Текущи регулатори: строителни, работни и дизайнерски видове

Подобно на ситуации, в които трябва да регулираме напрежението в нашите проекти, има сценарии, при които трябва да регулираме тока, който се подава към определена част от нашата верига. За разлика от трансформирането (промяна от едно ниво на напрежение на друго), което обикновено е една от основните причини за регулиране на напрежението, регулирането на тока обикновено е свързано с поддържане на постоянния ток, независимо от вариациите в съпротивлението на натоварването или входното напрежение. Веригите (интегрирани или не), които се използват за постигане на постоянен ток, се наричат (постоянни) регулатори на тока и те са много често използвани в силовата електроника.

Докато настоящите регулатори са включени в няколко приложения през годините, те несъмнено не са една от най-популярните теми в разговорите за електронен дизайн доскоро. Сегашните регулатори вече са постигнали някакъв вездесъщ статус поради важните си приложения в LED осветлението, наред с други приложения.

За днешната статия ще разгледаме тези настоящи регулатори и ще разгледаме принципите на действие зад тях, техния дизайн, видове и приложения, наред с други.

Принцип на действие на настоящия регулатор

Работата на токов регулатор е подобна на тази на регулатора на напрежение, като основната разлика е параметърът, който те регулират, и количеството, което те променят, за да осигурят изхода си. В регулаторите на напрежение токът варира, за да се постигне необходимото ниво на напрежение, докато регулаторите на ток обикновено включват вариации в напрежението / съпротивлението, за да се постигне необходимия токов изход. Като такива, макар и да е възможно, обикновено е трудно да се регулират едновременно напрежение и ток във верига.

За да разберете как работят настоящите регулатори, е необходим бърз поглед върху закона за омите;

V = IR или I = V / R

Това означава, че за да се поддържа постоянен токов поток на изход, тези две свойства (напрежение и съпротивление) трябва да се поддържат постоянни във верига или да се регулират така, че когато има промяна в едното, стойността на другото се коригира съответно, за да запази същия изходен ток. Като такова регулирането на тока включва настройка или на напрежението, или на съпротивлението във веригата, или гарантира, че стойностите на съпротивлението и напрежението са непроменени, независимо от изискванията / въздействията на свързания товар.

Настоящият регулатор работи

За да опишем правилно как работи токов регулатор, нека разгледаме схемата по-долу.

Променливият резистор в схемата по-горе се използва за представяне на действията на токов регулатор. Ще приемем, че променливият резистор е автоматизиран и може автоматично да регулира собственото си съпротивление. Когато веригата се захранва, променливият резистор регулира съпротивлението си, за да компенсира промените в тока поради промяна в съпротивлението на товара или захранването с напрежение. От основния клас на електричество трябва да помните, че когато се увеличи натоварването, което по същество е съпротивление (+ капацитет / индуктивност), се наблюдава ефективен спад на тока и обратно. По този начин, когато натоварването във веригата се увеличи (увеличаване на съпротивлението), а не спад на тока, променливият резистор намалява собственото си съпротивление, за да компенсира увеличеното съпротивление и да осигури същите токови потоци. По същия начин, когато съпротивлението на товара намалява,променливото съпротивление увеличава собственото си съпротивление, за да компенсира намаляването, като по този начин поддържа стойността на изходния ток.

Друг подход при регулирането на тока е да се свърже достатъчно висок резистор успоредно с товара, така че, в съответствие със законите на основното електричество, токът да тече през пътя с най-малко съпротивление, което в този случай ще бъде през товара, само с „незначително“ количество ток, протичащо през резистора с висока стойност.

Тези вариации също влияят на напрежението, тъй като някои регулатори на тока поддържат ток на изхода чрез промяна на напрежението. По този начин е почти невъзможно да се регулира напрежението на същия изход, където се регулира токът.

Текущ дизайн на регулаторите

Регулаторите на ток обикновено се прилагат с помощта на IC базирани регулатори на напрежение като MAX1818 и LM317 или чрез използване на желеобразни пасивни и активни компоненти като транзистори и ценерови диоди.

Проектиране на регулатори на ток с помощта на регулатори на напрежението

За проектирането на токови регулатори, използващи IC-базиран регулатор на напрежение, техниката обикновено включва настройка на регулатори на напрежение, за да имат постоянно съпротивление на натоварване и обикновено се използват линейни регулатори на напрежението, тъй като напрежението между изхода на линейните регулатори и тяхната земя обикновено е плътно регулиран като такъв, фиксиран резистор може да се вмъкне между клемите така, че към товара да тече фиксиран ток. Добър пример за дизайн, базиран на това, е публикуван в една от публикациите на EDN от Budge Ing през 2016 г.

Използваната схема използва LDO линеен регулатор MAX1818, за да създаде захранване с постоянен ток от високо ниво Захранването (показано на изображението по-горе) е проектирано така, че захранва RLOAD с постоянен ток, който е равен на I = 1,5V / ROUT. Където 1,5V е предварително зададеното изходно напрежение на MAX1818, но може да се промени с помощта на външен резистивен делител.

За да се осигури оптимално изпълнение на конструкцията, напрежението на входния терминал на MAX1818 трябва да бъде до 2.5V и не по-високо от 5.5v, тъй като това е работният обхват, определен в таблицата с данни. За да удовлетворите това условие, изберете стойност ROUT, която позволява между 2.5V и 5.5V между IN и GND. Например при товар от 100Ω с 5V VCC, устройството функционира правилно с ROUT над 60Ω, тъй като стойността позволява максимално програмируем ток от 1,5V / 60Ω = 25mA. Тогава напрежението на устройството е равно на минимално допустимото: 5V - (25mA × 100Ω) = 2.5V.

Други линейни регулатори като LM317 също могат да се използват в подобен процес на проектиране, но едно от основните предимства, които интегралните схеми като MAX1818 имат пред останалите, е фактът, че те включват термично изключване, което може да бъде много важно при настоящото регулиране като температурата на IC има тенденция да се нагрява, когато са свързани товари с високи текущи изисквания.

За регулатора на тока, базиран на LM317, помислете за веригата по-долу;

LM317s са проектирани по такъв начин, че регулаторът продължава да регулира напрежението си, докато напрежението между изходния му щифт и неговия регулиращ щифт е на 1,25v и като такъв разделител обикновено се използва при внедряване в ситуация на регулатор на напрежение. Но за нашия случай на използване като текущ регулатор, той всъщност ни прави нещата супер лесни, тъй като, тъй като напрежението е постоянно, всичко, което трябва да направим, за да направим текущата константа е просто да вмъкнем резистор последователно между Vout и ADJ щифт както е показано в схемата по-горе. Като такива ние можем да зададем изходния ток на фиксирана стойност, която се дава от;

I = 1,25 / R

Със стойността на R е определящ фактор за стойността на изходния ток.

За да създадем регулатор на променлив ток, трябва само да добавим променлив резистор към веригата заедно с друг резистор, за да създадем разделител към регулируемия щифт, както е показано на изображението по-долу.

Работата на веригата е същата като предишната с разликата, че токът може да се регулира във веригата чрез завъртане на копчето на потенциометъра, за да се промени съпротивлението. Напрежението в R се дава чрез;

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

Това означава, че токът през R се дава от;

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

Това дава на веригата токов обхват от I = 1,25 / R и (1,25 / R) x (1 + R1 / R2)

Зависи от зададения ток; гарантирайте, че мощността на вата на резистора R може да издържи количеството ток, който ще тече през него.

Предимства и недостатъци на използването на LDO като текущ регулатор

По-долу са дадени някои предимства при избора на подход за линейно регулиране на напрежението.

Интегралните схеми на регулатора включват защита от прекомерна температура, която може да бъде полезна, когато се свържат товари с прекомерни текущи изисквания.
ИС на регулаторите имат по-голям толеранс към големи входни напрежения и до голяма степен поддържат разсейване с висока мощност.
Подходът на регулаторните интегрални схеми включва използването на по-малко количество компоненти с добавяне на само няколко резистора в повечето случаи, с изключение на случаите, когато се изискват по-високи токове и са свързани силови транзистори. Това означава, че можете да използвате една и съща интегрална схема за регулиране на напрежението и тока.
Намаляването на броя на компонентите може да означава намаляване на разходите за изпълнение и времето за проектиране.

Недостатъци:

От друга страна, конфигурациите, описани под подхода на регулаторните интегрални схеми, позволяват преминаването на ток в покой от регулатора към товара в допълнение към регулираното изходно напрежение. Това въвежда грешка, която може да не е допустима при определени приложения. Това обаче може да бъде намалено чрез избор на регулатор с много нисък ток на покой.

Друг недостатък на подхода на регулаторната интегрална схема е липсата на гъвкавост в дизайна.

Освен използването на интегрални схеми за регулиране на напрежението, регулаторите на ток могат да бъдат проектирани и с помощта на желеобразни части, включително транзистори, opamps и ценеров диод с необходимите резистори. Във веригата се използва ценеров диод, който вероятно не се използва, сякаш помните, че ценеровият диод се използва за регулиране на напрежението. Проектирането на токов регулатор с помощта на тези части е най-гъвкаво, тъй като те обикновено са лесни за интегриране в съществуващите вериги.

Текущ регулатор, използващ транзистори

Ще разгледаме два дизайна в този раздел. Първият ще включва само използването на транзистори, докато вторият ще включва комбинация от операционен усилвател и силов транзистор.

За този с транзистори, помислете за веригата по-долу.

Токовият регулатор, описан в схемата по-горе, е един от най-простите проекти на регулатора на ток. Това е регулатор на тока с ниска страна; Свързах се след товара преди земята. Състои се от три ключови компонента; контролен транзистор (2N5551), силов транзистор (The TIP41) и шунтов резистор (R).Шунтът, който по същество е резистор с ниска стойност, се използва за измерване на тока, протичащ през товара. Когато веригата е включена, се отбелязва спад на напрежението през шунта. Колкото по-висока е стойността на съпротивлението на натоварване RL, толкова по-голям е спадът на напрежението в шунта. Спадът на напрежението в шунта действа като спусък за управляващия транзистор, така че колкото по-висок е спадът на напрежението в шунта, толкова повече транзисторът провежда и регулира напрежението на отклонението, приложено към основата на силовия транзистор, за да увеличи или намали проводимостта с резистор R1, действащ като пристрастен резистор.

Подобно на другите вериги, променлив резистор може да бъде добавен паралелно към шунтиращия резистор, за да се променя нивото на тока чрез промяна на напрежението, приложено в основата на управляващия транзистор.

Текущ регулатор, използващ Op-Amp

За втория път на проектиране разгледайте схемата по-долу;

Тази схема е базирана на операционен усилвател и точно както в примера с транзистора, тя също използва шунтиращ резистор за токово отчитане. Спадът на напрежението през шунта се подава в операционния усилвател, който след това го сравнява с референтното напрежение, зададено от ценеровия диод ZD1. Операционният усилвател компенсира всички несъответствия (високи или ниски) в двете входни напрежения чрез регулиране на изходното му напрежение. Изходното напрежение на операционния усилвател е свързано с FET с висока мощност и проводимостта възниква въз основа на приложеното напрежение.

Основната разлика между този дизайн и първия е референтното напрежение, реализирано от ценеровия диод. И двата дизайна са линейни и голямо количество топлина ще се генерира при големи натоварвания като такива, към тях трябва да бъдат свързани радиатори, за да се разсее топлината.

Предимство и недостатък

Основното предимство на този дизайнерски подход е гъвкавостта, която предоставя на дизайнера. Частите могат да бъдат избрани и дизайнът конфигуриран на вкус, без да има ограничения, свързани с вътрешната схема, която характеризира подхода, базиран на IC регулатора.

От друга страна, този подход има тенденция да бъде по-досаден, отнемащ време, изисква повече части, обемисти, податливи на откази и по-скъп в сравнение с регулаторния подход, базиран на IC.

Приложение на настоящите регулатори

Регулаторите на постоянен ток намират приложение във всякакви устройства от вериги за захранване, до схеми за зареждане на батерии, до LED драйвери и други приложения, при които трябва да се регулира постоянен ток, независимо от приложеното натоварване.

Това е за тази статия! Надявам се, че сте научили едно или две неща.

До следващия път!