Ylivirtasuoja op

Suojapiirit ovat elintärkeitä minkä tahansa elektronisen suunnittelun onnistumiselle. Aikaisemmissa suojapiirien opetusohjelmissamme olemme suunnitelleet monia perussuojapiirejä, jotka voidaan mukauttaa piiriisi, nimittäin ylijännitesuoja, oikosulkusuojaus, käänteisen napaisuuden suojaus jne. Lisäämällä tähän piiriluetteloon tässä artikkelissa oppii suunnittelemaan ja rakentamaan yksinkertaisen virtapiirin ylivirtasuojalle Op-Ampia käyttämällä.

Ylivirtasuojaa käytetään usein virtalähdepiireissä virtalähteen lähtövirran rajoittamiseksi. Termi "ylivirta" on ehto, kun kuorma kuormaa suurta virtaa kuin virtalähdeyksikön määritellyt ominaisuudet. Tämä voi olla vaarallinen tilanne, koska ylivirta voi vahingoittaa virtalähdettä. Joten insinöörit käyttävät yleensä ylivirtasuojapiiriä katkaistakseen kuorman virtalähteestä tällaisten vikatilanteiden aikana suojaten siten kuormaa ja virtalähdettä.

Ylivirtasuoja operatiivisella vahvistimella

Ylivirtasuojapiirejä on monenlaisia; piirin monimutkaisuus riippuu siitä, kuinka nopeasti suojapiirin tulisi reagoida ylivirtatilanteessa. Tässä projektissa rakennamme yksinkertaisen ylivirtasuojapiirin käyttämällä op-vahvistinta, jota käytetään hyvin yleisesti ja joka voidaan helposti mukauttaa muotoiluusi.

Piirillä, jota aiomme suunnitella, on säädettävä ylivirran kynnysarvo ja siinä on myös automaattinen uudelleenkäynnistys vika -ominaisuus. Koska tämä on op-amp-pohjainen ylivirtasuojapiiri, sillä on op-vahvistin käyttöyksikkönä. Tässä projektissa käytetään yleiskäyttöistä operatiivista vahvistinta LM358. Alla olevassa kuvassa on LM358: n piikkikaavio.

Kuten yllä olevasta kuvasta nähdään, yhden IC-paketin sisällä meillä on kaksi op-amp-kanavaa. Tähän projektiin käytetään kuitenkin vain yhtä kanavaa. Op-amp kytkee (katkaisee) lähtökuorman MOSFET: n avulla. Tähän projektiin käytetään N-kanavaa MOSFET IRF540N. On suositeltavaa käyttää oikeaa MOSFET-jäähdytyselementtiä, jos kuormitusvirta on yli 500 mA. Tässä projektissa MOSFETiä käytetään kuitenkin ilman Heatsink-kanavaa. Alla oleva kuva on IRF540N-liitäntäkaavion esitys.

Op-amp: n ja piirien virran saamiseksi käytetään lineaarista LM7809-jännitesäätäjää. Tämä on 9V 1A lineaarinen jännitesäädin, jolla on laaja tulojännite. Pinout näkyy alla olevassa kuvassa

Tarvittavat materiaalit:

Luettelo tarvittavia osia ylivirtasuoja piiri on lueteltu alla.

Leipälauta
Virtalähde 12 V (vähintään) tai jännitteen mukaan.
LM358
100uF 25V
IRF540N
Jäähdytyselementti (sovellusvaatimuksen mukaan)
50 kt leikata potti.
1k vastus 1% toleranssilla
1Meg-vastus
100k vastus 1% toleranssilla.
1 ohmin vastus, 2 W (2 W enintään 1,25 A kuormitusvirta)
Johdot leipälaudalle

Ylivirtasuojapiiri

Yksinkertainen ylivirtasuojapiiri voidaan suunnitella käyttämällä Op-Amp: ta ylivirran havaitsemiseen ja tuloksen perusteella voimme ajaa Mosfetillä katkaisemaan / liittämään kuorman virtalähteeseen. Saman piirikaavio on yksinkertainen ja se näkyy alla olevassa kuvassa

Ylivirtasuojapiiri toimii

Kuten voit nähdä kytkentäkaaviosta, MOSFET IRF540N -laitetta käytetään kuorman ohjaamiseen PÄÄLLE tai POIS normaalin ja ylikuormitustilan aikana. Mutta ennen kuorman sammuttamista on välttämätöntä tunnistaa kuormavirta. Tämä tapahtuu käyttämällä shuntivastusta R1, joka on 1 Ohmin shuntivastus 2 watin luokituksella. Tätä virranmittausmenetelmää kutsutaan Shunt-vastusvirran tunnistukseksi. Voit myös tarkistaa muita virtamittausmenetelmiä, joita voidaan käyttää myös ylivirran havaitsemiseen.

MOSFETin ON-tilan aikana kuormitusvirta virtaa MOSFETin viemärin läpi lähteeseen ja lopulta GND: hen shuntivastuksen kautta. Shuntivastus tuottaa kuormavirrasta riippuen jännitehäviön, jonka yli voidaan laskea Ohmin lakia käyttämällä. Oletetaan siis, että virran 1A virralla (kuormitusvirta) jännitteen pudotus shunttivastuksen yli on 1 V muodossa V = I x R (V = 1A x 1 Ohm). Joten jos tätä pudotusjännitettä verrataan ennalta määritettyyn jännitteeseen Op-Ampia käyttämällä, voimme havaita ylivirran ja muuttaa MOSFETin tilaa katkaisemaan kuorman.

Operatiivista vahvistinta käytetään yleisesti matemaattisten operaatioiden, kuten yhteenlaskemisen, vähentämisen, kertomisen jne. Suorittamiseen. Siksi tässä piirissä operatiivinen vahvistin LM358 on konfiguroitu vertailijaksi. Kaavion mukaisesti vertailija vertaa kahta arvoa. Ensimmäinen on shuntivastuksen pudotusjännite ja toinen on ennalta määritelty jännite (vertailujännite) käyttämällä vaihtuvaa vastusta tai potentiometriä RV1. RV1 toimii jännitteenjakajana. Vertailijan käänteisliitin tunnistaa shunttivastuksen yli laskevan jännitteen ja sitä verrataan jännitearvoon, joka on kytketty operatiivisen vahvistimen ei-invertoivaan liittimeen.

Tästä johtuen, jos havaittu jännite on pienempi kuin vertailujännite, vertailija tuottaa positiivisen jännitteen lähdön yli, joka on lähellä vertailijan VCC: tä. Mutta jos havaittu jännite on suurempi kuin vertailujännite, vertailija tuottaa negatiivisen syöttöjännitteen lähdön yli (negatiivinen syöttö on kytketty GND: n yli, joten tässä tapauksessa 0 V). Tämä jännite riittää MOSFET-laitteen kytkemiseen päälle tai pois päältä.

Ohimenevä vaste / vakausongelma

Mutta kun suuri kuormitus kytketään irti virtalähteestä, ohimenevät muutokset luovat lineaarisen alueen vertailijan yli ja tämä luo silmukan, jossa vertailija ei voinut kytkeä kuormaa PÄÄLLE tai POIS kunnolla ja op-vahvistimesta tulee epävakaa. Oletetaan esimerkiksi, että 1A asetetaan potentiometrillä MOSFETin käynnistämiseksi POIS-tilaan. Siksi muuttuva vastus on asetettu 1 V: n ulostulolle. Tilanteessa, kun vertailija havaitsee, että shuntivastuksen jännitehäviö on 1,01 V (tämä jännite riippuu op-amp: n tai vertailijan tarkkuuksista ja muista tekijöistä), vertailija katkaisee kuorman. Ohimenevät muutokset esiintyy, kun suuri kuormitus irrotetaan yhtäkkiä virtalähteestä ja tämä ohimenevä jännitteen lisäys nostaa vertailun huonoja tuloksia ja pakottaa sen toimimaan lineaarisella alueella.

Paras tapa ratkaista tämä ongelma on käyttää vakaa teho vertailulaitteessa, jos transienttimuutokset eivät vaikuta vertailijan tulojännitteeseen ja jänniteohjearvoon. Tämän lisäksi vertailijaan on lisättävä lisämenetelmähystereesi. Tässä piirissä tämä tapahtuu lineaarisella säätimellä LM7809 ja käyttämällä hystereesivastusta R4, 100 k: n vastusta. LM7809 tarjoaa oikean jännitteen vertailulaitteen yli, jotta virtajohdon poikkeavat muutokset eivät vaikuta vertailulaitteeseen. C1, 100uF-kondensaattoria käytetään lähtöjännitteen suodattamiseen.

Hystereesivastus R4 syöttää pienen osan tulosta op-vahvistimen ulostulon yli, mikä luo jännitevälin matalan kynnyksen (0,99 V) ja korkean kynnyksen (1,01 V) välille, missä vertailija muuttaa lähtötilaa. Vertailija ei muuta tilaa heti, jos kynnyspiste saavutetaan, sen sijaan, että tilan vaihtamiseksi korkeasta matalaksi, tunnistetun jännitetason on oltava matalampi kuin matala kynnys (esimerkiksi 0,97 V 0,99 V: n sijasta) tai tilan vaihtamiseksi matalasta suureksi tunnistetun jännitteen on oltava korkeampi kuin korkea kynnys (1,03 1,01: n sijasta). Tämä lisää vertailijan vakautta ja vähentää väärää laukaisua. Muuta kuin tätä vastusta, R2: ta ja R3: ta käytetään portin ohjaamiseen. R3 on MOSFETin portin alasvetovastus.

Ylivirtasuojapiirin testaus

Piiri on rakennettu leipälautaan ja testattu käyttämällä Bench-virtalähdettä muuttuvan tasavirtakuorman kanssa.

Piiri testataan ja lähdön havaittiin katkaisevan onnistuneesti muuttuvan vastuksen asettamilla eri arvoilla. Tämän sivun alaosassa olevassa videossa näkyy täydellinen esimerkki ylivirtasuojaustestistä toiminnassa.

Ylivirtasuojauksen suunnitteluvihjeitä

Lähtön poikki oleva RC-kytkinpiiri voi parantaa EMI: tä.
Suurempaa jäähdytyslevyä ja erityistä MOSFETiä voidaan käyttää vaadittuun sovellukseen.
Hyvin rakennettu piirilevy parantaa piirin vakautta.
Shunt-vastuksen teho on säädettävä teholain (P = I ² R) mukaan kuormitusvirrasta riippuen.
Hyvin pieniarvoista vastusta, milliammina, voidaan käyttää pienelle pakkaukselle, mutta jännitehäviö on pienempi. Jännitteen pudotuksen kompensoimiseksi voidaan käyttää lisävahvistinta, jolla on oikea vahvistus.
On suositeltavaa käyttää erillistä virran tunnistusvahvistinta tarkkojen virran tunnistamiseen liittyvien ongelmien ratkaisemiseksi.

Toivottavasti ymmärrät opetusohjelman ja nautit siitä, että opit siitä jotain hyödyllistä. Jos sinulla on kysyttävää, jätä ne kommenttiosioihin tai käytä foorumeita muihin teknisiin kysymyksiin.