- การป้องกันกระแสเกินโดยใช้เครื่องขยายการทำงาน
- วัสดุที่ต้องการ:
- วงจรป้องกันกระแสเกิน
- วงจรป้องกันกระแสเกินทำงาน
- การจัดการกับปัญหาการตอบสนองชั่วคราว / เสถียรภาพ
- การทดสอบวงจรป้องกันกระแสเกิน
- เคล็ดลับการออกแบบการป้องกันกระแสเกิน
วงจรป้องกันมีความสำคัญอย่างยิ่งต่อการออกแบบอิเล็กทรอนิกส์ให้ประสบความสำเร็จ ในบทแนะนำเกี่ยวกับวงจรป้องกันก่อนหน้านี้เราได้ออกแบบวงจรการป้องกันขั้นพื้นฐานจำนวนมากที่สามารถปรับให้เข้ากับวงจรของคุณได้เช่นการป้องกันแรงดันเกินการป้องกันไฟฟ้าลัดวงจรการป้องกันกระแสไฟฟ้าย้อนกลับเป็นต้นการเพิ่มรายการของวงจรในบทความนี้เรา จะได้เรียนรู้วิธีการที่จะออกแบบและสร้างง่ายวงจรสำหรับการป้องกันมากกว่าหมุนเวียนใช้ Op-Amp
การป้องกันกระแสเกินมักใช้ในวงจรจ่ายไฟเพื่อ จำกัด กระแสเอาต์พุตของ PSU คำว่า“ กระแสเกิน” คือเงื่อนไขเมื่อโหลดดึงกระแสไฟฟ้ามากเกินความสามารถที่ระบุของหน่วยจ่ายไฟ นี่อาจเป็นสถานการณ์ที่อันตรายเนื่องจากสภาวะกระแสไฟเกินอาจทำให้แหล่งจ่ายไฟเสียหายได้ ดังนั้นโดยปกติวิศวกรจะใช้วงจรป้องกันกระแสเกินเพื่อตัดโหลดจากแหล่งจ่ายไฟในระหว่างสถานการณ์ความผิดปกติดังกล่าวจึงช่วยป้องกันโหลดและแหล่งจ่ายไฟ
การป้องกันกระแสเกินโดยใช้เครื่องขยายการทำงาน
วงจรป้องกันกระแสเกินมีหลายประเภท ความซับซ้อนของวงจรขึ้นอยู่กับว่าวงจรป้องกันควรตอบสนองเร็วแค่ไหนระหว่างสถานการณ์กระแสเกิน ในโครงการนี้เราจะสร้างวงจรป้องกันกระแสเกินอย่างง่ายโดยใช้ op-amp ซึ่งใช้กันทั่วไปและสามารถปรับให้เข้ากับการออกแบบของคุณได้อย่างง่ายดาย
วงจรที่เรามีเกี่ยวกับการออกแบบจะมีค่าเกณฑ์ปรับกระแสเกินและยังจะมีการรีสตาร์ทอัตโนมัติในความล้มเหลวคุณลักษณะ เนื่องจากนี่คือวงจรป้องกันกระแสเกินแบบ op-amp จึงจะมี op-amp เป็นหน่วยขับเคลื่อน สำหรับโปรเจ็กต์นี้จะใช้LM358แอมพลิฟายเออร์ที่ใช้งานทั่วไป ในภาพด้านล่างแผนภาพพินของ LM358 จะแสดงขึ้น
ดังที่เห็นในภาพด้านบนภายในแพ็คเกจ IC เดียวเราจะมีช่อง op-amp สองช่อง อย่างไรก็ตามโปรเจ็กต์นี้จะใช้ช่องทางเดียวเท่านั้น op-amp จะสลับ (ตัดการเชื่อมต่อ) โหลดเอาต์พุตโดยใช้ MOSFET สำหรับโครงการนี้เป็นIRF540N N ช่อง MOSFETถูกนำมาใช้ ขอแนะนำให้ใช้ MOSFET Heatsink ที่เหมาะสมหากกระแสโหลดมากกว่า 500mA อย่างไรก็ตามสำหรับโปรเจ็กต์นี้ MOSFET จะใช้โดยไม่มีฮีทซิงค์ ด้านล่างเป็นภาพตัวแทนของแผนภาพ IRF540N pinout
อำนาจสหกรณ์แอมป์และวงจรที่LM7809 เชิงเส้นควบคุมแรงดันไฟฟ้าถูกนำมาใช้ นี่คือตัวควบคุมแรงดันไฟฟ้าเชิงเส้น 9V 1A ที่มีพิกัดแรงดันไฟฟ้าอินพุตกว้าง สามารถดูพินเอาต์ได้ในภาพด้านล่าง
วัสดุที่ต้องการ:
รายการส่วนประกอบที่จำเป็นสำหรับวงจรป้องกันกระแสเกิน แสดงอยู่ด้านล่าง
- เขียงหั่นขนม
- แหล่งจ่ายไฟ 12V (ขั้นต่ำ) หรือตามแรงดันไฟฟ้าที่จำเป็น
- LM358
- 100uF 25V
- IRF540N
- ฮีทซิงค์ (ตามข้อกำหนดการใช้งาน)
- หม้อตัด 50k.
- ตัวต้านทาน 1k พร้อมความทนทาน 1%
- ตัวต้านทาน 1Meg
- ตัวต้านทาน 100k พร้อมความทนทาน 1%
- ตัวต้านทาน 1 โอห์ม 2W (2W สูงสุด 1.25A กระแสโหลด)
- สายไฟสำหรับเขียงหั่นขนม
วงจรป้องกันกระแสเกิน
วงจรป้องกันกระแสเกินอย่างง่ายสามารถออกแบบได้โดยใช้ Op-Amp เพื่อตรวจจับกระแสเกินและจากผลลัพธ์ที่เราสามารถขับ Mosfet เพื่อตัดการเชื่อมต่อ / เชื่อมต่อโหลดกับแหล่งจ่ายไฟ แผนภาพวงจรสำหรับสิ่งเดียวกันนั้นเรียบง่ายและสามารถเห็นได้ในภาพด้านล่าง
วงจรป้องกันกระแสเกินทำงาน
ในขณะที่คุณสามารถสังเกตได้จากแผนภาพวงจร IRF540N MOSFET ถูกนำมาใช้ในการควบคุมการโหลดเป็นเปิดหรือปิดในช่วงปกติและเกินเงื่อนไขแต่ก่อนที่จะปิดโหลดจำเป็นอย่างยิ่งที่จะต้องตรวจจับกระแสโหลด ทำได้โดยใช้ตัวต้านทานแบบปัด R1ซึ่งเป็นตัวต้านทานแบบแบ่ง 1 โอห์มที่มีกำลังไฟ 2 วัตต์ วิธีการวัดกระแสนี้เรียกว่าShunt Resistor Current Sensingคุณยังสามารถตรวจสอบวิธีการตรวจจับกระแสอื่น ๆ ซึ่งสามารถใช้ตรวจจับกระแสเกินได้
ในระหว่างสถานะ ON ของ MOSFET กระแสโหลดจะไหลผ่านท่อระบายน้ำของ MOSFET ไปยังแหล่งที่มาและสุดท้ายไปยัง GND ผ่านตัวต้านทานแบบแบ่ง ทั้งนี้ขึ้นอยู่กับความเร็วในการโหลดปัจจุบันต้านทาน shunt ผลิตแรงดันข้ามซึ่งสามารถคำนวณโดยใช้กฎหมาย Ohmsดังนั้นสมมติว่าสำหรับ 1A ของการไหลของกระแส (กระแสโหลด) แรงดันตกคร่อมตัวต้านทานแบ่งคือ 1V เป็น V = I x R (V = 1A x 1 โอห์ม) ดังนั้นหากเปรียบเทียบแรงดันตกนี้กับแรงดันไฟฟ้าที่กำหนดไว้ล่วงหน้าโดยใช้ Op-Amp เราสามารถตรวจจับกระแสเกินและเปลี่ยนสถานะของ MOSFET เพื่อตัดการโหลดได้
แอมพลิฟายเออร์เชิงปฏิบัติการมักใช้สำหรับการดำเนินการทางคณิตศาสตร์เช่นการบวกการลบการคูณเป็นต้นดังนั้นในวงจรนี้จึงมีการกำหนดค่าแอมพลิฟายเออร์เชิงปฏิบัติการ LM358 เป็นตัวเปรียบเทียบ ตามแผนผังตัวเปรียบเทียบจะเปรียบเทียบค่าสองค่า ตัวแรกคือแรงดันตกคร่อมตัวต้านทานแบบแบ่งและอีกตัวคือแรงดันไฟฟ้าที่กำหนดไว้ล่วงหน้า (แรงดันอ้างอิง) โดยใช้ตัวต้านทานตัวแปรหรือโพเทนชิออมิเตอร์ RV1 RV1 ทำหน้าที่เป็นตัวแบ่งแรงดันไฟฟ้า แรงดันตกคร่อมตัวต้านทานแบบแบ่งจะถูกตรวจจับโดยขั้วกลับด้านของเครื่องเปรียบเทียบและเปรียบเทียบกับการอ้างอิงแรงดันไฟฟ้าที่เชื่อมต่อในเทอร์มินัลที่ไม่กลับด้านของแอมพลิฟายเออร์ที่ใช้งานได้
ด้วยเหตุนี้หากแรงดันไฟฟ้าที่ตรวจจับได้น้อยกว่าแรงดันอ้างอิงตัวเปรียบเทียบจะสร้างแรงดันไฟฟ้าบวกข้ามเอาท์พุทซึ่งใกล้เคียงกับ VCC ของตัวเปรียบเทียบ แต่ถ้าแรงดันไฟฟ้าที่ตรวจจับได้มีขนาดใหญ่กว่าแรงดันอ้างอิงตัวเปรียบเทียบจะสร้างแรงดันไฟฟ้าที่เป็นลบทั่วทั้งเอาท์พุท (แหล่งจ่ายลบเชื่อมต่อผ่าน GND ดังนั้นในกรณีนี้ 0V) แรงดันไฟฟ้านี้เพียงพอที่จะเปิดหรือปิด MOSFET
การจัดการกับปัญหาการตอบสนองชั่วคราว / เสถียรภาพ
แต่เมื่อโหลดสูงจะถูกตัดจากอุปทานการเปลี่ยนแปลงชั่วคราวจะสร้างเขตการเชิงเส้นข้ามเปรียบเทียบและนี้จะสร้างวงที่เปรียบเทียบไม่สามารถสลับการโหลดหรือปิดอย่างถูกต้องและสหกรณ์แอมป์จะกลายเป็นไม่เสถียรตัวอย่างเช่นสมมติว่า 1A ถูกตั้งค่าโดยใช้โพเทนชิออมิเตอร์เพื่อเรียก MOSFET ให้อยู่ในสภาพ OFF ดังนั้นจึงมีการตั้งค่าตัวต้านทานตัวแปรสำหรับเอาต์พุต 1V ในระหว่างสถานการณ์เมื่อตัวเปรียบเทียบตรวจพบแรงดันตกคร่อมตัวต้านทาน shunt คือ 1.01V (แรงดันไฟฟ้านี้ขึ้นอยู่กับความแม่นยำของ op-amp หรือตัวเปรียบเทียบและปัจจัยอื่น ๆ) ตัวเปรียบเทียบจะตัดการเชื่อมต่อโหลดการเปลี่ยนแปลงชั่วคราว เกิดขึ้นเมื่อมีการตัดการเชื่อมต่อโหลดสูงจากชุดจ่ายไฟอย่างกะทันหันและชั่วคราวนี้จะเพิ่มการอ้างอิงแรงดันไฟฟ้าซึ่งจะทำให้เกิดผลลัพธ์ที่ไม่ดีในตัวเปรียบเทียบและบังคับให้ทำงานในพื้นที่เชิงเส้น
วิธีที่ดีที่สุดในการแก้ไขปัญหานี้คือการใช้กำลังไฟฟ้าที่เสถียรกับตัวเปรียบเทียบโดยที่การเปลี่ยนแปลงชั่วคราวไม่ส่งผลต่อแรงดันไฟฟ้าขาเข้าของตัวเปรียบเทียบและการอ้างอิงแรงดันไฟฟ้า ไม่เพียงแค่นี้ต้องเพิ่มฮิสเทรีซิสวิธีการเพิ่มเติมในตัวเปรียบเทียบ ในวงจรนี้ทำได้โดยตัวควบคุมเชิงเส้น LM7809 และโดยใช้ตัวต้านทานฮิสเทรีซิส R4 ตัวต้านทาน 100k LM7809 ให้แรงดันไฟฟ้าที่เหมาะสมในตัวเปรียบเทียบเพื่อให้การเปลี่ยนแปลงชั่วคราวในสายไฟไม่ส่งผลกระทบต่อตัวเปรียบเทียบ C1 ตัวเก็บประจุ 100uF ใช้สำหรับกรองแรงดันไฟฟ้าขาออก
ตัวต้านทานฮิสเทอรีซิส R4 ป้อนอินพุตส่วนเล็ก ๆ ผ่านเอาต์พุตของออปแอมป์ซึ่งสร้างช่องว่างของแรงดันไฟฟ้าระหว่างเกณฑ์ต่ำ (0.99V) และเกณฑ์สูง (1.01V) ซึ่งตัวเปรียบเทียบจะเปลี่ยนสถานะเอาต์พุต ตัวเปรียบเทียบจะไม่เปลี่ยนสถานะทันทีหากตรงตามจุดเกณฑ์แทนที่จะเป็นเช่นนั้นในการเปลี่ยนสถานะจากสูงไปต่ำระดับแรงดันไฟฟ้าที่ตรวจจับจะต้องต่ำกว่าเกณฑ์ต่ำ (เช่น 0.97V แทนที่จะเป็น 0.99V) หรือในการเปลี่ยนสถานะจากต่ำไปสูงแรงดันไฟฟ้าที่ตรวจจับได้จะต้องสูงกว่าเกณฑ์สูง (1.03 แทนที่จะเป็น 1.01) สิ่งนี้จะเพิ่มเสถียรภาพของตัวเปรียบเทียบและลดการสะดุดผิดพลาด นอกเหนือจากตัวต้านทานนี้ R2 และ R3 ใช้สำหรับควบคุมประตู R3 คือตัวต้านทานแบบดึงลงประตูของ MOSFET
การทดสอบวงจรป้องกันกระแสเกิน
วงจรถูกสร้างขึ้นใน breadboard และทดสอบโดยใช้ Bench Power supply พร้อมกับ DC Load แบบแปรผัน
วงจรได้รับการทดสอบและพบว่าเอาต์พุตถูกตัดการเชื่อมต่อที่ค่าต่าง ๆ ที่กำหนดโดยตัวต้านทานตัวแปร วิดีโอที่ให้ไว้ที่ด้านล่างของหน้านี้แสดงการสาธิตการทดสอบการป้องกันกระแสเกินที่ใช้งานจริง
เคล็ดลับการออกแบบการป้องกันกระแสเกิน
- วงจร RC snubber ในเอาต์พุตสามารถปรับปรุง EMI ได้
- สามารถใช้อ่างความร้อนที่ใหญ่ขึ้นและ MOSFET เฉพาะสำหรับแอปพลิเคชันที่ต้องการได้
- PCB ที่สร้างขึ้นอย่างดีจะช่วยเพิ่มเสถียรภาพของวงจร
- จำเป็นต้องปรับกำลังวัตต์ของตัวต้านทานแบบ Shunt ตามกฎหมายกำลัง (P = I 2 R) ขึ้นอยู่กับกระแสโหลด
- สามารถใช้ตัวต้านทานค่าต่ำมากในระดับมิลลิโอห์มสำหรับบรรจุภัณฑ์ขนาดเล็ก แต่แรงดันตกจะน้อยลง เพื่อชดเชยแรงดันไฟฟ้าที่ลดลงสามารถใช้เครื่องขยายเสียงเพิ่มเติมที่มีอัตราขยายที่เหมาะสม
- ขอแนะนำให้ใช้แอมพลิฟายเออร์ตรวจจับกระแสไฟฟ้าเฉพาะสำหรับปัญหาที่เกี่ยวข้องกับการตรวจจับกระแสไฟฟ้าที่แม่นยำ
หวังว่าคุณจะเข้าใจบทช่วยสอนและสนุกกับการเรียนรู้สิ่งที่เป็นประโยชน์จากมัน หากคุณมีคำถามใด ๆ โปรดทิ้งไว้ในส่วนความคิดเห็นหรือใช้ฟอรัมสำหรับคำถามทางเทคนิคอื่น ๆ