Protecció contra sobrecorrent mitjançant op

Els circuits de protecció són vitals perquè qualsevol disseny electrònic tingui èxit. Als nostres tutorials anteriors sobre circuits de protecció hem dissenyat molts circuits bàsics de protecció que es poden adaptar al vostre circuit, a saber, protecció contra sobretensió, protecció contra curtcircuits, protecció contra polaritat inversa, etc. Afegint a aquesta llista de circuits, en aquest article, aprendrà a dissenyar i construir un circuit senzill de protecció contra sobrecorrent mitjançant Op-Amp.

La protecció contra sobrecorrent s'utilitza sovint en circuits d'alimentació per limitar el corrent de sortida d'una alimentació. El terme "sobrecorrent" és una condició quan la càrrega atrau un corrent gran que les capacitats especificades de la font d'alimentació. Pot ser una situació perillosa, ja que un excés de corrent pot danyar la font d'alimentació. Per tant, els enginyers normalment utilitzen un circuit de protecció contra sobrecorrent per tallar la càrrega de la font d'alimentació durant aquests escenaris de fallada, protegint així la càrrega i la font d'alimentació.

Protecció contra sobrecorrent mitjançant amplificador operacional

Hi ha molts tipus de circuits de protecció contra sobrecorrent; la complexitat del circuit depèn de la rapidesa amb què el circuit de protecció hauria de reaccionar durant una situació de sobreintensitat. En aquest projecte, crearem un circuit senzill de protecció contra sobrecorrent mitjançant un amplificador operatiu que s’utilitza molt habitualment i que es pot adaptar fàcilment als vostres dissenys.

El circuit que estem a punt de dissenyar tindrà un valor de llindar de sobrecorrent ajustable i també tindrà una funció de reinici automàtic en cas de fallada. Com que es tracta d’un circuit de protecció contra sobrecorrent basat en amplificador operatiu, tindrà un amplificador operatiu com a unitat motriu. Per a aquest projecte, s’utilitza un amplificador operatiu d’ús general LM358. A la imatge següent, es mostra el diagrama de pins de LM358.

Com es veu a la imatge anterior, dins d’un sol paquet IC tindrem dos canals d’amplificador operatiu. Tot i això, només s’utilitza un sol canal per a aquest projecte. L'amplificador operatiu canviarà (desconnectarà) la càrrega de sortida mitjançant un MOSFET. Per a aquest projecte, s’utilitza un canal N MOSFET IRF540N. Es recomana utilitzar un dissipador de calor MOSFET adequat si el corrent de càrrega és superior a 500 mA. Tot i això, per a aquest projecte, el MOSFET s’utilitza sense dissipador de calor. La imatge següent és la representació del diagrama de pinout IRF540N.

Per alimentar l’ ampli operatiu i els circuits, s’utilitza el regulador de tensió lineal LM7809. Es tracta d’un regulador de tensió lineal de 9V 1A amb una ampla tensió d’entrada. El pinout es pot veure a la imatge següent

Materials necessaris:

A continuació es mostra una llista dels components necessaris per al circuit de protecció contra sobrecorrent.

1. Taula de pa
2. Es requereix una font d'alimentació de 12 V (mínim) o segons la tensió.
3. LM358
4. 100uF 25V
5. IRF540N
6. Dissipador de calor (segons el requisit de l'aplicació)
7. Test de 50k.
8. Resistència 1k amb un 1% de tolerància
9. Resistència 1Meg
10. Resistència de 100 k amb una tolerància de l'1%.
11. Resistència 1ohms, 2W (2W màxim de 1,25A de corrent de càrrega)
12. Filferros per a taulers de pa

Circuit de protecció contra sobrecorrent

Es pot dissenyar un circuit senzill de protecció contra sobrecorrent mitjançant un Op-Amp per detectar la sobrecorrent i, en funció del resultat, podem conduir un Mosfet per desconnectar / connectar la càrrega amb la font d'alimentació. El diagrama del circuit és senzill i es pot veure a la imatge següent

Circuit de protecció contra sobrecorrent funcionant

Com es pot observar a l'esquema del circuit, el MOSFET IRF540N s'utilitza per controlar la càrrega com a ON o OFF durant les condicions normals i de sobrecàrrega. Però abans d’apagar la càrrega, és fonamental detectar el corrent de càrrega. Això es fa mitjançant l'ús d'una resistència de derivació R1, que és una resistència de derivació d'1 ohm amb una potència nominal de 2 watts. Aquest mètode de mesura de corrent s’anomena Shunt Resistor Current Sensing, també podeu comprovar altres mètodes de detecció de corrent que també es poden utilitzar per detectar sobrecorrent.

Durant l'estat ON del MOSFET, el corrent de càrrega flueix a través del drenatge del MOSFET fins a la font i finalment al GND a través de la resistència de derivació. Depenent del corrent de càrrega, la resistència de derivació produeix una caiguda de tensió a través de la qual es pot calcular mitjançant la llei d'Ohms. Per tant, suposem que, per a 1A de flux de corrent (corrent de càrrega), la caiguda de tensió a través de la resistència de derivació és 1V com V = I x R (V = 1A x 1 Ohm). Per tant, si es compara aquesta caiguda de tensió amb una tensió predefinida mitjançant un Op-Amp, podem detectar sobrecorrent i canviar l’estat del MOSFET per tallar la càrrega.

L'amplificador operacional s'utilitza habitualment per realitzar operacions matemàtiques com sumar, restar, multiplicar, etc. Per tant, en aquest circuit, l'amplificador operacional LM358 es configura com un comparador. Segons l’esquema, el comparador compara dos valors. El primer és el voltatge de caiguda a través de la resistència de derivació i un altre és el voltatge predefinit (tensió de referència) mitjançant una resistència variable o un potenciòmetre RV1. RV1 actua com un divisor de tensió. La caiguda de tensió a través de la resistència de derivació és detectada pel terminal inversor del comparador i es compara amb la referència de tensió que es connecta al terminal no inversor de l’amplificador operacional.

A causa d'això, si la tensió detectada és inferior a la tensió de referència, el comparador produirà una tensió positiva a través de la sortida que sigui propera al VCC del comparador. Però, si el voltatge detectat és més gran que el voltatge de referència, el comparador produirà tensió d'alimentació negativa a tota la sortida (l'alimentació negativa es connecta a través del GND, de manera que 0V en aquest cas). Aquesta tensió és suficient per activar o desactivar un MOSFET.

Tractament del problema de resposta transitoria / estabilitat

Però quan la càrrega elevada es desconnectarà del subministrament, els canvis transitoris crearan una regió lineal a través del comparador i això crearà un bucle on el comparador no podrà activar o desactivar correctament la càrrega i l’amplificador operatiu esdevindrà inestable. Per exemple, suposem que 1A es defineix mitjançant el potenciòmetre per activar el MOSFET a la condició OFF. Per tant, la resistència variable està configurada per a una sortida de 1V. Durant una situació, quan el comparador detecta que la caiguda de tensió a la resistència de derivació és de 1,01 V (aquest voltatge depèn de la precisió de l'amplificador operatiu o del comparador i altres factors), el comparador desconnectarà la càrrega. Canvis transitoris es produeixen quan es desconnecta sobtadament una càrrega elevada de la font d'alimentació i aquest transitori augmenta la referència de tensió que convida a resultats pobres a través del comparador i l'obliga a operar en una regió lineal.

La millor manera de superar aquest problema és utilitzar una potència estable a tot el comparador on els canvis transitoris no afectin la tensió d'entrada del comparador i la referència de tensió. No només això, cal afegir histèresi de mètodes addicionals al comparador. En aquest circuit, això es fa mitjançant el regulador lineal LM7809 i mitjançant l'ús d'una resistència d'histèresi R4, una resistència de 100 k. LM7809 proporciona una tensió adequada a tot el comparador de manera que els canvis transitoris a través de la línia elèctrica no afectin el comparador. C1, el condensador 100uF s’utilitza per filtrar la tensió de sortida.

La resistència d’histèresi R4 alimenta una petita porció de l’entrada a través de la sortida de l’ampli operatiu que crea un buit de tensió entre el llindar baix (0,99 V) i el llindar alt (1,01 V) on el comparador canvia el seu estat de sortida. El comparador no canvia l'estat immediatament si es compleix el punt llindar, en lloc d'això, per canviar l'estat de més alt a més baix, el nivell de voltatge detectat ha de ser inferior al llindar baix (per exemple, 0,97 V en lloc de 0,99 V) o per canviar l’estat de baix a alt, la tensió detectada ha de ser superior al llindar alt (1,03 en lloc de 1,01). Això augmentarà l'estabilitat del comparador i reduirà els falsos trencaments. A part d'aquesta resistència, R2 i R3 s'utilitzen per controlar la porta. R3 és la resistència desplegable Gate del MOSFET.

Proves de circuits de protecció contra sobrecorrent

El circuit es construeix en una placa de prova i es prova amb una font d'alimentació de banc juntament amb una càrrega de CC variable.

El circuit es prova i es va observar que la sortida es desconnectava amb èxit a diferents valors establerts per la resistència variable. El vídeo proporcionat a la part inferior d'aquesta pàgina mostra una demostració completa de les proves de protecció contra sobrecorrent en acció.

Consells de disseny de protecció contra corrents

• El circuit de canalla RC a través de la sortida podria millorar l’EMI.
• Es pot utilitzar un dissipador de calor més gran i un MOSFET específic per a l'aplicació necessària.
• Un PCB ben construït millorarà l’estabilitat del circuit.
• Cal ajustar la potència de la resistència de derivació segons la llei de potència (P = I ² R) en funció del corrent de càrrega.
• Es pot utilitzar una resistència de valor molt baix en mil·lohms per a un paquet petit, però la caiguda de tensió serà menor. Per compensar amb la caiguda de tensió es pot utilitzar un amplificador addicional amb guany adequat.
• Es recomana utilitzar un amplificador de detecció de corrent dedicat per a problemes relacionats amb la detecció de corrent.

Espero que hàgiu entès el tutorial i us hagi agradat aprendre'n alguna cosa útil. Si teniu cap pregunta, deixeu-les a les seccions de comentaris o utilitzeu els fòrums per a altres qüestions tècniques.