Защита от перегрузки по току с использованием op

Цепи защиты жизненно важны для успеха любой электронной конструкции. В наших предыдущих руководствах по схемам защиты мы разработали множество базовых схем защиты, которые можно адаптировать к вашей схеме, а именно, защиту от перенапряжения, защиту от короткого замыкания, защиту от обратной полярности и т. Д. В дополнение к этому списку схем в этой статье мы научится спроектировать и построить простую схему защиты от сверхтоков с использованием операционного усилителя.

Защита от перегрузки по току часто используется в цепях питания для ограничения выходного тока блока питания. Термин «перегрузка по току» - это состояние, при котором нагрузка потребляет ток, превышающий указанные возможности блока питания. Это может быть опасной ситуацией, так как перегрузка по току может привести к повреждению источника питания. Поэтому инженеры обычно используют схему защиты от перегрузки по току, чтобы отключить нагрузку от источника питания во время таких сценариев сбоя, таким образом защищая нагрузку и источник питания.

Защита от перегрузки по току с использованием операционного усилителя

Существует много типов схем защиты от перегрузки по току; сложность схемы зависит от того, насколько быстро схема защиты должна реагировать в случае перегрузки по току. В этом проекте мы построим простую схему защиты от перегрузки по току, используя операционный усилитель, который очень часто используется и может быть легко адаптирован для ваших проектов.

Схема, которую мы собираемся спроектировать, будет иметь регулируемое пороговое значение перегрузки по току, а также будет иметь функцию автоматического перезапуска при отказе. Поскольку это схема защиты от перегрузки по току на базе операционного усилителя, она будет иметь операционный усилитель в качестве блока управления. В этом проекте используется операционный усилитель общего назначения LM358. На изображении ниже показана схема контактов LM358.

Как видно на изображении выше, внутри одного корпуса микросхемы будет два канала операционного усилителя. Однако в этом проекте используется только один канал. Операционный усилитель будет переключать (отключать) выходную нагрузку с помощью полевого МОП-транзистора. В этом проекте используется N-канальный MOSFET IRF540N. Рекомендуется использовать соответствующий радиатор MOSFET, если ток нагрузки превышает 500 мА. Однако в этом проекте MOSFET используется без радиатора. На изображении ниже представлена распиновка IRF540N.

Для питания ОУ и схемы используется линейный стабилизатор напряжения LM7809. Это линейный стабилизатор напряжения 9В 1А с широким диапазоном входного напряжения. Распиновку можно увидеть на изображении ниже.

Необходимые материалы:

Список компонентов, необходимых для цепи максимальной токовой защиты, приведен ниже.

Макетная плата
Требуется источник питания 12 В (минимум) или в соответствии с напряжением.
LM358
100 мкФ 25 В
IRF540N
Радиатор (согласно требованиям приложения)
Горшок обрезки 50к.
Резистор 1 кОм с допуском 1%
Резистор 1Meg
Резистор 100 кОм с допуском 1%.
Резистор 1 Ом, 2 Вт (максимум 2 Вт при токе нагрузки 1,25 А)
Провода для макета

Схема защиты от перегрузки по току

Простая схема защиты от перегрузки по току может быть спроектирована с использованием операционного усилителя для определения перегрузки по току, и на основе результата мы можем управлять МОП-транзистором для отключения / подключения нагрузки к источнику питания. Принципиальная схема для того же проста и ее можно увидеть на изображении ниже.

Схема защиты от сверхтока работает

Как видно из принципиальной схемы, полевой МОП-транзистор IRF540N используется для управления нагрузкой в состоянии ВКЛ или ВЫКЛ в нормальных условиях и в условиях перегрузки. Но перед отключением нагрузки важно определить ток нагрузки. Это делается с помощью шунтирующего резистора R1, который представляет собой шунтирующий резистор 1 Ом и мощностью 2 Вт. Этот метод измерения тока называется измерением тока шунтирующего резистора, вы также можете проверить другие методы измерения тока, которые также могут использоваться для обнаружения сверхтока.

Во время включения полевого МОП-транзистора ток нагрузки протекает через сток полевого МОП-транзистора к истоку и, наконец, к земле через шунтирующий резистор. В зависимости от тока нагрузки шунтирующий резистор создает падение напряжения, которое можно рассчитать по закону Ома. Поэтому предположим, что при протекании тока 1 А (ток нагрузки) падение напряжения на шунтирующем резисторе составляет 1 В, как V = I x R (V = 1 A x 1 Ом). Таким образом, если это падение напряжения сравнить с заранее заданным напряжением с помощью операционного усилителя, мы можем обнаружить перегрузку по току и изменить состояние полевого МОП-транзистора, чтобы отключить нагрузку.

Операционный усилитель обычно используется для выполнения математических операций, таких как сложение, вычитание, умножение и т. Д. Поэтому в этой схеме операционный усилитель LM358 сконфигурирован как компаратор. Согласно схеме, компаратор сравнивает два значения. Первый из них является падение напряжения через шунт, а другой представляет собой предопределенное напряжение (опорное напряжение), используя переменный резистор или потенциометр RV1. RV1 действует как делитель напряжения. Падение напряжения на шунтирующем резисторе определяется инвертирующим выводом компаратора и сравнивается с опорным напряжением, подключенным к неинвертирующему выводу операционного усилителя.

В связи с этим, если считанным напряжением меньше, чем опорное напряжение, компаратор будет производить положительное напряжение на выходе, которая близка к VCC компаратора. Но, если считанное напряжение больше, чем опорное напряжение, компаратор будет производить отрицательное напряжение питания через выход (отрицательное питание подключено через GND, поэтому 0В в данном случае). Этого напряжения достаточно для включения или выключения полевого МОП-транзистора.

Работа с переходным откликом / проблемой стабильности

Но когда высокая нагрузка будет отключена от источника питания, переходные изменения создадут линейную область на компараторе, и это создаст петлю, в которой компаратор не сможет правильно включить или выключить нагрузку, и операционный усилитель станет нестабильным. Например, предположим, что 1A устанавливается с помощью потенциометра для переключения полевого МОП-транзистора в состояние ВЫКЛ. Поэтому переменный резистор установлен на выход 1 В. В ситуации, когда компаратор обнаруживает, что падение напряжения на шунтирующем резисторе составляет 1,01 В (это напряжение зависит от точности операционного усилителя или компаратора и других факторов), компаратор отключит нагрузку. Временные изменения имеет место, когда высокая нагрузка внезапно отключена от блока питания, и это кратковременное повышение опорного напряжения, который приглашает плохие результаты через компаратор и заставляет его работать в линейной области.

Лучший способ для решения этой проблемы заключается в использовании стабильного питания через компаратор, где переходные изменения не влияют на входном напряжение компаратора и источник опорного напряжения. Мало того, в компараторе необходимо добавить дополнительный гистерезис метода. В этой схеме это делается линейным регулятором LM7809 и резистором гистерезиса R4, резистором 100 кОм. LM7809 обеспечивает надлежащее напряжение на компараторе, так что переходные процессы в линии питания не влияют на компаратор. C1, конденсатор емкостью 100 мкФ используется для фильтрации выходного напряжения.

Гистерезисный резистор R4 подает небольшую часть входного сигнала на выход операционного усилителя, что создает разрыв по напряжению между нижним порогом (0,99 В) и высоким порогом (1,01 В), при котором компаратор меняет свое выходное состояние. Компаратор не изменяет состояние немедленно, если достигается пороговая точка, вместо этого, чтобы изменить состояние с высокого на низкий, измеренный уровень напряжения должен быть ниже, чем нижний порог (например, 0,97 В вместо 0,99 В). или чтобы изменить состояние с низкого на высокое, измеренное напряжение должно быть выше верхнего порога (1,03 вместо 1,01). Это повысит стабильность компаратора и уменьшит количество ложных срабатываний. Помимо этого резистора, R2 и R3 используются для управления затвором. R3 - это понижающий резистор затвора полевого МОП-транзистора.

Тестирование цепи защиты от перегрузки по току

Схема построена на макетной плате и протестирована с использованием лабораторного источника питания вместе с переменной нагрузкой постоянного тока.

Схема проверена, и было замечено, что выход успешно отключился при различных значениях, установленных переменным резистором. Видео, представленное в нижней части этой страницы, показывает полную демонстрацию тестирования защиты от перегрузки по току в действии.

Советы по проектированию защиты от перегрузки по току

RC-демпферная цепь на выходе может улучшить EMI.
Для требуемого применения можно использовать радиатор большего размера и специальный MOSFET.
Хорошо сконструированная печатная плата улучшит стабильность схемы.
Мощность шунтирующего резистора необходимо отрегулировать в соответствии с законом мощности (P = I ² R) в зависимости от тока нагрузки.
В небольшом корпусе можно использовать резистор очень низкого номинала в миллиомах, но падение напряжения будет меньше. Чтобы компенсировать падение напряжения, можно использовать дополнительный усилитель с соответствующим усилением.
Для решения проблем, связанных с точным измерением тока, рекомендуется использовать специальный усилитель измерения тока.

Надеюсь, вы поняли руководство и получили из него что-то полезное. Если у вас есть какие-либо вопросы, оставляйте их в комментариях или используйте форумы для других технических вопросов.