- Overstrømsbeskyttelse ved hjælp af operationsforstærker
- Nødvendige materialer:
- Overstrømsbeskyttelseskredsløb
- Overstrømsbeskyttelse Circuit Working
- Håndtering af midlertidigt respons / stabilitetsproblem
- Test af overstrømsbeskyttelseskredsløb
- Tip til beskyttelse af overstrømsbeskyttelse
Beskyttelseskredsløb er afgørende for, at ethvert elektronisk design kan få succes. I vores tidligere tutorials om beskyttelseskredsløb har vi designet mange grundlæggende beskyttelseskredsløb, der kan tilpasses dit kredsløb, nemlig overspændingsbeskyttelse, kortslutningsbeskyttelse, omvendt polaritetsbeskyttelse osv. Tilføjelse til denne liste over kredsløb i denne artikel, vi vil lære at designe og opbygge et simpelt kredsløb til overstrømsbeskyttelse ved hjælp af Op-Amp.
Overstrømsbeskyttelse bruges ofte i strømforsyningskredsløb for at begrænse en PSU's udgangsstrøm. Udtrykket "Overstrøm" er en betingelse, når belastningen trækker en stor strøm end strømforsyningsenhedens specificerede muligheder. Dette kan være en farlig situation, da en overstrømstilstand kan beskadige strømforsyningen. Så ingeniører bruger normalt et overstrømsbeskyttelseskredsløb til at afskære belastningen fra strømforsyningen under sådanne fejlscenarier og dermed beskytte belastningen og strømforsyningen.
Overstrømsbeskyttelse ved hjælp af operationsforstærker
Der er mange typer overstrømsbeskyttelseskredsløb; kredsens kompleksitet afhænger af, hvor hurtigt beskyttelseskredsløbet skal reagere under en overstrøms situation. I dette projekt vil vi opbygge et simpelt overstrømsbeskyttelseskredsløb ved hjælp af en op-amp, der er meget almindeligt anvendt og let kan tilpasses til dine designs.
Det kredsløb, vi er ved at designe, vil have en justerbar tærskelværdi for overstrøm og vil også have en automatisk genstart ved fejlfunktion. Da dette er et op-amp-baseret overstrømsbeskyttelseskredsløb, vil det have en op-amp som den drivende enhed. Til dette projekt anvendes en almindelig operationel forstærker LM358. I nedenstående billede vises stiftdiagrammet for LM358.
Som det ses i ovenstående billede, vil vi inde i en enkelt IC-pakke have to op-amp kanaler. Dog bruges kun en enkelt kanal til dette projekt. Op-amp'en skifter (afbryder) outputbelastningen ved hjælp af en MOSFET. Til dette projekt anvendes en N-kanal MOSFET IRF540N. Det anbefales at bruge korrekt MOSFET-kølelegeme, hvis belastningsstrømmen er større end 500 mA. Imidlertid anvendes MOSFET til dette projekt uden kølelegeme. Billedet nedenfor er repræsentationen af IRF540N pinout-diagrammet.
For at drive op-amp og kredsløb anvendes LM7809 lineær spændingsregulator. Dette er en 9V 1A lineær spændingsregulator med en bred indgangsspænding. Pinout kan ses i nedenstående billede
Nødvendige materialer:
En liste over komponenter, der kræves for den overstrømsbeskyttelse kredsløb er angivet nedenfor.
- Brødbræt
- Strømforsyning 12V (minimum) eller ifølge spændingen er påkrævet.
- LM358
- 100uF 25V
- IRF540N
- Kølelegeme (i henhold til applikationskravet)
- 50k trim pot.
- 1k modstand med 1% tolerance
- 1Meg modstand
- 100k modstand med 1% tolerance.
- 1 ohm modstand, 2 W (maksimum 2 W på 1,25 A belastningsstrøm)
- Ledninger til brødbræt
Overstrømsbeskyttelseskredsløb
Et simpelt overstrømsbeskyttelseskredsløb kan designes ved hjælp af en Op-Amp til at registrere overstrømmen og baseret på resultatet kan vi køre en Mosfet til at afbryde / forbinde belastningen med strømforsyningen. Kredsløbsdiagrammet for det samme er simpelt og kan ses i nedenstående billede
Overstrømsbeskyttelse Circuit Working
Som du kan se fra kredsløbsdiagrammet, bruges MOSFET IRF540N til at kontrollere belastningen som ON eller OFF under normal og overbelastet tilstand. Men inden lasten slukkes, er det vigtigt at detektere belastningsstrømmen. Dette gøres ved hjælp af en shuntmodstand R1, som er en 1 Ohm shuntmodstand med en 2 Watt rating. Denne metode til måling af strøm kaldes Shunt Resistor Current Sensing, du kan også kontrollere andre aktuelle sensingmetoder, som også kan bruges til at detektere overstrøm.
Under MOSFET-tilstanden ON strømmer belastningsstrømmen gennem MOSFETs afløb til kilde og endelig til GND via shuntmodstanden. Afhængigt af belastningsstrømmen producerer shuntmodstanden et spændingsfald, som kan beregnes ved hjælp af Ohms lov. Lad os derfor antage, for 1A strømstrøm (belastningsstrøm) er spændingsfaldet over shuntmodstanden 1V, da V = I x R (V = 1A x 1 Ohm). Så hvis denne faldspænding sammenlignes med en foruddefineret spænding ved hjælp af en Op-Amp, kan vi registrere overstrøm og ændre tilstanden for MOSFET for at afbryde belastningen.
Operationsforstærkeren bruges almindeligvis til at udføre matematiske operationer som tilføjelse, subtrahering, multiplikation osv. Derfor er operationsforstærkeren LM358 i dette kredsløb konfigureret som en komparator. I henhold til skemaet sammenligner komparatoren to værdier. Den første er faldspændingen over shuntmodstanden, og en anden er den foruddefinerede spænding (referencespænding) ved hjælp af en variabel modstand eller et potentiometer RV1. RV1 fungerer som en spændingsdeler. Faldsspændingen over shuntmodstanden registreres af komparatorens inverterende terminal, og den sammenlignes med den spændingsreference, der er forbundet i den ikke-inverterende terminal på operationsforstærkeren.
På grund af dette, hvis den registrerede spænding er mindre end referencespændingen, vil komparatoren producere en positiv spænding på tværs af udgangen, som er tæt på komparatorens VCC. Men hvis den registrerede spænding er større end referencespændingen, vil komparatoren producere negativ forsyningsspænding over udgangen (negativ forsyning er forbundet over GND, så 0V i dette tilfælde). Denne spænding er tilstrækkelig til at tænde eller slukke for en MOSFET.
Håndtering af midlertidigt respons / stabilitetsproblem
Men når den høje belastning afbrydes fra forsyningen, vil de forbigående ændringer skabe et lineært område over komparatoren, og dette vil skabe en løkke, hvor komparatoren ikke kunne tænde eller slukke for belastningen korrekt, og op-amp bliver ustabil. Lad os for eksempel antage, at 1A er indstillet ved hjælp af potentiometeret til at udløse MOSFET til OFF-tilstand. Derfor er den variable modstand indstillet til en 1V udgang. I en situation, hvor komparatoren registrerer spændingsfaldet over shuntmodstanden er 1,01V (denne spænding afhænger af op-amp eller komparatornøjagtigheder og andre faktorer) vil komparatoren afbryde belastningen. Forbigående ændringer opstår, når en høj belastning pludselig afbrydes fra strømforsyningsenheden, og denne forbigående forøger spændingsreferencen, som inviterer dårlige resultater over komparatoren og tvinger den til at fungere i et lineært område.
Den bedste måde at løse dette problem er at bruge en stabil effekt på tværs af komparatoren, hvor de forbigående ændringer ikke påvirker komparatorens indgangsspænding og spændingsreferencen. Ikke kun dette, der skal tilføjes yderligere metodehysterese i komparatoren. I dette kredsløb gøres dette af den lineære regulator LM7809 og ved hjælp af en hysteresemodstand R4, en 100k modstand. LM7809 tilvejebringer en ordentlig spænding på tværs af komparatoren, så de forbigående ændringer over kraftledningen ikke påvirker komparatoren. C1, 100uF kondensatoren bruges til at filtrere udgangsspændingen.
Hysteresemodstanden R4 tilfører en lille del af indgangen over output fra op-amp, som skaber et spændingsgab mellem den lave tærskel (0,99V) og den høje tærskel (1,01V), hvor komparatoren ændrer sin udgangstilstand. Komparatoren ændrer ikke tilstanden med det samme, hvis tærskelpunktet er opfyldt, i stedet for at ændre tilstanden fra høj til lav, skal det registrerede spændingsniveau være lavere end den lave tærskel (for eksempel 0,97V i stedet for 0,99V) eller for at ændre tilstanden fra lav til høj, skal den registrerede spænding være højere end den høje tærskel (1,03 i stedet for 1,01). Dette vil øge komparatorens stabilitet og reducere falsk udløsning. Bortset fra denne modstand bruges R2 og R3 til styring af porten. R3 er portens nedtrækningsmodstand til MOSFET.
Test af overstrømsbeskyttelseskredsløb
Kredsløbet er konstrueret i et brødbræt og testet ved hjælp af Bench-strømforsyning sammen med en variabel DC-belastning.
Kredsløbet testes, og output blev observeret for at kunne afbrydes med forskellige værdier indstillet af den variable modstand. Videoen nederst på denne side viser en komplet demonstration af overstrømsbeskyttelsestest i aktion.
Tip til beskyttelse af overstrømsbeskyttelse
- RC snubber kredsløb over output kunne forbedre EMI.
- Større køleplade og specifik MOSFET kan bruges til den krævede anvendelse.
- Velkonstrueret printkort forbedrer kredsløbets stabilitet.
- Shunt-modstandseffekten er nødvendig for at blive justeret i henhold til effektloven (P = I 2 R) afhængigt af belastningsstrømmen.
- Modstand med meget lav værdi i milliahms-klassificering kan bruges til en lille pakke, men spændingsfaldet vil være mindre. For at kompensere med spændingsfaldet kan en ekstra forstærker med korrekt forstærkning bruges.
- Det tilrådes at bruge en dedikeret strømfølerforstærker til nøjagtige problemer med strømregistrering.
Håber du forstod vejledningen og nød at lære noget nyttigt af det. Hvis du har spørgsmål, bedes du lade dem være i kommentarsektionerne eller bruge fora til andre tekniske spørgsmål.