbeskyttelseskrets er oppført nedenfor.

1. Brettbrett
2. Strømforsyning 12V (minimum) eller i henhold til spenningen er nødvendig.
3. LM358
4. 100uF 25V
5. IRF540N
6. Varmeavleder (i henhold til applikasjonskravet)
7. 50k trim potte.
8. 1k motstand med 1% toleranse
9. 1Meg motstand
10. 100k motstand med 1% toleranse.
11. 1 ohm motstand, 2 W (2 W maksimum 1,25 A lastestrøm)
12. Ledninger for brødbrett

Overstrømsvernkrets

En enkel overstrømsbeskyttelseskrets kan utformes ved å bruke en Op-Amp for å fornemme overstrømmen, og basert på resultatet kan vi drive en Mosfet for å koble fra / koble lasten til strømforsyningen. Kretsskjemaet for det samme er enkelt og kan sees på bildet nedenfor

Overstrømsvernkretsarbeid

Som du kan se fra kretsskjemaet, brukes MOSFET IRF540N til å kontrollere belastningen som PÅ eller AV under normal og overbelastet tilstand. Men før du slår av lasten, er det viktig å oppdage laststrømmen. Dette gjøres ved å bruke en shuntmotstand R1, som er en 1 Ohm shuntmotstand med en 2 Watt vurdering. Denne metoden for å måle strøm kalles Shunt Resistor Current Sensing, du kan også sjekke andre strømfølermetoder som også kan brukes til å oppdage overstrøm.

Under ON-tilstanden til MOSFET strømmer laststrømmen gjennom MOSFETs avløp til kilden og til slutt til GND via shuntmotstanden. Avhengig av belastningsstrømmen produserer shuntmotstanden et spenningsfall som kan beregnes ved hjelp av Ohms lov. La oss derfor anta, for 1A strømstrøm (belastningsstrøm), er spenningsfallet over shuntmotstanden 1V som V = I x R (V = 1A x 1 Ohm). Så hvis denne fallspenningen sammenlignes med en forhåndsdefinert spenning ved hjelp av en Op-Amp, kan vi oppdage overstrøm og endre tilstanden til MOSFET for å kutte belastningen.

Operasjonsforsterkeren brukes ofte til å utføre matematiske operasjoner som å legge til, trekke fra, multiplikere osv. Derfor er operasjonsforsterkeren LM358 i denne kretsen konfigurert som en komparator. I henhold til skjemaet sammenligner komparatoren to verdier. Den første er fallspenningen over shuntmotstanden, og en annen er den forhåndsdefinerte spenningen (referansespenning) ved hjelp av en variabel motstand eller et potensiometer RV1. RV1 fungerer som en spenningsdeler. Fallspenningen over shuntmotstanden registreres av komparatorens inverterende terminal, og den sammenlignes med spenningsreferansen som er koblet til den ikke-inverterende terminalen til operasjonsforsterkeren.

På grunn av dette, hvis den registrerte spenningen er mindre enn referansespenningen, vil komparatoren produsere en positiv spenning over utgangen som er nær VCC til komparatoren. Men hvis den registrerte spenningen er større enn referansespenningen, vil komparatoren produsere negativ forsyningsspenning over utgangen (negativ forsyning er koblet over GND, så 0V i dette tilfellet). Denne spenningen er tilstrekkelig til å slå MOSFET PÅ eller AV.

Håndterer Transient respons / stabilitetsproblem

Men når den høye belastningen blir koblet fra forsyningen, vil de forbigående endringene skape et lineært område over komparatoren, og dette vil skape en løkke der komparatoren ikke kunne slå belastningen PÅ eller AV riktig, og op-amp vil bli ustabil. La oss for eksempel anta at 1A er satt ved hjelp av potensiometeret for å utløse MOSFET til OFF-tilstanden. Derfor er den variable motstanden satt for en 1V utgang. Under en situasjon, når komparatoren oppdager at spenningsfallet over shuntmotstanden er 1.01V (denne spenningen avhenger av op-amp eller komparatorens nøyaktighet og andre faktorer), vil komparatoren koble fra belastningen. Forbigående endringer oppstår når en høy belastning plutselig kobles fra strømforsyningsenheten og denne forbigående øker spenningsreferansen som innbyr til dårlige resultater over komparatoren og tvinger den til å operere i et lineært område.

Den beste måten å løse dette problemet på er å bruke en stabil kraft over komparatoren der forbigående endringer ikke påvirker komparatorens inngangsspenning og spenningsreferansen. Ikke bare dette, tilleggsmetodehysterese må legges til i komparatoren. I denne kretsen gjøres dette av den lineære regulatoren LM7809 og ved bruk av en hysteresemotstand R4, en 100k motstand. LM7809 gir en riktig spenning over komparatoren slik at forbigående endringer over kraftledningen ikke påvirker komparatoren. C1, 100uF kondensatoren brukes til å filtrere utgangsspenningen.

Hysteresemotstanden R4 mater en liten del av inngangen over utgangen til op-amp som skaper et spenningsgap mellom den lave terskelen (0.99V) og den høye terskelen (1.01V) der komparatoren endrer sin utgangstilstand. Komparatoren endrer ikke tilstanden umiddelbart hvis terskelpunktet er oppfylt, i stedet for å endre tilstanden fra høyt til lavt, må det avfølte spenningsnivået være lavere enn lavt terskelen (for eksempel 0,97V i stedet for 0,99V) eller for å endre tilstanden fra lav til høy, må den registrerte spenningen være høyere enn den høye terskelen (1.03 i stedet for 1.01). Dette vil øke komparatorens stabilitet og redusere falsk utløsning. Annet enn denne motstanden, brukes R2 og R3 til å kontrollere porten. R3 er portnedtrekksmotstanden til MOSFET.

Test av overstrømssikringskrets

Kretsen er konstruert i et brødbrett og testet ved hjelp av Bench Power supply sammen med en variabel DC Load.

Kretsen er testet, og utgangen ble observert for å bli frakoblet med forskjellige verdier satt av den variable motstanden. Videoen nederst på denne siden viser en fullstendig demonstrasjon av overstrømsbeskyttelsestesting i aksjon.

Tips for beskyttelse av overstrøm

• RC snubberkrets over utgangen kan forbedre EMI.
• Større kjøleribbe og spesifikk MOSFET kan brukes til den nødvendige applikasjonen.
• Godt konstruert PCB vil forbedre kretsens stabilitet.
• Shunt-motstandseffekten er nødvendig for å justeres i henhold til kraftloven (P = I ² R), avhengig av belastningsstrømmen.
• Svært lavverdimotstand i milliohm-klassifisering kan brukes til en liten pakke, men spenningsfallet vil være mindre. For å kompensere med spenningsfallet kan en ekstra forsterker med riktig forsterkning brukes.
• Det er tilrådelig å bruke en dedikert gjeldende sanseforsterker for nøyaktige gjeldende sensing relaterte problemer.

Håper du forsto opplæringen og likte å lære noe nyttig av den. Hvis du har spørsmål, kan du legge dem i kommentarseksjonene eller bruke forumene til andre tekniske spørsmål.