如何使用運(yùn)算放大器設(shè)計(jì)和構(gòu)建一個(gè)簡(jiǎn)單的過流保護(hù)電路

保護(hù)電路對(duì)于任何電子設(shè)計(jì)的成功都至關(guān)重要。在我們之前的保護(hù)電路教程中，我們?cè)O(shè)計(jì)了許多可以適應(yīng)您的電路的基本保護(hù)電路，即過壓保護(hù)、短路保護(hù)、反極性保護(hù)等。除了這個(gè)電路列表之外，在本文中，我們將學(xué)習(xí)如何使用運(yùn)算放大器設(shè)計(jì)和構(gòu)建一個(gè)簡(jiǎn)單的過流保護(hù)電路。

過流保護(hù)通常用于電源電路中，以限制 PSU 的輸出電流。術(shù)語(yǔ)“過電流”是指負(fù)載消耗的電流超過電源裝置的規(guī)定能力時(shí)的情況。這可能是一種危險(xiǎn)的情況，因?yàn)檫^流情況可能會(huì)損壞電源。所以工程師通常會(huì)在這種故障情況下使用過流保護(hù)電路來切斷負(fù)載與電源的連接，從而保護(hù)負(fù)載和電源。

使用運(yùn)算放大器的過流保護(hù)

過流保護(hù)電路種類繁多；電路的復(fù)雜性取決于保護(hù)電路在過流情況下的反應(yīng)速度。在這個(gè)項(xiàng)目中，我們將使用非常常用的運(yùn)算放大器構(gòu)建一個(gè)簡(jiǎn)單的過流保護(hù)電路，并且可以很容易地適應(yīng)您的設(shè)計(jì)。

我們即將設(shè)計(jì)的電路將具有可調(diào)節(jié)的過流閾值，并且還將具有故障時(shí)自動(dòng)重啟功能。由于這是一個(gè)基于運(yùn)算放大器的過流保護(hù)電路，它將有一個(gè)運(yùn)算放大器作為驅(qū)動(dòng)單元。在本項(xiàng)目中，使用了通用運(yùn)算放大器LM358。在下圖中，顯示了 LM358 的引腳圖。

如上圖所示，在單個(gè) IC 封裝內(nèi)，我們將有兩個(gè)運(yùn)算放大器通道。但是，此項(xiàng)目?jī)H使用一個(gè)通道。運(yùn)算放大器將使用 MOSFET 切換（斷開）輸出負(fù)載。在本項(xiàng)目中，使用了N 溝道 MOSFET IRF540N。如果負(fù)載電流大于 500mA，建議使用合適的 MOSFET 散熱器。然而，對(duì)于這個(gè)項(xiàng)目，MOSFET 沒有使用散熱器。下圖是IRF540N 引腳圖的表示。

為了給運(yùn)算放大器和電路供電，使用了LM7809 線性穩(wěn)壓器。這是一款具有寬輸入電壓額定值的 9V 1A 線性穩(wěn)壓器。引腳排列如下圖所示

所需材料：

下面列出了過電流保護(hù) 電路所需的組件列表。

面包板

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 裝飾鍋。

1k 電阻器，容差為 1%

1Meg 電阻

100k 電阻，容差為 1%。

1ohms電阻，2W（2W最大1.25A負(fù)載電流）

面包板電線

過流保護(hù)電路

一個(gè)簡(jiǎn)單的過流保護(hù)電路可以通過使用運(yùn)算放大器來感應(yīng)過流來設(shè)計(jì)，并根據(jù)結(jié)果我們可以驅(qū)動(dòng) Mosfet 斷開/連接負(fù)載與電源。相同的電路圖很簡(jiǎn)單，如下圖所示

過流保護(hù)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控制負(fù)載為 ON 或 OFF 。但在關(guān)閉負(fù)載之前，必須檢測(cè)負(fù)載電流。這是通過使用分流電阻器 R1來完成的，它是一個(gè) 2 瓦額定值的 1 歐姆分流電阻器。這種測(cè)量電流的方法稱為分流電阻電流感應(yīng)，您還可以檢查其他也可用于檢測(cè)過電流的電流感應(yīng)方法。

在 MOSFET 導(dǎo)通狀態(tài)期間，負(fù)載電流通過 MOSFET 的漏極流向源極，最后通過分流電阻流向 GND。根據(jù)負(fù)載電流，分流電阻產(chǎn)生的電壓降可以使用歐姆定律計(jì)算。因此，我們假設(shè)，對(duì)于 1A 的電流（負(fù)載電流），分流電阻器上的電壓降為 1V，因?yàn)?V = I x R （V = 1A x 1 Ohm）。因此，如果將此壓降與使用運(yùn)算放大器的預(yù)定義電壓進(jìn)行比較，我們可以檢測(cè)到過流并改變 MOSFET 的狀態(tài)以切斷負(fù)載。

運(yùn)算放大器通常用于執(zhí)行加法、減法、乘法等數(shù)學(xué)運(yùn)算。因此，在該電路中，運(yùn)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(gè)值。第一個(gè)是分流電阻上的壓降，另一個(gè)是使用可變電阻器或電位計(jì) RV1 的預(yù)定義電壓（參考電壓）。RV1 充當(dāng)分壓器。分流電阻上的壓降由比較器的反相端檢測(cè)，并與連接在運(yùn)算放大器同相端的電壓基準(zhǔn)進(jìn)行比較。

因此，如果檢測(cè)到的電壓低于參考電壓，比較器將在輸出端產(chǎn)生一個(gè)接近比較器 VCC 的正電壓。但是，如果檢測(cè)到的電壓大于參考電壓，比較器將在輸出端產(chǎn)生負(fù)電源電壓（負(fù)電源連接到 GND，因此在這種情況下為 0V）。該電壓足以打開或關(guān)閉 MOSFET。

處理瞬態(tài)響應(yīng)/穩(wěn)定性問題

但是，當(dāng)高負(fù)載與電源斷開時(shí)，瞬態(tài)變化將在比較器上產(chǎn)生一個(gè)線性區(qū)域，這將產(chǎn)生一個(gè)環(huán)路，其中比較器無法正確打開或關(guān)閉負(fù)載，運(yùn)算放大器將變得不穩(wěn)定。例如，假設(shè)使用電位計(jì)設(shè)置 1A，以觸發(fā) MOSFET 進(jìn)入關(guān)斷狀態(tài)。因此，可變電阻器設(shè)置為 1V 輸出。在某種情況下，當(dāng)比較器檢測(cè)到分流電阻兩端的電壓降為 1.01V（此電壓取決于運(yùn)算放大器或比較器精度和其他因素）時(shí)，比較器將斷開負(fù)載。瞬態(tài)變化當(dāng)高負(fù)載突然從電源單元斷開時(shí)會(huì)發(fā)生這種情況，這種瞬態(tài)會(huì)增加參考電壓，這會(huì)導(dǎo)致比較器的結(jié)果不佳，并迫使它在線性區(qū)域內(nèi)工作。

克服這個(gè)問題的最佳方法是在比較器兩端使用穩(wěn)定的電源，其中瞬態(tài)變化不會(huì)影響比較器的輸入電壓和電壓基準(zhǔn)。不僅如此，還需要在比較器中添加額外的方法滯后。在這個(gè)電路中，這是由線性穩(wěn)壓器 LM7809 和使用一個(gè) 100k 的遲滯電阻器R4 完成的。LM7809 為比較器提供適當(dāng)?shù)碾妷?，以便電源線的瞬態(tài)變化不會(huì)影響比較器。C1，100uF電容用于對(duì)輸出電壓進(jìn)行濾波。

遲滯電阻器 R4 將一小部分輸入饋送到運(yùn)算放大器的輸出端，從而在比較器改變其輸出狀態(tài)的低閾值（0.99V）和高閾值（1.01V）之間產(chǎn)生電壓間隙。如果達(dá)到閾值點(diǎn)，比較器不會(huì)立即改變狀態(tài)，而是將狀態(tài)從高變?yōu)榈?，感測(cè)電壓電平需要低于低閾值（例如 0.97V 而不是 0.99V）或者要將狀態(tài)從低變?yōu)楦撸袦y(cè)電壓需要高于高閾值（1.03 而不是 1.01）。這將增加比較器的穩(wěn)定性并減少誤跳閘。除此電阻器外，R2 和 R3 用于控制柵極。R3 是 MOSFET 的柵極下拉電阻。

過流保護(hù)電路測(cè)試

該電路在面包板上構(gòu)建，并使用臺(tái)式電源和可變直流負(fù)載進(jìn)行測(cè)試。