Защита от свръхток с оп

Защитните вериги са жизненоважни за успеха на всеки електронен дизайн. В нашите предишни уроци за схеми за защита ние сме проектирали много основни схеми за защита, които могат да бъдат адаптирани към вашата верига, а именно, Защита от пренапрежение, Защита от късо съединение, Защита от обратна полярност и др. Добавяйки към този списък с вериги, в тази статия ние ще се научи как да проектира и изгради проста схема за защита от претоварване с помощта на Op-Amp.

Защитата от претоварване често се използва във веригите на захранването, за да се ограничи изходният ток на PSU. Терминът „свръхток“ е условие, когато натоварването изтегля по-голям ток от посочените възможности на захранващия блок. Това може да бъде опасна ситуация, тъй като претоварването може да повреди захранването. Така че инженерите обикновено използват верига за защита от претоварване, за да прекъснат товара от захранването по време на такива сценарии на повреда, като по този начин защитават товара и захранването.

Защита от претоварване с помощта на операционен усилвател

Има много видове схеми за защита от пренапрежение; сложността на веригата зависи от това колко бързо трябва да реагира защитната верига по време на претоварване. В този проект ще изградим проста схема за защита от пренапрежение, използвайки оп-усилвател, който е много често използван и може лесно да бъде адаптиран за вашия дизайн.

Веригата, която предстои да проектираме, ще има регулируема прагова стойност за свръхток и също така ще има функция за автоматично рестартиране при повреда. Тъй като това е верига за защита от свръхток, базирана на op-amp, тя ще има op-amp като задвижващо устройство. За този проект се използва оперативен усилвател с общо предназначение LM358. На изображението по-долу е показана щифтовата диаграма на LM358.

Както се вижда на горното изображение, вътре в един IC пакет ще имаме два канала за усилвател. За този проект обаче се използва само един канал. Операционният усилвател ще превключи (разкачи) изходното натоварване с помощта на MOSFET. За този проект се използва N канал MOSFET IRF540N. Препоръчително е да използвате подходящ радиатор MOSFET, ако токът на натоварване е по-голям от 500mA. За този проект обаче MOSFET се използва без радиатор. Изображението по-долу е представяне на диаграмата на пиновете IRF540N.

За захранване на усилвателя и веригата се използва регулаторът на линейно напрежение LM7809. Това е 9V 1A линеен регулатор на напрежение с широка номинална стойност на входното напрежение. Пинът може да се види на изображението по-долу

Необходими материали:

Списък на компонентите, необходими за веригата за защита от свръхток, е посочен по-долу.

Макет
Необходимо е захранване 12V (минимум) или според напрежението.
LM358
100uF 25V
IRF540N
Радиатор (според изискването за кандидатстване)
50k гърне за подстригване.
1k резистор с 1% толеранс
1Meg резистор
100k резистор с 1% толеранс.
1ohms резистор, 2W (2W максимум 1,25A ток на натоварване)
Проводници за макет

Верига за защита от свръхток

Проста схема за защита от свръхток може да бъде проектирана чрез използване на Op-Amp за засичане на свръхток и въз основа на резултата можем да управляваме Mosfet, за да изключим / свържем товара с захранването. Схемата на схемата за същото е проста и може да се види на изображението по-долу

Защита от свръхток работи

Както можете да видите от електрическата схема, MOSFET IRF540N се използва за управление на товара като ВКЛ или ИЗКЛ по време на нормално състояние и състояние на претоварване. Но преди да изключите товара, е от съществено значение да откриете тока на товара. Това се прави с помощта на шунтиращ резистор R1, който е 1 омов шунтов резистор с мощност 2 вата. Този метод за измерване на ток се нарича засичане на ток на резистора на шунта, можете да проверите и други методи за определяне на ток, които също могат да се използват за откриване на свръх ток.

По време на включено състояние на MOSFET, токът на натоварване протича през изтичането на MOSFET към източника и накрая към GND чрез шунтиращия резистор. В зависимост от тока на натоварване шунтиращият резистор произвежда спад на напрежението, който може да се изчисли, като се използва законът на Ома. Затова нека приемем, че за 1A от текущия поток (ток на натоварване) спадът на напрежението в шунтиращия резистор е 1V като V = I x R (V = 1A x 1 Ohm). Така че, ако това спадащо напрежение се сравнява с предварително дефинирано напрежение с помощта на Op-Amp, можем да открием свръхток и да променим състоянието на MOSFET, за да прекъснем товара.

Операционният усилвател обикновено се използва за извършване на математически операции като събиране, изваждане, умножение и др. Следователно в тази схема операционният усилвател LM358 е конфигуриран като компаратор. Според схемата, сравнителят сравнява две стойности. Първият е спадащото напрежение на шунтиращия резистор, а друг е предварително зададеното напрежение (референтно напрежение) с помощта на променлив резистор или потенциометър RV1. RV1 действа като делител на напрежението. Падащото напрежение на шунтиращия резистор се усеща от инвертиращия терминал на компаратора и се сравнява с еталонното напрежение, което е свързано в неинвертиращия терминал на операционния усилвател.

Поради това, ако усетеното напрежение е по-малко от референтното напрежение, компараторът ще произведе положително напрежение на изхода, което е близо до VCC на компаратора. Но ако усетеното напрежение е по-голямо от еталонното напрежение, компараторът ще произведе отрицателно захранващо напрежение през изхода (отрицателното захранване е свързано през GND, така че 0V в този случай). Това напрежение е достатъчно за включване или изключване на MOSFET.

Справяне с преходен отговор / проблем със стабилността

Но когато високото натоварване ще бъде изключено от захранването, преходните промени ще създадат линейна област през компаратора и това ще създаде цикъл, в който компараторът не може да включи или изключи товара правилно и операционният усилвател ще стане нестабилен. Например, да приемем, че 1A се задава с помощта на потенциометъра за задействане на MOSFET в състояние OFF. Следователно променливият резистор е настроен за 1V изход. По време на ситуация, когато компараторът открие спада на напрежението на шунтиращия резистор е 1,01V (това напрежение зависи от точността на операционния усилвател или компаратора и други фактори), компараторът ще изключи товара. Преходни промени възникват, когато високо натоварване е внезапно изключено от захранващия блок и това преходно увеличаване на еталонното напрежение, което предизвиква слаби резултати в сравнителния апарат и го принуждава да работи в линейна област.

Най-добрият начин за преодоляване на този проблем е да се използва стабилна мощност в компаратора, когато преходните промени не засягат входното напрежение и референтното напрежение на компаратора. Не само това, в сравнителния апарат трябва да се добави допълнителен метод за хистерезис. В тази схема това се прави от линейния регулатор LM7809 и чрез използване на хистерезисен резистор R4, 100k резистор. LM7809 осигурява подходящо напрежение в компаратора, така че преходните промени в електропровода да не засягат компаратора. C1, кондензаторът 100uF се използва за филтриране на изходното напрежение.

Хистерезисният резистор R4 подава малка част от входа през изхода на операционния усилвател, което създава разлика в напрежението между ниския праг (0,99 V) и горния праг (1,01 V), където компараторът променя изходното си състояние. Сравнителят не променя състоянието незабавно, ако е достигната праговата точка, вместо това, за да смени състоянието от високо на ниско, засичаното ниво на напрежение трябва да бъде по-ниско от ниския праг (например 0.97V вместо 0.99V) или за промяна на състоянието от ниско на високо, усещаното напрежение трябва да бъде по-високо от горния праг (1,03 вместо 1,01). Това ще увеличи стабилността на компаратора и ще намали фалшивото изключване. Освен този резистор, R2 и R3 се използват за управление на портата. R3 е падащият резистор на MOSFET.

Тестване на веригата за защита от свръхток

Веригата е конструирана в макет и тествана с използване на Bench Power supply заедно с променливо DC натоварване.

Веригата се тества и изходът се наблюдава за успешно изключване при различни стойности, зададени от променливия резистор. Видеото, предоставено в долната част на тази страница, показва пълна демонстрация на тестове за защита от свръхток в действие.

Съвети за проектиране на защита от претоварване

RC снубер верига през изхода може да подобри EMI.
По-голям радиатор и специфичен MOSFET могат да се използват за необходимото приложение.
Добре изградената платка ще подобри стабилността на веригата.
Мощността на шунтовия резистор е необходима, за да се регулира според закона за мощността (P = I ² R) в зависимост от тока на натоварване.
Резистор с много ниска стойност в милиома ома може да се използва за малък пакет, но спадът на напрежението ще бъде по-малък. За компенсиране с спада на напрежението може да се използва допълнителен усилвател с подходящо усилване.
Препоръчително е да се използва специален усилвател на тока за точни сензорни проблеми, свързани с тока.

Надявам се, че сте разбрали урока и сте се радвали да научите нещо полезно от него. Ако имате въпроси, оставете ги в раздела за коментари или използвайте форумите за други технически въпроси.