Nadproudová ochrana pomocí op

Ochranné obvody jsou životně důležité pro úspěch každého elektronického návrhu. V našich předchozích výukových programech ochranných obvodů jsme navrhli mnoho základních ochranných obvodů, které lze přizpůsobit vašemu obvodu, jmenovitě ochrana proti přepětí, ochrana proti zkratu, ochrana proti přepólování atd. Přidání do tohoto seznamu obvodů, v tomto článku, se naučí navrhovat a stavět jednoduchý obvod pro ochranu proti nadproudu pomocí Op-Amp.

Nadproudová ochrana se často používá v napájecích obvodech k omezení výstupního proudu napájecího zdroje. Pojem „nadproud“ je stav, kdy zátěž odebírá velký proud, než je specifikováno v napájecím zdroji. Může to být nebezpečná situace, protože nadproud by mohl poškodit napájecí zdroj. Inženýři tedy běžně používají nadproudový ochranný obvod k odpojení zátěže od napájecího zdroje během takovýchto poruchových scénářů, čímž chrání zátěž a napájecí zdroj.

Nadproudová ochrana pomocí operačního zesilovače

Existuje mnoho typů nadproudových ochranných obvodů; složitost obvodu závisí na tom, jak rychle by měl ochranný obvod reagovat v situaci nadproudu. V tomto projektu postavíme jednoduchý nadproudový ochranný obvod pomocí operačního zesilovače, který se velmi často používá a lze jej snadno přizpůsobit vašim návrhům.

Obvod, který se chystáme navrhnout, bude mít nastavitelnou prahovou hodnotu nadproudu a bude mít také funkci automatického restartu při selhání. Jelikož se jedná o nadproudový ochranný obvod založený na operačních zesilovačích, bude jako operační jednotka mít operační zesilovač. Pro tento projekt se používá univerzální operační zesilovač LM358. Na následujícím obrázku je znázorněno kolíkové schéma LM358.

Jak je vidět na obrázku výše, uvnitř jediného IC balíčku budeme mít dva kanály op-amp. Pro tento projekt se však používá pouze jeden kanál. Operační zesilovač přepne (odpojí) výstupní zátěž pomocí MOSFET. Pro tento projekt se používá N kanál MOSFET IRF540N. Pokud je zátěžový proud větší než 500 mA, doporučuje se použít správný chladič MOSFET. Pro tento projekt se však MOSFET používá bez chladiče. Níže uvedený obrázek představuje pinoutový diagram IRF540N.

K napájení operačního zesilovače a obvodů se používá lineární regulátor napětí LM7809. Jedná se o 9V 1A lineární regulátor napětí se širokým jmenovitým vstupním napětím. Pinout lze vidět na následujícím obrázku

Potřebné materiály:

Seznam komponent požadovaných pro nadproudový ochranný obvod je uveden níže.

1. Nepájivá deska
2. Je vyžadováno napájení 12V (minimálně) nebo podle napětí.
3. LM358
4. 100uF 25V
5. IRF540N
6. Chladič (podle požadavku aplikace)
7. 50k trim hrnec.
8. 1k rezistor s 1% tolerancí
9. 1 Meg rezistor
10. 100k rezistor s 1% tolerancí.
11. 1ohmový rezistor, 2W (maximálně 2W zatěžovací proud 1,25A)
12. Dráty na prkénko

Obvod nadproudové ochrany

Jednoduchý nadproudový ochranný obvod lze navrhnout pomocí Op-Amp ke snímání nadproudu a na základě výsledku můžeme řídit Mosfet k odpojení / připojení zátěže k napájecímu zdroji. Schéma zapojení je totéž jednoduché a je vidět na následujícím obrázku

Pracovní obvod nadproudové ochrany

Jak je patrné z obvodového schématu, MOSFET IRF540N se používá k ovládání zátěže jako ZAPNUTO nebo VYPNUTO během normálního stavu a stavu přetížení. Ale před vypnutím zátěže je nezbytné zjistit zátěžový proud. Toho se dosáhne použitím bočního rezistoru R1, což je směšovací rezistor 1 Ohm s hodnocením 2 Watt. Tato metoda měření proudu se nazývá Shunt Resistor Current Sensing, můžete také zkontrolovat další metody snímání proudu, které lze také použít k detekci nadproudu.

Během stavu ZAPNUTO MOSFET protéká zátěžový proud odtokem MOSFETu ke zdroji a nakonec k GND přes směšovačový odpor. V závislosti na zatěžovacím proudu vytváří zkratový odpor napěťový pokles, který lze vypočítat pomocí Ohmova zákona. Předpokládejme tedy, že pro 1A proudu (zatěžovací proud) je pokles napětí napěťového bočníku 1V jako V = I x R (V = 1A x 1 Ohm). Takže pokud je toto poklesové napětí porovnáno s předdefinovaným napětím pomocí Op-Amp, můžeme detekovat nadproud a změnit stav MOSFET, aby se odřízla zátěž.

Operační zesilovač se běžně používá k provádění matematických operací, jako je sčítání, odečítání, násobení atd. Proto je v tomto obvodu operační zesilovač LM358 konfigurován jako komparátor. Podle schématu porovnává komparátor dvě hodnoty. Prvním z nich je poklesové napětí přes směšovačový odpor a dalším je předdefinované napětí (referenční napětí) pomocí proměnného rezistoru nebo potenciometru RV1. RV1 funguje jako dělič napětí. Pokles napětí přes směšovač je snímán invertující svorkou komparátoru a je porovnáván s napěťovou referencí, která je připojena v neinvertující svorce operačního zesilovače.

Z tohoto důvodu, pokud je snímané napětí menší než referenční napětí, bude komparátor produkovat kladné napětí na výstupu, který je blízký VCC komparátoru. Pokud je ale snímané napětí větší než referenční napětí, bude komparátor produkovat záporné napájecí napětí na výstupu (záporné napájení je připojeno přes GND, v tomto případě tedy 0V). Toto napětí je dostatečné pro zapnutí nebo vypnutí MOSFETu.

Řešení problému přechodné reakce / stability

Ale když bude vysoké zatížení odpojeno od napájení, přechodné změny vytvoří lineární oblast napříč komparátorem a vytvoří smyčku, kde komparátor nemohl správně zapnout nebo vypnout zátěž a operační zesilovač se stane nestabilním. Předpokládejme například, že 1A se nastavuje pomocí potenciometru pro spuštění MOSFET do stavu VYPNUTO. Proto je proměnný rezistor nastaven na 1V výstup. V situaci, kdy komparátor zjistí pokles napětí na bočníku, je 1,01 V (toto napětí závisí na přesnosti operačního zesilovače nebo komparátoru a dalších faktorech), komparátor odpojí zátěž. Přechodné změny dojde k náhlému odpojení vysoké zátěže od napájecí jednotky a toto přechodné zvýšení referenční hodnoty napětí, které vyvolá špatné výsledky v komparátoru a nutí jej pracovat v lineární oblasti.

Nejlepším způsobem, jak překonat tento problém, je použití stabilního výkonu napříč komparátorem, kde přechodové změny neovlivňují vstupní napětí komparátoru a referenční napětí. Nejen to, do komparátoru je třeba přidat další hysterezi metody. V tomto obvodu se to provádí lineárním regulátorem LM7809 a použitím hysterezního odporu R4, odporu 100k. LM7809 poskytuje správné napětí napříč komparátorem, takže přechodové změny v napájecím vedení neovlivňují komparátor. C1, kondenzátor 100 uF se používá k filtrování výstupního napětí.

Hysterezní rezistor R4 napájí malou část vstupu přes výstup operačního zesilovače, což vytváří napěťovou mezeru mezi nízkou prahovou hodnotou (0,99 V) a vysokou prahovou hodnotou (1,01 V), kde komparátor mění svůj výstupní stav. Komparátor nezmění stav okamžitě, pokud je splněn prahový bod, namísto toho, aby se změnil stav z vysokého na nízký, musí být úroveň snímaného napětí nižší než nízká prahová hodnota (například 0,97 V místo 0,99 V) nebo pro změnu stavu z nízkého na vysoký musí být snímané napětí vyšší než vysoká prahová hodnota (1,03 místo 1,01). Tím se zvýší stabilita komparátoru a sníží se falešné vypnutí. Kromě tohoto odporu se pro ovládání hradla používají R2 a R3. R3 je brána pull-down rezistor MOSFET.

Testování obvodu nadproudové ochrany

Obvod je zkonstruován v prkénku a testován pomocí napájecího zdroje Bench Power spolu s proměnným stejnosměrným zatížením.

Obvod je testován a bylo pozorováno, že se výstup úspěšně odpojil při různých hodnotách nastavených proměnným rezistorem. Video poskytnuté ve spodní části této stránky ukazuje kompletní ukázku testování nadproudové ochrany v akci.

Tipy pro návrh nadproudové ochrany

• RC tlumící obvod přes výstup by mohl zlepšit EMI.
• Pro požadovanou aplikaci lze použít větší chladič a specifický MOSFET.
• Dobře konstruovaná deska plošných spojů zlepší stabilitu obvodu.
• Je třeba upravit příkon bočního rezistoru podle zákona o výkonu (P = I ² R) v závislosti na zatěžovacím proudu.
• Pro malé pouzdro lze použít odpor s velmi nízkou hodnotou v řádu miliomů, ale pokles napětí bude menší. Pro kompenzaci poklesu napětí lze použít další zesilovač se správným zesílením.
• Doporučuje se použít vyhrazený zesilovač snímání proudu pro přesné problémy spojené se snímáním proudu.

Doufám, že jste pochopili výukový program a rádi jste se z něj naučili něco užitečného. Máte-li jakékoli dotazy, nechte je v sekci komentářů nebo použijte fóra pro další technické dotazy.