如何使用運算放大器設計和構建一個簡單的過流保護電路

保護電路對于任何電子設計的成功都至關重要。在我們之前的保護電路教程中，我們設計了許多可以適應您的電路的基本保護電路，即過壓保護、短路保護、反極性保護等。除了這個電路列表之外，在本文中，我們將學習如何使用運算放大器設計和構建一個簡單的過流保護電路。

過流保護通常用于電源電路中，以限制 PSU 的輸出電流。術語“過電流”是指負載消耗的電流超過電源裝置的規定能力時的情況。這可能是一種危險的情況，因為過流情況可能會損壞電源。所以工程師通常會在這種故障情況下使用過流保護電路來切斷負載與電源的連接，從而保護負載和電源。

使用運算放大器的過流保護

過流保護電路種類繁多；電路的復雜性取決于保護電路在過流情況下的反應速度。在這個項目中，我們將使用非常常用的運算放大器構建一個簡單的過流保護電路，并且可以很容易地適應您的設計。

我們即將設計的電路將具有可調節的過流閾值，并且還將具有故障時自動重啟功能。由于這是一個基于運算放大器的過流保護電路，它將有一個運算放大器作為驅動單元。在本項目中，使用了通用運算放大器LM358。在下圖中，顯示了 LM358 的引腳圖。

如上圖所示，在單個 IC 封裝內，我們將有兩個運算放大器通道。但是，此項目僅使用一個通道。運算放大器將使用 MOSFET 切換（斷開）輸出負載。在本項目中，使用了N 溝道 MOSFET IRF540N。如果負載電流大于 500mA，建議使用合適的 MOSFET 散熱器。然而，對于這個項目，MOSFET 沒有使用散熱器。下圖是IRF540N 引腳圖的表示。

為了給運算放大器和電路供電，使用了LM7809 線性穩壓器。這是一款具有寬輸入電壓額定值的 9V 1A 線性穩壓器。引腳排列如下圖所示

所需材料：

下面列出了過電流保護電路所需的組件列表。

面包板

電源 12V（最低）或根據電壓要求。

LM358

100uF 25V

IRF540N

散熱器（根據應用要求）

50k 裝飾鍋。

1k 電阻器，容差為 1%

1Meg 電阻

100k 電阻，容差為 1%。

1ohms電阻，2W（2W最大1.25A負載電流）

面包板電線

過流保護電路

一個簡單的過流保護電路可以通過使用運算放大器來感應過流來設計，并根據結果我們可以驅動 Mosfet 斷開/連接負載與電源。相同的電路圖很簡單，如下圖所示

過流保護電路工作

從電路圖中可以看出，MOSFET IRF540N 用于在正常和過載情況下控制負載為 ON 或 OFF 。但在關閉負載之前，必須檢測負載電流。這是通過使用分流電阻器 R1來完成的，它是一個 2 瓦額定值的 1 歐姆分流電阻器。這種測量電流的方法稱為分流電阻電流感應，您還可以檢查其他也可用于檢測過電流的電流感應方法。

在 MOSFET 導通狀態期間，負載電流通過 MOSFET 的漏極流向源極，最后通過分流電阻流向 GND。根據負載電流，分流電阻產生的電壓降可以使用歐姆定律計算。因此，我們假設，對于 1A 的電流（負載電流），分流電阻器上的電壓降為 1V，因為 V = I x R （V = 1A x 1 Ohm）。因此，如果將此壓降與使用運算放大器的預定義電壓進行比較，我們可以檢測到過流并改變 MOSFET 的狀態以切斷負載。

運算放大器通常用于執行加法、減法、乘法等數學運算。因此，在該電路中，運算放大器LM358被配置為比較器。根據原理圖，比較器比較兩個值。第一個是分流電阻上的壓降，另一個是使用可變電阻器或電位計 RV1 的預定義電壓（參考電壓）。RV1 充當分壓器。分流電阻上的壓降由比較器的反相端檢測，并與連接在運算放大器同相端的電壓基準進行比較。

因此，如果檢測到的電壓低于參考電壓，比較器將在輸出端產生一個接近比較器 VCC 的正電壓。但是，如果檢測到的電壓大于參考電壓，比較器將在輸出端產生負電源電壓（負電源連接到 GND，因此在這種情況下為 0V）。該電壓足以打開或關閉 MOSFET。

處理瞬態響應/穩定性問題

但是，當高負載與電源斷開時，瞬態變化將在比較器上產生一個線性區域，這將產生一個環路，其中比較器無法正確打開或關閉負載，運算放大器將變得不穩定。例如，假設使用電位計設置 1A，以觸發 MOSFET 進入關斷狀態。因此，可變電阻器設置為 1V 輸出。在某種情況下，當比較器檢測到分流電阻兩端的電壓降為 1.01V（此電壓取決于運算放大器或比較器精度和其他因素）時，比較器將斷開負載。瞬態變化當高負載突然從電源單元斷開時會發生這種情況，這種瞬態會增加參考電壓，這會導致比較器的結果不佳，并迫使它在線性區域內工作。

克服這個問題的最佳方法是在比較器兩端使用穩定的電源，其中瞬態變化不會影響比較器的輸入電壓和電壓基準。不僅如此，還需要在比較器中添加額外的方法滯后。在這個電路中，這是由線性穩壓器 LM7809 和使用一個 100k 的遲滯電阻器R4 完成的。LM7809 為比較器提供適當的電壓，以便電源線的瞬態變化不會影響比較器。C1，100uF電容用于對輸出電壓進行濾波。

遲滯電阻器 R4 將一小部分輸入饋送到運算放大器的輸出端，從而在比較器改變其輸出狀態的低閾值（0.99V）和高閾值（1.01V）之間產生電壓間隙。如果達到閾值點，比較器不會立即改變狀態，而是將狀態從高變為低，感測電壓電平需要低于低閾值（例如 0.97V 而不是 0.99V）或者要將狀態從低變為高，感測電壓需要高于高閾值（1.03 而不是 1.01）。這將增加比較器的穩定性并減少誤跳閘。除此電阻器外，R2 和 R3 用于控制柵極。R3 是 MOSFET 的柵極下拉電阻。

過流保護電路測試

該電路在面包板上構建，并使用臺式電源和可變直流負載進行測試。