보호 회로는 모든 전자 설계가 성공하기 위해 필수적입니다. 이전 보호 회로 자습서에서 우리는 회로에 적용 할 수있는 많은 기본 보호 회로, 즉 과전압 보호, 단락 보호, 역 극성 보호 등을 설계했습니다.이 회로 목록에 추가하여이 기사에서 Op-Amp를 사용하여 과전류 보호를위한 간단한 회로 를 설계하고 구축하는 방법을 배웁니다.
과전류 보호는 종종 전원 공급 장치 회로에서 PSU의 출력 전류를 제한하는 데 사용됩니다. "과전류"라는 용어는 부하가 전원 공급 장치의 지정된 용량보다 큰 전류를 끌어 오는 조건입니다. 과전류 상태로 인해 전원 공급 장치가 손상 될 수 있으므로 위험한 상황이 될 수 있습니다. 따라서 엔지니어는 일반적으로 과전류 보호 회로 를 사용하여 이러한 오류 시나리오에서 전원 공급 장치의 부하를 차단하여 부하 및 전원 공급 장치를 보호합니다.
연산 증폭기를 사용한 과전류 보호
과전류 보호 회로에는 여러 유형이 있습니다. 회로의 복잡성은 보호 회로가 과전류 상황에서 얼마나 빨리 반응해야 하는가에 따라 달라집니다. 이 프로젝트에서는 매우 일반적으로 사용되며 설계에 쉽게 적용 할 수있는 연산 증폭기를 사용하여 간단한 과전류 보호 회로를 구축합니다.
설계하려는 회로에는 조정 가능한 과전류 임계 값이 있으며 고장시 자동 재시작 기능도 있습니다. 이것은 연산 증폭기 기반 과전류 보호 회로이므로 구동 장치로 연산 증폭기가 있습니다. 이 프로젝트에는 범용 연산 증폭기 LM358 이 사용됩니다. 아래 이미지에서 LM358의 핀 다이어그램이 표시됩니다.
위 이미지에서 볼 수 있듯이 단일 IC 패키지 안에 두 개의 연산 증폭기 채널이 있습니다. 그러나이 프로젝트에는 단일 채널 만 사용됩니다. 연산 증폭기는 MOSFET을 사용하여 출력 부하를 전환 (연결 해제)합니다. 이 프로젝트에서는 N 채널 MOSFET IRF540N 이 사용됩니다. 부하 전류가 500mA보다 큰 경우 적절한 MOSFET 히트 싱크를 사용하는 것이 좋습니다. 그러나이 프로젝트에서는 MOSFET이 히트 싱크없이 사용됩니다. 아래 이미지는 IRF540N 핀아웃 다이어그램 의 표현입니다.
연산 증폭기와 회로에 전원을 공급하기 위해 LM7809 선형 전압 조정기 가 사용됩니다. 입력 전압 정격이 넓은 9V 1A 선형 전압 조정기입니다. 핀아웃은 아래 이미지에서 볼 수 있습니다.
필요한 재료:
과전류 보호 회로에 필요한 구성 요소 목록 은 다음과 같습니다.
- 브레드 보드
- 전원 공급 장치 12V (최소) 또는 전압에 따라 필요합니다.
- LM358
- 100uF 25V
- IRF540N
- 히트 싱크 (응용 프로그램 요구 사항에 따라)
- 50k 트림 포트.
- 1 % 허용 오차의 1k 저항
- 1Meg 저항
- 1 % 허용 오차의 100k 저항.
- 1ohms 저항, 2W (1.25A 부하 전류의 최대 2W)
- 브레드 보드 용 전선
과전류 보호 회로
Op-Amp를 사용하여 과전류를 감지하여 간단한 과전류 보호 회로 를 설계 할 수 있으며 그 결과에 따라 Mosfet을 구동하여 전원 공급 장치와 부하를 분리 / 연결할 수 있습니다. 동일한 회로도는 간단하며 아래 이미지에서 볼 수 있습니다.
과전류 보호 회로 작동
회로도에서 볼 수 있듯이 MOSFET IRF540N은 정상 및 과부하 상태 에서 부하를 ON 또는 OFF로 제어하는 데 사용됩니다. 그러나 부하를 끄기 전에 부하 전류를 감지하는 것이 중요합니다. 이는 2 와트 정격의 1 옴 션트 저항 인 션트 저항 R1 을 사용하여 수행됩니다. 이 전류 측정 방법을 Shunt Resistor Current Sensing 이라고하며 과전류를 감지하는 데 사용할 수있는 다른 전류 감지 방법도 확인할 수 있습니다.
MOSFET이 ON 상태 인 동안 부하 전류는 MOSFET의 드레인을 통해 소스로 흐르고 마지막으로 션트 저항을 통해 GND로 흐릅니다. 부하 전류에 따라 션트 저항기는 옴 법칙을 사용하여 계산할 수있는 전압 강하를 생성합니다. 따라서 1A의 전류 흐름 (부하 전류)에 대해 션트 저항의 전압 강하는 V = I x R (V = 1A x 1 Ohm)이므로 1V라고 가정합니다. 따라서이 강하 전압을 Op-Amp를 사용하여 미리 정의 된 전압과 비교하면 과전류 를 감지 하고 MOSFET의 상태를 변경하여 부하를 차단할 수 있습니다.
연산 증폭기는 일반적으로 더하기, 빼기, 곱하기 등과 같은 수학적 연산을 수행하는 데 사용됩니다. 따라서이 회로에서 연산 증폭기 LM358은 비교기로 구성됩니다. 회로도에 따라 비교기는 두 값을 비교합니다. 첫 번째는 션트 저항의 강하 전압이고 다른 하나는 가변 저항 또는 전위차계 RV1을 사용하는 사전 정의 된 전압 (기준 전압)입니다. RV1은 전압 분배기 역할을합니다. 션트 저항기 양단의 강하 전압은 비교기의 반전 단자에 의해 감지되며 연산 증폭기의 비 반전 단자에 연결된 전압 레퍼런스와 비교됩니다.
이로 인해 감지 된 전압이 기준 전압보다 작 으면 비교기는 비교기의 VCC에 가까운 출력 양단에 양의 전압을 생성합니다. 그러나 감지 된 전압이 기준 전압보다 크면 비교기는 출력에서 음의 공급 전압을 생성합니다 (음의 공급은 GND에 연결되므로이 경우 0V). 이 전압은 MOSFET을 켜거나 끄는 데 충분합니다.
과도 응답 / 안정성 문제 처리
그러나 고부하가 전원에서 분리되면 과도 변화로 인해 비교기 전체에 선형 영역이 생성되고 비교기가 부하를 제대로 켜거나 끌 수없고 연산 증폭기가 불안정 해지는 루프가 생성 됩니다. 예를 들어, MOSFET을 OFF 상태로 트리거하기 위해 전위차계를 사용하여 1A가 설정되었다고 가정 해 보겠습니다. 따라서 가변 저항은 1V 출력으로 설정됩니다. 상황에서 비교기가 션트 저항의 전압 강하가 1.01V임을 감지하면 (이 전압은 연산 증폭기 또는 비교기 정확도 및 기타 요인에 따라 다름) 비교기가 부하를 차단합니다. 일시적인 변화 고부하가 전원 공급 장치에서 갑자기 분리 될 때 발생하며이 과도 상태는 전압 레퍼런스를 증가시켜 비교기 전체에서 불량한 결과를 유발하고 선형 영역에서 작동하도록합니다.
이 문제를 극복하는 가장 좋은 방법은 과도 변화가 비교기의 입력 전압과 전압 기준에 영향을 미치지 않는 비교기 전체에 안정적인 전력을 사용하는 것입니다. 뿐만 아니라 비교기에 추가적인 방법 히스테리시스를 추가해야합니다. 이 회로에서 이것은 선형 레귤레이터 LM7809와 100k 저항 인 히스테리시스 저항 R4 를 사용하여 수행됩니다. LM7809는 전력선에서 일시적인 변화가 비교기에 영향을 미치지 않도록 비교기에 적절한 전압을 제공합니다. C1, 100uF 커패시터는 출력 전압을 필터링하는 데 사용됩니다.
히스테리시스 저항 R4는 연산 증폭기의 출력에 입력의 작은 부분을 공급하여 비교기가 출력 상태를 변경하는 낮은 임계 값 (0.99V)과 높은 임계 값 (1.01V) 사이에 전압 갭을 생성합니다. 비교기는 임계점이 충족되면 상태를 즉시 변경하지 않습니다. 대신 상태를 높음에서 낮음으로 변경하려면 감지 된 전압 수준이 낮은 임계 값보다 낮아야합니다 (예: 0.99V 대신 0.97V). 또는 상태를 낮음에서 높음으로 변경하려면 감지 된 전압이 높은 임계 값 (1.01 대신 1.03)보다 높아야합니다. 이것은 비교기의 안정성을 높이고 잘못된 트립을 줄입니다. 이 저항 이외에 R2와 R3은 게이트 제어에 사용됩니다. R3은 MOSFET의 게이트 풀다운 저항입니다.
과전류 보호 회로 테스트
회로는 브레드 보드로 구성되며 가변 DC 부하와 함께 벤치 전원 공급 장치를 사용하여 테스트됩니다.
회로가 테스트되고 출력이 가변 저항에 의해 설정된 다른 값에서 성공적으로 분리되는 것으로 관찰되었습니다. 이 페이지 하단에 제공된 비디오 는 작동중인 과전류 보호 테스트 의 완전한 데모를 보여줍니다.
과전류 보호 설계 팁
- 출력에 대한 RC 스 너버 회로는 EMI를 향상시킬 수 있습니다.
- 필요한 애플리케이션에 더 큰 방열판과 특정 MOSFET을 사용할 수 있습니다.
- 잘 구성된 PCB는 회로의 안정성을 향상시킵니다.
- 부하 전류에 따라 전력 법칙 (P = I 2 R)에 따라 션트 저항 와트를 조정해야합니다.
- 밀리 옴 정격의 매우 낮은 값의 저항은 소형 패키지에 사용할 수 있지만 전압 강하는 더 적습니다. 전압 강하를 보상하기 위해 적절한 이득을 가진 추가 증폭기를 사용할 수 있습니다.
- 정확한 전류 감지 관련 문제를 위해 전용 전류 감지 증폭기를 사용하는 것이 좋습니다.
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