- Nadprúdová ochrana pomocou operačného zosilňovača
- Potrebné materiály:
- Obvod nadprúdovej ochrany
- Pracovný obvod nadprúdovej ochrany
- Riešenie problému s prechodnou odozvou / stabilitou
- Testovanie obvodu nadprúdovej ochrany
- Tipy pre návrh nadprúdovej ochrany
Pre úspešnosť každého elektronického návrhu sú nevyhnutné ochranné obvody. V našich predchádzajúcich výukových programoch ochranných obvodov sme navrhli mnoho základných ochranných obvodov, ktoré je možné prispôsobiť vášmu obvodu, menovite ochrana proti prepätiu, ochrana proti skratu, ochrana proti prepólovaniu atď. Do tohto zoznamu obvodov v tomto článku pridávame sa naučí, ako navrhnúť a postaviť jednoduchý obvod pre nadprúdovú ochranu pomocou Op-Amp.
V obvodoch napájania sa často používa nadprúdová ochrana na obmedzenie výstupného prúdu napájacieho zdroja. Pojem „nadprúd“ je stav, keď záťaž odoberá veľký prúd, než je špecifikovaná kapacita napájacej jednotky. Môže to byť nebezpečná situácia, pretože nadmerný prúd by mohol poškodiť napájací zdroj. Inžinieri teda bežne používajú nadprúdový ochranný obvod na odpojenie záťaže od napájacieho zdroja počas takýchto poruchových scenárov, čím chránia záťaž a napájací zdroj.
Nadprúdová ochrana pomocou operačného zosilňovača
Existuje veľa druhov obvodov ochrany proti nadprúdu; zložitosť obvodu závisí od toho, ako rýchlo by mal ochranný obvod reagovať počas situácie s nadprúdom. V tomto projekte zostavíme jednoduchý nadprúdový ochranný obvod pomocou operačného zosilňovača, ktorý sa veľmi často používa a je možné ho ľahko prispôsobiť vašim návrhom.
Obvod, ktorý sa chystáme navrhnúť, bude mať nastaviteľnú prahovú hodnotu nadprúdu a bude mať tiež funkciu automatického reštartu pri poruche. Pretože sa jedná o nadprúdový ochranný obvod založený na operačných zosilňovačoch, bude ako operačná jednotka obsahovať operačný zosilňovač. Pre tento projekt sa používa univerzálny operačný zosilňovač LM358. Na nasledujúcom obrázku je znázornená pinová schéma obvodu LM358.
Ako je vidieť na obrázku vyššie, v jednom balíku IC budeme mať dva kanály operačného zosilňovača. Pre tento projekt sa však používa iba jeden kanál. Operačný zosilňovač prepne (odpojí) výstupné zaťaženie pomocou MOSFETu. Pre tento projekt sa používa N kanál MOSFET IRF540N. Ak je záťažový prúd väčší ako 500 mA, odporúča sa použiť správny chladič MOSFET. Pre tento projekt sa však MOSFET používa bez chladiča. Nasledujúci obrázok je znázornením pinoutového diagramu IRF540N.
Na napájanie operačného zosilňovača a obvodov sa používa lineárny regulátor napätia LM7809. Jedná sa o lineárny regulátor napätia 9V 1A so širokým stupňom vstupného napätia. Pinout je možné vidieť na obrázku nižšie
Potrebné materiály:
Zoznam komponentov potrebných pre obvod nadprúdovej ochrany je uvedený nižšie.
- Nepál
- Vyžaduje sa napájanie 12V (minimálne) alebo podľa napätia.
- LM358
- 100uF 25V
- IRF540N
- Chladič (podľa požiadaviek aplikácie)
- 50k orezávací hrniec.
- 1k rezistor s 1% toleranciou
- 1 Meg rezistor
- 100k rezistor s 1% toleranciou.
- 1 ohmový odpor, 2 W (maximum 2 W pri zaťažovacom prúde 1,25 A)
- Drôty na nepájivú dosku
Obvod nadprúdovej ochrany
Jednoduchý nadprúdový ochranný obvod je možné navrhnúť pomocou Op-Amp na snímanie nadprúdu a na základe výsledku môžeme riadiť Mosfet, aby odpojil / pripojil záťaž k napájaciemu zdroju. Schéma zapojenia rovnakého obvodu je jednoduchá a je možné ho vidieť na nasledujúcom obrázku
Pracovný obvod nadprúdovej ochrany
Ako môžete vidieť na schéme zapojenia, MOSFET IRF540N sa používa na riadenie záťaže ako ZAPNUTÉ alebo VYPNUTÉ počas normálneho stavu a preťaženia. Pred vypnutím záťaže je však nevyhnutné zistiť prúd záťaže. To sa deje pomocou bočného odporu R1, čo je bočníkový odpor 1 Ohm s výkonom 2 W. Táto metóda merania prúdu sa nazýva Shunt Resistor Current Sensing, môžete tiež skontrolovať ďalšie metódy snímania prúdu, ktoré sa dajú použiť aj na detekciu nadprúdu.
Počas zapnutého stavu MOSFET preteká záťažový prúd odtokom MOSFETu k zdroju a nakoniec k GND cez bočníkový odpor. V závislosti na prúde záťaže vytvára bočníkový odpor napäťový pokles, ktorý je možné vypočítať pomocou Ohmovho zákona. Preto predpokladajme, že pre 1A prúdového prúdu (záťažový prúd) je pokles napätia na bočnom rezistore 1V ako V = I x R (V = 1A x 1 Ohm). Takže ak sa toto poklesové napätie porovnáva s preddefinovaným napätím pomocou Op-Amp, môžeme zistiť nadprúd a zmeniť stav MOSFETu, aby sa prerušilo zaťaženie.
Operačný zosilňovač sa bežne používa na vykonávanie matematických operácií, ako je sčítanie, odčítanie, násobenie atď. Preto je v tomto obvode operačný zosilňovač LM358 nakonfigurovaný ako komparátor. Podľa schémy komparátor porovnáva dve hodnoty. Prvým z nich je poklesové napätie cez bočníkový odpor a ďalším je preddefinované napätie (referenčné napätie) pomocou variabilného odporu alebo potenciometra RV1. RV1 funguje ako delič napätia. Pokles napätia cez bočný odpor je snímaný invertujúcou svorkou komparátora a porovnáva sa s napäťovou referenciou, ktorá je pripojená v neinvertujúcej svorke operačného zosilňovača.
Z tohto dôvodu, ak je snímané napätie menšie ako referenčné napätie, komparátor vytvorí kladné napätie na výstupe, ktorý je blízko k VCC komparátora. Ak je ale snímané napätie väčšie ako referenčné napätie, komparátor vytvorí na výstupe záporné napájacie napätie (záporné napájanie je pripojené cez GND, v tomto prípade teda 0 V). Toto napätie je dostatočné na zapnutie alebo vypnutie MOSFETU.
Riešenie problému s prechodnou odozvou / stabilitou
Ale keď bude vysoké zaťaženie odpojené od napájania, prechodné zmeny vytvoria lineárnu oblasť naprieč komparátorom a vytvorí tak slučku, kde komparátor nemohol správne zapnúť alebo vypnúť záťaž a operačný zosilňovač sa stane nestabilným. Napríklad predpokladajme, že 1A sa nastavuje pomocou potenciometra na spustenie MOSFETu do stavu OFF. Preto je premenný rezistor nastavený na 1V výstup. V situácii, keď komparátor zistí pokles napätia na bočníku, je 1,01 V (toto napätie závisí od presnosti operačného zosilňovača alebo komparátora a ďalších faktorov), komparátor odpojí záťaž. Prechodné zmeny nastať, keď je náhle odpojené vysoké zaťaženie od napájacej jednotky a toto prechodne zvyšuje referenciu napätia, čo vyvoláva zlé výsledky v komparátore a núti ho pracovať v lineárnej oblasti.
Najlepším spôsobom, ako prekonať tento problém, je použitie stabilného výkonu v komparátore, kde prechodné zmeny neovplyvňujú vstupné napätie komparátora a referenčnú hodnotu napätia. Nielen to, do komparátora je potrebné pridať ďalšiu hysteréziu metódy. V tomto obvode sa to deje lineárnym regulátorom LM7809 a použitím hysterézneho odporu R4, odporu 100k. LM7809 poskytuje správne napätie cez komparátor, aby prechodové zmeny cez elektrické vedenie neovplyvnili komparátor. C1, kondenzátor 100 uF sa používa na filtrovanie výstupného napätia.
Hysterézny rezistor R4 napája malú časť vstupu na výstup operačného zosilňovača, čo vytvára napäťovú medzeru medzi nízkym prahom (0,99 V) a vysokým prahom (1,01 V), kde komparátor mení svoj výstupný stav. Komparátor nezmení stav okamžite, ak je splnený prahový bod. Namiesto toho, aby sa zmenil stav z vysokého na nízky, musí byť úroveň snímaného napätia nižšia ako dolná prahová hodnota (napríklad 0,97 V namiesto 0,99 V) alebo na zmenu stavu z nízkeho na vysoký musí byť snímané napätie vyššie ako vysoká prahová hodnota (1,03 namiesto 1,01). To zvýši stabilitu komparátora a zníži chybné vypnutie. Okrem tohto odporu sa na riadenie hradla používajú R2 a R3. R3 je Gate-pull-down rezistor MOSFETu.
Testovanie obvodu nadprúdovej ochrany
Obvod je skonštruovaný v doskovom poli a testovaný pomocou napájacieho zdroja Bench Power spolu s premenlivým jednosmerným zaťažením.
Obvod je testovaný a bolo pozorované, že sa výstup úspešne odpojil pri rôznych hodnotách nastavených variabilným rezistorom. Video poskytnuté v dolnej časti tejto stránky ukazuje úplnú ukážku testovania nadprúdovej ochrany v akcii.
Tipy pre návrh nadprúdovej ochrany
- Obvod RC tlmenia na výstupe by mohol vylepšiť EMI.
- Pre požadovanú aplikáciu je možné použiť väčší chladič a špecifický MOSFET.
- Kvalitne skonštruovaná doska s plošnými spojmi zlepší stabilitu obvodu.
- Je potrebné upraviť výkon bočného rezistora podľa zákona o výkone (P = I 2 R) v závislosti od zaťažovacieho prúdu.
- Pre malé balenie je možné použiť rezistor s veľmi nízkou hodnotou v menovitých hodnotách, ale pokles napätia bude menší. Na kompenzáciu poklesu napätia je možné použiť ďalší zosilňovač so správnym zosilnením.
- Pre presné problémy súvisiace so snímaním prúdu sa odporúča použiť vyhradený zosilňovač snímania prúdu.
Dúfam, že ste pochopili návod a radi ste sa z neho dozvedeli niečo užitočné. Ak máte akékoľvek otázky, nechajte ich v sekciách komentárov alebo použite fóra pre ďalšie technické otázky.