Nåværende regulatorer: konstruksjon, arbeid og design

Akkurat som situasjoner der vi trenger å regulere spenningen i designene våre, er det scenarier der vi trenger å regulere strømmen som tilføres til en bestemt del av kretsen vår. I motsetning til å transformere (skifte fra ett spenningsnivå til et annet), som vanligvis er en av de viktigste årsakene til spenningsregulering, handler strømregulering vanligvis om å holde strømmen som tilføres konstant, uavhengig av variasjoner i lastmotstand eller inngangsspenning. Kretsene (integrerte eller ikke) som brukes til å oppnå konstant strømforsyning kalles (Constant) Current Regulators, og de brukes veldig ofte i Power Electronics.

Mens nåværende regulatorer har blitt omtalt i flere applikasjoner opp gjennom årene, er de uten tvil ikke et av de mest populære temaene i elektronikkdesignsamtaler før nylig. Nåværende regulatorer har nå oppnådd en slags allestedsnærværende status på grunn av deres viktige applikasjoner innen LED-belysning blant andre applikasjoner.

For dagens artikkel vil vi se på disse nåværende regulatorene og undersøke driftsprinsippene bak dem, deres design, typer og applikasjoner blant andre.

Operasjonsprinsipp for gjeldende regulator

Driften av en strømregulator er lik den for spenningsregulatoren, med den største forskjellen er parameteren de regulerer og mengden de varierer for å levere utgangen. I spenningsregulatorer varieres strømmen for å oppnå ønsket spenningsnivå, mens strømregulatorer vanligvis involverer variasjoner i spenning / motstand for å oppnå ønsket strømutgang. Selv om det er mulig, er det som regel vanskelig å regulere spenning og strøm samtidig i en krets.

For å forstå hvordan nåværende regulatorer fungerer krever det en rask titt på ohmsloven;

V = IR eller I = V / R

Dette betyr å opprettholde en konstant strømstrøm ved en utgang, disse to egenskapene (spenning og motstand) må holdes konstant i en krets eller justeres slik at når det er en endring i den ene, blir verdien av den andre justert tilsvarende for å beholde samme utgangsstrøm. Som sådan innebærer strømregulering å justere spenningen eller motstanden i en krets eller sikre at motstands- og spenningsverdiene er uendret, uavhengig av kravene / effektene av den tilkoblede lasten.

Nåværende regulator fungerer

For å riktig beskrive hvordan en nåværende regulator fungerer, la oss vurdere kretsskjemaet nedenfor.

Den variable motstanden i kretsen ovenfor brukes til å representere handlingene til en strømregulator. Vi antar at den variable motstanden er automatisert og kan justere sin egen motstand automatisk. Når kretsen får strøm, justerer den variable motstanden sin motstand for å kompensere for endringer i strømmen på grunn av variasjon i lastmotstand eller spenningsforsyning. Fra grunnleggende elektrisitetsklasse, bør du huske at når belastningen, som i det vesentlige er motstand (+ kapasitans / induktans), økes, oppleves et effektivt fall i strømmen og omvendt. Dermed når belastningen i kretsen økes (økning i motstand), snarere enn et strømfall, reduserer den variable motstanden sin egen motstand for å kompensere for den økte motstanden og sikre den samme strømmen. På samme måte, når lastmotstanden reduseres,den variable motstanden øker sin egen motstand for å kompensere for reduksjonen, og opprettholder dermed utgangsstrømverdien.

En annen tilnærming i gjeldende regulering er å koble en tilstrekkelig høy motstand parallelt med belastningen slik at strøm, i tråd med lovene om grunnleggende elektrisitet, vil strømme gjennom banen med minst motstand som i dette tilfellet vil være gjennom lasten, med bare en "ubetydelig" mengde strøm som strømmer gjennom motstanden med høy verdi.

Disse variasjonene påvirker også spenningen ettersom noen strømregulatorer opprettholder strøm ved utgangen ved å variere spenningen. Dermed er det nesten umulig å regulere spenningen ved samme utgang der strømmen reguleres.

Nåværende reguleringsdesign

Nåværende regulatorer implementeres vanligvis ved hjelp av IC-baserte spenningsregulatorer som MAX1818 og LM317 eller ved bruk av jellybean passive og aktive komponenter som transistorer og Zener-dioder.

Designe gjeldende regulatorer ved hjelp av spenningsregulatorer

For utformingen av strømregulatorer som bruker IC-basert spenningsregulator, innebærer teknikken vanligvis å sette opp spenningsregulatorer for å ha en konstant belastningsmotstand, og Lineære spenningsregulatorer brukes vanligvis fordi spenningen mellom utgangen til lineære regulatorer og bakken deres vanligvis er tett regulert, som sådan, kan en fast motstand settes inn mellom terminalene slik at en fast strøm strømmer til belastningen. Et godt eksempel på et design basert på dette ble publisert i en av EDN-publikasjonene av Budge Ing i 2016.

Kretsen som brukes, bruker LDO lineær regulator MAX1818 for å skape en regulær forsyning med konstant strøm. Forsyningen (vist på bildet ovenfor) ble designet slik at den mater RLOAD med en konstant strøm, som er lik I = 1,5V / ROUT. Hvor 1,5V er den forhåndsinnstilte utgangsspenningen til MAX1818, men kan endres ved hjelp av en ekstern resistiv skillelinje.

For å sikre den optimale ytelsen til designet, må spenningen ved inngangsterminalen til MAX1818 være opptil 2,5V og ikke over 5,5v, da dette er driftsområdet som er angitt i databladet. For å tilfredsstille denne tilstanden, velg en ROUT-verdi som tillater 2,5V til 5,5V mellom IN og GND. For eksempel når en belastning på si 100Ω med en 5V VCC, fungerer enheten riktig med ROUT over 60Ω, da verdien tillater en maksimal programmerbar strøm på 1,5V / 60Ω = 25mA. Spenningen over enheten tilsvarer da det tillatte minimum: 5V - (25mA × 100Ω) = 2,5V.

Andre lineære regulatorer som LM317 kan også brukes i en lignende designprosess, men en av de største fordelene som IC-er som MAX1818 har over andre, er det faktum at de inkluderer termisk nedleggelse, noe som kan være veldig viktig i dagens regulering som temperaturen på IC har en tendens til å bli varm når belastninger med høye strømkrav er tilkoblet.

For kretsen nedenfor er den LM317-baserte strømregulatoren;

LM317s er designet på en slik måte at regulatoren fortsetter å justere spenningen til spenningen mellom utgangsstiften og justeringsstiften er på 1,25 v, og som sådan brukes en skillelinje når den implementeres i en spenningsregulator-situasjon. Men for vårt brukstilfelle som en strømregulator, gjør det ting veldig enkelt for oss, siden spenningen er konstant, alt vi trenger å gjøre for å gjøre strømmen konstant, er å bare sette inn en motstand i serie mellom Vout og ADJ-pin som vist i kretsen ovenfor. Som sådan er vi i stand til å sette utgangsstrømmen til en fast verdi som er gitt av;

I = 1,25 / R

Med verdien av R er den avgjørende faktoren for utgangsstrømverdien.

For å lage en variabel strømregulator, trenger vi bare å legge til en variabel motstand i kretsen ved siden av en annen motstand for å lage en skillelinje til den justerbare pinnen som vist på bildet nedenfor.

Driften av kretsen er den samme som den forrige, med forskjellen at strømmen kan justeres i kretsen ved å vri på potensiometerets knott for å variere motstanden. Spenningen over R gir ved;

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

Dette betyr at strømmen over R er gitt av;

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

Dette gir kretsen et strømområde på I = 1,25 / R og (1,25 / R) x (1 + R1 / R2)

Avhengig av innstilt strøm; sørg for at wattverdien til motstanden R tåler mengden strøm som vil strømme gjennom den.

Fordeler og ulemper ved å bruke LDO som gjeldende regulator

Nedenfor er noen fordeler for valg av tilnærming til lineær spenningsregulator.

Regulator IC-er har beskyttelse mot over temperatur som kan være nyttig når laster med for høye strømkrav er tilkoblet.
Regulator IC-er har større toleranse for store inngangsspenninger og støtter i stor grad høy effektavledning.
Regulatorens IC-tilnærming innebærer bruk av en mindre mengde komponenter med tilsetning av bare noen få motstander i de fleste tilfeller bortsett fra tilfeller der høyere strømmer er påkrevd og effekttransistorer er koblet til. Dette betyr at du kan bruke samme IC for spenning og strømregulering.
Reduksjonen i antall komponenter kan bety en reduksjon i implementeringskostnad og designtid.

Ulemper:

På baksiden tillater konfigurasjonene som er beskrevet under regulatorens ICs-tilnærming strømmen av hvilestrøm fra regulatoren til belastningen i tillegg til den regulerte utgangsspenningen. Dette introduserer en feil som kanskje ikke er tillatt i visse applikasjoner. Dette kan imidlertid reduseres ved å velge en regulator med svært lav hvilestrøm.

En annen ulempe med regulatorens IC-tilnærming er mangelen på fleksibilitet i designet.

Bortsett fra bruken av IC-er for spenningsregulatorer, kan gjeldende regulatorer også utformes ved hjelp av jellybean-deler, inkludert transistorer, opamps og Zener-dioder med nødvendige motstander. En Zener-diode brukes i kretsen, sannsynligvis som en no brainer, som om du husker at Zener-diode brukes til spenningsregulering. Utformingen av strømregulatoren som bruker disse delene, er den mest fleksible siden de vanligvis er enkle å integrere i eksisterende kretser.

Nåværende regulator ved hjelp av transistorer

Vi vil vurdere to design under denne delen. Den første vil kun inneholde bruk av transistorer mens den andre vil inneholde en blanding av en operasjonsforsterker og en krafttransistor.

For den med transistorer, vurder kretsen nedenfor.

Strømregulatoren beskrevet i kretsen ovenfor er en av de enkleste strømregulatordesignene. Det er en lavsidestrømregulator; Jeg koblet etter lasten før bakken. Den består av tre viktige komponenter; en kontrolltransistor (2N5551), en krafttransistor (TIP41) og en shuntmotstand (R).Shunten, som egentlig er en motstand med lav verdi, brukes til å måle strømmen som strømmer gjennom lasten. Når kretsen er slått på, registreres et spenningsfall over shunten. Jo høyere verdien av lastmotstanden RL desto høyere spenningsfall over shunten. Spenningsfallet over shunten fungerer som en utløser for kontrolltransistoren slik at jo høyere spenningsfallet over shunten er, jo mer transistor leder og regulerer forspenningen påført på basen av krafttransistoren for å øke eller redusere ledning med motstand R1 fungerer som forspenningsmotstand.

Akkurat som med de andre kretsene, kan en variabel motstand legges til parallelt med shuntmotstanden for å variere strømnivået ved å variere mengden spenning som påføres i bunnen av kontrolltransistoren.

Nåværende regulator ved bruk av Op-Amp

For den andre designbanen, vurder kretsen nedenfor;

Denne kretsen er basert på en operasjonsforsterker, og akkurat som i eksemplet med transistoren, bruker den også en shuntmotstand for strømregistrering. Spenningsfallet over shunten blir matet inn i operasjonsforsterkeren som deretter sammenligner den med en referansespenning satt av Zener-dioden ZD1. Op-amp kompenserer for avvik (høy eller lav) i de to inngangsspenningene ved å justere utgangsspenningen. Utgangsspenningen til operasjonsforsterkeren er koblet til en FET med høy effekt, og ledning skjer basert på den påførte spenningen.

Den største forskjellen mellom denne designen og den første er referansespenningen implementert av Zener-dioden. Begge disse designene er lineære, og det vil genereres høy varmemengde ved høye belastninger som sådan. Varmeavleder bør kobles til dem for å avgi varmen.

Fordel og ulempe

Den største fordelen med denne designtilnærmingen er fleksibiliteten den gir designeren. Delene kan velges og utformingen konfigureres til å smake uten noen av begrensningene forbundet med interne kretser som karakteriserer regulatorens IC-baserte tilnærming.

På den annen side har denne tilnærmingen en tendens til å være mer kjedelig, tidkrevende, krever flere deler, klumpete, utsatt for svikt og dyrere sammenlignet med den regulatorbaserte IC-tilnærmingen.

Anvendelse av gjeldende regulatorer

Konstantstrømregulatorer finner applikasjoner i alle slags enheter fra strømforsyningskretser, til batteriladekretser, til LED-drivere og andre applikasjoner der en fast strøm må reguleres uavhengig av påført belastning.

Det er det for denne artikkelen! Håper du har lært en eller to ting.

Til neste gang!