Överströmsskydd med op

Skyddskretsar är viktiga för att elektronisk design ska lyckas. I våra tidigare handledning för skyddskrets har vi utformat många grundläggande skyddskretsar som kan anpassas till din krets, nämligen överspänningsskydd, kortslutningsskydd, omvänd polaritetsskydd etc. Lägg till den här listan över kretsar, i den här artikeln, vi lär sig hur man designar och bygger en enkel krets för överströmsskydd med Op-Amp.

Överströmsskydd används ofta i strömförsörjningskretsar för att begränsa en PSU: s utgångsström. Uttrycket "Överström" är ett villkor när belastningen drar en stor ström än de specificerade kapaciteterna för strömförsörjningsenheten. Detta kan vara en farlig situation eftersom ett alltför aktuellt tillstånd kan skada strömförsörjningen. Så ingenjörer använder normalt en överströmsskyddskrets för att stänga av belastningen från strömförsörjningen under sådana felscenarier och därmed skydda belastningen och strömförsörjningen.

Överströmsskydd med operationsförstärkare

Det finns många typer av överströmsskyddskretsar; kretsens komplexitet beror på hur snabbt skyddskretsen ska reagera under en överströmsituation. I det här projektet kommer vi att bygga en enkel överströmsskyddskrets med en op-amp som är mycket vanligt och lätt kan anpassas för dina mönster.

Kretsen vi håller på att utforma kommer att ha ett justerbart tröskelvärde för överström och kommer också att ha en automatisk omstart vid felfunktion. Eftersom detta är en op-amp-baserad överströmsskyddskrets, kommer den att ha en op-amp som drivenhet. För detta projekt används en allmänt fungerande förstärkare LM358. I bilden nedan visas stiftdiagrammet för LM358.

Som vi ser i bilden ovan kommer vi att ha två op-amp-kanaler i ett enda IC-paket. Men endast en kanal används för detta projekt. Op-amp kommer att växla (koppla bort) utmatningsbelastningen med en MOSFET. För detta projekt används en N-kanal MOSFET IRF540N. Det rekommenderas att använda rätt MOSFET-kylfläns om belastningsströmmen är större än 500 mA. För detta projekt används dock MOSFET utan kylfläns. Bilden nedan är en bild av IRF540N pinout-diagrammet.

För att driva op-förstärkaren och kretsarna används LM7809 linjär spänningsregulator. Detta är en 9V 1A linjär spänningsregulator med en bred ingångsspänning. Pinout kan ses i bilden nedan

Material som krävs:

En lista över komponenter som krävs för överströmsskyddskretsen är listade nedan.

1. Bakbord
2. Strömförsörjning 12V (minimum) eller enligt spänningen krävs.
3. LM358
4. 100uF 25V
5. IRF540N
6. Heatsink (enligt applikationskravet)
7. 50k trimgryta.
8. 1k motstånd med 1% tolerans
9. 1Meg-motstånd
10. 100k motstånd med 1% tolerans.
11. 1 ohm motstånd, 2 W (2 W maximalt 1,25 A belastningsström)
12. Ledningar för brädbräda

Överströmsskyddskrets

En enkel överströmsskyddskrets kan designas med hjälp av en Op-Amp för att känna av överströmmen och baserat på resultatet kan vi köra en Mosfet för att koppla bort / ansluta lasten med strömförsörjningen. Kretsschemat för detsamma är enkelt och kan ses i bilden nedan

Överströmsskyddskrets fungerar

Som du kan se från kretsschemat används MOSFET IRF540N för att styra belastningen som PÅ eller AV under normalt och överbelastat tillstånd. Men innan lasten stängs av är det viktigt att detektera lastströmmen. Detta görs med hjälp av ett shuntmotstånd R1, vilket är ett 1 Ohm shuntmotstånd med en 2 Watt. Denna metod för att mäta ström kallas Shunt Resistor Current Sensing, du kan också kontrollera andra strömavkänningsmetoder som också kan användas för att upptäcka överström.

Under ON-tillståndet för MOSFET flödar lastströmmen genom MOSFETs avlopp till källan och slutligen till GND via shuntmotståndet. Beroende på belastningsströmmen producerar shuntmotståndet ett spänningsfall över vilket kan beräknas med hjälp av Ohms-lag. Låt oss därför anta, för 1A strömflöde (belastningsström) är spänningsfallet över shuntmotståndet 1V som V = I x R (V = 1A x 1 Ohm). Så, om denna fallspänning jämförs med en fördefinierad spänning med en Op-Amp, kan vi upptäcka överström och ändra tillståndet för MOSFET för att stänga av belastningen.

Operationsförstärkaren används vanligtvis för att utföra matematiska operationer som att addera, subtrahera, multiplicera etc. Därför är operationsförstärkaren LM358 konfigurerad som en komparator i denna krets. Enligt schemat jämför jämföraren två värden. Den första är fallspänningen över shuntmotståndet och en annan är den fördefinierade spänningen (referensspänning) med användning av ett variabelt motstånd eller potentiometer RV1. RV1 fungerar som en spänningsdelare. Fallspänningen över shuntmotståndet känns av den inverterande terminalen på komparatorn och den jämförs med spänningsreferensen som är ansluten i den operativa förstärkarens icke-inverterande terminal.

På grund av detta, om den avkända spänningen är mindre än referensspänningen, kommer komparatorn att producera en positiv spänning över utgången som ligger nära komparatorns VCC. Men om den avkända spänningen är större än referensspänningen producerar komparatorn negativ matningsspänning över utgången (negativ matning är ansluten över GND, så 0V i det här fallet). Denna spänning är tillräcklig för att slå på eller stänga av en MOSFET.

Hantera problem med övergående svar / stabilitet

Men när den höga belastningen kommer att kopplas bort från matningen kommer de övergående ändringarna att skapa en linjär region över komparatorn och detta kommer att skapa en slinga där komparatorn inte kunde slå PÅ eller AV belastningen ordentligt och op-amp blir instabil. Låt oss till exempel anta att 1A ställs in med potentiometern för att utlösa MOSFET till OFF-tillståndet. Därför är det variabla motståndet inställt för en 1V utgång. Under en situation, när komparatorn upptäcker spänningsfallet över shuntmotståndet är 1,01V (denna spänning beror på op-amp eller komparatornoggrannheter och andra faktorer) kommer komparatorn att koppla bort belastningen. Övergående förändringar inträffar när en hög belastning plötsligt kopplas bort från strömförsörjningsenheten och denna övergående ökar spänningsreferensen som bjuder in dåliga resultat över komparatorn och tvingar den att arbeta i ett linjärt område.

Det bästa sättet att övervinna detta problem är att använda en stabil effekt över komparatorn där transienta förändringar inte påverkar komparatorns ingångsspänning och spänningsreferensen. Inte bara detta, ytterligare metodhysteres måste läggas till i komparatorn. I denna krets görs detta av den linjära regulatorn LM7809 och med användning av ett hysteresmotstånd R4, ett 100k-motstånd. LM7809 ger en korrekt spänning över komparatorn så att de övergående förändringarna över kraftledningen inte påverkar komparatorn. C1, 100uF kondensatorn används för att filtrera utspänningen.

Hysteresmotståndet R4 matar en liten del av ingången över ut-förstärkarens utgång vilket skapar ett spänningsgap mellan det låga tröskelvärdet (0,99 V) och det höga tröskelvärdet (1,01 V) där komparatorn ändrar sitt utgångstillstånd. Komparatorn ändrar inte tillståndet omedelbart om tröskelvärdet uppnås, istället för att ändra tillståndet från högt till lågt måste den avkända spänningsnivån vara lägre än den låga tröskeln (till exempel 0,97V istället för 0,99V) eller för att ändra tillståndet från låg till hög, måste den avkända spänningen vara högre än den höga tröskeln (1,03 istället för 1,01). Detta ökar komparatorns stabilitet och minskar falsk utlösning. Förutom detta motstånd används R2 och R3 för styrning av grinden. R3 är MOSFETs neddragningsmotstånd.

Test av överströmsskyddskrets

Kretsen är konstruerad i ett brödbräda och testad med Bench Power Supply tillsammans med en variabel DC-belastning.

Kretsen testades och utgången observerades för att framgångsrikt kopplas bort vid olika värden inställda av det variabla motståndet. Videon längst ner på denna sida visar en fullständig demonstration av överströmsskyddstestning i aktion.

Tips för överströmsskydd

• RC-snubberkrets över utgången kan förbättra EMI.
• Större kylfläns och specifik MOSFET kan användas för den applikation som krävs.
• Välkonstruerad kretskort kommer att förbättra kretsens stabilitet.
• Shunt Resistor-watt behövs för att justeras enligt effektlagen (P = I ² R) beroende på belastningsströmmen.
• Motstånd med mycket lågt värde i milliohm kan användas för ett litet paket men spänningsfallet blir mindre. För att kompensera med spänningsfallet kan en ytterligare förstärkare med rätt förstärkning användas.
• Det är tillrådligt att använda en dedikerad strömavkänningsförstärkare för korrekta strömavkänningsrelaterade problem.

Hoppas att du förstod handledningen och tyckte om att lära dig något användbart av den. Om du har några frågor vänligen lämna dem i kommentarsektionerna eller använd forumen för andra tekniska frågor.