حماية التيار الزائد باستخدام المرجع

تعد دوائر الحماية أمرًا حيويًا لنجاح أي تصميم إلكتروني. في برامجنا التعليمية السابقة لدائرة الحماية ، قمنا بتصميم العديد من دوائر الحماية الأساسية التي يمكن تكييفها في دائرتك ، وهي الحماية من الجهد الزائد ، وحماية الدائرة القصيرة ، وحماية القطبية العكسية ، وما إلى ذلك. إضافة إلى قائمة الدوائر هذه ، في هذه المقالة ، سوف يتعلم كيفية تصميم وبناء دائرة بسيطة للحماية من التيار الزائد باستخدام Op-Amp.

غالبًا ما تُستخدم حماية التيار الزائد في دوائر إمداد الطاقة للحد من تيار الإخراج لوحدة PSU. مصطلح "زيادة التيار" هو شرط عندما يسحب الحمل تيارًا كبيرًا من القدرات المحددة لوحدة إمداد الطاقة. يمكن أن يكون هذا موقفًا خطيرًا حيث يمكن أن تؤدي حالة التيار الزائد إلى إتلاف مصدر الطاقة. لذلك يستخدم المهندسون عادةً دائرة حماية من التيار الزائد لقطع الحمل عن مصدر الطاقة خلال سيناريوهات الأعطال هذه ، وبالتالي حماية الحمل ومصدر الطاقة.

حماية التيار الزائد باستخدام مكبر التشغيل

هناك أنواع عديدة من دوائر الحماية من التيار الزائد ؛ يعتمد تعقيد الدائرة على السرعة التي يجب أن تتفاعل بها دائرة الحماية أثناء حالة التيار الزائد. في هذا المشروع ، سنبني دائرة حماية بسيطة للتيار الزائد باستخدام جهاز op-amp الذي يشيع استخدامه ويمكن تكييفه بسهولة مع تصميماتك.

سيكون للدائرة التي نحن على وشك تصميمها قيمة حدية للتيار الزائد قابلة للتعديل وستكون لها أيضًا ميزة إعادة التشغيل التلقائي عند الفشل. نظرًا لأن هذه دائرة حماية من التيار الزائد تعتمد على op-amp ، فستحتوي على op-amp كوحدة القيادة. لهذا المشروع ، يتم استخدام مكبر للصوت التشغيلي للأغراض العامة LM358. في الصورة أدناه ، يظهر مخطط دبوس LM358.

كما هو موضح في الصورة أعلاه ، داخل حزمة IC واحدة سيكون لدينا قناتان op-amp. ومع ذلك ، يتم استخدام قناة واحدة فقط لهذا المشروع. يقوم المرجع أمبير بتبديل (فصل) حمل الإخراج باستخدام MOSFET. بالنسبة لهذا المشروع ، يتم استخدام قناة N MOSFET IRF540N. يوصى باستخدام المبدد الحراري MOSFET المناسب إذا كان تيار الحمل أكبر من 500mA. ومع ذلك ، بالنسبة لهذا المشروع ، يتم استخدام MOSFET بدون غرفة التبريد. الصورة أدناه هي تمثيل لمخطط pinout IRF540N.

لتشغيل المرجع أمبير والدائرة ، يتم استخدام منظم الجهد الخطي LM7809. هذا منظم جهد خطي 9V 1A مع تصنيف جهد دخل واسع. يمكن رؤية pinout في الصورة أدناه

المواد المطلوبة:

قائمة المكونات المطلوبة لدائرة حماية التيار الزائد مذكورة أدناه.

1. اللوح
2. مطلوب امدادات الطاقة 12V (الحد الأدنى) أو حسب الجهد المطلوب.
3. إل إم 358
4. 100 فائق التوهج 25 فولت
5. IRF540N
6. غرفة التبريد (حسب متطلبات التطبيق)
7. وعاء تقليم 50 كيلو.
8. 1k المقاوم مع 1٪ التسامح
9. 1Meg المقاوم
10. 100 كيلو المقاوم مع 1٪ التسامح.
11. 1 أوم المقاوم ، 2 واط (2 واط بحد أقصى 1.25A تحميل الحالي)
12. أسلاك اللوح

دائرة حماية التيار الزائد

يمكن تصميم دائرة حماية التيار الزائد البسيطة باستخدام Op-Amp لاستشعار التيار الزائد وبناءً على النتيجة يمكننا دفع Mosfet لفصل / توصيل الحمل بمصدر الطاقة. مخطط الدائرة لنفسه بسيط ويمكن رؤيته في الصورة أدناه

تعمل دائرة حماية التيار الزائد

كما يمكنك أن تلاحظ من الرسم التخطيطي للدائرة ، يتم استخدام MOSFET IRF540N للتحكم في الحمل في وضع التشغيل أو الإيقاف أثناء الوضع العادي والحمل الزائد. ولكن قبل إيقاف تشغيل الحمل ، من الضروري اكتشاف تيار الحمل. يتم ذلك باستخدام مقاوم تحويل R1 ، وهو مقاوم تحويل 1 أوم مع تصنيف 2 وات. تسمى طريقة قياس التيار Shunt Resistor Current Sensing ، ويمكنك أيضًا التحقق من طرق استشعار التيار الأخرى التي يمكن استخدامها أيضًا للكشف عن التيار الزائد.

أثناء حالة التشغيل في MOSFET ، يتدفق تيار الحمل عبر استنزاف MOSFET إلى المصدر وأخيراً إلى GND عبر المقاوم التحويل. اعتمادًا على تيار الحمل ، ينتج المقاوم التحويلية انخفاضًا في الجهد يمكن حسابه باستخدام قانون أوم. لذلك لنفترض ، بالنسبة 1A من تدفق التيار (تيار الحمل) ، فإن انخفاض الجهد عبر المقاوم التحويل هو 1V مثل V = I x R (V = 1A × 1 أوم) لذلك ، إذا تمت مقارنة هذا الجهد المنخفض بجهد محدد مسبقًا باستخدام Op-Amp ، فيمكننا اكتشاف التيار الزائد وتغيير حالة MOSFET لقطع الحمل.

يستخدم مضخم التشغيل بشكل شائع لإجراء عمليات حسابية مثل الجمع والطرح والضرب وما إلى ذلك. لذلك ، في هذه الدائرة ، يتم تكوين مضخم التشغيل LM358 كمقارن. حسب التخطيطي ، يقارن المقارنة بين قيمتين. الأول هو الجهد المنخفض عبر المقاوم التحويلية والآخر هو الجهد المحدد مسبقًا (الجهد المرجعي) باستخدام المقاوم المتغير أو مقياس الجهد RV1. يعمل RV1 كمقسم جهد. يتم استشعار الجهد المنخفض عبر المقاوم التحويلة بواسطة الطرف المقلوب للمقارن ويتم مقارنته بمرجع الجهد المتصل في الطرف غير العكسي لمكبر التشغيل.

نتيجة لذلك ، إذا كان الجهد المحسوس أقل من الجهد المرجعي ، فإن المقارنة ستنتج جهدًا إيجابيًا عبر المخرج القريب من VCC للمقارن. ولكن ، إذا كان الجهد المحسوس أكبر من الجهد المرجعي ، فإن المقارنة ستنتج جهد إمداد سلبي عبر المخرج (يتم توصيل الإمداد السالب عبر GND ، لذلك 0V في هذه الحالة). هذا الجهد كافٍ لتشغيل أو إيقاف تشغيل MOSFET.

التعامل مع الاستجابة العابرة / مشكلة الاستقرار

ولكن عندما يتم فصل الحمل العالي عن العرض ، فإن التغييرات العابرة ستنشئ منطقة خطية عبر المقارنة وسيؤدي ذلك إلى إنشاء حلقة حيث لا يمكن للمقارن تبديل الحمل أو إيقاف تشغيله بشكل صحيح وسيصبح op-amp غير مستقر. على سبيل المثال ، لنفترض أنه تم تعيين 1A باستخدام مقياس الجهد لتشغيل MOSFET في حالة إيقاف التشغيل. لذلك يتم ضبط المقاوم المتغير على خرج 1 فولت. أثناء الموقف ، عندما يكتشف المقارنة انخفاض الجهد عبر المقاوم التحويل هو 1.01 فولت (يعتمد هذا الجهد على دقة المرجع أو المقارنة وعوامل أخرى) ، يقوم المقارنة بفصل الحمل. تغييرات عابرة تحدث عندما يتم فصل حمولة عالية فجأة عن وحدة إمداد الطاقة وهذا يؤدي إلى زيادة عابرة في مرجع الجهد الذي يدعو إلى نتائج سيئة عبر المقارنة ويجبرها على العمل في منطقة خطية.

أفضل طريقة للتغلب على هذه المشكلة هي استخدام قوة ثابتة عبر المقارنة حيث لا تؤثر التغييرات العابرة على جهد دخل المقارنة ومرجع الجهد. ليس هذا فقط ، يجب إضافة طريقة التباطؤ الإضافية في المقارنة. في هذه الدائرة ، يتم ذلك عن طريق المنظم الخطي LM7809 وباستخدام مقاوم التباطؤ R4 ، وهو مقاوم 100 كيلو. يوفر LM7809 جهدًا مناسبًا عبر المقارنة بحيث لا تؤثر التغييرات العابرة عبر خط الطاقة على المقارنة. C1 ، يستخدم مكثف 100 فائق التوهج لترشيح جهد الخرج.

يقوم المقاوم التباطؤ R4 بتغذية جزء صغير من المدخلات عبر إخراج المرجع أمبير مما يخلق فجوة جهد بين العتبة المنخفضة (0.99 فولت) والعتبة العالية (1.01 فولت) حيث يغير المقارنة حالة الإخراج. لا يغير المقارنة الحالة على الفور إذا تم استيفاء نقطة العتبة ، وبدلاً من ذلك ، لتغيير الحالة من أعلى إلى منخفض ، يجب أن يكون مستوى الجهد المستشعر أقل من الحد الأدنى (على سبيل المثال 0.97 فولت بدلاً من 0.99 فولت) أو لتغيير الحالة من منخفض إلى مرتفع ، يجب أن يكون الجهد المحسوس أعلى من العتبة العالية (1.03 بدلاً من 1.01). سيؤدي ذلك إلى زيادة استقرار المقارنة وتقليل التعثر الخاطئ. بخلاف هذا المقاوم ، يتم استخدام R2 و R3 للتحكم في البوابة. R3 هو المقاوم المنسدل للبوابة في MOSFET.

اختبار دائرة حماية التيار الزائد

تم إنشاء الدائرة في لوح تجارب واختبارها باستخدام مصدر طاقة مقعد مع حمل تيار مستمر متغير.

تم اختبار الدائرة ولوحظ أن الخرج ينفصل بنجاح عند قيم مختلفة يحددها المقاوم المتغير يُظهر الفيديو المتوفر في أسفل هذه الصفحة عرضًا توضيحيًا كاملاً لاختبار حماية التيار الزائد قيد التنفيذ.

نصائح تصميم حماية التيار الزائد

• يمكن لدائرة جهاز التحكم عن بعد RC عبر الإخراج تحسين EMI.
• يمكن استخدام المشتت الحراري الأكبر و MOSFET المحدد للتطبيق المطلوب.
• سيحسن ثنائي الفينيل متعدد الكلور المشيد جيدًا من استقرار الدائرة.
• يلزم تعديل القوة الكهربائية لمقاوم التحويل وفقًا لقانون الطاقة (P = I ² R) اعتمادًا على تيار الحمل.
• يمكن استخدام المقاوم ذو القيمة المنخفضة جدًا في تصنيف الميلي أوم لحزمة صغيرة ولكن انخفاض الجهد سيكون أقل. للتعويض عن انخفاض الجهد ، يمكن استخدام مضخم إضافي مع كسب مناسب.
• يُنصح باستخدام مضخم إحساس حالي مخصص للقضايا ذات الصلة باستشعار التيار الدقيق.

آمل أن تكون قد فهمت البرنامج التعليمي واستمتعت بتعلم شيء مفيد منه. إذا كانت لديك أي أسئلة ، فيرجى تركها في أقسام التعليقات أو استخدام المنتديات لأسئلة فنية أخرى.