Regulátory proudu: konstrukční, pracovní a konstrukční typy

Stejně jako situace, ve kterých potřebujeme regulovat napětí v našich konstrukcích, existují scénáře, kdy musíme regulovat proud dodávaný do konkrétní části našeho obvodu. Na rozdíl od transformace (změna z jedné úrovně napětí na druhou), která je obvykle jedním z hlavních důvodů regulace napětí, je regulace proudu obvykle o udržení konstantního proudu, bez ohledu na změny odporu zátěže nebo vstupního napětí. Obvody (integrované nebo ne), které se používají k dosažení konstantního proudu, se nazývají (Constant) Current Regulators a jsou velmi běžně používány v silové elektronice.

I když se současné regulátory v průběhu let objevovaly v několika aplikacích, pravděpodobně až donedávna nepatřily mezi nejoblíbenější témata v rozhovorech o designu elektroniky. Současní regulační orgány nyní dosáhly jakéhokoli všudypřítomného stavu díky svým důležitým aplikacím v LED osvětlení mimo jiné.

V dnešním článku se podíváme na tyto aktuální regulátory a prozkoumáme mimo jiné provozní principy, které za nimi stojí, jejich design, typy a aplikace.

Princip činnosti proudového regulátoru

Činnost proudového regulátoru je obdobná jako u regulátoru napětí, přičemž hlavním rozdílem je parametr, který regulují, a množství, které mění, aby dodávalo svůj výstup. V napěťových regulátorech se proud mění, aby se dosáhlo požadované úrovně napětí, zatímco proudové regulátory obvykle zahrnují změny napětí / odporu pro dosažení požadovaného výstupního proudu. I když je to možné, je obvykle obtížné regulovat současně napětí a proud v obvodu.

Pochopit, jak fungují současné regulátory, vyžaduje rychlý pohled na zákon ohmů;

V = IR nebo I = V / R

To znamená, že k udržení konstantního proudu na výstupu, musí být tyto dvě vlastnosti (napětí a odpor) v obvodu udržovány konstantní nebo nastaveny tak, aby při změně jedné byla odpovídajícím způsobem upravena hodnota druhé, aby se zachovala stejný výstupní proud. Regulace proudu jako taková zahrnuje úpravu buď napětí nebo odporu v obvodu, nebo zajištění toho, aby hodnoty odporu a napětí zůstaly nezměněny bez ohledu na požadavky / dopady připojené zátěže.

Aktuální regulátor pracuje

Abychom správně popsali, jak funguje regulátor proudu, zvažte níže uvedené schéma zapojení.

Proměnný rezistor v obvodu výše se používá k reprezentaci činnosti proudového regulátoru. Budeme předpokládat, že proměnný rezistor je automatizovaný a může automaticky upravovat svůj vlastní odpor. Když je obvod napájen, proměnný rezistor upravuje svůj odpor tak, aby kompenzoval změny proudu v důsledku kolísání zatěžovacího odporu nebo napájecího napětí. Ze základní třídy elektřiny byste si měli pamatovat, že když se zvýší zátěž, což je v podstatě odpor (+ kapacita / indukčnost), dojde k efektivnímu poklesu proudu a naopak. Když se tedy zvýší zátěž v obvodu (zvýšení odporu), spíše než pokles proudu, proměnný rezistor sníží svůj vlastní odpor, aby kompenzoval zvýšený odpor a zajistil stejný tok proudu. Stejným způsobem, když se sníží odpor zátěže,proměnný odpor zvyšuje svůj vlastní odpor, aby kompenzoval redukci, čímž udržuje hodnotu výstupního proudu.

Dalším přístupem v regulaci proudu je připojení dostatečně vysokého odporu paralelně se zátěží tak, aby v souladu se zákony základní elektřiny protékal proud cestou s nejmenším odporem, který v tomto případě bude přes zátěž, pouze s „zanedbatelné“ množství proudu protékajícího vysoce hodnotným rezistorem.

Tyto variace také ovlivňují napětí, protože některé regulátory proudu udržují proud na výstupu změnou napětí. Je tedy téměř nemožné regulovat napětí na stejném výstupu, kde se reguluje proud.

Návrh současných regulátorů

Regulátory proudu jsou obvykle implementovány pomocí regulátorů napětí založených na IC, jako jsou MAX1818 a LM317, nebo pomocí jellybeanových pasivních a aktivních komponent, jako jsou tranzistory a Zenerovy diody.

Navrhování proudových regulátorů pomocí regulátorů napětí

Pro konstrukci proudových regulátorů pomocí IC regulátoru napětí tato technika obvykle zahrnuje nastavení regulátorů napětí tak, aby měly konstantní odpor zátěže a lineární regulátory napětí se obvykle používají, protože napětí mezi výstupem lineárních regulátorů a jejich zemí je obvykle těsně regulovaný, jako takový, lze mezi svorky vložit pevný rezistor tak, že do zátěže proudí pevný proud. Dobrý příklad designu založeného na tomto základě byl publikován v jedné z publikací EDN Budge Ing v roce 2016.

Použitý obvod využívá lineární regulátor LDO MAX1818 k vytvoření regulovaného napájení konstantní proudem na vysoké straně. Napájení (zobrazené na obrázku výše) bylo navrženo tak, aby napájelo RLOAD konstantním proudem, který se rovná I = 1,5V / ROUT. Kde 1,5 V je přednastavené výstupní napětí MAX1818, ale lze jej změnit pomocí externího odporového děliče.

Aby byl zajištěn optimální výkon konstrukce, musí být napětí na vstupní svorce MAX1818 až 2,5 V a ne vyšší než 5,5 V, protože to je provozní rozsah stanovený v datovém listu. Chcete-li splnit tuto podmínku, vyberte hodnotu ROUT, která umožňuje 2,5 V až 5,5 V mezi IN a GND. Například když zátěž řekněme 100 Ω s 5 V VCC, zařízení funguje správně s ROUT nad 60 Ω, protože hodnota umožňuje maximální programovatelný proud 1,5 V / 60 Ω = 25 mA. Napětí na zařízení se potom rovná minimálnímu povolenému: 5V - (25mA × 100Ω) = 2,5V.

Jiné lineární regulátory, jako je LM317, lze také použít v podobném procesu návrhu, ale jednou z hlavních výhod, které mají integrované obvody jako MAX1818 oproti jiným, je skutečnost, že obsahují tepelné vypnutí, které by mohlo být velmi důležité při současné regulaci, protože teplota IC má tendenci se zahřívat, když jsou připojeny zátěže s vysokými požadavky na proud.

U regulátoru proudu založeného na LM317 zvažte níže uvedený obvod;

LM317s jsou navrženy takovým způsobem, že regulátor stále upravuje své napětí, dokud napětí mezi jeho výstupním kolíkem a jeho nastavovacím kolíkem není na 1,25v a jako takový se obvykle používá dělič při implementaci v situaci regulátoru napětí. Ale pro náš případ použití jako regulátor proudu to pro nás ve skutečnosti dělá věci velmi snadné, protože napětí je konstantní, vše, co musíme udělat, aby byla proudová konstanta, je jednoduše vložit rezistor do série mezi pin Vout a ADJ jak je znázorněno v obvodu výše. Jako takový jsme schopni nastavit výstupní proud na pevnou hodnotu, která je dána;

I = 1,25 / R

Hodnota R je určujícím faktorem hodnoty výstupního proudu.

Chcete-li vytvořit regulátor proměnného proudu, stačí přidat do obvodu vedle jiného odporu proměnný odpor, abychom vytvořili dělič nastavitelného kolíku, jak je znázorněno na obrázku níže.

Činnost obvodu je stejná jako v předchozím, s tím rozdílem, že proud lze v obvodu upravit otočením knoflíku potenciometru pro změnu odporu. Napětí na R dává;

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

To znamená, že proud přes R je dán;

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

To dává obvodu proudový rozsah I = 1,25 / R a (1,25 / R) x (1 + R1 / R2)

Závisí na nastaveném proudu; zajistěte, aby wattový odpor rezistoru R vydržel množství proudu, který ním protéká.

Výhody a nevýhody použití LDO jako regulátoru proudu

Níže jsou uvedeny některé výhody pro výběr přístupu k lineárnímu regulátoru napětí.

Integrované obvody regulátoru obsahují ochranu proti přehřátí, což by se mohlo hodit, když jsou připojena zátěž s požadavky na nadměrný proud.
Integrované obvody regulátoru mají větší toleranci pro velká vstupní napětí a do značné míry podporují vysoký ztrátový výkon.
Přístup integrovaných obvodů regulátoru zahrnuje použití menšího množství komponent s přidáním pouze několika odporů ve většině případů, s výjimkou případů, kdy jsou vyžadovány vyšší proudy a jsou připojeny výkonové tranzistory. To znamená, že můžete použít stejný IC pro regulaci napětí a proudu.
Snížení počtu komponent by mohlo znamenat snížení nákladů na implementaci a času návrhu.

Nevýhody:

Na druhé straně konfigurace popsané v přístupu regulátorů IC umožňují kromě regulovaného výstupního napětí i tok klidového proudu z regulátoru do zátěže. Tím se zavádí chyba, která nemusí být v určitých aplikacích přípustná. To by však mohlo být sníženo výběrem regulátoru s velmi nízkým klidovým proudem.

Další nevýhodou přístupu regulátoru IC je nedostatek flexibility při návrhu.

Kromě použití integrovaných obvodů regulátoru napětí mohou být regulátory proudu také navrženy s použitím jelbeanových částí včetně tranzistorů, opampsů a Zenerovy diody s nezbytnými odpory. Zenerova dioda se používá v obvodu pravděpodobně jako žádná přemýšlení, jako kdybyste si pamatovali, že Zenerova dioda se používá k regulaci napětí. Návrh proudového regulátoru využívající tyto části je nejflexibilnější, protože se obvykle snadno integruje do stávajících obvodů.

Aktuální regulátor využívající tranzistory

V této části zvážíme dva návrhy. První bude obsahovat použití tranzistorů pouze, zatímco druhý bude obsahovat kombinaci operačního zesilovače a výkonového tranzistoru.

U tranzistorů zvažte níže uvedený obvod.

Regulátor proudu popsaný v obvodu výše je jedním z nejjednodušších návrhů regulátoru proudu. Je to nízkoproudý regulátor proudu; Připojil jsem se po zátěži před zemí. Skládá se ze tří klíčových komponent; řídicí tranzistor (2N5551), výkonový tranzistor (TIP41) a zkratový rezistor (R).Bočník, který je v podstatě odporem nízké hodnoty, se používá k měření proudu protékajícího zátěží. Když je obvod zapnutý, je na bočníku zaznamenán pokles napětí. Čím vyšší je hodnota zátěžového odporu RL, tím vyšší je pokles napětí na bočníku. Pokles napětí na bočníku působí jako spoušť řídicího tranzistoru, takže čím vyšší je pokles napětí na bočníku, tím více tranzistor vede a reguluje zkreslení napětí aplikovaného na základnu výkonového tranzistoru, aby se zvýšilo nebo snížilo vedení s odpor R1 působící jako předpětí.

Stejně jako u ostatních obvodů lze paralelně k bočníkovému rezistoru přidat proměnný rezistor pro změnu úrovně proudu změnou množství napětí aplikovaného na základnu řídicího tranzistoru.

Aktuální regulátor využívající operační zesilovač

U druhé návrhové cesty zvažte obvod níže;

Tento obvod je založen na operačním zesilovači a stejně jako v příkladu s tranzistorem využívá také zkratovací rezistor pro snímání proudu. Pokles napětí na bočníku je přiveden do operačního zesilovače, který jej poté porovná s referenčním napětím nastaveným Zenerovou diodou ZD1. Operační zesilovač kompenzuje případné odchylky (vysoké nebo nízké) ve dvou vstupních napětích úpravou výstupního napětí. Výstupní napětí operačního zesilovače je připojeno k vysoce výkonnému FET a vedení probíhá na základě aplikovaného napětí.

Hlavní rozdíl mezi touto konstrukcí a první je referenční napětí implementované Zenerovou diodou. Oba tyto návrhy jsou lineární a vysoké množství tepla bude generováno při vysokém zatížení jako takové, k odvádění tepla by k nim měly být připojeny chladiče.

Výhoda a nevýhoda

Hlavní výhodou tohoto designového přístupu je flexibilita, kterou poskytuje návrháři. Části mohou být vybrány a design nakonfigurován tak, aby chutnaly bez jakýchkoli omezení souvisejících s vnitřními obvody, které charakterizují přístup založený na IC regulátoru.

Na druhou stranu má tento přístup tendenci být zdlouhavější, časově náročnější, vyžaduje více dílů, objemný, náchylný k selhání a dražší ve srovnání s přístupem IC založeným na regulátoru.

Aplikace současných regulátorů

Regulátory konstantního proudu nacházejí uplatnění v nejrůznějších zařízeních od napájecích obvodů přes nabíjecí obvody baterií až po ovladače LED a další aplikace, kde je třeba regulovat pevný proud bez ohledu na použitou zátěž.

To je pro tento článek vše! Doufám, že jste se naučili jednu nebo dvě věci.

Do příště!