Protection contre les surintensités utilisant op

Les circuits de protection sont essentiels au succès de toute conception électronique. Dans nos précédents tutoriels sur les circuits de protection, nous avons conçu de nombreux circuits de protection de base qui peuvent être adaptés à votre circuit, à savoir, protection contre les surtensions, protection contre les courts-circuits, protection contre l'inversion de polarité, etc. En ajoutant à cette liste de circuits, dans cet article, nous apprendra comment concevoir et construire un circuit simple pour la protection contre les surintensités en utilisant Op-Amp.

La protection contre les surintensités est souvent utilisée dans les circuits d'alimentation pour limiter le courant de sortie d'un bloc d'alimentation. Le terme «surintensité» est une condition lorsque la charge consomme un courant supérieur aux capacités spécifiées du bloc d'alimentation. Cela peut être une situation dangereuse car une condition de surintensité pourrait endommager l'alimentation électrique. Ainsi, les ingénieurs utilisent normalement un circuit de protection contre les surintensités pour couper la charge de l'alimentation pendant de tels scénarios de défaut, protégeant ainsi la charge et l'alimentation.

Protection contre les surintensités à l'aide d'un amplificateur opérationnel

Il existe de nombreux types de circuits de protection contre les surintensités; la complexité du circuit dépend de la vitesse à laquelle le circuit de protection doit réagir lors d'une situation de surintensité. Dans ce projet, nous allons construire un simple circuit de protection contre les surintensités en utilisant un ampli-op qui est très couramment utilisé et peut être facilement adapté à vos conceptions.

Le circuit que nous sommes sur le point de concevoir aura une valeur de seuil de surintensité réglable et aura également une fonction de redémarrage automatique en cas de panne. Comme il s'agit d'un circuit de protection contre les surintensités basé sur un ampli opérationnel, il aura un ampli opérationnel comme unité de commande. Pour ce projet, un amplificateur opérationnel général LM358 est utilisé. Dans l'image ci-dessous, le diagramme des broches du LM358 est affiché.

Comme le montre l'image ci-dessus, à l'intérieur d'un seul package IC, nous aurons deux canaux d'amplification opérationnelle. Cependant, un seul canal est utilisé pour ce projet. L'ampli opérationnel commutera (déconnectera) la charge de sortie à l'aide d'un MOSFET. Pour ce projet, un MOSFET IRF540N à canal N est utilisé. Il est recommandé d'utiliser un dissipateur thermique MOSFET approprié si le courant de charge est supérieur à 500 mA. Cependant, pour ce projet, le MOSFET est utilisé sans dissipateur thermique. L'image ci-dessous est la représentation du diagramme de brochage de l' IRF540N.

Pour alimenter l'ampli-op et les circuits, le régulateur de tension linéaire LM7809 est utilisé. Il s'agit d'un régulateur de tension linéaire 9V 1A avec une large tension d'entrée. Le brochage peut être vu dans l'image ci-dessous

Matériaux nécessaires:

Une liste des composants requis pour le circuit de protection contre les surintensités est indiquée ci-dessous.

1. Planche à pain
2. Une alimentation 12V (minimum) ou selon la tension est requise.
3. LM358
4. 100uF 25V
5. IRF540N
6. Dissipateur thermique (selon les exigences de l'application)
7. Pot de garniture 50k.
8. Résistance 1k avec 1% de tolérance
9. Résistance 1Meg
10. Résistance 100k avec une tolérance de 1%.
11. Résistance 1 ohms, 2 W (2 W maximum de courant de charge de 1,25 A)
12. Fils pour planche à pain

Circuit de protection contre les surintensités

Un simple circuit de protection contre les surintensités peut être conçu en utilisant un ampli-op pour détecter la surintensité et en fonction du résultat, nous pouvons piloter un Mosfet pour déconnecter / connecter la charge à l'alimentation. Le schéma de circuit pour le même est simple et peut être vu dans l'image ci-dessous

Circuit de protection contre les surintensités fonctionnant

Comme vous pouvez l'observer sur le schéma de circuit, le MOSFET IRF540N est utilisé pour contrôler la charge comme ON ou OFF pendant les conditions normales et de surcharge. Mais avant d'éteindre la charge, il est essentiel de détecter le courant de charge. Cela se fait en utilisant une résistance shunt R1, qui est une résistance shunt de 1 Ohm avec une puissance de 2 watts. Cette méthode de mesure du courant est appelée détection de courant de résistance shunt, vous pouvez également vérifier d'autres méthodes de détection de courant qui peuvent également être utilisées pour détecter les surintensités.

Pendant l'état ON du MOSFET, le courant de charge circule à travers le drain du MOSFET vers la source et enfin vers le GND via la résistance shunt. En fonction du courant de charge, la résistance shunt produit une chute de tension qui peut être calculée à l'aide de la loi d'Ohm. Par conséquent, supposons que, pour 1A de flux de courant (courant de charge), la chute de tension aux bornes de la résistance shunt est de 1V car V = I x R (V = 1A x 1 Ohm). Ainsi, si cette tension de chute est comparée à une tension prédéfinie à l'aide d'un ampli-op, nous pouvons détecter une surintensité et changer l'état du MOSFET pour couper la charge.

L'amplificateur opérationnel est couramment utilisé pour effectuer des opérations mathématiques telles que l'addition, la soustraction, la multiplication, etc. Par conséquent, dans ce circuit, l'amplificateur opérationnel LM358 est configuré en tant que comparateur. Selon le schéma, le comparateur compare deux valeurs. Le premier est la tension de chute aux bornes de la résistance shunt et un autre est la tension prédéfinie (tension de référence) à l'aide d'une résistance variable ou d'un potentiomètre RV1. RV1 agit comme un diviseur de tension. La tension de chute aux bornes de la résistance shunt est détectée par la borne inverseuse du comparateur et elle est comparée à la référence de tension qui est connectée dans la borne non inverseuse de l'amplificateur opérationnel.

Pour cette raison, si la tension détectée est inférieure à la tension de référence, le comparateur produira une tension positive aux bornes de la sortie qui est proche du VCC du comparateur. Mais, si la tension détectée est supérieure à la tension de référence, le comparateur produira une tension d'alimentation négative à travers la sortie (une alimentation négative est connectée à travers le GND, donc 0V dans ce cas). Cette tension est suffisante pour activer ou désactiver un MOSFET.

Traiter le problème de réponse transitoire / stabilité

Mais lorsque la charge élevée sera déconnectée de l'alimentation, les changements transitoires créeront une région linéaire à travers le comparateur et cela créera une boucle où le comparateur ne pourra pas allumer ou éteindre correctement la charge et l' ampli opérationnel deviendra instable. Par exemple, supposons que 1A soit réglé à l'aide du potentiomètre pour déclencher le MOSFET dans la condition OFF. Par conséquent, la résistance variable est réglée pour une sortie 1V. Dans une situation, lorsque le comparateur détecte que la chute de tension à travers la résistance shunt est de 1,01 V (cette tension dépend de la précision de l'amplificateur opérationnel ou du comparateur et d'autres facteurs), le comparateur déconnecte la charge. Changements transitoires se produisent lorsqu'une charge élevée est soudainement déconnectée de l'unité d'alimentation et que ce transitoire augmente la référence de tension, ce qui provoque de mauvais résultats à travers le comparateur et le force à fonctionner dans une région linéaire.

La meilleure façon de surmonter ce problème est d'utiliser une puissance stable aux bornes du comparateur où les changements transitoires n'affectent pas la tension d'entrée du comparateur et la référence de tension. Non seulement cela, une hystérésis de méthode supplémentaire doit être ajoutée dans le comparateur. Dans ce circuit, cela est fait par le régulateur linéaire LM7809 et en utilisant une résistance d'hystérésis R4, une résistance de 100k. Le LM7809 fournit une tension appropriée aux bornes du comparateur de sorte que les changements transitoires sur la ligne électrique n'affectent pas le comparateur. C1, le condensateur 100uF est utilisé pour filtrer la tension de sortie.

La résistance d'hystérésis R4 alimente une petite partie de l'entrée aux bornes de la sortie de l'amplificateur opérationnel, ce qui crée un écart de tension entre le seuil bas (0,99 V) et le seuil haut (1,01 V) où le comparateur change son état de sortie. Le comparateur ne change pas l'état immédiatement si le seuil est atteint, au lieu de cela, pour changer l'état de haut en bas, le niveau de tension détecté doit être inférieur au seuil bas (par exemple 0,97 V au lieu de 0,99 V) ou pour changer l'état de bas en haut, la tension détectée doit être supérieure au seuil haut (1,03 au lieu de 1,01). Cela augmentera la stabilité du comparateur et réduira les faux déclenchements. En dehors de cette résistance, R2 et R3 sont utilisés pour contrôler la grille. R3 est la résistance pull-down Gate du MOSFET.

Test du circuit de protection contre les surintensités

Le circuit est construit dans une maquette et testé à l'aide d'une alimentation de banc avec une charge CC variable.

Le circuit est testé et on a observé que la sortie réussissait à se déconnecter à différentes valeurs définies par la résistance variable. La vidéo fournie au bas de cette page montre une démonstration complète des tests de protection contre les surintensités en action.

Conseils de conception de protection contre les surintensités

• Le circuit d'amortissement RC à travers la sortie pourrait améliorer l'EMI.
• Un dissipateur thermique plus grand et un MOSFET spécifique peuvent être utilisés pour l'application requise.
• Un PCB bien construit améliorera la stabilité du circuit.
• La puissance de la résistance shunt doit être ajustée conformément à la loi de puissance (P = I ² R) en fonction du courant de charge.
• Une résistance de très faible valeur en milli-ohms peut être utilisée pour un petit boîtier, mais la chute de tension sera moindre. Pour compenser la chute de tension, un amplificateur supplémentaire avec un gain approprié peut être utilisé.
• Il est conseillé d'utiliser un amplificateur de détection de courant dédié pour les problèmes de détection de courant précis.

J'espère que vous avez compris le didacticiel et que vous avez aimé en apprendre quelque chose d'utile. Si vous avez des questions, veuillez les laisser dans les sections de commentaires ou utiliser les forums pour d'autres questions techniques.