Mạch bảo vệ quá dòng dùng opamp

Trong bài viết này, chúng ta sẽ học cách thiết kế và xây dựng một mạch đơn giản để bảo vệ quá dòng bằng opamp.

Bảo vệ quá dòng thường được sử dụng trong các mạch nguồn để hạn chế dòng ra của đơn vị nguồn PSU. Thuật ngữ "Quá dòng" là tình trạng khi tải rút một dòng điện lớn hơn khả năng quy định của đơn vị nguồn. Đây là một tình huống nguy hiểm vì tình trạng quá dòng có thể làm hỏng nguồn điện. Vì vậy, các kỹ sư thường sử dụng mạch bảo vệ quá dòng để cắt tải khỏi nguồn điện trong các trường hợp này để bảo vệ tải và nguồn điện.

Bảo vệ quá dòng bằng bộ khuếch thuật toán

Có nhiều loại mạch bảo vệ quá dòng. Độ phức tạp của mạch phụ thuộc vào tốc độ mạch bảo vệ sẽ phản ứng trong tình huống quá dòng. Trong bài này, chúng ta sẽ xây dựng một mạch bảo vệ quá dòng đơn giản bằng cách sử dụng opamp được sử dụng rất phổ biến và có thể dễ dàng điều chỉnh cho các thiết kế của bạn.

Mạch chúng ta sắp thiết kế sẽ có giá trị ngưỡng quá dòng có thể điều chỉnh được và cũng sẽ có tính năng tự động khởi động lại khi hỏng. Vì đây là mạch bảo vệ quá dòng dựa trên opamp nên nó sẽ có opamp làm đơn vị dẫn động. Trong mạch này, bộ khuếch đại thuật toán đa năng LM358 được sử dụng. Hình bên dưới là sơ đồ chân của LM358.

Như hình trên, bên trong gói IC  chúng ta có hai kênh opamp. Tuy nhiên, chỉ có một kênh duy nhất được sử dụng cho mạch này. Opamp sẽ chuyển (ngắt kết nối) tải đầu ra bằng MOSFET. Đối với mạch này, MOSFET IRF540N kênh N được sử dụng. Nên sử dụng tản nhiệt MOSFET  phù hợp nếu dòng tải lớn hơn 500mA. Tuy nhiên, đối với mạch này, MOSFET được sử dụng không có tản nhiệt. Hình dưới đây là sơ đồ chân của IRF540N.

Để cấp nguồn cho opamp và mạch, bộ điều chỉnh điện áp tuyến tính LM7809 sẽ được sử dụng. Đây là bộ điều chỉnh điện áp tuyến tính 9V 1A với định mức điện áp đầu vào rộng. Sơ đồ chân  trong hình bên dưới.

Linh kiện cần:

Dưới đây là danh sách các linh kiện cần thiết cho mạch bảo vệ quá dòng.

Breadboard

Nguồn điện 12V (tối thiểu) hoặc theo điện áp được yêu cầu.

LM358

100uF 25V

IRF540N

Tản nhiệt (theo yêu cầu ứng dụng)

Trim pot 50k.

Điện trở 1k với dung sai 1%

Điện trở 1Meg

Điện trở 100k với dung sai 1%.

Điện trở 1ohm, 2W (dòng tải 1.25A tối đa 2W)

Dây cho breadboard

Mạch bảo vệ quá dòng

Mạch bảo vệ quá dòng đơn giản có thể được thiết kế bằng cách sử dụng Opamp để cảm nhận quá dòng và dựa trên kết quả, chúng ta có thể điều khiển Mosfet để ngắt hoặc kết nối tải với nguồn điện. Sơ đồ mạch rất đơn giản trong hình dưới đây

Hoạt động của mạch bảo vệ quá dòng

Như bạn có thể thấy từ sơ đồ mạch, MOSFET IRF540N được sử dụng để điều khiển tải ở chế độ BẬT hoặc TẮT trong điều kiện bình thường và quá tải. Nhưng trước khi tắt tải, điều cần thiết là phải phát hiện ra dòng tải. Điều này được thực hiện bằng cách sử dụng một điện trở shunt R1, là một điện trở shunt 1 Ohm với định mức 2 W. Phương pháp đo dòng điện này được gọi là Cảm biến dòng điện trở Shunt, bạn cũng có thể kiểm tra các phương pháp cảm biến dòng điện khác cũng có thể được sử dụng để phát hiện quá dòng.

Trong trạng thái BẬT của MOSFET, dòng tải chạy qua cực máng của MOSFET đến cực nguồn và cuối cùng đến GND qua điện trở shunt. Tùy thuộc vào dòng tải, điện trở shunt tạo ra điện áp rơi trên đó có thể được tính bằng định luật Ohm. Giả sử đối với dòng điện 1A (dòng tải), điện áp rơi trên điện trở shunt là 1V là V = I x R (V = 1A x 1 Ohm). Vì vậy, nếu điện áp rơi này được so sánh với điện áp xác định trước bằng Opamp, chúng ta có thể phát hiện quá dòng và thay đổi trạng thái của MOSFET để cắt tải.

Bộ khuếch đại thuật toán thường được sử dụng để thực hiện các phép toán như cộng, trừ, nhân, ... Do đó, trong mạch này, bộ khuếch đại thuật toán LM358 được cấu hình như một bộ so sánh. Theo giản đồ, bộ so sánh sẽ so sánh hai giá trị. Đầu tiên là điện áp rơi trên điện trở shunt và một điện áp khác là điện áp xác định trước (điện áp tham chiếu) sử dụng biến trở hoặc chiết áp RV1. RV1 đóng vai trò là bộ chia điện áp. Điện áp rơi trên điện trở shunt được cảm nhận bởi chân đảo của bộ so sánh và nó được so sánh với tham chiếu điện áp được nối với chân không đảo của bộ khuếch đại thuật toán.

Do đó, nếu điện áp cảm nhận nhỏ hơn điện áp chuẩn, bộ so sánh sẽ tạo ra điện áp dương trên đầu ra gần với VCC của bộ so sánh. Nhưng, nếu điện áp cảm nhận lớn hơn điện áp tham chiếu, bộ so sánh sẽ tạo ra điện áp âm trên đầu ra (nguồn âm được kết nối qua GND, vì vậy là 0V trong trường hợp này). Điện áp này đủ để BẬT hoặc TẮT MOSFET.

>>> Quý khách hàng cần thiết kế mạch điện tử theo yêu cầu TPHCM vui lòng liên hệ để được hỗ trợ