基于LM393的电机保护电路设计

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前段时间参与项目中电机保护电路的设计，用运放的电压比较功能来实现，初选LM741CN单路运放芯片来实现，经过测试当负端基准电压小于2.0V时，芯片输出不稳定，不能满足要求；接着选择了LM393双路运放芯片，经过深入测试证实，当其负端输入电压在0.05-4.1V范围内均可可靠的进行工作，是一款不错的电压比较运放。 下面是设计思路和测试过程，整理于此，共享之！
# e; \+ t! Y0 L. K* c一、LM741测试
! R6 G+ C5 e) U- X5 ?7 ~
/ O" l, g3 A5 a+ y' o3 p
" E4 S# [- |; m/ {1、当A点电压大于B点电压时，Vout反转，由低电平变为高电平，仪器报警，以防止电机过载损坏；
2、运放实际供电为5.12V（微机-11型电源+5V输出）；
3、LM741负输入端基准电压V=5*R4/（R3+R4）=1.503V；
4、C1,C2滤波；R1为2W、1%金属膜电阻；R2,R5保护运放LM741正负输入端；R3,R4为LM741负输入端分压电阻，精度为1%；R6反馈电阻，保护芯片；R6保护输出端目标。
5、电机用电阻替代，以实现A点分压；
0 X2 P- E7 V' z( G- m6、LM741正输入端电压来自“微机-11型电源”的+6V~26V在R1上的分压，R1和电机代替电阻根据具体情况配置；
7、LM741负输入端电压来自“微机-11型电源”的+5V在R4上的分压，R3和R4根据具体情况配置；
$ c2 ?( d/ c/ K& t8、当B点分压为1.5V、1V、0.4V，A点分压大于或小于B点电压时，运放输出均为高电平，不能达到使用要求；
+ ]% a" G  i$ X8 i2 E& T$ [$ }) h9、将B点分压配置为2.476V,调节A端分压：
4 t8 P7 L5 W# J- B' W/ ?当A点分压小于2.476V时，输出Vout为低电平1.795V；当A点分压大于2.476V时，输出Vout为高电平4.57V。芯片用作比较器正常工作；
10、进行进一步测试，当负端输入电压小于2.0V时，芯片用作比较器时不能正常工作。
' U' E0 a" y1 r3 u' x& y结论：LM741用作比较器时，当负端基准电压小于2.0V，芯片不能正常工作。
5 i  x7 s$ K+ w: \1 Q3 z6 \0 v  h二、LM393有效基准电压测试


1、LM393用作电压比较器，当A点电压大于B点电压时，LED点亮，用以警告电机负载过大；
2 r  Q2 b  U7 ]; n- N2、由于芯片输出端的内部电路为三极管的集电极，因此根据手册Vout需接入10K上拉电阻；
, E3 k+ w( ]' f/ y0 G' O+ T3、输出端接一个白色LED，以指示电平转换，由于芯片输出能力不强，不需接入限流电阻；
4、LM393正输入端电压来自“微机-11型电源”的+6V~26V在R1上的分压，R1和电机代替电阻根据具体情况配置；
/ y; z9 g% K( e  @5、LM393负输入端电压来自“微机-11型电源”的+5V在R4上的分压，R3和R4根据具体情况配置；
6、据手册说明，LM393只用单路运放时，闲置管脚需进行接地处理。
# n. t' h8 \- g* L. J7、以下测试用来确定LM393用作比较器时能够正常工作的最大和最小基准电压（两路均做测试）：
第一路：（1，2，3脚）
3 }9 B6 w3 Y4 F; K当负端输入为0.164V(分压电阻为R3=10K,R4=330)，芯片可以正常工作，正负端压差为12mV。
+ _) E+ S- }% c/ ~, @& a# m" i1 S当负端输入为0.272V(分压电阻为R3=10K,R4=560)，芯片可以正常工作，正负端压差为8mV。
/ l2 r' s: [  `  m% D" R7 O当负端输入为2.0V(分压电阻为R3=10K,R4=6.8K)，芯片可以正常工作，正负端压差为6mV。
第二路：（5，6，7脚）
% Q, \+ P5 B7 B+ q+ m7 Y+ }1 Q, @6 E当负端输入为0V(6脚接GND),芯片可以正常工作，正负端压差为2.1mV。
4 W6 j, p% V: j0 \  I! w$ I当负端输入为0.0506V(分压电阻为R3=10K,R4=100),芯片可以正常工作，正负端压差为2mV。
当负端输入为1.540(分压电阻为R3=10K,R4=4.3K),芯片可以正常工作，正负端压差为3mV。
, S2 z9 o, L! \+ o0 s0 [当负端输入为3.580V(分压电阻为R3=4.3K,R4=10K),芯片可以正常工作，正负端压差为4mV。
8 w/ `( V3 z# b! k: ?; f8 S当负端输入为3.936V(分压电阻为R3=4.3K,R4=14.3K),芯片可以正常工作，正负端压差为8mV。
当负端输入为4.133V(分压电阻为R3=4.3K,R4=18K),芯片可以正常工作，正负端压差为180mV。
  B- J; i# C4 j! r$ q1 _5 X当负端输入为4.214V(分压电阻为R3=4.3K,R4=20K),芯片不能正常工作,输出均为低电平。
& U( J* U5 U- E结论：LM393用作比较器时，负端基准电压在0.05--4.1V范围内可正常工作。
% I( [9 r/ v+ U" H三、功能验证
: B3 G% l2 t9 d. O

1、依据图示电路在面包板上搭建2个独立的电路，必要时需在电源和电机间串入电流表，以检测电流变化；
2、2个电路分别使用了LM393的两个单元，以实现两个单元的同时测试；
3、运放实际供电为5.12V（微机-11型电源+5V输出）；
) u5 W  g! F3 @& x2 z( S8 J/ u( ~4、B点实际电压为5.12*1.2/(6.8+1.2)=0.768V;
: _; U$ W8 `) i; f! I5、当A点电压大于0.768V，Vout输出高电平，LED点亮，此时通过电机电流I=0.768/5.1=150mA；
: u% e, J# L5 x3 L（借住工具阻碍电机转铀转动，当万用表示数高于150mA时，LED点亮）
! x9 Y5 U) @" F4 b; V6、将面包板固定在纸盒上，以保护电路、方便测试；
$ t6 o# X# i* w' D4 f5 b; j7、R1电关键元件，采用1%、1W5、5.1欧金属膜电阻；LM393采用TI公司SO-8封装；
# K- {7 _+ ~/ j- r& d结论：根据实际测试，证明图示电路可以达到设计要求。