Proteção de sobrecorrente usando op

Os circuitos de proteção são vitais para o sucesso de qualquer projeto eletrônico. Em nossos tutoriais de circuito de proteção anteriores, projetamos muitos circuitos de proteção básicos que podem ser adaptados em seu circuito, a saber, proteção contra sobretensão, proteção contra curto-circuito, proteção de polaridade reversa, etc. Adicionando a esta lista de circuitos, neste artigo, nós aprenderá como projetar e construir um circuito simples para proteção de sobrecorrente usando Op-Amp.

A proteção de sobrecorrente é freqüentemente usada em circuitos de fonte de alimentação para limitar a corrente de saída de uma PSU. O termo “sobrecorrente” é uma condição em que a carga extrai uma corrente maior do que as capacidades especificadas da unidade de fonte de alimentação. Esta pode ser uma situação perigosa, pois uma condição de sobrecorrente pode danificar a fonte de alimentação. Portanto, os engenheiros normalmente usam um circuito de proteção de sobrecorrente para cortar a carga da fonte de alimentação durante esses cenários de falha, protegendo assim a carga e a fonte de alimentação.

Proteção de sobrecorrente usando amplificador operacional

Existem muitos tipos de circuitos de proteção de sobrecorrente; a complexidade do circuito depende de quão rápido o circuito de proteção deve reagir durante uma situação de sobrecorrente. Neste projeto, construiremos um circuito simples de proteção de sobrecorrente usando um amplificador operacional que é muito comumente usado e pode ser facilmente adaptado para seus projetos.

O circuito que estamos prestes a projetar terá um valor de limite de sobrecorrente ajustável e também terá um recurso de reinicialização automática em caso de falha. Como este é um circuito de proteção de sobrecorrente baseado em amplificador operacional, ele terá um amplificador operacional como unidade de acionamento. Para este projeto, um amplificador operacional de uso geral LM358 é usado. Na imagem abaixo, o diagrama de pinos do LM358 é mostrado.

Como pode ser visto na imagem acima, dentro de um único pacote de IC teremos dois canais op-amp. No entanto, apenas um único canal é usado para este projeto. O op-amp alternará (desconectará) a carga de saída usando um MOSFET. Para este projeto, um canal N MOSFET IRF540N é usado. Recomenda-se usar o dissipador de calor MOSFET adequado se a corrente de carga for maior que 500mA. No entanto, para este projeto, o MOSFET é usado sem um dissipador de calor. A imagem abaixo é a representação do diagrama de pinagem IRF540N.

Para alimentar o amplificador operacional e os circuitos, o regulador de tensão linear LM7809 é usado. Este é um regulador de tensão linear 9V 1A com uma ampla classificação de tensão de entrada. A pinagem pode ser vista na imagem abaixo

Materiais requisitados:

Uma lista de componentes necessários para o circuito de proteção de sobrecorrente está listada abaixo.

Tábua de pão
Fonte de alimentação 12V (mínimo) ou conforme a tensão é necessária.
LM358
100uF 25V
IRF540N
Dissipador de calor (de acordo com os requisitos do aplicativo)
Pote de acabamento de 50k.
Resistor de 1k com tolerância de 1%
1Meg resistor
Resistor de 100k com tolerância de 1%.
Resistor de 1 ohms, 2W (2W máximo de corrente de carga de 1,25A)
Fios para placa de ensaio

Circuito de proteção de sobrecorrente

Um circuito de proteção de sobrecorrente simples pode ser projetado usando um Op-Amp para detectar a sobrecorrente e, com base no resultado, podemos acionar um Mosfet para desconectar / conectar a carga com a fonte de alimentação. O diagrama do circuito para o mesmo é simples e pode ser visto na imagem abaixo

Circuito de proteção de sobrecorrente funcionando

Como você pode observar no diagrama de circuito, o MOSFET IRF540N é usado para controlar a carga como ON ou OFF durante a condição normal e de sobrecarga. Mas antes de desligar a carga, é essencial detectar a corrente da carga. Isso é feito usando um resistor shunt R1, que é um resistor shunt de 1 Ohm com uma classificação de 2 Watt. Este método de medição de corrente é chamado de detecção de corrente do resistor de derivação, você também pode verificar outros métodos de detecção de corrente que também podem ser usados para detectar sobrecorrente.

Durante o estado LIGADO do MOSFET, a corrente de carga flui através do dreno do MOSFET para a fonte e, finalmente, para o GND através do resistor shunt. Dependendo da corrente de carga, o resistor de shunt produz uma queda de tensão que pode ser calculada usando a lei de Ohms. Portanto, vamos supor que, para 1A de fluxo de corrente (corrente de carga), a queda de tensão no resistor de shunt é de 1V, pois V = I x R (V = 1A x 1 Ohm). Portanto, se essa queda de tensão for comparada com uma tensão predefinida usando um Op-Amp, podemos detectar sobrecorrente e alterar o estado do MOSFET para cortar a carga.

O amplificador operacional é comumente usado para realizar operações matemáticas como adição, subtração, multiplicação, etc. Portanto, neste circuito, o amplificador operacional LM358 é configurado como um comparador. De acordo com o esquema, o comparador compara dois valores. O primeiro é a queda de tensão através do resistor de derivação e outro é a tensão predefinida (tensão de referência) usando um resistor variável ou potenciômetro RV1. RV1 atua como um divisor de tensão. A queda de tensão através do resistor de shunt é detectada pelo terminal inversor do comparador e é comparada com a referência de tensão conectada no terminal não inversor do amplificador operacional.

Devido a isso, se a tensão detectada for menor que a tensão de referência, o comparador produzirá uma tensão positiva na saída que está próxima ao VCC do comparador. Mas, se a tensão detectada for maior do que a tensão de referência, o comparador produzirá tensão de alimentação negativa na saída (a alimentação negativa é conectada no GND, então 0 V neste caso). Esta tensão é suficiente para ligar ou desligar um MOSFET.

Lidando com o problema de resposta / estabilidade transitória

Mas quando a carga alta for desconectada da alimentação, as mudanças transitórias criarão uma região linear no comparador e isso criará um loop onde o comparador não poderá LIGAR ou DESLIGAR a carga corretamente e o amp op se tornará instável. Por exemplo, vamos supor que 1A é definido usando o potenciômetro para acionar o MOSFET na condição OFF. Portanto, o resistor variável é definido para uma saída de 1V. Durante uma situação, quando o comparador detecta que a queda de tensão no resistor de shunt é de 1,01 V (esta tensão depende do amplificador operacional ou da precisão do comparador e outros fatores), o comparador desconectará a carga. Mudanças transitórias ocorrem quando uma carga alta é repentinamente desconectada da unidade de fonte de alimentação e este transiente aumenta a referência de tensão, o que atrai resultados ruins no comparador e o força a operar em uma região linear.

A melhor maneira de superar esse problema é usar uma alimentação estável no comparador, onde as mudanças transitórias não afetam a tensão de entrada do comparador e a referência de tensão. Além disso, a histerese do método adicional precisa ser adicionada ao comparador. Neste circuito, isso é feito pelo regulador linear LM7809 e usando um resistor de histerese R4, um resistor de 100k. O LM7809 fornece uma tensão adequada no comparador de modo que as mudanças transitórias na linha de alimentação não afetem o comparador. C1, o capacitor de 100uF é usado para filtrar a tensão de saída.

O resistor de histerese R4 alimenta uma pequena porção da entrada através da saída do op-amp, que cria uma lacuna de tensão entre o limite baixo (0,99 V) e o limite alto (1,01 V), onde o comparador muda seu estado de saída. O comparador não muda o estado imediatamente se o ponto limite for atingido, em vez disso, para mudar o estado de alto para baixo, o nível de tensão detectado precisa ser inferior ao limite baixo (por exemplo, 0,97 V em vez de 0,99 V) ou para mudar o estado de baixo para alto, a tensão detectada precisa ser maior do que o limite alto (1,03 em vez de 1,01). Isso aumentará a estabilidade do comparador e reduzirá o disparo falso. Além deste resistor, R2 e R3 são usados para controlar a porta. R3 é o resistor pull-down Gate do MOSFET.

Teste de circuito de proteção de sobrecorrente

O circuito é construído em uma placa de ensaio e testado usando fonte de alimentação de bancada junto com uma carga DC variável.

O circuito é testado e a saída foi desconectada com sucesso em diferentes valores definidos pelo resistor variável. O vídeo fornecido na parte inferior desta página mostra uma demonstração completa dos testes de proteção contra sobrecorrente em ação.

Dicas de design de proteção de sobrecorrente

O circuito de amortecimento RC na saída pode melhorar o EMI.
Dissipador de calor maior e MOSFET específico podem ser usados para a aplicação necessária.
Uma placa de circuito impresso bem construída melhora a estabilidade do circuito.
A potência do resistor de derivação deve ser ajustada de acordo com a lei de potência (P = I ² R) dependendo da corrente de carga.
O resistor de valor muito baixo na classificação de mili-ohms pode ser usado para um pacote pequeno, mas a queda de tensão será menor. Para compensar com a queda de tensão, um amplificador adicional com ganho adequado pode ser usado.
É aconselhável usar um amplificador de detecção de corrente dedicado para problemas relacionados à detecção de corrente precisa.

Espero que você tenha entendido o tutorial e gostado de aprender algo útil com ele. Se você tiver alguma dúvida, deixe-a nas seções de comentários ou use os fóruns para outras questões técnicas.