Aktualne regulatory: konstrukcyjne, robocze i konstrukcyjne

Podobnie jak sytuacje, w których musimy regulować napięcie w naszych projektach, istnieją scenariusze, w których musimy regulować prąd dostarczany do określonej części naszego obwodu. W przeciwieństwie do transformacji (zmiany z jednego poziomu napięcia na inny), która jest zwykle jednym z głównych powodów regulacji napięcia, regulacja prądu zwykle polega na utrzymaniu stałego dostarczanego prądu, niezależnie od zmian rezystancji obciążenia lub napięcia wejściowego. Obwody (zintegrowane lub nie), które są używane do uzyskania stałego zasilania, nazywane są (stałymi) regulatorami prądu i są bardzo powszechnie stosowane w energoelektronice.

Chociaż obecne regulatory były stosowane w kilku zastosowaniach na przestrzeni lat, do niedawna prawdopodobnie nie były jednym z najpopularniejszych tematów w dyskusjach na temat projektowania elektroniki. Obecne regulatory osiągnęły obecnie swego rodzaju wszechobecny status ze względu na ich ważne zastosowania między innymi w oświetleniu LED.

W dzisiejszym artykule przyjrzymy się tym obecnym regulatorom i przeanalizujemy między innymi zasady ich działania, ich konstrukcję, typy i zastosowania.

Zasada działania regulatora prądu

Działanie regulatora prądu jest podobne do działania regulatora napięcia, z tą główną różnicą, że parametr reguluje i wielkość, którą zmieniają, aby zapewnić ich moc wyjściową. W regulatorach napięcia prąd jest zmieniany, aby osiągnąć wymagany poziom napięcia, podczas gdy regulatory prądu zwykle obejmują zmiany napięcia / rezystancji, aby osiągnąć wymagany prąd wyjściowy. W związku z tym, chociaż jest to możliwe, zwykle trudno jest jednocześnie regulować napięcie i prąd w obwodzie.

Aby zrozumieć, jak działają obecne regulatory, należy szybko przyjrzeć się prawu omów;

V = IR lub I = V / R

Oznacza to, że aby utrzymać stały przepływ prądu na wyjściu, te dwie właściwości (napięcie i rezystancja) muszą być utrzymywane na stałym poziomie w obwodzie lub regulowane tak, aby w przypadku zmiany jednej z nich wartość drugiej była odpowiednio dostosowywana, aby zachować taki sam prąd wyjściowy. W związku z tym regulacja prądu polega na dostosowaniu napięcia lub rezystancji w obwodzie lub zapewnieniu niezmienności wartości rezystancji i napięcia, niezależnie od wymagań / wpływu podłączonego obciążenia.

Aktualny regulator działa

Aby właściwie opisać, jak działa regulator prądu, rozważmy poniższy schemat obwodu.

Rezystor zmienny w powyższym obwodzie jest używany do reprezentowania działań regulatora prądu. Zakładamy, że rezystor zmienny jest zautomatyzowany i może automatycznie regulować własną rezystancję. Gdy obwód jest zasilany, rezystor zmienny dostosowuje swoją rezystancję, aby skompensować zmiany prądu spowodowane zmianami rezystancji obciążenia lub napięcia zasilającego. Z podstawowej klasy energii elektrycznej należy pamiętać, że gdy obciążenie, które jest zasadniczo rezystancją (+ pojemność / indukcyjność), zostanie zwiększone, następuje efektywny spadek prądu i odwrotnie. Tak więc, gdy obciążenie w obwodzie jest zwiększane (wzrost rezystancji), a nie spadek prądu, rezystor zmienny zmniejsza własną rezystancję, aby skompensować zwiększoną rezystancję i zapewnić taki sam przepływ prądu. W ten sam sposób, gdy zmniejsza się rezystancja obciążenia,zmienna rezystancja zwiększa swoją własną rezystancję, aby skompensować redukcję, utrzymując w ten sposób wartość prądu wyjściowego.

Innym podejściem do regulacji prądu jest podłączenie wystarczająco dużego rezystora równolegle do obciążenia tak, aby zgodnie z prawami elektryczności podstawowej prąd przepływał przez ścieżkę o najmniejszym oporze, która w tym przypadku będzie przebiegała przez obciążenie, przy „pomijalna” ilość prądu przepływającego przez rezystor o dużej wartości.

Wahania te wpływają również na napięcie, ponieważ niektóre regulatory prądu utrzymują prąd na wyjściu poprzez zmianę napięcia. Zatem prawie niemożliwe jest regulowanie napięcia na tym samym wyjściu, na którym regulowany jest prąd.

Obecny projekt regulatorów

Regulatory prądu są zwykle wdrażane przy użyciu regulatorów napięcia opartych na układach scalonych, takich jak MAX1818 i LM317, lub przy użyciu pasywnych i aktywnych elementów żelowych, takich jak tranzystory i diody Zenera.

Projektowanie regulatorów prądu z wykorzystaniem regulatorów napięcia

W przypadku projektowania regulatorów prądu wykorzystujących regulator napięcia oparty na układach scalonych technika ta zwykle obejmuje ustawienie regulatorów napięcia tak, aby miały stałą rezystancję obciążenia, a zwykle stosuje się liniowe regulatory napięcia, ponieważ napięcie między wyjściem regulatorów liniowych a ich masą jest zwykle szczelne regulowany, jako taki, stały rezystor może być wstawiony między zaciski tak, że stały prąd płynie do obciążenia. Dobry przykład opartego na tym projektu został opublikowany w jednej z publikacji EDN przez Budge Ing In 2016.

Zastosowany obwód wykorzystuje liniowy regulator LDO MAX1818 do wytworzenia regulowanego zasilania prądem stałym po stronie wysokiej. Zasilacz (pokazany na powyższym obrazku) został zaprojektowany tak, aby zasilał RLOAD stałym prądem równym I = 1,5V / ROUT. Gdzie 1,5 V jest wstępnie ustawionym napięciem wyjściowym MAX1818, ale można je zmienić za pomocą zewnętrznego dzielnika rezystancyjnego.

Aby zapewnić optymalną wydajność projektu, napięcie na zacisku wejściowym MAX1818 musi wynosić do 2,5 V, a nie powyżej 5,5 V, ponieważ jest to zakres roboczy określony w arkuszu danych. Aby spełnić ten warunek, wybierz wartość ROUT, która umożliwia od 2,5 V do 5,5 V między IN i GND. Na przykład przy obciążeniu powiedzmy 100 Ω z 5 V VCC, urządzenie działa prawidłowo z ROUT powyżej 60 Ω, ponieważ wartość ta pozwala na maksymalny programowalny prąd 1,5 V / 60 Ω = 25 mA. Napięcie na urządzeniu jest wówczas równe dopuszczalnemu minimum: 5 V - (25 mA × 100 Ω) = 2,5 V.

Inne regulatory liniowe, takie jak LM317, mogą być również używane w podobnym procesie projektowania, ale jedną z głównych zalet układów scalonych, takich jak MAX1818 w porównaniu z innymi, jest fakt, że zawierają one wyłącznik termiczny, który może być bardzo ważny w obecnej regulacji, ponieważ temperatura IC ma tendencję do nagrzewania się, gdy podłączone są obciążenia o wysokich wymaganiach prądowych.

W przypadku regulatora prądu opartego na LM317, rozważ poniższy obwód;

LM317 są zaprojektowane w taki sposób, że regulator reguluje swoje napięcie, aż napięcie między jego pinem wyjściowym a jego pinem regulacyjnym osiągnie wartość 1,25 V i jako taki dzielnik jest zwykle używany podczas implementacji w sytuacji regulatora napięcia. Ale w naszym przypadku jako regulator prądu, w rzeczywistości sprawia to, że wszystko jest dla nas bardzo łatwe, ponieważ ponieważ napięcie jest stałe, wszystko, co musimy zrobić, aby prąd stał się stały, to po prostu wstawić rezystor szeregowo między pin Vout i ADJ jak pokazano na powyższym obwodzie. W związku z tym jesteśmy w stanie ustawić prąd wyjściowy na stałą wartość podaną przez;

I = 1,25 / R

Przy czym wartość R jest czynnikiem determinującym wartość prądu wyjściowego.

Aby utworzyć regulator prądu zmiennego, musimy tylko dodać rezystor zmienny do obwodu obok innego rezystora, aby utworzyć dzielnik na regulowanym pinie, jak pokazano na poniższym obrazku.

Obwód działa tak samo jak poprzedni, z tą różnicą, że prąd w obwodzie można regulować obracając pokrętłem potencjometru w celu zmiany rezystancji. Napięcie na R ustępuje;

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

Oznacza to, że prąd w R jest określony przez;

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

Daje to obwód prądowy w zakresie I = 1,25 / R i (1,25 / R) x (1 + R1 / R2)

Zależy od ustawionego prądu; Upewnij się, że moc znamionowa rezystora R wytrzyma natężenie prądu, który będzie przez niego przepływał.

Zalety i wady stosowania LDO jako regulatora prądu

Poniżej przedstawiono kilka zalet wyboru podejścia z liniowym regulatorem napięcia.

Układy scalone regulatora zawierają zabezpieczenie przed przegrzaniem, które może się przydać, gdy podłączone są obciążenia wymagające nadmiernego prądu.
Układy scalone regulatora mają większą tolerancję dla dużych napięć wejściowych i w dużym stopniu obsługują duże straty mocy.
Podejście oparte na układach scalonych regulatorów wymaga użycia mniejszej ilości komponentów z dodatkiem tylko kilku rezystorów w większości przypadków, z wyjątkiem przypadków, w których wymagane są wyższe prądy i podłączone są tranzystory mocy. Oznacza to, że możesz użyć tego samego układu scalonego do regulacji napięcia i prądu.
Zmniejszenie liczby komponentów może oznaczać obniżenie kosztów wdrożenia i czasu projektowania.

Niedogodności:

Z drugiej strony, konfiguracje opisane w podejściu do układów scalonych regulatora umożliwiają przepływ prądu spoczynkowego z regulatora do obciążenia oprócz regulowanego napięcia wyjściowego. Wprowadza to błąd, który może być niedopuszczalny w niektórych zastosowaniach. Można to jednak ograniczyć, wybierając regulator o bardzo niskim prądzie spoczynkowym.

Inną wadą podejścia IC regulatora jest brak elastyczności w projekcie.

Oprócz stosowania układów scalonych regulatorów napięcia, regulatory prądu mogą również być projektowane przy użyciu części żelowych, w tym tranzystorów, wzmacniaczy operacyjnych i diody Zenera z niezbędnymi rezystorami. Dioda Zenera jest używana w obwodzie prawdopodobnie nie ma sensu, jakbyś pamiętał, że dioda Zenera jest używana do regulacji napięcia. Konstrukcja regulatora prądu wykorzystująca te części jest najbardziej elastyczna, ponieważ zwykle łatwo je zintegrować z istniejącymi obwodami.

Regulator prądu za pomocą tranzystorów

W tej sekcji rozważymy dwa projekty. W pierwszej zastosowane zostaną tylko tranzystory, w drugiej połączenie wzmacniacza operacyjnego i tranzystora mocy.

W przypadku tego z tranzystorami rozważ poniższy obwód.

Regulator prądu opisany w powyższym obwodzie jest jedną z najprostszych konstrukcji regulatorów prądu. Jest to regulator prądu strony niskiej; Podłączyłem po obciążeniu przed masą. Składa się z trzech kluczowych elementów; tranzystor sterujący (2N5551), tranzystor mocy (TIP41) i rezystor bocznikowy (R).Bocznik, który jest zasadniczo rezystorem o niskiej wartości, służy do pomiaru prądu przepływającego przez obciążenie. Gdy obwód jest włączony, na boczniku odnotowuje się spadek napięcia. Im wyższa wartość rezystancji obciążenia RL, tym większy spadek napięcia na boczniku. Spadek napięcia na boczniku działa jak wyzwalacz dla tranzystora sterującego, tak że im większy spadek napięcia na boczniku, tym bardziej tranzystor przewodzi i reguluje napięcie polaryzacji przyłożone do podstawy tranzystora mocy w celu zwiększenia lub zmniejszenia przewodzenia wraz z rezystor R1 działający jako rezystor polaryzacji.

Podobnie jak w przypadku innych obwodów, rezystor zmienny można dodać równolegle do rezystora bocznikowego, aby zmieniać poziom prądu, zmieniając wielkość napięcia przyłożonego do podstawy tranzystora sterującego.

Regulator prądu wykorzystujący wzmacniacz operacyjny

W przypadku drugiej ścieżki projektowej rozważ poniższy obwód;

Obwód ten oparty jest na wzmacniaczu operacyjnym i podobnie jak w przykładzie z tranzystorem wykorzystuje także rezystor bocznikowy do wykrywania prądu. Spadek napięcia na boczniku jest podawany do wzmacniacza operacyjnego, który następnie porównuje go z napięciem odniesienia ustawionym przez diodę Zenera ZD1. Wzmacniacz operacyjny kompensuje wszelkie rozbieżności (wysokie lub niskie) w dwóch napięciach wejściowych, dostosowując swoje napięcie wyjściowe. Napięcie wyjściowe wzmacniacza operacyjnego jest podłączone do tranzystora FET dużej mocy, a przewodzenie odbywa się na podstawie przyłożonego napięcia.

Główną różnicą między tym projektem a pierwszym jest napięcie odniesienia realizowane przez diodę Zenera. Oba te projekty są liniowe i duża ilość ciepła będzie generowana przy dużych obciążeniach jako takich, radiatory powinny być do nich połączone, aby odprowadzać ciepło.

Zaleta i wada

Główną zaletą tego podejścia projektowego jest elastyczność, jaką zapewnia projektantowi. Części można wybrać, a projekt skonfigurować tak, aby smakował bez żadnych ograniczeń związanych z wewnętrznymi obwodami, które charakteryzują podejście oparte na układzie scalonym regulatora.

Z drugiej strony podejście to jest bardziej uciążliwe, czasochłonne, wymaga większej liczby części, jest nieporęczne, podatne na awarie i droższe w porównaniu z podejściem IC opartym na regulatorze.

Zastosowanie obecnych regulatorów

Regulatory stałoprądowe znajdują zastosowanie we wszelkiego rodzaju urządzeniach od obwodów zasilających, przez układy ładowania akumulatorów, po sterowniki LED i inne aplikacje, w których konieczne jest regulowanie stałego prądu niezależnie od zastosowanego obciążenia.

To wszystko w tym artykule! Mam nadzieję, że nauczyłeś się jednej lub dwóch rzeczy.

Do następnego razu!