保護回路は、電子設計を成功させるために不可欠です。以前の保護回路チュートリアルでは、回路に適合できる多くの基本的な保護回路、つまり、過電圧保護、短絡保護、逆極性保護などを設計しました。この回路のリストに加えて、この記事では、Op-Ampを使用して過電流保護用の簡単な回路を設計および構築する方法を学習します。
過電流保護は、PSUの出力電流を制限するために電源回路でよく使用されます。「過電流」という用語は、負荷に電源ユニットの指定された機能よりも大きな電流が流れる状態です。過電流状態は電源を損傷する可能性があるため、これは危険な状況になる可能性があります。そのため、エンジニアは通常、過電流保護回路を使用して、このような障害シナリオ中に電源から負荷を遮断し、負荷と電源を保護します。
オペアンプを使用した過電流保護
過電流保護回路には多くの種類があります。回路の複雑さは、過電流状態で保護回路がどれだけ速く反応するかによって異なります。このプロジェクトでは、非常に一般的に使用され、設計に簡単に適合できるオペアンプを使用して、単純な過電流保護回路を構築します。
これから設計する回路には、調整可能な過電流しきい値があり、障害時の自動再起動機能もあります。これはオペアンプベースの過電流保護回路であるため、駆動ユニットとしてオペアンプを使用します。このプロジェクトでは、汎用オペアンプLM358を使用します。下の画像に、LM358のピン配列を示します。
上の画像に見られるように、単一のICパッケージ内に2つのオペアンプチャネルがあります。ただし、このプロジェクトでは1つのチャネルのみが使用されます。オペアンプは、MOSFETを使用して出力負荷を切り替え（切断）します。このプロジェクトでは、NチャネルMOSFETIRF540Nが使用されます。負荷電流が500mAより大きい場合は、適切なMOSFETヒートシンクを使用することをお勧めします。ただし、このプロジェクトでは、MOSFETはヒートシンクなしで使用されます。以下の画像は、IRF540Nのピン配置図を表したものです。
オペアンプと回路に電力を供給するために、LM7809リニア電圧レギュレータが使用されます。これは、広い入力電圧定格を備えた9V1Aリニア電圧レギュレータです。ピン配置は下の画像で見ることができます
必要な材料：
過電流保護 回路に必要な部品のリストを以下に示します。
- ブレッドボード
- 電源12V（最小）または電圧に応じて必要です。
- LM358
- 100uF 25V
- IRF540N
- ヒートシンク（アプリケーション要件による）
- 50kトリムポット。
- 許容誤差1％の1k抵抗
- 1メガ抵抗
- 許容誤差1％の100k抵抗。
- 1オームの抵抗、2W（最大2Wの負荷電流1.25A）
- ブレッドボード用ワイヤー
過電流保護回路
オペアンプを使用して過電流を検出することにより、単純な過電流保護回路を設計できます。その結果に基づいて、MOSFETを駆動して負荷を電源から切断/接続できます。同じものの回路図は単純で、下の画像で見ることができます
過電流保護回路の動作
回路図からわかるように、MOSFET IRF540Nは、通常および過負荷状態で負荷をオンまたはオフに制御するために使用されます。ただし、負荷をオフにする前に、負荷電流を検出することが不可欠です。これは、2ワット定格の1オームシャント抵抗であるシャント抵抗R1を使用して行われます。この電流測定方法はシャント抵抗電流検出と呼ばれ、過電流の検出にも使用できる他の電流検出方法を確認することもできます。
MOSFETのオン状態の間、負荷電流はMOSFETのドレインを通ってソースに流れ、最後にシャント抵抗を介してGNDに流れます。負荷電流に応じて、シャント抵抗は電圧降下を生成します。これは、オームの法則を使用して計算できます。したがって、1Aの電流（負荷電流）の場合、V = I x R（V = 1A x 1オーム）として、シャント抵抗の両端の電圧降下が1Vであると仮定します。したがって、この降下電圧をオペアンプを使用して事前定義された電圧と比較すると、過電流を検出し、MOSFETの状態を変更して負荷を遮断することができます。
オペアンプは、加算、減算、乗算などの数学演算を実行するために一般的に使用されます。したがって、この回路では、オペアンプLM358がコンパレータとして構成されています。回路図に従って、コンパレータは2つの値を比較します。 1つはシャント抵抗の両端の降下電圧で、もう1つは可変抵抗またはポテンショメータRV1を使用した事前定義された電圧（基準電圧）です。 RV1は分圧器として機能します。シャント抵抗の両端の降下電圧は、コンパレータの反転端子によって検出され、オペアンプの非反転端子に接続されている電圧リファレンスと比較されます。
このため、検出された電圧が基準電圧よりも低い場合、コンパレータは、コンパレータのVCCに近い出力の両端に正の電圧を生成します。ただし、検出された電圧が基準電圧よりも大きい場合、コンパレータは出力の両端に負の電源電圧を生成します（負の電源はGNDの両端に接続されているため、この場合は0Vです）。この電圧は、MOSFETをオンまたはオフに切り替えるのに十分です。
過渡応答/安定性の問題への対処
しかし、高負荷が電源から切断されると、過渡変化によってコンパレータの両端に線形領域が作成され、コンパレータが負荷を適切にオンまたはオフに切り替えることができず、オペアンプが不安定になるループが作成されます。たとえば、MOSFETをオフ状態にトリガーするためのポテンショメータを使用して1Aが設定されていると仮定します。したがって、可変抵抗器は1V出力用に設定されています。ある状況で、コンパレータがシャント抵抗の両端の電圧降下が1.01Vであることを検出すると（この電圧はオペアンプまたはコンパレータの精度やその他の要因によって異なります）、コンパレータは負荷を切断します。一時的な変更 高負荷が電源ユニットから突然切断され、この過渡現象によって電圧リファレンスが増加すると、コンパレータの結果が悪くなり、コンパレータが線形領域で動作するようになります。
この問題を克服する最良の方法は、過渡変化がコンパレータの入力電圧と電圧リファレンスに影響を与えない場合に、コンパレータの両端に安定した電力を使用することです。これだけでなく、コンパレータにメソッドヒステリシスを追加する必要があります。この回路では、これはリニアレギュレータLM7809と、100k抵抗であるヒステリシス抵抗R4を使用して行われます。LM7809はコンパレータの両端に適切な電圧を提供するため、電力線の過渡変化がコンパレータに影響を与えません。C1、100uFコンデンサは出力電圧のフィルタリングに使用されます。
ヒステリシス抵抗R4は、オペアンプの出力の両端に入力のごく一部を供給し、コンパレータが出力状態を変更する低しきい値（0.99V）と高しきい値（1.01V）の間に電圧ギャップを作成します。コンパレータは、しきい値ポイントに達してもすぐに状態を変更しません。代わりに、状態を高から低に変更するには、検出された電圧レベルを低しきい値より低くする必要があります（たとえば、0.99Vではなく0.97V）。または、状態を低から高に変更するには、検出された電圧が高しきい値（1.01ではなく1.03）よりも高い必要があります。これにより、コンパレータの安定性が向上し、誤ったトリップが減少します。この抵抗の他に、R2とR3はゲートの制御に使用されます。R3はMOSFETのゲートプルダウン抵抗です。
過電流保護回路テスト
回路はブレッドボードで構成され、可変DC負荷とともにベンチ電源を使用してテストされます。
回路がテストされ、出力が可変抵抗器によって設定されたさまざまな値で正常に切断されることが観察されました。このページの下部にあるビデオは、実際の過電流保護テストの完全なデモンストレーションを示しています。
過電流保護設計のヒント
- 出力両端のRCスナバ回路はEMIを改善する可能性があります。
- 必要なアプリケーションには、より大きなヒートシンクと特定のMOSFETを使用できます。
- 適切に構築されたPCBは、回路の安定性を向上させます。
- シャント抵抗のワット数は、負荷電流に応じてべき乗則（P = I 2 R）に従って調整する必要があります。
- ミリオーム定格の非常に低い値の抵抗を小さなパッケージに使用できますが、電圧降下は少なくなります。電圧降下を補償するために、適切なゲインを持つ追加のアンプを使用できます。
- 正確な電流検出関連の問題には、専用の電流検出アンプを使用することをお勧めします。
チュートリアルを理解し、そこから役立つことを楽しく学んでいただければ幸いです。質問がある場合は、コメントセクションに残すか、フォーラムを使用して他の技術的な質問をしてください。