Protezione da sovracorrente utilizzando op

I circuiti di protezione sono vitali affinché qualsiasi progetto elettronico abbia successo. Nelle nostre precedenti esercitazioni sui circuiti di protezione abbiamo progettato molti circuiti di protezione di base che possono essere adattati al vostro circuito, vale a dire, Protezione da sovratensione, Protezione da cortocircuito, Protezione da inversione di polarità, ecc. Aggiungendo a questo elenco di circuiti, in questo articolo, noi imparerà a progettare e costruire un semplice circuito per la protezione da sovracorrente utilizzando Op-Amp.

La protezione da sovracorrente viene spesso utilizzata nei circuiti di alimentazione per limitare la corrente di uscita di un alimentatore. Il termine "Sovracorrente" è una condizione in cui il carico assorbe una corrente maggiore rispetto alle capacità specificate dell'alimentatore. Questa può essere una situazione pericolosa poiché una condizione di sovracorrente potrebbe danneggiare l'alimentatore. Pertanto, gli ingegneri utilizzano normalmente un circuito di protezione da sovracorrente per interrompere il carico dall'alimentazione durante tali scenari di guasto, proteggendo così il carico e l'alimentazione.

Protezione da sovracorrente mediante amplificatore operazionale

Esistono molti tipi di circuiti di protezione da sovracorrente; la complessità del circuito dipende dalla velocità con cui il circuito di protezione dovrebbe reagire durante una situazione di sovracorrente. In questo progetto, costruiremo un semplice circuito di protezione da sovracorrente utilizzando un amplificatore operazionale che è molto comunemente usato e può essere facilmente adattato per i tuoi progetti.

Il circuito che stiamo per progettare avrà un valore di soglia di sovracorrente regolabile e avrà anche una funzione di riavvio automatico in caso di guasto. Poiché si tratta di un circuito di protezione da sovracorrente basato su amplificatore operazionale, avrà un amplificatore operazionale come unità di pilotaggio. Per questo progetto, viene utilizzato un amplificatore operazionale generico LM358. Nell'immagine sottostante, è mostrato il diagramma dei pin di LM358.

Come si vede nell'immagine sopra, all'interno di un singolo pacchetto IC avremo due canali op-amp. Tuttavia, per questo progetto viene utilizzato un solo canale. L'amplificatore operazionale commuterà (scollegherà) il carico in uscita utilizzando un MOSFET. Per questo progetto, viene utilizzato un MOSFET a canale N. IRF540N. Si consiglia di utilizzare un dissipatore MOSFET appropriato se la corrente di carico è superiore a 500 mA. Tuttavia, per questo progetto, il MOSFET viene utilizzato senza un dissipatore di calore. L'immagine sotto è la rappresentazione del diagramma di pinout IRF540N.

Per alimentare l'amplificatore operazionale e il circuito, viene utilizzato il regolatore di tensione lineare LM7809. Questo è un regolatore di tensione lineare da 9 V 1 A con un'ampia tensione di ingresso. Il pinout può essere visto nell'immagine sottostante

Materiali richiesti:

Di seguito è riportato un elenco dei componenti necessari per il circuito di protezione da sovracorrente.

1. Breadboard
2. Alimentazione 12V (minima) o secondo la tensione richiesta.
3. LM358
4. 100uF 25V
5. IRF540N
6. Dissipatore di calore (secondo il requisito dell'applicazione)
7. Pot di rifinitura da 50k.
8. Resistenza da 1k con tolleranza dell'1%
9. Resistenza 1Meg
10. Resistenza da 100k con tolleranza dell'1%.
11. Resistenza da 1 ohm, 2 W (2 W massimo di corrente di carico di 1,25 A)
12. Fili per breadboard

Circuito di protezione da sovracorrente

Un semplice circuito di protezione da sovracorrente può essere progettato utilizzando un amplificatore operazionale per rilevare la sovracorrente e in base al risultato possiamo pilotare un Mosfet per scollegare / collegare il carico con l'alimentazione. Lo schema del circuito per lo stesso è semplice e può essere visto nell'immagine sottostante

Circuito di protezione da sovracorrente funzionante

Come si può osservare dallo schema elettrico, il MOSFET IRF540N viene utilizzato per controllare il carico come ON o OFF durante la condizione normale e di sovraccarico. Ma prima di spegnere il carico, è essenziale rilevare la corrente di carico. Questo viene fatto utilizzando un resistore shunt R1, che è un resistore shunt da 1 Ohm con una potenza nominale di 2 Watt. Questo metodo di misurazione della corrente è chiamato Shunt Resistor Current Sensing, è anche possibile controllare altri metodi di rilevamento della corrente che possono essere utilizzati anche per rilevare la sovracorrente.

Durante lo stato ON del MOSFET, la corrente di carico fluisce attraverso il drain del MOSFET verso la sorgente e infine verso GND tramite il resistore di shunt. A seconda della corrente di carico, il resistore shunt produce una caduta di tensione che può essere calcolata utilizzando la legge di Ohm. Quindi supponiamo, per 1A di flusso di corrente (corrente di carico), la caduta di tensione attraverso il resistore di shunt sia 1V come V = I x R (V = 1A x 1 Ohm). Quindi, se questa caduta di tensione viene confrontata con una tensione predefinita utilizzando un amplificatore operazionale, possiamo rilevare la sovracorrente e modificare lo stato del MOSFET per interrompere il carico.

L'amplificatore operazionale è comunemente usato per eseguire operazioni matematiche come addizione, sottrazione, moltiplicazione, ecc. Pertanto, in questo circuito, l'amplificatore operazionale LM358 è configurato come un comparatore. Come da schema, il comparatore confronta due valori. Il primo è la tensione di caduta attraverso il resistore di shunt e un altro è la tensione predefinita (tensione di riferimento) utilizzando un resistore variabile o un potenziometro RV1. RV1 funge da partitore di tensione. La caduta di tensione attraverso il resistore di shunt viene rilevata dal terminale invertente del comparatore ed è confrontata con il riferimento di tensione che è collegato nel terminale non invertente dell'amplificatore operazionale.

A causa di ciò, se la tensione rilevata è inferiore alla tensione di riferimento, il comparatore produrrà una tensione positiva attraverso l'uscita che è vicina al VCC del comparatore. Tuttavia, se la tensione rilevata è maggiore della tensione di riferimento, il comparatore produrrà una tensione di alimentazione negativa attraverso l'uscita (l'alimentazione negativa è collegata a GND, quindi 0 V in questo caso). Questa tensione è sufficiente per accendere o spegnere un MOSFET.

Trattare con risposta transitoria / problema di stabilità

Ma quando il carico elevato verrà scollegato dall'alimentazione, i cambiamenti transitori creeranno una regione lineare attraverso il comparatore e questo creerà un loop in cui il comparatore non può attivare o disattivare correttamente il carico e l' amplificatore operazionale diventerà instabile. Ad esempio, supponiamo che 1A sia impostato utilizzando il potenziometro per attivare il MOSFET nella condizione OFF. Pertanto il resistore variabile è impostato per un'uscita 1V. Durante una situazione, quando il comparatore rileva che la caduta di tensione attraverso il resistore di shunt è di 1,01 V (questa tensione dipende dall'amplificatore operazionale o dalla precisione del comparatore e da altri fattori), il comparatore scollegherà il carico. Cambiamenti transitori si verificano quando un carico elevato viene improvvisamente scollegato dall'alimentatore e questo transitorio aumenta il riferimento di tensione che invita a scarsi risultati attraverso il comparatore e lo costringe a funzionare in una regione lineare.

Il modo migliore per superare questo problema è utilizzare una potenza stabile attraverso il comparatore in cui i cambiamenti transitori non influenzano la tensione di ingresso del comparatore e il riferimento di tensione. Non solo, è necessario aggiungere un'isteresi del metodo aggiuntiva nel comparatore. In questo circuito, ciò viene fatto dal regolatore lineare LM7809 e utilizzando un resistore di isteresi R4, un resistore da 100k. LM7809 fornisce una tensione adeguata attraverso il comparatore in modo che i cambiamenti transitori attraverso la linea di alimentazione non influenzino il comparatore. C1, il condensatore da 100uF viene utilizzato per filtrare la tensione di uscita.

Il resistore di isteresi R4 alimenta una piccola porzione dell'ingresso attraverso l'uscita dell'amplificatore operazionale che crea un gap di tensione tra la soglia bassa (0,99 V) e la soglia alta (1,01 V) dove il comparatore cambia il suo stato di uscita. Il comparatore non cambia lo stato immediatamente se viene raggiunto il punto di soglia, invece di quello, per cambiare lo stato da alto a basso, il livello di tensione rilevato deve essere inferiore alla soglia bassa (ad esempio 0,97 V invece di 0,99 V) o per cambiare lo stato da basso ad alto, la tensione rilevata deve essere superiore alla soglia alta (1,03 invece di 1,01). Ciò aumenterà la stabilità del comparatore e ridurrà il falso intervento. Oltre a questo resistore, R2 e R3 sono usati per controllare il gate. R3 è il resistore gate pull-down del MOSFET.

Test del circuito di protezione da sovracorrente

Il circuito è costruito in una breadboard e testato utilizzando un alimentatore da banco insieme a un carico CC variabile.

Il circuito viene testato e l'uscita è stata osservata per essere scollegata con successo a diversi valori impostati dal resistore variabile. Il video fornito in fondo a questa pagina mostra una dimostrazione completa dei test di protezione da sovracorrente in azione.

Suggerimenti per la progettazione della protezione da sovracorrente

• Il circuito di soppressione RC sull'uscita potrebbe migliorare l'EMI.
• Dissipatore di calore più grande e MOSFET specifico possono essere utilizzati per l'applicazione richiesta.
• Un PCB ben costruito migliorerà la stabilità del circuito.
• La potenza del resistore di shunt deve essere regolata secondo la legge di potenza (P = I ² R) in base alla corrente di carico.
• Un resistore di valore molto basso in milli-ohm può essere utilizzato per un piccolo contenitore ma la caduta di tensione sarà inferiore. Per compensare la caduta di tensione è possibile utilizzare un amplificatore aggiuntivo con guadagno adeguato.
• Si consiglia di utilizzare un amplificatore di rilevamento della corrente dedicato per problemi di rilevamento della corrente accurati.

Spero che tu abbia capito il tutorial e ti sia piaciuto imparare qualcosa di utile da esso. In caso di domande, lasciarle nelle sezioni dei commenti o utilizzare i forum per altre domande tecniche.