Zaščita pred pretokom z op

Zaščitna vezja so ključnega pomena za uspeh vsake elektronske zasnove. V naših prejšnjih vajah o zaščitnih tokokrogih smo oblikovali veliko osnovnih zaščitnih vezij, ki jih je mogoče prilagoditi vašemu vezju, in sicer zaščito pred prenapetostjo, zaščito pred kratkim stikom, zaščito pred obratno polarnostjo itd. se bodo naučili, kako načrtovati in izdelati preprosto vezje za zaščito pred prenapetostjo z uporabo Op-Amp.

Zaščita pred prenapetostjo se pogosto uporablja v napajalnih tokokrogih za omejevanje izhodnega toka PSU. Izraz "prekomerni tok" je pogoj, ko obremenitev porabi večji tok od določenih zmogljivosti napajalne enote. To je lahko nevarno, saj lahko prekomerno stanje poškoduje napajanje. Inženirji tako običajno uporabljajo zaščitno vezje za prekomerni tok, da med takšnimi scenariji napak prekinejo obremenitev z napajanja, s čimer zaščitijo obremenitev in napajanje.

Zaščita pred prevelikim tokom z operacijskim ojačevalnikom

Obstaja veliko vrst tokovnih zaščitnih tokokrogov; zapletenost vezja je odvisna od tega, kako hitro naj se zaščitni tokokrog odzove v trenutni situaciji. V tem projektu bomo z optičnim ojačevalnikom, ki se zelo pogosto uporablja in ga je mogoče enostavno prilagoditi vašim oblikam, zgradili preprosto vezje za zaščito pred prenapetostjo.

Vezje, ki ga nameravamo načrtovati, bo imelo nastavljivo mejno vrednost nadtoka in bo imelo tudi funkcijo samodejnega ponovnega zagona ob okvari. Ker je to vezje za zaščito pred prenapetostjo na osnovi op-amp, bo kot pogonska enota imelo op-amp. Za ta projekt se uporablja splošni operativni ojačevalnik LM358. Na spodnji sliki je prikazan pin-diagram LM358.

Kot je razvidno iz zgornje slike, bomo v enem samem paketu IC imeli dva op-amp kanala. Vendar se za ta projekt uporablja samo en kanal. Op-amp bo z MOSFET-om izklopil (odklopil) izhodno obremenitev. Za ta projekt se uporablja N-kanalni MOSFET IRF540N. Če je obremenitveni tok večji od 500 mA, je priporočljivo uporabiti ustrezen hladilnik MOSFET. Vendar se za ta projekt MOSFET uporablja brez hladilnika. Spodnja slika je prikaz diagrama pinut IRF540N.

Za napajanje op-ojačevalnika in vezja se uporablja linearni regulator napetosti LM7809. To je linearni regulator napetosti 9V 1A s široko vhodno napetostjo. Pinout je viden na spodnji sliki

Potrebni materiali:

Spodaj je naveden seznam komponent, potrebnih za zaščitni tokokrog nad pretokom.

1. Breadboard
2. Potrebno je napajanje 12V (najmanj) ali po napetosti.
3. LM358
4. 100uF 25V
5. IRF540N
6. Hladilnik (glede na zahtevo za prijavo)
7. 50k trim lonec.
8. 1k upor z 1% toleranco
9. 1Meg upor
10. 100k upor z 1% toleranco.
11. Upor 1 ohma, 2 W (največ 2 W obremenitvenega toka 1,25 A)
12. Žice za plošče

Zaščitni tokokrog nad pretokom

Preprosto tokovno zaščitno vezje je mogoče zasnovati z opcijskim ojačevalnikom za zaznavanje prekomernega toka in na podlagi rezultata lahko vozimo Mosfet za odklop / priključitev tovora na napajalnik. Shema vezja za isto je preprosta in je razvidna iz spodnje slike

Zaščitni tokokrog nadtokov deluje

Kot lahko vidite iz vezja, se MOSFET IRF540N uporablja za nadzor obremenitve kot VKLOP ali IZKLOP med normalnim in preobremenjenim stanjem. Pred izklopom bremena pa je nujno zaznati tok tovora. To se naredi z uporabo ranžirnega upora R1, ki je 1 Ohm uporni upor z močjo 2 W. Ta metoda merjenja toka se imenuje zaznavanje toka upornega upornika, lahko pa preverite tudi druge metode zaznavanja toka, ki jih je mogoče uporabiti tudi za zaznavanje prekomernega toka.

Med vklopljenim stanjem MOSFET-a tok toka teče skozi odtok MOSFET-a do vira in končno do GND prek ranžirnega upora. Odvisno od toka obremenitve ranžirni upor povzroči padec napetosti, ki ga lahko izračunamo z uporabo Ohmovega zakona. Zato predpostavimo, da je za 1A tokovnega toka (obremenitveni tok) padec napetosti na ranžirnem uporu 1V kot V = I x R (V = 1A x 1 Ohm). Torej, če primerjamo ta padec napetosti z vnaprej določeno napetostjo z optičnim ojačevalnikom, lahko zaznamo presežni tok in spremenimo stanje MOSFET-a, da prekinemo obremenitev.

Operacijski ojačevalnik se običajno uporablja za izvajanje matematičnih operacij, kot so seštevanje, odštevanje, množenje itd. Zato je operacijski ojačevalnik LM358 v tem vezju konfiguriran kot primerjalnik. Glede na shemo primerjalnik primerja dve vrednosti. Prva je padajoča napetost na ranžirnem uporu, druga pa vnaprej določena napetost (referenčna napetost) z uporabo spremenljivega upora ali potenciometra RV1. RV1 deluje kot delilnik napetosti. Padec napetosti na ranžirnem uporu zazna inverzni terminal primerjalnika in ga primerja z referenčno napetostjo, ki je priključena na neinvertirni terminal operacijskega ojačevalnika.

Zaradi tega, če je zaznana napetost manjša od referenčne napetosti, bo primerjalnik ustvaril pozitivno napetost na izhodu, ki je blizu VCC primerjalnika. Če pa je zaznana napetost večja od referenčne napetosti, bo primerjalnik ustvaril negativno napajalno napetost na izhodu (negativna napajalna napetost je priključena na GND, torej v tem primeru 0V). Ta napetost zadostuje za vklop ali izklop MOSFET-a.

Reševanje prehodnega odziva / težave s stabilnostjo

Ko pa se velika obremenitev odklopi od napajanja, bodo prehodne spremembe ustvarile linearno območje čez primerjalnik in to bo ustvarilo zanko, kjer primerjalnik ni mogel pravilno vklopiti ali izklopiti obremenitve in op-amp bo postal nestabilen. Denimo, da je 1A nastavljen z uporabo potenciometra za sprožitev MOSFET-a v stanje OFF. Zato je spremenljivi upor nastavljen na 1V izhod. V primeru, ko primerjalnik zazna padec napetosti na ranžirnem uporu 1,01 V (ta napetost je odvisna od natančnosti op-amp ali primerjalnika in drugih dejavnikov), bo primerjalnik odklopil obremenitev. Prehodne spremembe se pojavijo, ko se velika napetost nenadoma odklopi z napajalne enote in to prehodno povečanje referenčne napetosti, ki povzroči primerjavo slabih rezultatov v primerjalni napravi in ​​jo prisili v delovanje v linearnem območju.

Najboljši način za premagovanje te težave je uporaba stabilne moči v primerjalniku, kjer prehodne spremembe ne vplivajo na vhodno napetost primerjalne napetosti in referenčno napetost. Ne samo to, v primerjalnik je treba dodati dodatno histerezo metode. V tem vezju to stori linearni regulator LM7809 in z uporabo histereznega upora R4, 100k upora. LM7809 zagotavlja primerno napetost na primerjalniku, tako da prehodne spremembe na daljnovodu ne vplivajo na primerjalnik. C1, kondenzator 100uF se uporablja za filtriranje izhodne napetosti.

Upor za histerezo R4 napaja majhen del vhoda skozi izhod op-ojačevalnika, ki ustvarja napetostno vrzel med nizkim pragom (0,99 V) in visokim pragom (1,01 V), kjer primerjalnik spremeni svoje izhodno stanje. Primerjalnik stanja takoj ne spremeni, če je dosežena mejna vrednost, namesto tega mora biti za spremembo stanja iz visokega v nizek zaznana napetost nižja od spodnjega praga (na primer 0,97 V namesto 0,99 V). ali če želite stanje spremeniti iz nizkega v visoko, mora biti zaznana napetost višja od visokega praga (1,03 namesto 1,01). To bo povečalo stabilnost primerjalnika in zmanjšalo napačno sprožitev. Poleg tega upora se za nadzor vrat uporabljata R2 in R3. R3 je spustni upor MOSFET-a.

Preizkušanje zaščitnega tokokroga nadtoka

Vezje je izdelano v plošči in preizkušeno s pomočjo bencinskega napajanja skupaj s spremenljivo enosmerno obremenitvijo.

Vezje se preskusi in opazi se, da se izhod uspešno odklopi pri različnih vrednostih, nastavljenih s spremenljivim uporom. Videoposnetek na dnu te strani prikazuje popoln prikaz preizkusa zaščite pred prenapetostjo v akciji.

Nasveti za zasnovo nadtokovne zaščite

• RC snubber vezje na izhodu bi lahko izboljšalo EMI.
• Za zahtevano uporabo se lahko uporabi večji hladilni hladilnik in specifični MOSFET.
• Dobro zgrajena PCB bo izboljšala stabilnost vezja.
• Moč Shunt Resistorja je treba prilagoditi v skladu z zakonom o moči (P = I ² R), odvisno od toka obremenitve.
• Upor z zelo nizko vrednostjo v milimih ohmih lahko uporabimo za majhen paket, vendar bo padec napetosti manjši. Za kompenzacijo padca napetosti lahko uporabimo dodaten ojačevalnik z ustreznim ojačanjem.
• Priporočljivo je uporabiti namenski ojačevalnik toka za natančna vprašanja, povezana s trenutnim zaznavanjem.

Upam, da ste razumeli vadnico in ste se z njo naučili kaj koristnega. Če imate kakršna koli vprašanja, jih pustite v oddelkih za komentarje ali uporabite forume za druga tehnična vprašanja.