Trenutni regulatori: vrste konstrukcije, rada i dizajna

Baš kao i situacije u kojima trebamo regulirati napon u svom dizajnu, postoje scenariji u kojima moramo regulirati struju koja se napaja u određeni dio našeg kruga. Za razliku od transformacije (promjena s jedne razine napona na drugu) koja je obično jedan od glavnih razloga za regulaciju napona, regulacija struje obično se odnosi na održavanje konstantne struje koja se napaja, bez obzira na varijacije otpora opterećenja ili ulaznog napona. Sklopovi (integrirani ili ne) koji se koriste za postizanje konstantne opskrbe strujom nazivaju se (stalni) regulatori struje i vrlo se često koriste u energetskoj elektronici.

Iako su se trenutni regulatori tijekom godina pojavljivali u nekoliko aplikacija, oni do nedavno vjerojatno nisu jedna od najpopularnijih tema u razgovorima o dizajnu elektronike. Trenutni regulatori sada su postigli svojevrsni sveprisutni status zbog svojih važnih primjena u LED rasvjeti, među ostalim primjenama.

Za današnji ćemo članak razmotriti ove trenutne regulatore i ispitati radna načela koja stoje iza njih, njihov dizajn, vrste i primjenu, među ostalim.

Načelo rada trenutnog regulatora

Rad regulatora struje sličan je radu regulatora napona, a glavna razlika je parametar koji reguliraju i količina koju oni mijenjaju kako bi osigurali svoj izlaz. U regulatorima napona, struja varira kako bi se postigla potrebna razina napona, dok regulator struje obično uključuje varijacije napona / otpora kako bi se postigao potreban izlaz struje. Kao takav, iako je to moguće, obično je teško istovremeno regulirati napon i struju u krugu.

Da biste razumjeli kako tekući regulatori rade, potreban je brz uvid u zakon oma;

V = IR ili I = V / R

To znači da se održava konstantan protok struje na izlazu, ta se dva svojstva (napon i otpor) moraju održavati konstantnima u krugu ili prilagoditi tako da se, kada dođe do promjene jednog, vrijednost drugog prilagodi u skladu s tim da zadrži ista izlazna struja. Kao takva, regulacija struje uključuje prilagodbu napona ili otpora u krugu ili osiguravanje da vrijednosti otpora i napona budu nepromijenjene bez obzira na zahtjeve / utjecaje priključenog opterećenja.

Trenutni regulator radi

Da bismo ispravno opisali kako djeluje trenutni regulator, razmotrimo donji dijagram spojeva.

Promjenjivi otpor u gornjem krugu služi za predstavljanje djelovanja regulatora struje. Pretpostavit ćemo da je promjenjivi otpor automatiziran i da može automatski prilagoditi vlastiti otpor. Kad se krug napaja, promjenjivi otpor prilagođava svoj otpor kako bi nadoknadio promjene u struji zbog promjene otpora opterećenja ili napajanja napona. Iz osnovne klase električne energije, trebate imati na umu da kada se poveća opterećenje, koje je u osnovi otpor (+ kapacitet / induktivitet), dolazi do efektivnog pada struje i obrnuto. Stoga, kada se poveća opterećenje u krugu (povećanje otpora), umjesto pada struje, promjenjivi otpor smanjuje vlastiti otpor kako bi nadoknadio povećani otpor i osigurao iste protoke struje. Na isti način, kada se otpor opterećenja smanji,promjenjivi otpor povećava vlastiti otpor kako bi nadoknadio smanjenje, održavajući tako vrijednost izlazne struje.

Sljedeći pristup u regulaciji struje je spajanje dovoljno visokog otpora paralelno s opterećenjem tako da će, u skladu sa zakonima osnovnog elektriciteta, struja prolaziti putem s najmanjim otporom koji će u ovom slučaju biti kroz opterećenje, sa samo "zanemariva" količina struje koja prolazi kroz otpor velike vrijednosti.

Te varijacije također utječu na napon jer neki regulator struje održavaju struju na izlazu mijenjanjem napona. Stoga je gotovo nemoguće regulirati napon na istom izlazu na kojem se regulira struja.

Dizajn trenutnih regulatora

Regulatori struje obično se primjenjuju pomoću regulatora napona na bazi IC, poput MAX1818 i LM317, ili upotrebom jellybean pasivnih i aktivnih komponenata poput tranzistora i Zener dioda.

Projektiranje regulatora struje pomoću regulatora napona

Za dizajn regulatora struje koji koriste regulator napona na bazi IC, tehnika obično uključuje postavljanje regulatora napona tako da imaju stalni otpor opterećenja, a obično se koriste linearni regulatori napona, jer je napon između izlaza linearnih regulatora i njihovog uzemljenja obično čvrsto reguliran, kao takav, fiksni otpor može se umetnuti između stezaljki tako da fiksna struja teče na teret. Dobar primjer dizajna temeljenog na tome objavio je Budge Ing 2016. u jednoj od EDN publikacija.

Upotrijebljeni krug koristi LDO linearni regulator MAX1818 za stvaranje opskrbe regulirane konstantnom strujom na visokoj strani. Opskrba (prikazana na gornjoj slici) dizajnirana je tako da napaja RLOAD konstantnom strujom, koja je jednaka I = 1,5 V / RUT. Gdje je 1,5 V unaprijed postavljeni izlazni napon MAX1818, ali se može mijenjati pomoću vanjskog otpornog razdjelnika.

Da bi se osigurale optimalne izvedbe dizajna, napon na ulaznom priključku MAX1818 mora biti do 2,5 V, a ne iznad 5,5 V, jer je to radni opseg predviđen tablicom. Da biste zadovoljili taj uvjet, odaberite vrijednost RUTE koja omogućuje od 2,5 V do 5,5 V između IN i GND. Na primjer, kada je opterećenje od recimo 100Ω s 5V VCC, uređaj ispravno funkcionira s ROUT iznad 60Ω jer vrijednost dopušta maksimalnu programibilnu struju od 1,5V / 60Ω = 25mA. Tada je napon na uređaju jednak minimalno dopuštenom: 5V - (25mA × 100Ω) = 2,5V.

Ostali linearni regulatori poput LM317 također se mogu koristiti u sličnom procesu dizajniranja, ali jedna od glavnih prednosti IC-a poput MAX1818 imaju druge u odnosu na činjenicu da oni uključuju termičko isključivanje što bi moglo biti vrlo važno u trenutnoj regulaciji kao temperatura ventilatora. IC ima tendenciju da se zagrije kad su spojena opterećenja s visokim strujnim zahtjevima.

Za regulator struje zasnovan na LM317, razmotrite donji krug;

LM317s su dizajnirani na takav način da regulator nastavlja podešavati svoj napon sve dok napon između njegovog izlaznog pina i njegovog pina za podešavanje ne dostigne 1,25v i kao takav se razdjelnik obično koristi kada se primjenjuje u situaciji regulatora napona. No, za naš slučaj korištenja kao regulatora struje, to nam zapravo čini stvari super jednostavnima jer, budući da je napon konstantan, sve što trebamo učiniti da bi struja bila konstantna je jednostavno umetanje otpora u seriju između Vout i ADJ pina kao što je prikazano u gornjem krugu. Kao takvi, izlaznu struju možemo postaviti na fiksnu vrijednost koja je dana pomoću;

I = 1,25 / R

S tim da je vrijednost R faktor koji određuje izlaznu vrijednost struje.

Da bismo stvorili regulator promjenjive struje, trebamo dodati promjenjivi otpor u krug zajedno s drugim otpornikom kako bismo stvorili razdjelnik na podesivom zatiču kao što je prikazano na donjoj slici.

Rad kruga je isti kao i prethodni, s tom razlikom što se struja može podesiti u krugu okretanjem gumba potenciometra za promjenu otpora. Napon na R daje;

V = (1 + R1 / R2) x 1,25

To znači da je struja preko R dana sa;

I _R = (1,25 / R) x (1+ R1 / R2).

To krugu daje strujni opseg I = 1,25 / R i (1,25 / R) x (1 + R1 / R2)

Ovisiti o postavljenoj struji; osigurajte da vatna snaga otpornika R može izdržati količinu struje koja će kroz njega teći.

Prednosti i nedostaci upotrebe LDO-a kao trenutnog regulatora

Ispod su neke prednosti odabira pristupa linearnom regulatoru napona.

IC-ovi regulatora uključuju zaštitu od prekomjerne temperature koja bi mogla dobro doći kada se povežu tereti s prekomjernim trenutnim zahtjevima.
IC regulatora imaju veću toleranciju na velike ulazne napone i u velikoj mjeri podržavaju rasipanje velike snage.
Pristup regulatornim IC-ima uključuje upotrebu manje količine komponenata uz dodatak samo nekoliko otpornika u većini slučajeva, osim u slučajevima kada su potrebne veće struje i kada su povezani tranzistori snage. To znači da biste isti IC mogli koristiti za regulaciju napona i struje.
Smanjenje broja komponenata moglo bi značiti smanjenje troškova implementacije i vremena dizajniranja.

Mane:

S druge strane, konfiguracije opisane u pristupu IC-ovima regulatora dopuštaju protok mirujuće struje od regulatora do opterećenja uz regulirani izlazni napon. To uvodi pogrešku koja možda nije dopuštena u određenim primjenama. To bi se, međutim, moglo smanjiti odabirom regulatora s vrlo malom strujom mirovanja.

Sljedeća je mana pristupa IC regulatoru nedostatak fleksibilnosti u dizajnu.

Osim upotrebe IC-a regulatora napona, regulator struje također može dizajnirati pomoću dijelova želea, uključujući tranzistore, opampe i Zener-diodu s potrebnim otpornicima. U krugu se koristi Zener dioda vjerojatno kao nikakva zamisao kao da se sjećate da se Zener dioda koristi za regulaciju napona. Dizajn regulatora struje pomoću ovih dijelova najfleksibilniji je jer ih je obično lako integrirati u postojeće krugove.

Trenutni regulator koji koristi tranzistore

U ovom ćemo odjeljku razmotriti dva dizajna. Prvi će sadržavati upotrebu tranzistora samo dok će drugi sadržavati kombinaciju operativnog pojačala i tranzistora snage.

Za onaj s tranzistorima, razmotrite donji krug.

Regulator struje opisan u gornjem krugu jedan je od najjednostavnijih dizajna regulatora struje. To je regulator struje s male strane; Spojio sam se nakon opterećenja prije tla. Sastoji se od tri ključne komponente; upravljački tranzistor (2N5551), tranzistor snage (The TIP41) i ranžirni otpornik (R).Shunt, koji je u osnovi otpor male vrijednosti, koristi se za mjerenje struje koja teče kroz teret. Kad je krug uključen, zabilježen je pad napona na razdjelniku. Što je veća vrijednost otpora opterećenja RL, to je veći pad napona na razdjelniku. Pad napona na razdjelniku djeluje kao okidač za upravljački tranzistor tako da što je veći pad napona na razdjelniku, tranzistor više provodi i regulira napon prednapona primijenjen na bazu tranzistora snage kako bi povećao ili smanjio provođenje s otpornik R1 koji djeluje kao prednaponski otpornik.

Baš kao i kod ostalih krugova, paralelno s ranžirnim otpornikom može se dodati promjenjivi otpornik da bi se mijenjala trenutna razina mijenjanjem količine napona primijenjenog na dnu upravljačkog tranzistora.

Trenutni regulator koji koristi Op-Amp

Za drugi put projektiranja razmotrite donji krug;

Ovaj se krug temelji na operacijskom pojačalu, a baš kao u primjeru s tranzistorom, također koristi ranžirni otpornik za osjetljivost struje. Pad napona na razvodniku dovodi se u operativno pojačalo koje ga zatim uspoređuje s referentnim naponom postavljenim Zener diodom ZD1. Opcijsko pojačalo kompenzira sve razlike (visoke ili niske) u dva ulazna napona podešavanjem svog izlaznog napona. Izlazni napon operativnog pojačala spojen je na FET velike snage i provođenje se događa na temelju primijenjenog napona.

Glavna razlika između ovog dizajna i prvog je referentni napon koji provodi Zener dioda. Oba su dizajna linearna i velika količina topline stvorit će se pri velikim opterećenjima, kao odvodnici topline trebali bi biti povezani s njima kako bi se toplina odvojila.

Prednost i nedostatak

Glavna prednost ovog dizajnerskog pristupa je fleksibilnost koju pruža dizajneru. Dijelovi se mogu odabrati i dizajn se može konfigurirati po ukusu bez ikakvih ograničenja povezanih s unutarnjim krugom koji karakteriziraju pristup zasnovan na IC-u regulatora.

S druge strane, ovaj pristup nastoji biti zamorniji, dugotrajniji, zahtijeva više dijelova, glomazan, osjetljiv na kvarove i skuplji u usporedbi s IC pristupom koji se temelji na regulatoru.

Primjena postojećih regulatora

Regulatori konstantne struje nalaze primjenu u svim vrstama uređaja, od krugova napajanja, preko krugova za punjenje akumulatora, do LED upravljačkih programa i drugih aplikacija gdje treba regulirati fiksnu struju bez obzira na primijenjeno opterećenje.

To je sve za ovaj članak! Nadam se da ste naučili jednu ili dvije stvari.

Do sljedećeg puta!