Überstromschutz mit op

Schutzschaltungen sind entscheidend für den Erfolg eines elektronischen Designs. In unseren vorherigen Tutorials zu Schutzschaltungen haben wir viele grundlegende Schutzschaltungen entwickelt, die an Ihre Schaltung angepasst werden können, nämlich Überspannungsschutz, Kurzschlussschutz, Verpolungsschutz usw. In diesem Artikel werden wir diese Liste von Schaltungen ergänzen Hier erfahren Sie, wie Sie mit Op-Amp eine einfache Schaltung für den Überstromschutz entwerfen und bauen.

In Stromversorgungskreisen wird häufig ein Überstromschutz verwendet, um den Ausgangsstrom eines Netzteils zu begrenzen. Der Begriff „Überstrom“ ist eine Bedingung, wenn die Last einen großen Strom zieht als die angegebenen Fähigkeiten des Netzteils. Dies kann eine gefährliche Situation sein, da ein Überstrom die Stromversorgung beschädigen kann. Daher verwenden Ingenieure normalerweise eine Überstromschutzschaltung, um die Last während solcher Fehlerszenarien von der Stromversorgung zu trennen und so die Last und die Stromversorgung zu schützen.

Überstromschutz mit Operationsverstärker

Es gibt viele Arten von Überstromschutzschaltungen. Die Komplexität der Schaltung hängt davon ab, wie schnell die Schutzschaltung in einer Überstromsituation reagieren soll. In diesem Projekt bauen wir eine einfache Überstromschutzschaltung mit einem Operationsverstärker, der sehr häufig verwendet wird und leicht an Ihre Entwürfe angepasst werden kann.

Die Schaltung, die wir entwerfen möchten, hat einen einstellbaren Überstromschwellenwert und eine Funktion für den automatischen Neustart bei einem Fehler. Da es sich um eine Überstromschutzschaltung auf Basis eines Operationsverstärkers handelt, wird ein Operationsverstärker als Treibereinheit verwendet. Für dieses Projekt wird ein Allzweck-Operationsverstärker LM358 verwendet. In der folgenden Abbildung ist das Pin-Diagramm des LM358 dargestellt.

Wie im obigen Bild zu sehen, haben wir in einem einzelnen IC-Gehäuse zwei Operationsverstärkerkanäle. Für dieses Projekt wird jedoch nur ein einziger Kanal verwendet. Der Operationsverstärker schaltet die Ausgangslast mit einem MOSFET um (trennt sie). Für dieses Projekt wird ein N-Kanal-MOSFET IRF540N verwendet. Es wird empfohlen, einen geeigneten MOSFET-Kühlkörper zu verwenden, wenn der Laststrom größer als 500 mA ist. Für dieses Projekt wird der MOSFET jedoch ohne Kühlkörper verwendet. Das folgende Bild zeigt das Pinbelegungsdiagramm des IRF540N.

Zur Stromversorgung des Operationsverstärkers und der Schaltung wird der lineare Spannungsregler LM7809 verwendet. Dies ist ein linearer 9V 1A-Spannungsregler mit einer breiten Eingangsspannung. Die Pinbelegung ist im folgenden Bild zu sehen

Erforderliche Materialien:

Eine Liste der Komponenten für die erforderliche Überstromschutzschaltung ist unten aufgeführt.

1. Steckbrett
2. Spannungsversorgung 12V (Minimum) oder gemäß der Spannung ist erforderlich.
3. LM358
4. 100 uF 25 V.
5. IRF540N
6. Kühlkörper (gemäß Anwendungsanforderung)
7. 50k Trimmtopf.
8. 1k Widerstand mit 1% Toleranz
9. 1Meg Widerstand
10. 100k Widerstand mit 1% Toleranz.
11. 1 Ohm Widerstand, 2 W (2 W maximal 1,25 A Laststrom)
12. Drähte für Steckbrett

Überstromschutzschaltung

Eine einfache Überstromschutzschaltung kann mithilfe eines Operationsverstärkers zur Erfassung des Überstroms entworfen werden. Basierend auf dem Ergebnis können wir einen Mosfet ansteuern, um die Last von der Stromversorgung zu trennen / zu verbinden. Der Schaltplan dafür ist einfach und im folgenden Bild zu sehen

Überstromschutzschaltung funktioniert

Wie Sie dem Schaltplan entnehmen können, wird der MOSFET IRF540N verwendet, um die Last während des Normal- und Überlastzustands als EIN oder AUS zu steuern. Vor dem Ausschalten der Last ist es jedoch wichtig, den Laststrom zu ermitteln. Dies erfolgt unter Verwendung eines Nebenschlusswiderstands R1, bei dem es sich um einen 1-Ohm-Nebenschlusswiderstand mit einer Nennleistung von 2 Watt handelt. Diese Methode zur Strommessung wird als Shunt-Widerstands-Stromerfassung bezeichnet. Sie können auch andere Stromerfassungsmethoden überprüfen, die auch zur Erkennung von Überstrom verwendet werden können.

Während des EIN-Zustands des MOSFET fließt der Laststrom durch den Drain des MOSFET zur Source und schließlich zum GND über den Shunt-Widerstand. Abhängig vom Laststrom erzeugt der Nebenschlusswiderstand einen Spannungsabfall, über den nach dem Ohmschen Gesetz berechnet werden kann. Nehmen wir daher an, dass für 1A Stromfluss (Laststrom) der Spannungsabfall über dem Nebenschlusswiderstand 1 V beträgt, da V = I x R (V = 1A x 1 Ohm). Wenn diese Abfallspannung mit einer vordefinierten Spannung unter Verwendung eines Operationsverstärkers verglichen wird, können wir einen Überstrom erkennen und den Zustand des MOSFET ändern, um die Last abzuschalten.

Der Operationsverstärker wird üblicherweise zum Ausführen mathematischer Operationen wie Addieren, Subtrahieren, Multiplizieren usw. verwendet. Daher ist in dieser Schaltung der Operationsverstärker LM358 als Komparator konfiguriert. Gemäß dem Schema vergleicht der Komparator zwei Werte. Die erste ist die Abfallspannung über dem Nebenschlusswiderstand und eine andere ist die vordefinierte Spannung (Referenzspannung) unter Verwendung eines variablen Widerstands oder Potentiometers RV1. RV1 wirkt als Spannungsteiler. Die Abfallspannung über dem Nebenschlusswiderstand wird vom invertierenden Anschluss des Komparators erfasst und mit der Spannungsreferenz verglichen, die im nicht invertierenden Anschluss des Operationsverstärkers angeschlossen ist.

Wenn die erfasste Spannung kleiner als die Referenzspannung ist, erzeugt der Komparator daher eine positive Spannung am Ausgang, die nahe am VCC des Komparators liegt. Wenn die erfasste Spannung jedoch größer als die Referenzspannung ist, erzeugt der Komparator eine negative Versorgungsspannung am Ausgang (die negative Versorgung ist über den GND angeschlossen, also 0 V in diesem Fall). Diese Spannung reicht aus, um einen MOSFET ein- oder auszuschalten.

Umgang mit Einschwing- / Stabilitätsproblemen

Wenn jedoch die hohe Last von der Versorgung getrennt wird, erzeugen die vorübergehenden Änderungen einen linearen Bereich über dem Komparator und dies erzeugt eine Schleife, in der der Komparator die Last nicht richtig ein- oder ausschalten konnte und der Operationsverstärker instabil wird. Nehmen wir zum Beispiel an, 1A wird mit dem Potentiometer eingestellt, um den MOSFET in den AUS-Zustand zu versetzen. Daher ist der variable Widerstand auf einen 1-V-Ausgang eingestellt. In einer Situation, in der der Komparator feststellt, dass der Spannungsabfall am Shunt-Widerstand 1,01 V beträgt (diese Spannung hängt von der Genauigkeit des Operationsverstärkers oder des Komparators und anderen Faktoren ab), trennt der Komparator die Last. Vorübergehende Änderungen treten auf, wenn eine hohe Last plötzlich vom Netzteil getrennt wird und dieser Übergang die Spannungsreferenz erhöht, was zu schlechten Ergebnissen über den Komparator führt und ihn zwingt, in einem linearen Bereich zu arbeiten.

Der beste Weg, um dieses Problem zu überwinden, besteht darin, eine stabile Leistung über den Komparator zu verwenden, wobei die transienten Änderungen die Eingangsspannung des Komparators und die Spannungsreferenz nicht beeinflussen. Darüber hinaus muss im Komparator eine zusätzliche Methodenhysterese hinzugefügt werden. In dieser Schaltung erfolgt dies durch den Linearregler LM7809 und unter Verwendung eines Hysteresewiderstands R4, eines 100k-Widerstands. Der LM7809 liefert eine geeignete Spannung über dem Komparator, so dass die transienten Änderungen über die Stromleitung den Komparator nicht beeinflussen. In C1 wird der 100uF-Kondensator zum Filtern der Ausgangsspannung verwendet.

Der Hysteresewiderstand R4 speist einen kleinen Teil des Eingangs über den Ausgang des Operationsverstärkers, wodurch eine Spannungslücke zwischen der unteren Schwelle (0,99 V) und der hohen Schwelle (1,01 V) entsteht, wo der Komparator seinen Ausgangszustand ändert. Der Komparator ändert den Zustand nicht sofort, wenn der Schwellenwert erreicht ist. Um den Zustand von hoch nach niedrig zu ändern, muss der erfasste Spannungspegel niedriger als der niedrige Schwellenwert sein (z. B. 0,97 V anstelle von 0,99 V). oder um den Zustand von niedrig nach hoch zu ändern, muss die erfasste Spannung höher als der hohe Schwellenwert sein (1,03 anstelle von 1,01). Dies erhöht die Stabilität des Komparators und verringert die Fehlauslösung. Außer diesem Widerstand werden R2 und R3 zur Steuerung des Gates verwendet. R3 ist der Gate-Pulldown-Widerstand des MOSFET.

Prüfung der Überstromschutzschaltung

Die Schaltung ist in einem Steckbrett aufgebaut und wird unter Verwendung einer Tischstromversorgung zusammen mit einer variablen Gleichstromlast getestet.

Die Schaltung wird getestet und es wurde beobachtet, dass der Ausgang bei verschiedenen vom variablen Widerstand eingestellten Werten erfolgreich getrennt wurde. Das Video unten auf dieser Seite zeigt eine vollständige Demonstration der Überstromschutzprüfungen in Aktion.

Tipps zum Überstromschutz

• Eine RC-Dämpfungsschaltung über dem Ausgang könnte die EMI verbessern.
• Für die erforderliche Anwendung können ein größerer Kühlkörper und ein spezifischer MOSFET verwendet werden.
• Eine gut konstruierte Leiterplatte verbessert die Stabilität der Schaltung.
• Die Leistung des Shunt-Widerstands muss je nach Laststrom gemäß dem Leistungsgesetz (P = I ² R) eingestellt werden.
• Ein sehr niederohmiger Widerstand mit einer Nennleistung von Milli-Ohm kann für ein kleines Gehäuse verwendet werden, der Spannungsabfall ist jedoch geringer. Um den Spannungsabfall auszugleichen, kann ein zusätzlicher Verstärker mit der richtigen Verstärkung verwendet werden.
• Es ist ratsam, einen speziellen Stromerfassungsverstärker zu verwenden, um Probleme mit der genauen Stromerfassung zu lösen.

Ich hoffe, Sie haben das Tutorial verstanden und es genossen, etwas Nützliches daraus zu lernen. Wenn Sie Fragen haben, lassen Sie diese bitte in den Kommentaren oder nutzen Sie die Foren für andere technische Fragen.