Protección contra sobrecorriente usando op

Los circuitos de protección son vitales para que cualquier diseño electrónico tenga éxito. En nuestros tutoriales de circuitos de protección anteriores, hemos diseñado muchos circuitos de protección básicos que se pueden adaptar a su circuito, a saber, protección contra sobretensión, protección contra cortocircuitos, protección contra polaridad inversa, etc. Añadiendo a esta lista de circuitos, en este artículo, Aprenderá a diseñar y construir un circuito simple para protección contra sobrecorriente usando Op-Amp.

La protección contra sobrecorriente se usa a menudo en circuitos de suministro de energía para limitar la corriente de salida de una fuente de alimentación. El término "Sobrecorriente" es una condición cuando la carga consume una corriente mayor que la capacidad especificada de la unidad de fuente de alimentación. Esta puede ser una situación peligrosa ya que una condición de sobrecorriente podría dañar la fuente de alimentación. Por lo tanto, los ingenieros normalmente usan un circuito de protección contra sobrecorriente para cortar la carga de la fuente de alimentación durante tales escenarios de falla, protegiendo así la carga y la fuente de alimentación.

Protección contra sobrecorriente mediante amplificador operacional

Hay muchos tipos de circuitos de protección contra sobrecorriente; la complejidad del circuito depende de qué tan rápido debe reaccionar el circuito de protección durante una situación de sobrecorriente. En este proyecto, construiremos un circuito de protección contra sobrecorriente simple utilizando un amplificador operacional que se usa con mucha frecuencia y que se puede adaptar fácilmente a sus diseños.

El circuito que estamos a punto de diseñar tendrá un valor de umbral de sobrecorriente ajustable y también tendrá una función de reinicio automático en caso de falla. Como este es un circuito de protección contra sobrecorriente basado en amplificador operacional, tendrá un amplificador operacional como unidad de conducción. Para este proyecto, se utiliza un amplificador operacional de uso general LM358. En la siguiente imagen, se muestra el diagrama de pines del LM358.

Como se ve en la imagen de arriba, dentro de un solo paquete de IC tendremos dos canales de amplificador operacional. Sin embargo, solo se utiliza un canal para este proyecto. El amplificador operacional cambiará (desconectará) la carga de salida usando un MOSFET. Para este proyecto, se utiliza un MOSFET IRF540N de canal N. Se recomienda utilizar el disipador de calor MOSFET adecuado si la corriente de carga es superior a 500 mA. Sin embargo, para este proyecto, el MOSFET se usa sin un disipador de calor. La siguiente imagen es la representación del diagrama de distribución del IRF540N.

Para alimentar el amplificador operacional y los circuitos, se utiliza el regulador de voltaje lineal LM7809. Este es un regulador de voltaje lineal de 9V 1A con una amplia clasificación de voltaje de entrada. El pinout se puede ver en la imagen de abajo

Materiales necesarios:

A continuación se incluye una lista de los componentes necesarios para el circuito de protección contra sobrecorriente.

1. Tablero de circuitos
2. Se requiere fuente de alimentación de 12V (mínimo) o según el voltaje.
3. LM358
4. 100uF 25V
5. IRF540N
6. Disipador de calor (según el requisito de la aplicación)
7. Olla de ajuste 50k.
8. Resistencia de 1k con tolerancia del 1%
9. Resistencia de 1Meg
10. Resistencia de 100k con tolerancia del 1%.
11. Resistencia de 1 ohmios, 2 W (2 W máximo de corriente de carga de 1,25 A)
12. Alambres para protoboard

Circuito de protección contra sobrecorriente

Se puede diseñar un circuito de protección de sobrecorriente simple utilizando un amplificador operacional para detectar la sobrecorriente y, en función del resultado, podemos conducir un Mosfet para desconectar / conectar la carga con la fuente de alimentación. El diagrama de circuito para el mismo es simple y se puede ver en la imagen de abajo.

Funcionamiento del circuito de protección contra sobrecorriente

Como puede observar en el diagrama del circuito, el MOSFET IRF540N se usa para controlar la carga como ENCENDIDA o APAGADA durante la condición normal y de sobrecarga. Pero antes de apagar la carga, es fundamental detectar la corriente de carga. Esto se hace usando una resistencia de derivación R1, que es una resistencia de derivación de 1 ohmio con una clasificación de 2 vatios. Este método de medición de corriente se llama detección de corriente de resistencia de derivación, también puede verificar otros métodos de detección de corriente que también se pueden usar para detectar sobrecorriente.

Durante el estado ON del MOSFET, la corriente de carga fluye a través del drenaje del MOSFET a la fuente y finalmente al GND a través de la resistencia de derivación. Dependiendo de la corriente de carga, la resistencia de derivación produce una caída de voltaje que se puede calcular usando la ley de Ohm. Por lo tanto, supongamos que para 1A de flujo de corriente (corriente de carga), la caída de voltaje a través de la resistencia de derivación es 1V como V = I x R (V = 1A x 1 Ohm). Entonces, si esta caída de voltaje se compara con un voltaje predefinido usando un amplificador operacional, podemos detectar sobrecorriente y cambiar el estado del MOSFET para cortar la carga.

El amplificador operacional se usa comúnmente para realizar operaciones matemáticas como sumar, restar, multiplicar, etc. Por lo tanto, en este circuito, el amplificador operacional LM358 se configura como un comparador. Según el esquema, el comparador compara dos valores. El primero es la caída de voltaje a través de la resistencia de derivación y otro es el voltaje predefinido (voltaje de referencia) usando una resistencia variable o potenciómetro RV1. RV1 actúa como divisor de voltaje. La caída de voltaje a través de la resistencia en derivación es detectada por el terminal inversor del comparador y se compara con la referencia de voltaje que está conectada en el terminal no inversor del amplificador operacional.

Debido a esto, si el voltaje detectado es menor que el voltaje de referencia, el comparador producirá un voltaje positivo en la salida que está cerca del VCC del comparador. Pero, si el voltaje detectado es mayor que el voltaje de referencia, el comparador producirá un voltaje de suministro negativo a través de la salida (el suministro negativo está conectado a través de GND, por lo que 0 V en este caso). Este voltaje es suficiente para encender o apagar un MOSFET.

Manejo del problema de estabilidad / respuesta transitoria

Pero cuando la carga alta se desconecte del suministro, los cambios transitorios crearán una región lineal a través del comparador y esto creará un bucle donde el comparador no podría encender o apagar la carga correctamente y el amplificador operacional se volverá inestable. Por ejemplo, supongamos que 1A se establece usando el potenciómetro para activar el MOSFET en la condición de APAGADO. Por lo tanto, la resistencia variable está configurada para una salida de 1V. Durante una situación, cuando el comparador detecta que la caída de voltaje a través de la resistencia de derivación es de 1.01V (este voltaje depende de la precisión del amplificador operacional o del comparador y otros factores), el comparador desconectará la carga. Cambios transitorios ocurren cuando una carga alta se desconecta repentinamente de la unidad de suministro de energía y este transitorio aumenta la referencia de voltaje, lo que invita a obtener resultados pobres en el comparador y lo obliga a operar en una región lineal.

La mejor manera de superar este problema es usar una potencia estable en el comparador donde los cambios transitorios no afecten el voltaje de entrada del comparador y el voltaje de referencia. No solo esto, es necesario agregar histéresis de método adicional en el comparador. En este circuito, esto se realiza mediante el regulador lineal LM7809 y utilizando una resistencia de histéresis R4, una resistencia de 100k. El LM7809 proporciona un voltaje adecuado a través del comparador para que los cambios transitorios en la línea de alimentación no afecten al comparador. C1, el condensador de 100 uF se utiliza para filtrar el voltaje de salida.

La resistencia de histéresis R4 alimenta una pequeña parte de la entrada a través de la salida del amplificador operacional, lo que crea una brecha de voltaje entre el umbral bajo (0,99 V) y el umbral alto (1,01 V) donde el comparador cambia su estado de salida. El comparador no cambia el estado inmediatamente si se alcanza el punto de umbral, en lugar de eso, para cambiar el estado de alto a bajo, el nivel de voltaje detectado debe ser más bajo que el umbral bajo (por ejemplo, 0.97V en lugar de 0.99V) o para cambiar el estado de bajo a alto, el voltaje detectado debe ser mayor que el umbral alto (1.03 en lugar de 1.01). Esto aumentará la estabilidad del comparador y reducirá los disparos en falso. Aparte de esta resistencia, R2 y R3 se utilizan para controlar la puerta. R3 es la resistencia desplegable Gate del MOSFET.

Prueba del circuito de protección contra sobrecorriente

El circuito se construye en una placa de pruebas y se prueba utilizando una fuente de alimentación de banco junto con una carga de CC variable.

Se prueba el circuito y se observó que la salida se desconectaba con éxito en diferentes valores establecidos por la resistencia variable. El video que se proporciona al final de esta página muestra una demostración completa de las pruebas de protección contra sobrecorriente en acción.

Consejos de diseño de protección contra sobrecorriente

• El circuito amortiguador RC a través de la salida podría mejorar la EMI.
• Se puede utilizar un disipador de calor más grande y un MOSFET específico para la aplicación requerida.
• Un PCB bien construido mejorará la estabilidad del circuito.
• El vataje de la resistencia de derivación debe ajustarse según la ley de potencia (P = I ² R) dependiendo de la corriente de carga.
• Se puede usar una resistencia de valor muy bajo en mili-ohmios para un paquete pequeño, pero la caída de voltaje será menor. Para compensar la caída de voltaje, se puede usar un amplificador adicional con la ganancia adecuada.
• Es aconsejable utilizar un amplificador de detección de corriente dedicado para problemas relacionados con la detección de corriente precisa.

Espero que hayas entendido el tutorial y hayas disfrutado aprendiendo algo útil de él. Si tiene alguna pregunta, déjela en las secciones de comentarios o utilice los foros para otras preguntas técnicas.