Регулятори струму: будівельні, робочі та проектні типи

Подібно до ситуацій, коли нам потрібно регулювати напругу в наших конструкціях, існують сценарії, коли нам потрібно регулювати струм, який подається на певну частину нашої схеми. На відміну від трансформації (зміни від одного рівня напруги до іншого), яке зазвичай є однією з основних причин регулювання напруги, регулювання струму, як правило, полягає в підтримці постійного струму, незалежно від коливань опору навантаження або вхідної напруги. Схеми (інтегровані чи ні), які використовуються для досягнення постійного струму, називаються (постійними) регуляторами струму, і вони дуже часто використовуються в силовій електроніці.

Хоча поточні регулятори протягом багатьох років були представлені в декількох додатках, вони, мабуть, до останнього часу не були однією з найпопулярніших тем у розмовах щодо дизайну електроніки. Теперішні регулятори досягли свого роду повсюдного статусу завдяки своїм важливим застосуванням серед інших додатків у світлодіодному освітленні.

У сьогоднішній статті ми розглянемо ці поточні регулятори та вивчимо принципи їх роботи, їх конструкцію, типи та застосування, серед інших.

Принцип роботи поточного регулятора

Робота регулятора струму подібна до роботи регулятора напруги з основною різницею в тому, який параметр вони регулюють, і в кількості, яку вони змінюють для подачі своєї вихідної потужності. У регуляторах напруги сила струму змінюється для досягнення необхідного рівня напруги, тоді як регулятори струму, як правило, передбачають коливання напруги / опору для досягнення необхідної вихідної сили струму. Таким чином, хоча це можливо, зазвичай важко регулювати напругу і струм одночасно в ланцюзі.

Щоб зрозуміти, як працюють регулятори струму, потрібно швидко переглянути закон Омів;

V = ІЧ або I = V / R

Це означає, що для підтримки постійного поточного струму на виході ці дві властивості (напруга та опір) повинні підтримуватися постійними в ланцюзі або регулюватися таким чином, щоб при зміні одного значення іншого регулювалося відповідно, щоб зберегти той самий вихідний струм. Таким чином, регулювання струму передбачає регулювання напруги або опору в ланцюзі або забезпечення незмінних значень опору та напруги незалежно від вимог / впливів підключеного навантаження.

Поточний регулятор працює

Щоб правильно описати, як працює регулятор струму, давайте розглянемо принципову схему нижче.

Змінний резистор у схемі вище використовується для представлення дій регулятора струму. Будемо вважати, що змінний резистор автоматизований і може автоматично регулювати власний опір. Коли ланцюг живиться, змінний резистор регулює свій опір, щоб компенсувати зміни струму через зміну опору навантаження або напруги. З базового класу електричної енергії слід пам’ятати, що при збільшенні навантаження, яке є по суті опором (+ ємність / індуктивність), спостерігається ефективне падіння струму і навпаки. Таким чином, коли навантаження в ланцюзі збільшується (збільшення опору), а не падіння струму, змінний резистор зменшує власний опір, щоб компенсувати підвищений опір і забезпечити однакові потоки струму. Таким же чином, коли опір навантаження зменшується,змінний опір збільшує власний опір, щоб компенсувати зменшення, підтримуючи таким чином значення вихідного струму.

Іншим підходом регулювання струму є підключення досить високого резистора паралельно навантаженню таким чином, що відповідно до законів основної електричної енергії струм буде проходити по трасі з найменшим опором, який у цьому випадку буде проходити через навантаження, лише "незначна" кількість струму, що протікає через високоцінний резистор.

Ці зміни також впливають на напругу, оскільки деякі регулятори струму підтримують струм на виході, змінюючи напругу. Таким чином, практично неможливо регулювати напругу на тому самому виході, де регулюється струм.

Поточний дизайн регуляторів

Регулятори струму зазвичай реалізуються з використанням регуляторів напруги на основі мікросхеми, таких як MAX1818 та LM317, або за допомогою пасивних та активних компонентів желе, таких як транзистори та стабілітрони.

Проектування регуляторів струму за допомогою регуляторів напруги

Для проектування регуляторів струму, що використовують регулятор напруги на основі мікросхеми, метод, як правило, включає налаштування регуляторів напруги з постійним опором навантаження, і зазвичай використовуються лінійні регулятори напруги, оскільки напруга між виходом лінійних регуляторів та їх заземленням зазвичай є щільно регульований, як такий, фіксований резистор може бути вставлений між клемами таким чином, що фіксований струм тече до навантаження. Хороший приклад дизайну, заснованого на цьому, був опублікований в одній з публікацій EDN Budge Ing у 2016 році.

Використовувана схема використовує лінійний регулятор LDO MAX1818 для створення регульованого струму високої сторони. Блок живлення (показаний на зображенні вище) був розроблений таким чином, що подає RLOAD із постійним струмом, який дорівнює I = 1,5 В / РОУТ. Де 1,5 В - це попередньо встановлена вихідна напруга MAX1818, але вона може бути змінена за допомогою зовнішнього резистивного дільника.

Для забезпечення оптимальних показників конструкції напруга на вхідному терміналі MAX1818 повинна бути до 2,5 В і не вище 5,5 В, оскільки це робочий діапазон, передбачений технічним паспортом. Щоб задовольнити цю умову, виберіть значення ROUT, яке дозволяє від 2,5 В до 5,5 В між IN та GND. Наприклад, при навантаженні приблизно 100 Ом при VCC 5 В, пристрій функціонує належним чином з ROUT вище 60 Ом, оскільки значення дозволяє максимально програмований струм 1,5 В / 60 Ом = 25 мА. Тоді напруга на пристрої дорівнює мінімально допустимому: 5 В - (25 мА × 100 Ом) = 2,5 В.

Інші лінійні регулятори, такі як LM317, також можуть бути використані в аналогічному процесі проектування, але однією з основних переваг мікросхем, таких як MAX1818, є те, що вони включають термовідключення, що може бути дуже важливим при поточному регулюванні, як температура ІС, як правило, нагрівається, коли підключені навантаження з високими поточними вимогами.

Для регулятора струму на основі LM317 розгляньте схему нижче;

LM317s сконструйовані таким чином, що регулятор продовжує регулювати свою напругу, поки напруга між його вихідним штифтом та його регулювальним штифтом не дорівнює 1,25 в, і як такий дільник зазвичай використовується при реалізації в ситуації регулятора напруги. Але для нашого випадку використання в якості регулятора струму це насправді робить нас надзвичайно легкими, оскільки, оскільки напруга є постійною, все, що нам потрібно зробити, щоб зробити постійну постійну, - це просто вставити послідовно резистор між виводом Vout і ADJ як показано на схемі вище. Таким чином, ми можемо встановити вихідний струм на фіксовану величину, яка задається як;

I = 1,25 / R

Значення R є визначальним фактором значення вихідного струму.

Щоб створити змінний регулятор струму, нам потрібно лише додати змінний резистор до ланцюга поряд з іншим резистором, щоб створити дільник до регульованого штифта, як показано на малюнку нижче.

Робота схеми така ж, як і попередня, з тією різницею, що струм можна регулювати в ланцюзі, повертаючи ручку потенціометра, щоб змінювати опір. Напруга на R подається;

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

Це означає, що сила струму через R задається як;

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

Це надає ланцюгу діапазон струму I = 1,25 / R та (1,25 / R) x (1 + R1 / R2)

Залежать від заданого струму; переконайтеся, що потужність резистора R не витримує величини струму, який буде протікати через нього.

Переваги та недоліки використання LDO як поточного регулятора

Нижче наведено деякі переваги для вибору підходу до лінійного регулятора напруги.

ІС регулятора включають захист від перегріву, який може стати в нагоді при підключенні навантажень із надмірними поточними вимогами.
ІС регулятора мають більший допуск на великі вхідні напруги і значною мірою підтримують велику розсіювання потужності.
Підхід регуляторних ІС передбачає використання меншої кількості компонентів з додаванням лише декількох резисторів у більшості випадків, за винятком випадків, коли потрібні вищі струми і підключені силові транзистори. Це означає, що ви можете використовувати одну і ту ж мікросхему для регулювання напруги та струму.
Зменшення кількості компонентів може означати зменшення вартості впровадження та часу проектування.

Недоліки:

З іншого боку, конфігурації, описані під підходом ІС регулятора, дозволяють подавати струм спокою від регулятора до навантаження на додаток до регульованої вихідної напруги. Це призводить до помилки, яка може бути недопустимою в певних програмах. Однак це можна зменшити, вибравши регулятор з дуже низьким струмом спокою.

Іншим недоліком підходу до регуляторної ІС є відсутність гнучкості в конструкції.

Окрім використання мікросхем регулятора напруги, регулятори струму також можуть бути розроблені з використанням деталей желе, включаючи транзистори, омпари та стабілітрони з необхідними резисторами. Стабілітрон використовується в ланцюзі, ймовірно, як непридатний для роботи, як ніби ви пам’ятаєте, що стабілітрон використовується для регулювання напруги. Конструкція регулятора струму з використанням цих деталей є найбільш гнучкою, оскільки їх зазвичай легко інтегрувати в існуючі схеми.

Поточний регулятор з використанням транзисторів

У цьому розділі ми розглянемо дві конструкції. У першому буде використано лише транзистори, тоді як у другому - поєднання операційного підсилювача та силового транзистора.

Для транзисторів розгляньте схему нижче.

Регулятор струму, описаний у схемі вище, є однією з найпростіших конструкцій регулятора струму. Це регулятор струму з низької сторони; Я підключився після навантаження перед землею. Він складається з трьох ключових компонентів; керуючий транзистор (2N5551), силовий транзистор (The TIP41) і шунтуючий резистор (R).Шунт, який, по суті, є малоцінним резистором, використовується для вимірювання струму, що протікає через навантаження. При включенні ланцюга на шунті відзначається падіння напруги. Чим вище значення опору навантаження RL, тим вище падіння напруги на шунті. Падіння напруги на шунті діє як пусковий механізм для керуючого транзистора таким чином, що чим вище падіння напруги на шунті, тим більше транзистор проводить і регулює напругу зміщення, що подається на основу силового транзистора, щоб збільшити або зменшити провідність разом резистор R1, що діє як резистор зміщення.

Як і в інших ланцюгах, змінний резистор можна додати паралельно до шунтуючого резистора, щоб змінювати рівень струму, змінюючи величину напруги, що подається на базі керуючого транзистора.

Поточний регулятор, що використовує Op-Amp

Для другого проектного шляху розгляньте схему нижче;

Ця схема заснована на підсилювачі роботи, і, як і в прикладі з транзистором, вона також використовує шунтуючий резистор для зондування струму. Падіння напруги на шунті подається в операційний підсилювач, який потім порівнює його з еталонною напругою, встановленою стабілітроном ZD1. Операційний підсилювач компенсує будь-які розбіжності (високі чи низькі) двох вхідних напруг, регулюючи його вихідну напругу. Вихідна напруга операційного підсилювача підключена до транзистора високої потужності, і провідність відбувається на основі прикладеної напруги.

Основною відмінністю цієї конструкції від першої є опорна напруга, реалізована стабілітроном. Обидві ці конструкції є лінійними, і велика кількість тепла буде вироблятися при великих навантаженнях, як такі, до них слід відводити тепловідводи для відведення тепла.

Перевага та недолік

Основною перевагою такого дизайнерського підходу є гнучкість, яку він надає дизайнеру. Деталі можуть бути обрані та виконані з урахуванням обмежень, пов’язаних із внутрішньою схемою, що характеризує підхід на основі мікросхеми регулятора.

З іншого боку, такий підхід, як правило, є більш втомливим, трудомістким, вимагає більшої кількості деталей, громіздких, сприйнятливих до відмов і дорожчих у порівнянні з підходом ІС на основі регулятора.

Застосування чинних регуляторів

Регулятори постійного струму знаходять застосування у всіляких пристроях, від схем живлення, до схем зарядки акумулятора, до світлодіодних драйверів та інших додатків, де постійний струм потрібно регулювати незалежно від прикладеного навантаження.

Ось і все для цієї статті! Сподіваюся, ти навчився одне-два.

До наступного разу!