使用運算放大器的過流保護

時間：2024-12-09 21:32:11

關(guān)鍵字：運算放大器過流保護電路 LM358

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[導(dǎo)讀]保護電路對于任何電子設(shè)計的成功至關(guān)重要。在我們之前的保護電路教程中，我們設(shè)計了許多基本的保護電路，可以適應(yīng)您的電路，即過壓保護，短路保護，反極性保護等。除了這個電路列表之外，在本文中，我們將學(xué)習(xí)如何使用運算放大器設(shè)計和構(gòu)建一個簡單的過流保護電路。

保護電路對于任何電子設(shè)計的成功至關(guān)重要。在我們之前的保護電路教程中，我們設(shè)計了許多基本的保護電路，可以適應(yīng)您的電路，即過壓保護，短路保護，反極性保護等。除了這個電路列表之外，在本文中，我們將學(xué)習(xí)如何使用運算放大器設(shè)計和構(gòu)建一個簡單的過流保護電路。

過流保護常用于電源電路中，以限制電源模塊的輸出電流。術(shù)語“過流”是指負載吸收的電流大于電源單元的指定能力的情況。這可能是一個危險的情況，因為過流狀態(tài)可能損壞電源。因此，在這種故障情況下，工程師通常使用過流保護電路將負載與電源斷開，從而保護負載和電源。

使用運算放大器的過流保護

過流保護電路有多種類型;電路的復(fù)雜程度取決于保護電路在過流情況下的反應(yīng)速度。在這個項目中，我們將使用一個非常常用的運算放大器構(gòu)建一個簡單的過流保護電路，可以很容易地適應(yīng)您的設(shè)計。

我們即將設(shè)計的電路將具有可調(diào)的過電流閾值，并且在故障時也具有自動重啟功能。由于這是一個基于運算放大器的過流保護電路，它將有一個運算放大器作為驅(qū)動單元。本課題采用通用運算放大器LM358。下圖是LM358的引腳圖。

如上圖所示，在單個IC封裝內(nèi)，我們將有兩個運放通道。然而，這個項目只使用一個通道。運算放大器將使用MOSFET切換(斷開)輸出負載。本項目采用N溝道MOSFET IRF540N。負載電流大于500mA時，建議選用合適的MOSFET散熱片。然而，對于這個項目，使用MOSFET沒有散熱片。下圖是IRF540N引腳圖的表示。

為了給運算放大器和電路供電，使用LM7809線性穩(wěn)壓器。這是一個9V 1A線性穩(wěn)壓器，具有寬輸入電壓額定值。引腳可以在下圖中看到

材料要求:

過流保護電路所需的元件清單如下。

?電路試驗板

?電源12V(最低)或根據(jù)電壓要求。

?LM358

?100uF 25V

?IRF540N

?散熱器(根據(jù)應(yīng)用要求)

?50k平艙

?1k電阻，1%公差

?1梅格電阻器

?100k電阻，1%公差。

?1歐姆電阻，2W (2W最大1.25A負載電流)

?面包板用電線

過流保護電路

通過使用運算放大器來檢測過流，可以設(shè)計一個簡單的過流保護電路，并根據(jù)結(jié)果驅(qū)動Mosfet斷開負載與電源的連接。同樣的電路圖很簡單，可以在下面的圖像中看到

過流保護電路工作

從電路圖中可以看出，MOSFET IRF540N用于在正常和過載情況下將負載控制為ON或OFF。但在關(guān)斷負載之前，必須檢測負載電流。這是通過使用分流電阻R1完成的，這是一個1歐姆的分流電阻，額定功率為2瓦。這種測量電流的方法被稱為分流電阻電流傳感，你也可以檢查其他電流傳感方法，也可以用來檢測過電流。

在MOSFET的ON狀態(tài)期間，負載電流通過MOSFET的漏極流到源端，最后通過分流電阻流到GND。根據(jù)負載電流的不同，分流電阻產(chǎn)生的壓降可以用歐姆定律計算。因此，我們假設(shè)，對于1A的電流(負載電流)，通過分流電阻的壓降為1V， V = I x R (V = 1A x 1歐姆)。因此，如果使用運算放大器將該降電壓與預(yù)定義電壓進行比較，我們可以檢測過流并改變MOSFET的狀態(tài)以切斷負載。

運算放大器通常用于執(zhí)行諸如加、減、乘等數(shù)學(xué)運算。因此，在本電路中，運算放大器LM358被配置為比較器。根據(jù)原理圖，比較器比較兩個值。第一個是跨分流電阻的降電壓，另一個是使用可變電阻或電位器RV1的預(yù)定義電壓(參考電壓)。RV1起分壓器的作用。通過并聯(lián)電阻的降電壓由比較器的反相端檢測，并將其與連接在運算放大器的非反相端中的基準電壓進行比較。

因此，如果感測電壓小于參考電壓，比較器將在輸出端產(chǎn)生接近比較器VCC的正電壓。但是，如果感測電壓大于參考電壓，比較器將在輸出端產(chǎn)生負電源電壓(負電源通過GND連接，因此在這種情況下為0V)。這個電壓足以使MOSFET開或關(guān)。

處理暫態(tài)響應(yīng)/穩(wěn)定性問題

但是，當高負載將與電源斷開時，瞬態(tài)變化將在比較器上創(chuàng)建一個線性區(qū)域，這將創(chuàng)建一個環(huán)路，其中比較器無法正確地開關(guān)負載，運算放大器將變得不穩(wěn)定。例如，假設(shè)1A是使用電位器設(shè)置的，用于觸發(fā)MOSFET進入OFF狀態(tài)。因此可變電阻設(shè)置為1V輸出。在某種情況下，當比較器檢測到分流電阻上的電壓降為1.01V(該電壓取決于運算放大器或比較器的精度和其他因素)時，比較器將斷開負載。當高負載突然從電源單元斷開時，會發(fā)生瞬態(tài)變化，這種瞬態(tài)增加了參考電壓，這會導(dǎo)致比較器的結(jié)果不佳，并迫使比較器在線性區(qū)域內(nèi)工作。

克服這個問題的最好方法是在比較器上使用一個穩(wěn)定的電源，其中瞬態(tài)變化不會影響比較器的輸入電壓和參考電壓。不僅如此，還需要在比較器中添加額外的方法滯后。在這個電路中，這是通過線性穩(wěn)壓器LM7809和使用一個遲滯電阻R4，一個100k電阻來完成的。LM7809在比較器上提供適當?shù)碾妷?，使電源線上的瞬態(tài)變化不會影響比較器。C1, 100uF電容用于濾波輸出電壓。

遲滯電阻R4在運放的輸出端饋送一小部分輸入，在低閾值(0.99V)和高閾值(1.01V)之間產(chǎn)生電壓間隙，比較器改變其輸出狀態(tài)。如果滿足閾值點，比較器不會立即改變狀態(tài)，相反，如果要將狀態(tài)由高變低，則需要將感測電壓電平低于低閾值(例如由0.99V變?yōu)?.97V)，或者將狀態(tài)由低變高，則需要將感測電壓電平高于高閾值(由1.01變?yōu)?.03)。這將增加比較器的穩(wěn)定性并減少誤跳閘。除了這個電阻，R2和R3用于控制柵極。R3是MOSFET的柵極下拉電阻。

過流保護電路測試

該電路在面包板中構(gòu)建，并使用工作臺電源以及可變直流負載進行測試。