Overstroombeveiliging met op

Beveiligingscircuits zijn van vitaal belang voor een succesvol elektronisch ontwerp. In onze eerdere tutorials over beveiligingscircuits hebben we veel basisbeveiligingscircuits ontworpen die in uw circuit kunnen worden aangepast, namelijk overspanningsbeveiliging, kortsluitbeveiliging, beveiliging tegen omgekeerde polariteit, enz. Als toevoeging aan deze lijst met circuits, in dit artikel, leert hoe u een eenvoudig circuit voor overstroombeveiliging ontwerpt en bouwt met Op-Amp.

Overstroombeveiliging wordt vaak gebruikt in voedingscircuits om de uitgangsstroom van een PSU te beperken. De term "Overstroom" is een toestand waarbij de belasting een grote stroom trekt dan de gespecificeerde capaciteit van de voedingseenheid. Dit kan een gevaarlijke situatie zijn, aangezien een te hoge stroomtoestand de stroomtoevoer kan beschadigen. Dus ingenieurs gebruiken normaal gesproken een overstroombeveiligingscircuit om de belasting van de voeding af te sluiten tijdens dergelijke foutscenario's, waardoor de belasting en voeding worden beschermd.

Overstroombeveiliging met behulp van operationele versterker

Er zijn veel soorten overstroombeveiligingscircuits; De complexiteit van het circuit hangt af van hoe snel het beveiligingscircuit moet reageren tijdens een overstroomsituatie. In dit project zullen we een eenvoudig overstroombeveiligingscircuit bouwen met behulp van een op-amp die heel vaak wordt gebruikt en die gemakkelijk kan worden aangepast aan uw ontwerpen.

Het circuit dat we gaan ontwerpen, heeft een instelbare drempelwaarde voor overstroom en heeft ook een functie voor automatisch herstarten bij een storing. Omdat dit een op-amp-gebaseerd overstroombeveiligingscircuit is, heeft het een op-amp als aandrijfeenheid. Voor dit project wordt een universele operationele versterker LM358 gebruikt. In de onderstaande afbeelding wordt het pin-diagram van LM358 getoond.

Zoals te zien is in de bovenstaande afbeelding, hebben we in een enkel IC-pakket twee op-amp-kanalen. Voor dit project wordt echter slechts één kanaal gebruikt. De op-amp zal de uitgangsbelasting schakelen (loskoppelen) met behulp van een MOSFET. Voor dit project wordt een N-kanaal MOSFET IRF540N gebruikt. Het wordt aanbevolen om de juiste MOSFET-koellichaam te gebruiken als de belastingsstroom groter is dan 500mA. Voor dit project wordt de MOSFET echter zonder koellichaam gebruikt. De onderstaande afbeelding is de weergave van het IRF540N-pinoutdiagram.

Om de op-amp en het circuit van stroom te voorzien, wordt de LM7809 lineaire spanningsregelaar gebruikt. Dit is een 9V 1A lineaire spanningsregelaar met een brede ingangsspanning. De pinout is te zien in de onderstaande afbeelding

Vereiste materialen:

Een lijst van componenten die nodig zijn voor de overstroombeveiliging circuit wordt hieronder vermeld.

Breadboard
Voeding 12V (minimaal) of volgens de spanning is vereist.
LM358
100uF 25V
IRF540N
Heatsink (volgens de toepassingsvereiste)
50k sierpot.
1k weerstand met 1% tolerantie
1Meg weerstand
100k weerstand met 1% tolerantie.
1 ohm weerstand, 2 W (2 W maximaal 1,25 A laadstroom)
Draden voor breadboard

Overstroombeveiligingscircuit

Een eenvoudig overstroombeveiligingscircuit kan worden ontworpen door een Op-Amp te gebruiken om de overstroom te detecteren en op basis van het resultaat kunnen we een Mosfet aansturen om de belasting te ontkoppelen / verbinden met de voeding. Het schakelschema hiervoor is eenvoudig en is te zien in de onderstaande afbeelding

Overstroombeveiligingscircuit werkt

Zoals u kunt zien in het schakelschema, wordt de MOSFET IRF540N gebruikt om de belasting AAN of UIT te regelen tijdens de normale en overbelastingstoestand. Maar voordat u de belasting uitschakelt, is het essentieel om de belastingstroom te detecteren. Dit wordt gedaan door een shuntweerstand R1 te gebruiken, dit is een 1 Ohm shuntweerstand met een vermogen van 2 Watt. Deze methode voor het meten van stroom wordt Shunt Resistor Current Sensing genoemd. U kunt ook andere stroomdetectiemethoden controleren die ook kunnen worden gebruikt om overstroom te detecteren.

Tijdens de AAN-toestand van de MOSFET vloeit de belastingsstroom door de afvoer van de MOSFET naar de bron en uiteindelijk naar de GND via de shuntweerstand. Afhankelijk van de belastingsstroom produceert de shuntweerstand een spanningsval waarover kan worden berekend met de wet van Ohm. Laten we daarom aannemen dat voor 1A stroom (belastingsstroom) de spanningsval over de shuntweerstand 1V is als V = I x R (V = 1A x 1 Ohm). Dus als deze valspanning wordt vergeleken met een vooraf gedefinieerde spanning met behulp van een Op-Amp, kunnen we overstroom detecteren en de toestand van de MOSFET wijzigen om de belasting af te sluiten.

De operationele versterker wordt gewoonlijk gebruikt voor het uitvoeren van wiskundige bewerkingen zoals optellen, aftrekken, vermenigvuldigen, enz. Daarom is in dit circuit de operationele versterker LM358 geconfigureerd als een comparator. Volgens het schema vergelijkt de comparator twee waarden. De eerste is de afvalspanning over de shuntweerstand en de andere is de vooraf gedefinieerde spanning (referentiespanning) met behulp van een variabele weerstand of potentiometer RV1. RV1 fungeert als spanningsdeler. De afvalspanning over de shuntweerstand wordt waargenomen door de inverterende aansluiting van de comparator en wordt vergeleken met de spanningsreferentie die is aangesloten op de niet-inverterende aansluiting van de operationele versterker.

Als gevolg hiervan, als de gedetecteerde spanning lager is dan de referentiespanning, zal de comparator een positieve spanning produceren over de uitgang die dicht bij de VCC van de comparator ligt. Maar als de gedetecteerde spanning groter is dan de referentiespanning, zal de comparator een negatieve voedingsspanning produceren over de uitgang (negatieve voeding is verbonden over de GND, dus 0V in dit geval). Deze spanning is voldoende om een MOSFET AAN of UIT te schakelen.

Omgaan met voorbijgaande reactie / stabiliteitsproblemen

Maar wanneer de hoge belasting wordt losgekoppeld van de voeding, zullen de voorbijgaande veranderingen een lineair gebied over de comparator creëren en dit zal een lus creëren waarin de comparator de belasting niet correct AAN of UIT kan schakelen en de op-amp zal onstabiel worden. Laten we bijvoorbeeld aannemen dat 1A wordt ingesteld met behulp van de potentiometer om de MOSFET in de UIT-toestand te brengen. Daarom is de variabele weerstand ingesteld op een 1V-uitgang. Tijdens een situatie, wanneer de comparator detecteert dat de spanningsval over de shuntweerstand 1,01 V is (deze spanning hangt af van de nauwkeurigheid van de op-amp of de comparator en andere factoren), zal de comparator de belasting ontkoppelen. Voorbijgaande veranderingen doen zich voor wanneer een hoge belasting plotseling wordt losgekoppeld van de voedingseenheid en deze voorbijgaande aard verhoogt de spanningsreferentie die slechte resultaten over de comparator uitnodigt en deze dwingt om in een lineair gebied te werken.

De beste manier om dit probleem op te lossen, is om een stabiel vermogen over de comparator te gebruiken, waarbij de tijdelijke veranderingen geen invloed hebben op de ingangsspanning van de comparator en de spanningsreferentie. Niet alleen dit, er moet extra methodehysterese in de comparator worden toegevoegd. In dit circuit wordt dit gedaan door de lineaire regelaar LM7809 en door gebruik te maken van een hystereseweerstand R4, een 100k-weerstand. LM7809 zorgt voor een juiste spanning over de comparator, zodat de tijdelijke veranderingen over de voedingslijn de comparator niet beïnvloeden. C1, de 100uF condensator wordt gebruikt voor het filteren van de uitgangsspanning.

De hystereseweerstand R4 voedt een klein deel van de invoer via de uitvoer van de op-amp, waardoor een spanningsgat ontstaat tussen de lage drempel (0,99 V) en de hoge drempel (1,01 V) waar de comparator zijn uitgangstoestand verandert. De comparator verandert de toestand niet onmiddellijk als aan het drempelpunt wordt voldaan, in plaats daarvan, om de toestand van hoog naar laag te veranderen, moet het gedetecteerde spanningsniveau lager zijn dan de lage drempel (bijvoorbeeld 0,97 V in plaats van 0,99 V) of om de toestand van laag naar hoog te veranderen, moet de gedetecteerde spanning hoger zijn dan de hoge drempel (1,03 in plaats van 1,01). Dit verhoogt de stabiliteit van de comparator en vermindert valse uitschakeling. Behalve deze weerstand worden R2 en R3 gebruikt voor het besturen van de poort. R3 is de Gate pull-down-weerstand van de MOSFET.

Testen van overstroombeveiliging

Het circuit is geconstrueerd in een breadboard en getest met behulp van Bench Power-voeding samen met een variabele DC-belasting.

Het circuit is getest en er is waargenomen dat de uitgang met succes is losgekoppeld bij verschillende waarden die zijn ingesteld door de variabele weerstand. De video onderaan deze pagina toont een complete demonstratie van het testen van overstroombeveiliging in actie.

Ontwerptips voor overstroombeveiliging

RC-snubbercircuit over de uitgang zou de EMI kunnen verbeteren.
Een groter koellichaam en specifieke MOSFET kunnen worden gebruikt voor de vereiste toepassing.
Goed geconstrueerde PCB's zullen de stabiliteit van het circuit verbeteren.
Het wattage van de shuntweerstand moet worden aangepast volgens de vermogenswet (P = I ² R), afhankelijk van de belastingsstroom.
Een weerstand met een zeer lage waarde in milli-ohm-classificatie kan worden gebruikt voor een klein pakket, maar de spanningsval zal minder zijn. Om de spanningsval te compenseren kan een extra versterker met de juiste versterking worden gebruikt.
Het is raadzaam om een speciale stroomdetectieversterker te gebruiken voor problemen met nauwkeurige stroomdetectie.

Ik hoop dat je de tutorial hebt begrepen en het leuk vond om er iets nuttigs van te leren. Als je vragen hebt, laat ze dan achter in de commentaarsecties of gebruik de forums voor andere technische vragen.