使用运算放大器的过流保护

时间：2024-12-09 21:32:11

关键字：运算放大器过流保护电路 LM358

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[导读]保护电路对于任何电子设计的成功至关重要。在我们之前的保护电路教程中，我们设计了许多基本的保护电路，可以适应您的电路，即过压保护，短路保护，反极性保护等。除了这个电路列表之外，在本文中，我们将学习如何使用运算放大器设计和构建一个简单的过流保护电路。

保护电路对于任何电子设计的成功至关重要。在我们之前的保护电路教程中，我们设计了许多基本的保护电路，可以适应您的电路，即过压保护，短路保护，反极性保护等。除了这个电路列表之外，在本文中，我们将学习如何使用运算放大器设计和构建一个简单的过流保护电路。

过流保护常用于电源电路中，以限制电源模块的输出电流。术语“过流”是指负载吸收的电流大于电源单元的指定能力的情况。这可能是一个危险的情况，因为过流状态可能损坏电源。因此，在这种故障情况下，工程师通常使用过流保护电路将负载与电源断开，从而保护负载和电源。

使用运算放大器的过流保护

过流保护电路有多种类型;电路的复杂程度取决于保护电路在过流情况下的反应速度。在这个项目中，我们将使用一个非常常用的运算放大器构建一个简单的过流保护电路，可以很容易地适应您的设计。

我们即将设计的电路将具有可调的过电流阈值，并且在故障时也具有自动重启功能。由于这是一个基于运算放大器的过流保护电路，它将有一个运算放大器作为驱动单元。本课题采用通用运算放大器LM358。下图是LM358的引脚图。

如上图所示，在单个IC封装内，我们将有两个运放通道。然而，这个项目只使用一个通道。运算放大器将使用MOSFET切换(断开)输出负载。本项目采用N沟道MOSFET IRF540N。负载电流大于500mA时，建议选用合适的MOSFET散热片。然而，对于这个项目，使用MOSFET没有散热片。下图是IRF540N引脚图的表示。

为了给运算放大器和电路供电，使用LM7809线性稳压器。这是一个9V 1A线性稳压器，具有宽输入电压额定值。引脚可以在下图中看到

材料要求:

过流保护电路所需的元件清单如下。

•电路试验板

•电源12V(最低)或根据电压要求。

•LM358

•100uF 25V

•IRF540N

•散热器(根据应用要求)

•50k平舱

•1k电阻，1%公差

•1梅格电阻器

•100k电阻，1%公差。

•1欧姆电阻，2W (2W最大1.25A负载电流)

•面包板用电线

过流保护电路

通过使用运算放大器来检测过流，可以设计一个简单的过流保护电路，并根据结果驱动Mosfet断开负载与电源的连接。同样的电路图很简单，可以在下面的图像中看到

过流保护电路工作

从电路图中可以看出，MOSFET IRF540N用于在正常和过载情况下将负载控制为ON或OFF。但在关断负载之前，必须检测负载电流。这是通过使用分流电阻R1完成的，这是一个1欧姆的分流电阻，额定功率为2瓦。这种测量电流的方法被称为分流电阻电流传感，你也可以检查其他电流传感方法，也可以用来检测过电流。

在MOSFET的ON状态期间，负载电流通过MOSFET的漏极流到源端，最后通过分流电阻流到GND。根据负载电流的不同，分流电阻产生的压降可以用欧姆定律计算。因此，我们假设，对于1A的电流(负载电流)，通过分流电阻的压降为1V， V = I x R (V = 1A x 1欧姆)。因此，如果使用运算放大器将该降电压与预定义电压进行比较，我们可以检测过流并改变MOSFET的状态以切断负载。

运算放大器通常用于执行诸如加、减、乘等数学运算。因此，在本电路中，运算放大器LM358被配置为比较器。根据原理图，比较器比较两个值。第一个是跨分流电阻的降电压，另一个是使用可变电阻或电位器RV1的预定义电压(参考电压)。RV1起分压器的作用。通过并联电阻的降电压由比较器的反相端检测，并将其与连接在运算放大器的非反相端中的基准电压进行比较。

因此，如果感测电压小于参考电压，比较器将在输出端产生接近比较器VCC的正电压。但是，如果感测电压大于参考电压，比较器将在输出端产生负电源电压(负电源通过GND连接，因此在这种情况下为0V)。这个电压足以使MOSFET开或关。

处理暂态响应/稳定性问题

但是，当高负载将与电源断开时，瞬态变化将在比较器上创建一个线性区域，这将创建一个环路，其中比较器无法正确地开关负载，运算放大器将变得不稳定。例如，假设1A是使用电位器设置的，用于触发MOSFET进入OFF状态。因此可变电阻设置为1V输出。在某种情况下，当比较器检测到分流电阻上的电压降为1.01V(该电压取决于运算放大器或比较器的精度和其他因素)时，比较器将断开负载。当高负载突然从电源单元断开时，会发生瞬态变化，这种瞬态增加了参考电压，这会导致比较器的结果不佳，并迫使比较器在线性区域内工作。

克服这个问题的最好方法是在比较器上使用一个稳定的电源，其中瞬态变化不会影响比较器的输入电压和参考电压。不仅如此，还需要在比较器中添加额外的方法滞后。在这个电路中，这是通过线性稳压器LM7809和使用一个迟滞电阻R4，一个100k电阻来完成的。LM7809在比较器上提供适当的电压，使电源线上的瞬态变化不会影响比较器。C1, 100uF电容用于滤波输出电压。

迟滞电阻R4在运放的输出端馈送一小部分输入，在低阈值(0.99V)和高阈值(1.01V)之间产生电压间隙，比较器改变其输出状态。如果满足阈值点，比较器不会立即改变状态，相反，如果要将状态由高变低，则需要将感测电压电平低于低阈值(例如由0.99V变为0.97V)，或者将状态由低变高，则需要将感测电压电平高于高阈值(由1.01变为1.03)。这将增加比较器的稳定性并减少误跳闸。除了这个电阻，R2和R3用于控制栅极。R3是MOSFET的栅极下拉电阻。

过流保护电路测试

该电路在面包板中构建，并使用工作台电源以及可变直流负载进行测试。