- Perlindungan Arus Lebih menggunakan Penguat Operasional
- Bahan yang Dibutuhkan:
- Sirkuit Perlindungan Arus Lebih
- Sirkuit Perlindungan Arus Lebih Bekerja
- Mengatasi masalah respons / stabilitas sementara
- Pengujian Sirkuit Perlindungan Arus Lebih
- Tip Desain Perlindungan Arus Lebih
Sirkuit pelindung sangat penting agar desain elektronik berhasil. Pada tutorial rangkaian proteksi kami sebelumnya, kami telah merancang banyak rangkaian proteksi dasar yang dapat disesuaikan dengan rangkaian Anda, yaitu, Proteksi Tegangan Lebih, Proteksi Sirkuit Pendek, proteksi polaritas terbalik, dll. Menambah daftar rangkaian ini, pada artikel ini, kita akan belajar bagaimana merancang dan membangun sirkuit sederhana untuk proteksi arus berlebih menggunakan Op-Amp.
Proteksi arus berlebih sering digunakan di sirkuit catu daya untuk membatasi arus keluaran PSU. Istilah “Arus Lebih” adalah suatu kondisi ketika beban menarik arus yang besar daripada kemampuan yang ditentukan dari unit catu daya. Ini bisa menjadi situasi berbahaya karena kondisi arus berlebih dapat merusak catu daya. Jadi para insinyur biasanya menggunakan sirkuit perlindungan arus berlebih untuk memotong beban dari catu daya selama skenario gangguan tersebut sehingga melindungi beban dan catu daya.
Perlindungan Arus Lebih menggunakan Penguat Operasional
Ada banyak jenis sirkuit proteksi arus berlebih; kompleksitas rangkaian tergantung pada seberapa cepat rangkaian proteksi harus bereaksi selama situasi arus berlebih. Dalam proyek ini, kami akan membangun sirkuit proteksi arus berlebih sederhana menggunakan op-amp yang sangat umum digunakan dan dapat dengan mudah disesuaikan dengan desain Anda.
Sirkuit yang akan kita desain akan memiliki nilai ambang arus lebih yang dapat disesuaikan dan juga akan memiliki fitur Mulai ulang otomatis saat gagal. Karena ini adalah rangkaian proteksi arus lebih berbasis op-amp, ia akan memiliki op-amp sebagai unit penggeraknya. Untuk proyek ini, penguat operasional tujuan umum LM358 digunakan. Pada gambar di bawah ini, diagram pin LM358 ditampilkan.
Seperti yang terlihat pada gambar di atas, di dalam satu paket IC kita akan memiliki dua saluran op-amp. Namun, hanya satu saluran yang digunakan untuk proyek ini. Op-amp akan mengalihkan (memutuskan) beban keluaran menggunakan MOSFET. Untuk proyek ini, saluran N MOSFET IRF540N digunakan. Direkomendasikan untuk menggunakan MOSFET Heatsink yang tepat jika arus beban lebih besar dari 500mA. Namun, untuk proyek ini, MOSFET digunakan tanpa Heatsink. Gambar di bawah ini adalah representasi dari diagram pinout IRF540N.
Untuk menyalakan op-amp dan sirkuit, digunakan regulator tegangan linier LM7809. Ini adalah regulator tegangan linier 9V 1A dengan peringkat tegangan input yang lebar. Pinout dapat dilihat pada gambar di bawah ini
Bahan yang Dibutuhkan:
Daftar komponen yang diperlukan untuk rangkaian proteksi arus berlebih tercantum di bawah ini.
- Papan tempat memotong roti
- Catu daya 12V (minimum) atau sesuai tegangan yang dibutuhkan.
- LM358
- 100uF 25V
- IRF540N
- Heatsink (sesuai kebutuhan aplikasi)
- Pot trim 50k.
- Resistor 1k dengan toleransi 1%
- Resistor 1Meg
- Resistor 100k dengan toleransi 1%.
- 1ohms resistor, 2W (2W maksimum arus beban 1,25A)
- Kabel untuk papan tempat memotong roti
Sirkuit Perlindungan Arus Lebih
Sirkuit proteksi arus lebih sederhana dapat dirancang dengan menggunakan Op-Amp untuk merasakan arus lebih dan berdasarkan hasilnya kita dapat menggerakkan MOSFET untuk memutuskan / menghubungkan beban dengan catu daya. Diagram rangkaian untuk hal yang sama sederhana dan dapat dilihat pada gambar di bawah ini
Sirkuit Perlindungan Arus Lebih Bekerja
Seperti yang dapat Anda amati dari diagram rangkaian, MOSFET IRF540N digunakan untuk mengontrol beban sebagai ON atau OFF selama kondisi normal dan kelebihan beban. Tetapi sebelum mematikan beban, penting untuk mendeteksi arus beban. Ini dilakukan dengan menggunakan resistor shunt R1, yang merupakan resistor shunt 1 Ohm dengan rating 2 Watt. Metode pengukuran arus ini disebut Shunt Resistor Current Sensing, Anda juga dapat memeriksa metode penginderaan arus lainnya yang juga dapat digunakan untuk mendeteksi arus berlebih.
Selama keadaan ON dari MOSFET, arus beban mengalir melalui drain MOSFET ke sumber dan akhirnya ke GND melalui resistor shunt. Bergantung pada arus beban, resistor shunt menghasilkan penurunan tegangan yang dapat dihitung menggunakan hukum Ohm. Oleh karena itu mari kita asumsikan, untuk aliran arus 1A (arus beban), penurunan tegangan pada resistor shunt adalah 1V sebagai V = I x R (V = 1A x 1 Ohm). Jadi, jika tegangan jatuh ini dibandingkan dengan tegangan yang telah ditentukan menggunakan Op-Amp, kita dapat mendeteksi arus berlebih dan mengubah status MOSFET untuk memotong beban.
Penguat operasional biasanya digunakan untuk melakukan operasi matematika seperti penjumlahan, pengurangan, perkalian, dll. Oleh karena itu, dalam rangkaian ini, penguat operasional LM358 dikonfigurasi sebagai pembanding. Sesuai skema, pembanding membandingkan dua nilai. Yang pertama adalah tegangan drop melintasi resistor shunt dan yang lainnya adalah tegangan yang telah ditentukan (tegangan referensi) menggunakan resistor variabel atau potensiometer RV1. RV1 bertindak sebagai pembagi tegangan. Penurunan tegangan pada resistor shunt dirasakan oleh terminal pembalik dari komparator dan dibandingkan dengan referensi tegangan yang dihubungkan pada terminal non-pembalik dari penguat operasional.
Karena itu, jika tegangan yang dirasakan kurang dari tegangan referensi, komparator akan menghasilkan tegangan positif pada output yang dekat dengan VCC komparator. Tetapi, jika tegangan yang dirasakan lebih besar dari tegangan referensi, komparator akan menghasilkan tegangan suplai negatif di seluruh output (suplai negatif terhubung melintasi GND, jadi 0V dalam kasus ini). Tegangan ini cukup untuk menghidupkan atau mematikan MOSFET.
Mengatasi masalah respons / stabilitas sementara
Tetapi ketika beban tinggi akan diputus dari suplai, perubahan transien akan membuat wilayah linier di seluruh komparator dan ini akan membuat loop di mana komparator tidak dapat mengaktifkan atau menonaktifkan beban dengan benar dan op-amp akan menjadi tidak stabil. Misalnya, anggap saja, 1A disetel menggunakan potensiometer untuk memicu MOSFET ke kondisi MATI. Oleh karena itu resistor variabel diatur untuk keluaran 1V. Selama situasi, ketika komparator mendeteksi penurunan tegangan pada resistor shunt adalah 1,01V (tegangan ini tergantung pada akurasi op-amp atau komparator dan faktor lainnya) komparator akan memutuskan beban. Perubahan sementara terjadi ketika beban tinggi tiba-tiba terputus dari unit catu daya dan transien ini meningkatkan referensi tegangan yang mengundang hasil buruk di seluruh komparator dan memaksanya untuk beroperasi di wilayah linier.
Cara terbaik untuk mengatasi masalah ini adalah dengan menggunakan daya yang stabil di seluruh komparator di mana perubahan transien tidak mempengaruhi tegangan input komparator dan referensi tegangan. Tidak hanya itu, histeresis metode tambahan perlu ditambahkan di komparator. Di sirkuit ini, ini dilakukan oleh regulator linier LM7809 dan dengan menggunakan resistor histeresis R4, resistor 100k. LM7809 memberikan tegangan yang tepat melintasi komparator sehingga perubahan transien melintasi saluran listrik tidak mempengaruhi komparator. C1, kapasitor 100uF digunakan untuk menyaring tegangan keluaran.
Resistor histeresis R4 memberi makan sebagian kecil input melintasi output op-amp yang menciptakan celah tegangan antara ambang bawah (0.99V) dan ambang batas tinggi (1.01V) di mana komparator mengubah status keluarannya. Komparator tidak segera mengubah status jika titik ambang terpenuhi, alih-alih itu, untuk mengubah keadaan dari tinggi ke rendah, tingkat tegangan penginderaan harus lebih rendah dari ambang batas rendah (misalnya 0,97V, bukan 0,99V) atau untuk mengubah status dari rendah ke tinggi, tegangan yang dirasakan harus lebih tinggi dari ambang batas tinggi (1,03 bukan 1,01). Ini akan meningkatkan stabilitas komparator dan mengurangi kesalahan tersandung. Selain resistor ini, R2 dan R3 digunakan untuk mengendalikan gerbang. R3 adalah resistor pull-down Gerbang dari MOSFET.
Pengujian Sirkuit Perlindungan Arus Lebih
Sirkuit ini dibangun di papan tempat memotong roti dan diuji menggunakan catu daya Bench bersama dengan beban DC variabel.
Sirkuit diuji dan output diamati berhasil terputus pada nilai berbeda yang ditetapkan oleh resistor variabel. Video yang disediakan di bagian bawah halaman ini menunjukkan demonstrasi lengkap pengujian perlindungan arus berlebih yang sedang berlangsung.
Tip Desain Perlindungan Arus Lebih
- Sirkuit snubber RC di seluruh output dapat meningkatkan EMI.
- Unit pendingin yang lebih besar dan MOSFET spesifik dapat digunakan untuk aplikasi yang diperlukan.
- PCB yang dibangun dengan baik akan meningkatkan stabilitas sirkuit.
- Watt Resistor Shunt perlu diatur sesuai hukum daya (P = I 2 R) tergantung pada Arus Beban.
- Resistor bernilai sangat rendah dalam peringkat mili-ohm dapat digunakan untuk paket kecil tetapi penurunan tegangan akan lebih kecil. Untuk mengimbangi penurunan tegangan, penguat tambahan dengan penguatan yang tepat dapat digunakan.
- Dianjurkan untuk menggunakan penguat penginderaan arus khusus untuk masalah terkait penginderaan arus yang akurat.
Semoga Anda memahami tutorialnya dan menikmati mempelajari sesuatu yang bermanfaat darinya. Jika Anda memiliki pertanyaan, silakan tinggalkan di bagian komentar atau gunakan forum untuk pertanyaan teknis lainnya.