Προστασία από υπερένταση χρησιμοποιώντας op

Τα κυκλώματα προστασίας είναι ζωτικής σημασίας για να είναι επιτυχής κάθε ηλεκτρονικός σχεδιασμός. Στα προηγούμενα σεμινάρια κυκλωμάτων προστασίας, έχουμε σχεδιάσει πολλά βασικά κυκλώματα προστασίας που μπορούν να προσαρμοστούν στο κύκλωμα σας, δηλαδή, Προστασία από υπέρταση, Προστασία βραχυκυκλώματος, Προστασία αντίστροφης πολικότητας κ.λπ. θα μάθετε πώς να σχεδιάσει και να κατασκευάσει ένα απλό κύκλωμα για Over-current προστασία χρησιμοποιώντας Op-Amp.

Η προστασία υπερέντασης χρησιμοποιείται συχνά σε κυκλώματα τροφοδοσίας για τον περιορισμό του ρεύματος εξόδου ενός PSU. Ο όρος «Υπερβολικό ρεύμα» είναι μια κατάσταση όταν το φορτίο αντλεί ένα μεγάλο ρεύμα από τις καθορισμένες δυνατότητες της μονάδας τροφοδοσίας. Αυτό μπορεί να είναι μια επικίνδυνη κατάσταση καθώς μια κατάσταση υπερβολικού ρεύματος θα μπορούσε να προκαλέσει βλάβη στην παροχή ρεύματος. Έτσι, οι μηχανικοί συνήθως χρησιμοποιούν ένα κύκλωμα προστασίας υπερέντασης για να διακόψουν το φορτίο από την τροφοδοσία ρεύματος κατά τη διάρκεια τέτοιων σεναρίων βλάβης, προστατεύοντας έτσι το φορτίο και την παροχή ρεύματος.

Προστασία από υπερένταση χρησιμοποιώντας λειτουργικό ενισχυτή

Υπάρχουν πολλοί τύποι κυκλωμάτων προστασίας από υπερβολικό ρεύμα. Η πολυπλοκότητα του κυκλώματος εξαρτάται από το πόσο γρήγορα το κύκλωμα προστασίας θα πρέπει να αντιδράσει σε κατάσταση υπερέντασης. Σε αυτό το έργο, θα κατασκευάσουμε ένα απλό κύκλωμα προστασίας υπερέντασης χρησιμοποιώντας ένα op-amp που χρησιμοποιείται πολύ συχνά και μπορεί εύκολα να προσαρμοστεί για τα σχέδιά σας.

Το κύκλωμα που πρόκειται να σχεδιάσουμε θα έχει μια ρυθμιζόμενη τιμή κατωφλίου υπερέντασης και θα έχει επίσης μια λειτουργία αυτόματης επανεκκίνησης σε αστοχία. Δεδομένου ότι πρόκειται για κύκλωμα προστασίας από ρεύματα που βασίζεται σε op-amp, θα έχει ένα op-amp ως μονάδα οδήγησης. Για αυτό το έργο, χρησιμοποιείται ένας γενικός σκοπός ενισχυτής LM358. Στην παρακάτω εικόνα, εμφανίζεται το διάγραμμα ακίδων του LM358.

Όπως φαίνεται στην παραπάνω εικόνα, μέσα σε ένα ενιαίο πακέτο IC θα έχουμε δύο κανάλια op-amp. Ωστόσο, μόνο ένα κανάλι χρησιμοποιείται για αυτό το έργο. Το op-amp θα αλλάξει (αποσυνδέσει) το φορτίο εξόδου χρησιμοποιώντας ένα MOSFET. Για αυτό το έργο, χρησιμοποιείται ένα κανάλι N MOSFET IRF540N. Συνιστάται να χρησιμοποιείτε το σωστό MOSFET Heatsink εάν το ρεύμα φόρτωσης είναι μεγαλύτερο από 500mA. Ωστόσο, για αυτό το έργο, το MOSFET χρησιμοποιείται χωρίς Heatsink. Η παρακάτω εικόνα είναι η αναπαράσταση του διαγράμματος pinout IRF540N.

Για να ενεργοποιήσετε το op-amp και το κύκλωμα, χρησιμοποιείται ο γραμμικός ρυθμιστής τάσης LM7809. Αυτός είναι ένας γραμμικός ρυθμιστής τάσης 9V 1A με μεγάλη βαθμολογία τάσης εισόδου. Το pinout φαίνεται στην παρακάτω εικόνα

Απαιτούμενα υλικά:

Παρακάτω παρατίθεται μια λίστα με εξαρτήματα που απαιτούνται για το κύκλωμα προστασίας από υπερένταση.

1. Ψωμί
2. Απαιτείται παροχή ρεύματος 12V (ελάχιστο) ή σύμφωνα με την τάση.
3. LM358
4. 100uF 25V
5. IRF540Ν
6. Heatsink (σύμφωνα με την απαίτηση της αίτησης)
7. 50 κατσαρόλα.
8. 1 k αντίσταση με ανοχή 1%
9. Αντίσταση 1Meg
10. 100k αντίσταση με ανοχή 1%.
11. Αντίσταση 1ohms, 2W (μέγιστο ρεύμα φόρτωσης 1,25A 2W)
12. Σύρματα για ψωμί

Κύκλωμα προστασίας υπερέντασης

Ένα απλό κύκλωμα προστασίας από υπερένταση μπορεί να σχεδιαστεί χρησιμοποιώντας ένα Op-Amp για να ανιχνεύσει το υπερβολικό ρεύμα και με βάση το αποτέλεσμα μπορούμε να οδηγήσουμε ένα Mosfet να αποσυνδέσει / συνδέσει το φορτίο με την παροχή ρεύματος. Το διάγραμμα κυκλώματος για το ίδιο είναι απλό και φαίνεται στην παρακάτω εικόνα

Λειτουργεί το κύκλωμα προστασίας υπερέντασης

Όπως μπορείτε να παρατηρήσετε από το διάγραμμα κυκλώματος, το MOSFET IRF540N χρησιμοποιείται για τον έλεγχο του φορτίου ως ON ή OFF κατά τη διάρκεια της κανονικής και υπερφορτωμένης κατάστασης. Αλλά πριν απενεργοποιήσετε το φορτίο, είναι σημαντικό να ανιχνεύσετε το ρεύμα φορτίου. Αυτό γίνεται χρησιμοποιώντας μια αντίσταση διακλάδωσης R1, η οποία είναι μια αντίσταση διακλάδωσης 1 Ohm με βαθμολογία 2 Watt. Αυτή η μέθοδος μέτρησης ρεύματος ονομάζεται Shunt Resistor Current Sensing, μπορείτε επίσης να ελέγξετε άλλες τρέχουσες μεθόδους ανίχνευσης οι οποίες μπορούν επίσης να χρησιμοποιηθούν για την ανίχνευση υπερέντασης.

Κατά την κατάσταση ON του MOSFET, το ρεύμα φορτίου ρέει μέσω της αποστράγγισης του MOSFET στην πηγή και τέλος στο GND μέσω της αντίστασης διακλάδωσης. Ανάλογα με το ρεύμα φορτίου, η αντίσταση διακλάδωσης παράγει πτώση τάσης, η οποία μπορεί να υπολογιστεί χρησιμοποιώντας το νόμο Ohms. Ας υποθέσουμε λοιπόν, για 1Α ροής ρεύματος (ρεύμα φορτίου), η πτώση τάσης κατά μήκος της αντίστασης διακλάδωσης είναι 1V ως V = I x R (V = 1A x 1 Ohm). Έτσι, εάν αυτή η τάση πτώσης συγκρίνεται με μια προκαθορισμένη τάση χρησιμοποιώντας ένα Op-Amp, μπορούμε να εντοπίσουμε το υπερβολικό ρεύμα και να αλλάξουμε την κατάσταση του MOSFET για να διακόψουμε το φορτίο.

Ο λειτουργικός ενισχυτής χρησιμοποιείται συνήθως για την εκτέλεση μαθηματικών λειτουργιών όπως η προσθήκη, η αφαίρεση, ο πολλαπλασιασμός κ.λπ. Επομένως, σε αυτό το κύκλωμα, ο λειτουργικός ενισχυτής LM358 έχει ρυθμιστεί ως συγκριτής. Σύμφωνα με το σχήμα, ο συγκριτής συγκρίνει δύο τιμές. Η πρώτη είναι η τάση πτώσης κατά μήκος της αντίστασης διακλάδωσης και μια άλλη είναι η προκαθορισμένη τάση (τάση αναφοράς) χρησιμοποιώντας μια μεταβλητή αντίσταση ή ποτενσιόμετρο RV1. Το RV1 δρα ως διαχωριστής τάσης. Η τάση πτώσης κατά μήκος της αντίστασης διακλάδωσης ανιχνεύεται από τον ακροδέκτη αναστροφής του συγκριτή και συγκρίνεται με την αναφορά τάσης που συνδέεται στο μη αναστρέψιμο τερματικό του λειτουργικού ενισχυτή.

Λόγω αυτού, εάν η ανιχνευμένη τάση είναι μικρότερη από την τάση αναφοράς, ο συγκριτής θα παράγει μια θετική τάση κατά μήκος της εξόδου που είναι κοντά στο VCC του συγκριτή. Όμως, εάν η ανιχνευμένη τάση είναι μεγαλύτερη από την τάση αναφοράς, ο συγκριτής θα παράγει αρνητική τάση τροφοδοσίας σε όλη την έξοδο (η αρνητική τροφοδοσία συνδέεται σε ολόκληρο το GND, έτσι 0V σε αυτήν την περίπτωση) Αυτή η τάση είναι αρκετή για να ενεργοποιήσετε ή να απενεργοποιήσετε ένα MOSFET.

Αντιμετώπιση προβλήματος παροδικής απόκρισης / σταθερότητας

Αλλά όταν το υψηλό φορτίο θα αποσυνδεθεί από την τροφοδοσία, οι παροδικές αλλαγές θα δημιουργήσουν μια γραμμική περιοχή κατά μήκος του συγκριτή και αυτό θα δημιουργήσει έναν βρόχο όπου ο συγκριτής δεν θα μπορούσε να ενεργοποιήσει ή να απενεργοποιήσει σωστά το φορτίο και το op-amp θα γίνει ασταθές. Για παράδειγμα, ας υποθέσουμε ότι το 1Α ρυθμίζεται χρησιμοποιώντας το ποτενσιόμετρο για ενεργοποίηση του MOSFET στην κατάσταση OFF. Επομένως, η μεταβλητή αντίσταση έχει ρυθμιστεί για έξοδο 1V. Κατά τη διάρκεια μιας κατάστασης, όταν ο συγκριτής ανιχνεύει ότι η πτώση τάσης κατά μήκος της αντίστασης διακλάδωσης είναι 1,01V (αυτή η τάση εξαρτάται από την ακρίβεια του op-amp ή του συγκριτή και άλλους παράγοντες) ο συγκριτής θα αποσυνδέσει το φορτίο. Παροδικές αλλαγές συμβαίνει όταν ένα υψηλό φορτίο αποσυνδέεται ξαφνικά από τη μονάδα παροχής ηλεκτρικού ρεύματος και αυτό το παροδικό αυξάνει την αναφορά τάσης που καλεί τα κακά αποτελέσματα στον συγκριτή και την αναγκάζει να λειτουργεί σε μια γραμμική περιοχή.

Ο καλύτερος τρόπος για να ξεπεραστεί αυτό το πρόβλημα είναι να χρησιμοποιήσετε μια σταθερή ισχύ στον συγκριτή όπου οι μεταβατικές αλλαγές δεν επηρεάζουν την τάση εισόδου του συγκριτή και την αναφορά τάσης. Όχι μόνο αυτό, πρέπει να προστεθεί επιπλέον μέθοδος υστέρησης στο συγκριτικό. Σε αυτό το κύκλωμα, αυτό γίνεται από τον γραμμικό ρυθμιστή LM7809 και χρησιμοποιώντας μια αντίσταση υστέρησης R4, μια αντίσταση 100k. Το LM7809 παρέχει μια κατάλληλη τάση κατά μήκος του συγκριτή έτσι ώστε οι παροδικές μεταβολές κατά μήκος της γραμμής ισχύος να μην επηρεάζουν το συγκριτή. C1, ο πυκνωτής 100uF χρησιμοποιείται για το φιλτράρισμα της τάσης εξόδου.

Η αντίσταση υστέρησης R4 τροφοδοτεί ένα μικρό μέρος της εισόδου κατά την έξοδο του op-amp που δημιουργεί ένα κενό τάσης μεταξύ του χαμηλού κατωφλίου (0,99V) και του υψηλού κατωφλίου (1,01V) όπου ο συγκριτής αλλάζει την κατάσταση εξόδου του. Το συγκριτικό δεν αλλάζει αμέσως την κατάσταση εάν πληρούται το σημείο κατωφλίου, αντί για αυτό, για να αλλάξετε την κατάσταση από υψηλό σε χαμηλό, το επίπεδο της ανιχνευμένης τάσης πρέπει να είναι χαμηλότερο από το χαμηλό κατώφλι (για παράδειγμα 0,97V αντί για 0,99V) ή για να αλλάξετε την κατάσταση από χαμηλή σε υψηλή, η ανιχνευμένη τάση πρέπει να είναι υψηλότερη από το υψηλό όριο (1,03 αντί 1,01). Αυτό θα αυξήσει τη σταθερότητα του συγκριτή και θα μειώσει την ψευδή ενεργοποίηση. Εκτός από αυτήν την αντίσταση, τα R2 και R3 χρησιμοποιούνται για τον έλεγχο της πύλης. Το R3 είναι η πτυσσόμενη αντίσταση πύλης του MOSFET.

Δοκιμή κυκλώματος προστασίας υπερέντασης

Το κύκλωμα είναι κατασκευασμένο σε breadboard και δοκιμάζεται χρησιμοποιώντας τροφοδοτικό Bench μαζί με μεταβλητό φορτίο DC.

Το κύκλωμα δοκιμάστηκε και η έξοδος παρατηρήθηκε ότι αποσυνδέθηκε με επιτυχία σε διαφορετικές τιμές που ορίζονται από τη μεταβλητή αντίσταση. Το βίντεο που παρέχεται στο κάτω μέρος αυτής της σελίδας δείχνει μια πλήρη επίδειξη δοκιμών προστασίας από υπερένταση σε δράση.

Συμβουλές σχεδιασμού προστασίας από υπερβολικά ρεύματα

• Το κύκλωμα RC snubber σε όλη την έξοδο θα μπορούσε να βελτιώσει το EMI.
• Μεγαλύτερη ψύκτρα και ειδικό MOSFET μπορούν να χρησιμοποιηθούν για την απαιτούμενη εφαρμογή.
• Το καλά κατασκευασμένο PCB θα βελτιώσει τη σταθερότητα του κυκλώματος.
• Η ισχύς Shunt Resistor πρέπει να ρυθμιστεί σύμφωνα με τον νόμο ισχύος (P = I ² R) ανάλογα με το ρεύμα φόρτωσης.
• Πολύ χαμηλή τιμή αντίστασης σε βαθμολογία milli-ohms μπορεί να χρησιμοποιηθεί για ένα μικρό πακέτο, αλλά η πτώση τάσης θα είναι μικρότερη. Για την αντιστάθμιση της πτώσης τάσης μπορεί να χρησιμοποιηθεί ένας πρόσθετος ενισχυτής με κατάλληλο κέρδος.
• Συνιστάται να χρησιμοποιείτε έναν ειδικό ενισχυτή τρέχουσας αίσθησης για ακριβή ζητήματα που σχετίζονται με την ανίχνευση ρεύματος.

Ελπίζω ότι καταλάβατε το σεμινάριο και απολαύσατε να μάθετε κάτι χρήσιμο από αυτό. Εάν έχετε οποιεσδήποτε ερωτήσεις, αφήστε τις στις ενότητες σχολίων ή χρησιμοποιήστε τα φόρουμ για άλλες τεχνικές ερωτήσεις.