Bảo vệ quá dòng bằng op

Mạch bảo vệ rất quan trọng để thành công bất kỳ thiết kế điện tử nào. Trong các hướng dẫn về mạch bảo vệ trước đây của chúng tôi, chúng tôi đã thiết kế nhiều mạch bảo vệ cơ bản có thể được điều chỉnh phù hợp với mạch của bạn, cụ thể là Bảo vệ quá áp, Bảo vệ ngắn mạch, Bảo vệ phân cực ngược, v.v. Thêm vào danh sách các mạch này, trong bài viết này, chúng tôi sẽ học cách thiết kế và xây dựng một mạch đơn giản để bảo vệ quá dòng bằng Op-Amp.

Bảo vệ quá dòng thường được sử dụng trong các mạch cung cấp điện để hạn chế dòng ra của PSU. Thuật ngữ "Quá dòng" là tình trạng khi tải tạo ra một dòng điện lớn hơn khả năng quy định của đơn vị cung cấp điện. Đây có thể là một tình huống nguy hiểm vì tình trạng quá dòng có thể làm hỏng nguồn điện. Vì vậy, các kỹ sư thường sử dụng mạch bảo vệ quá dòng để cắt tải khỏi nguồn điện trong các trường hợp lỗi như vậy, do đó bảo vệ tải và nguồn điện.

Bảo vệ quá dòng bằng Bộ khuếch đại hoạt động

Có nhiều loại mạch bảo vệ quá dòng; độ phức tạp của mạch phụ thuộc vào tốc độ của mạch bảo vệ sẽ phản ứng trong tình huống quá dòng. Trong dự án này, chúng tôi sẽ xây dựng một mạch bảo vệ quá dòng đơn giản bằng cách sử dụng một op-amp được sử dụng rất phổ biến và có thể dễ dàng điều chỉnh cho các thiết kế của bạn.

Mạch chúng tôi sắp thiết kế sẽ có giá trị ngưỡng quá dòng có thể điều chỉnh và cũng sẽ có tính năng Tự động khởi động lại khi hỏng. Vì đây là mạch bảo vệ quá dòng dựa trên op-amp, nó sẽ có op-amp làm đơn vị dẫn động. Đối với dự án này, bộ khuếch đại hoạt động đa năng LM358 được sử dụng. Trong hình ảnh dưới đây, sơ đồ chân của LM358 được hiển thị.

Như đã thấy trong hình trên, bên trong một gói IC duy nhất, chúng ta sẽ có hai kênh op-amp. Tuy nhiên, chỉ có một kênh duy nhất được sử dụng cho dự án này. Op-amp sẽ chuyển (ngắt kết nối) tải đầu ra bằng MOSFET. Đối với dự án này, MOSFET IRF540N kênh N được sử dụng. Nên sử dụng MOSFET Heatsink thích hợp nếu dòng tải lớn hơn 500mA. Tuy nhiên, đối với dự án này, MOSFET được sử dụng mà không có tản nhiệt. Hình ảnh dưới đây là đại diện của sơ đồ sơ đồ chân IRF540N.

Để cấp nguồn cho op-amp và mạch, bộ điều chỉnh điện áp tuyến tính LM7809 được sử dụng. Đây là bộ điều chỉnh điện áp tuyến tính 9V 1A với định mức điện áp đầu vào rộng. Sơ đồ chân có thể được nhìn thấy trong hình ảnh dưới đây

Vật liệu thiết yếu:

Dưới đây là danh sách các thành phần cần thiết cho mạch bảo vệ quá dòng.

Breadboard
Nguồn điện 12V (tối thiểu) hoặc theo điện áp được yêu cầu.
LM358
100uF 25V
IRF540N
Tản nhiệt (theo yêu cầu ứng dụng)
Chậu tỉa 50k.
Điện trở 1k với dung sai 1%
Điện trở 1Meg
Điện trở 100k với dung sai 1%.
Điện trở 1ohms, 2W (tối đa 2W của dòng tải 1,25A)
Dây cho breadboard

Mạch bảo vệ quá dòng

Một mạch bảo vệ quá dòng đơn giản có thể được thiết kế bằng cách sử dụng Op-Amp để cảm nhận quá dòng và dựa trên kết quả, chúng ta có thể điều khiển một Mosfet để ngắt / kết nối tải với nguồn điện. Sơ đồ mạch tương tự rất đơn giản và có thể được nhìn thấy trong hình ảnh dưới đây

Mạch bảo vệ quá dòng làm việc

Như bạn có thể quan sát từ sơ đồ mạch, MOSFET IRF540N được sử dụng để điều khiển tải ở chế độ BẬT hoặc TẮT trong điều kiện bình thường và quá tải. Nhưng trước khi tắt tải, điều cần thiết là phải phát hiện ra dòng tải. Điều này được thực hiện bằng cách sử dụng một điện trở shunt R1, là một điện trở shunt 1 Ohm với định mức 2 Watt. Phương pháp đo dòng điện này được gọi là Cảm biến dòng điện trở Shunt, bạn cũng có thể kiểm tra các phương pháp đo dòng điện khác cũng có thể được sử dụng để phát hiện quá dòng.

Trong trạng thái BẬT của MOSFET, dòng tải chạy qua cống của MOSFET đến nguồn và cuối cùng đến GND thông qua điện trở shunt. Tùy thuộc vào dòng tải, điện trở shunt tạo ra điện áp rơi trên đó có thể được tính bằng định luật Ohms. Do đó, giả sử, đối với dòng điện 1A (dòng tải), điện áp rơi trên điện trở shunt là 1V là V = I x R (V = 1A x 1 Ohm). Vì vậy, nếu điện áp rơi này được so sánh với điện áp xác định trước bằng Op-Amp, chúng ta có thể phát hiện quá dòng và thay đổi trạng thái của MOSFET để cắt tải.

Bộ khuếch đại hoạt động thường được sử dụng để thực hiện các phép toán như cộng, trừ, nhân, v.v. Do đó, trong mạch này, bộ khuếch đại hoạt động LM358 được cấu hình như một bộ so sánh. Theo giản đồ, bộ so sánh so sánh hai giá trị. Đầu tiên là điện áp rơi trên điện trở shunt và một điện áp khác là điện áp xác định trước (điện áp tham chiếu) sử dụng biến trở hoặc chiết áp RV1. RV1 đóng vai trò phân áp. Điện áp rơi trên điện trở shunt được cảm nhận bởi đầu nối đảo của bộ so sánh và nó được so sánh với tham chiếu điện áp được kết nối trong đầu cực không đảo của bộ khuếch đại hoạt động.

Do đó, nếu điện áp cảm nhận được nhỏ hơn điện áp chuẩn, bộ so sánh sẽ tạo ra điện áp dương trên đầu ra gần với VCC của bộ so sánh. Nhưng, nếu điện áp cảm nhận lớn hơn điện áp tham chiếu, bộ so sánh sẽ tạo ra điện áp cung cấp âm trên đầu ra (nguồn cung cấp âm được kết nối qua GND, vì vậy 0V trong trường hợp này). Điện áp này đủ để BẬT hoặc TẮT MOSFET.

Xử lý sự cố phản hồi / ổn định tạm thời

Nhưng khi tải cao sẽ bị ngắt kết nối khỏi nguồn cung cấp, những thay đổi nhất thời sẽ tạo ra một vùng tuyến tính trên bộ so sánh và điều này sẽ tạo ra một vòng lặp nơi bộ so sánh không thể BẬT hoặc TẮT tải đúng cách và op-amp sẽ trở nên không ổn định. Ví dụ, giả sử, 1A được đặt bằng cách sử dụng chiết áp để kích hoạt MOSFET ở điều kiện TẮT. Do đó, biến trở được đặt cho đầu ra 1V. Trong một tình huống, khi bộ so sánh phát hiện điện áp rơi trên điện trở shunt là 1,01V (điện áp này phụ thuộc vào op-amp hoặc độ chính xác của bộ so sánh và các yếu tố khác) bộ so sánh sẽ ngắt tải. Thay đổi nhất thời xảy ra khi tải cao đột ngột bị ngắt kết nối khỏi bộ cấp nguồn và tham chiếu điện áp tăng quá độ này dẫn đến kết quả kém trên bộ so sánh và buộc nó hoạt động trong một vùng tuyến tính.

Cách tốt nhất để khắc phục sự cố này là sử dụng nguồn điện ổn định trên bộ so sánh trong đó các thay đổi thoáng qua không ảnh hưởng đến điện áp đầu vào của bộ so sánh và tham chiếu điện áp. Không chỉ vậy, độ trễ của phương pháp bổ sung cần được thêm vào bộ so sánh. Trong mạch này, điều này được thực hiện bởi bộ điều chỉnh tuyến tính LM7809 và bằng cách sử dụng một điện trở trễ R4, một điện trở 100k. LM7809 cung cấp điện áp thích hợp qua bộ so sánh để các thay đổi thoáng qua trên đường dây điện không ảnh hưởng đến bộ so sánh. C1, tụ điện 100uF được sử dụng để lọc điện áp đầu ra.

Điện trở trễ R4 cấp một phần nhỏ đầu vào qua đầu ra của op-amp, tạo ra khoảng cách điện áp giữa ngưỡng thấp (0,99V) và ngưỡng cao (1,01V) nơi bộ so sánh thay đổi trạng thái đầu ra của nó. Bộ so sánh không thay đổi trạng thái ngay lập tức nếu điểm ngưỡng được đáp ứng, thay vào đó, để thay đổi trạng thái từ cao xuống thấp, mức điện áp cảm nhận cần phải thấp hơn ngưỡng thấp (ví dụ 0,97V thay vì 0,99V) hoặc để thay đổi trạng thái từ thấp lên cao, điện áp cảm nhận được cần phải cao hơn ngưỡng cao (1,03 thay vì 1,01). Điều này sẽ làm tăng độ ổn định của bộ so sánh và giảm sai lệch. Ngoài điện trở này, R2 và R3 được sử dụng để điều khiển cổng. R3 là điện trở kéo xuống Cổng của MOSFET.

Kiểm tra mạch bảo vệ quá dòng

Mạch được xây dựng trong một breadboard và được thử nghiệm bằng cách sử dụng nguồn điện Bench cùng với một tải DC có thể thay đổi.

Mạch được thử nghiệm và đầu ra được quan sát để ngắt kết nối thành công ở các giá trị khác nhau được đặt bởi biến trở. Video được cung cấp ở cuối trang này cho thấy một minh chứng đầy đủ về thử nghiệm bảo vệ quá dòng đang hoạt động.

Mẹo thiết kế bảo vệ quá dòng

Mạch RC snubber trên đầu ra có thể cải thiện EMI.
Tản nhiệt lớn hơn và MOSFET cụ thể có thể được sử dụng cho các ứng dụng cần thiết.
PCB được xây dựng tốt sẽ cải thiện độ ổn định của mạch.
Công suất của Điện trở Shunt cần được điều chỉnh theo luật công suất (P = I ² R) tùy thuộc vào dòng tải.
Điện trở có giá trị rất thấp ở định mức mili-ohms có thể được sử dụng cho một gói nhỏ nhưng điện áp giảm sẽ ít hơn. Để bù lại sự sụt giảm điện áp, có thể sử dụng một bộ khuếch đại bổ sung với độ lợi thích hợp.
Bạn nên sử dụng bộ khuếch đại cảm biến dòng điện chuyên dụng để biết các vấn đề liên quan đến cảm biến dòng điện chính xác.

Hy vọng bạn đã hiểu hướng dẫn và thích học được điều gì đó hữu ích từ nó. Nếu bạn có bất kỳ câu hỏi nào, vui lòng để lại chúng trong phần bình luận hoặc sử dụng diễn đàn cho các câu hỏi kỹ thuật khác.