Srovės reguliatoriai: konstrukcijos, darbo ir projektavimo tipai

Kaip ir situacijose, kai turime reguliuoti įtampą savo projektuose, yra scenarijų, kai turime reguliuoti srovę, kuri tiekiama tam tikrai mūsų grandinės daliai. Skirtingai nuo transformavimo (keitimas iš vieno įtampos lygio į kitą), kuris paprastai yra viena iš pagrindinių įtampos reguliavimo priežasčių, srovės reguliavimas paprastai susijęs su pastovios tiekiamos srovės išlaikymu, neatsižvelgiant į atsparumo apkrovai ar įėjimo įtampos pokyčius. Grandinės (integruotos arba ne), kurios naudojamos pastoviam srovės tiekimui pasiekti, vadinamos (nuolatinėmis) srovės reguliatoriais ir labai dažnai naudojamos „Power Electronics“.

Nors dabartiniai reguliatoriai per daugelį metų buvo pristatomi keliose programose, jie, be abejo, dar nėra viena iš populiariausių elektronikos dizaino pokalbių temų. Dabartiniai reguliatoriai dabar pasiekė tam tikrą visuotinę būklę dėl savo svarbios LED apšvietimo taikymo, be kitų programų.

Šiandienos straipsnyje aptarsime šiuos dabartinius reguliatorius ir, be kita ko, išnagrinėsime jų veikimo principus, jų dizainą, tipus ir taikymą.

Srovės reguliatoriaus veikimo principas

Srovės reguliatoriaus veikimas yra panašus į įtampos reguliatoriaus veikimą, o pagrindinis skirtumas yra parametras, kurį jie reguliuoja, ir kiekis, kurį jie gali keisti tiekdami jų išvestį. Įtampos reguliatoriuose srovė keičiama, kad būtų pasiektas reikalingas įtampos lygis, tuo tarpu srovės reguliatoriai paprastai keičia įtampą / varžą, kad būtų pasiektas reikalingas srovės išėjimas. Nors tai įmanoma, grandinėje paprastai sunku tuo pačiu metu reguliuoti įtampą ir srovę.

Norint suprasti dabartinių reguliatorių darbą, reikia greitai pažvelgti į omų įstatymą;

V = IR arba I = V / R

Tai reiškia, kad išėjime palaikomas pastovus srovės srautas, šios dvi savybės (įtampa ir varža) turi būti pastovios grandinėje arba sureguliuotos taip, kad pasikeitus vienai, kitos vertė būtų atitinkamai sureguliuota, kad išlaikytų ta pati išėjimo srovė. Kaip, pavyzdžiui, dabartinis reglamentas apima priėmimo koreguoja arba įtampos ar varžos į grandinę arba užtikrinti atsparumą ir įtampos vertės yra nepakitę nepriklausomai nuo reikalavimų / poveikio prijungtą apkrovą.

Veikia dabartinis reguliatorius

Norėdami tinkamai apibūdinti, kaip veikia srovės reguliatorius, apsvarstykime toliau pateiktą grandinės schemą.

Aukščiau esančios grandinės kintamasis rezistorius naudojamas srovės reguliatoriaus veiksmams atspindėti. Mes manysime, kad kintamasis rezistorius yra automatizuotas ir gali automatiškai reguliuoti savo atsparumą. Įjungus grandinę, kintamasis rezistorius sureguliuoja savo varžą, kad kompensuotų srovės pokyčius dėl apkrovos varžos ar įtampos tiekimo pokyčių. Iš pagrindinės elektros klasės turėtumėte prisiminti, kad padidinus apkrovą, kuri iš esmės yra varža (+ talpa / induktyvumas), patiriamas efektyvus srovės kritimas ir atvirkščiai. Taigi, padidinus apkrovą grandinėje (pasipriešinimo padidėjimas), o ne srovės kritimą, kintamasis rezistorius sumažina savo atsparumą, kad kompensuotų padidėjusį pasipriešinimą ir užtikrintų tuos pačius srovės srautus. Tuo pačiu būdu, kai sumažėja atsparumas apkrovai,kintamasis pasipriešinimas padidina savo atsparumą, kad kompensuotų sumažėjimą, taip išlaikant išėjimo srovės vertę.

Kitas dabartinio reguliavimo metodas yra prijungti pakankamai aukštą rezistorių lygiagrečiai apkrovai taip, kad, vadovaujantis pagrindinės elektros dėsniais, srovė tekės mažiausiojo pasipriešinimo keliu, kuris šiuo atveju bus per apkrovą, tik su „nereikšmingas“ srovės kiekis, tekantis per didelės vertės rezistorių.

Šie pokyčiai taip pat turi įtakos įtampai, nes kai kurie srovės reguliatoriai palaiko srovę išėjime, keisdami įtampą. Taigi beveik neįmanoma reguliuoti įtampos tame pačiame išėjime, kur reguliuojama srovė.

Dabartinių reguliatorių dizainas

Srovės reguliatoriai paprastai įgyvendinami naudojant IC pagrįstus įtampos reguliatorius, tokius kaip MAX1818 ir LM317, arba naudojant želė pupelių pasyvius ir aktyvius komponentus, tokius kaip tranzistoriai ir „Zener“ diodai.

Srovės reguliatorių projektavimas naudojant įtampos reguliatorius

Kuriant srovės reguliatorius, naudojančius IC įtampos reguliatorius, technika paprastai apima įtampos reguliatorių nustatymą, kad būtų pastovus atsparumas apkrovai, o paprastai naudojami tiesiniai įtampos reguliatoriai, nes įtampa tarp linijinių reguliatorių išėjimo ir jų žemės paprastai yra sandariai reguliuojamas, todėl fiksuotas rezistorius gali būti įterptas tarp gnybtų taip, kad į apkrovą tekėtų fiksuota srovė. Geras tuo pagrįsto dizaino pavyzdys buvo paskelbtas viename iš EDN leidinių, kuriuos paskelbė „Budge Ing“. 2016 m.

Naudojama grandinė naudoja tiesinį LDO reguliatorių MAX1818, kad būtų sukurtas aukštosios pusės pastovios srovės reguliuojamas maitinimas. Maitinimas (parodyta aukščiau esančiame paveikslėlyje) buvo suprojektuotas taip, kad jis maitintų RLOAD pastovia srove, kuri lygi I = 1,5 V / maršrutas. Kai 1,5 V yra iš anksto nustatyta MAX1818 išėjimo įtampa, tačiau ją galima pakeisti naudojant išorinį varžinį daliklį.

Norint užtikrinti optimalų konstrukcijos veikimą, MAX1818 įvesties gnybte įtampa turi būti iki 2,5 V, bet ne aukštesnė kaip 5,5 V, nes tai yra duomenų lape nurodytas veikimo diapazonas. Norėdami įvykdyti šią sąlygą, pasirinkite ROUT vertę, kuri leistų nuo 2,5 iki 5,5 V tarp IN ir GND. Pvz., Kai, tarkim, 100Ω apkrova su 5V VCC, prietaisas tinkamai veikia, kai ROUT yra didesnė nei 60Ω, nes vertė leidžia maksimalią programuojamą srovę 1,5V / 60Ω = 25mA. Tada įtampa visame įrenginyje lygi minimaliai leistinai: 5V - (25mA × 100Ω) = 2,5V.

Kiti linijiniai reguliatoriai, pvz., LM317, taip pat gali būti naudojami panašiame projektavimo procese, tačiau vienas iš pagrindinių IC, tokių kaip MAX1818, pranašumų yra tas, kad jie apima terminį išjungimą, kuris gali būti labai svarbus dabartiniame reguliavime, nes IC yra linkęs įkaisti, kai prijungiamos apkrovos su dideliais srovės poreikiais.

Dėl LM317 remiantis dabartine reguliatorius, apsvarstykite žemiau grandinę;

LM317s yra suprojektuoti taip, kad reguliatorius nuolat reguliuotų savo įtampą, kol įtampa tarp jo išvesties kaiščio ir jo reguliavimo kaiščio bus 1,25 V ir toks daliklis paprastai naudojamas įgyvendinant įtampos reguliatoriaus situacijoje. Tačiau mūsų, kaip srovės reguliatoriaus, naudojimo atveju tai iš tikrųjų mums labai lengva, nes kadangi įtampa yra pastovi, viskas, ką turime padaryti, kad dabartinė konstanta būtų, yra tiesiog įterpti rezistorių nuosekliai tarp „Vout“ ir „ADJ“ kaiščių kaip parodyta aukščiau esančioje grandinėje. Taigi mes galime nustatyti išėjimo srovę į fiksuotą vertę, kurią pateikia;

Aš = 1,25 / R

R reikšmė yra lemiamas išėjimo srovės vertės veiksnys.

Norėdami sukurti kintamą srovės reguliatorių, mes tik turime pridėti kintamą rezistorių prie grandinės šalia kito rezistoriaus, kad sukurtume skirstytuvą prie reguliuojamo kaiščio, kaip parodyta žemiau esančiame paveikslėlyje.

Grandinės veikimas yra toks pat kaip ir ankstesnio, nes skirtumas yra tas, kad srovę grandinėje galima reguliuoti pasukant potenciometro rankenėlę, kad būtų galima pakeisti pasipriešinimą. Įtampa per R duoda;

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

Tai reiškia, kad srovę per R suteikia:

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

Tai suteikia grandinei srovės diapazoną I = 1,25 / R ir (1,25 / R) x (1 + R1 / R2)

Priklauso nuo nustatytos srovės; įsitikinkite, kad rezistoriaus R vatas gali atlaikyti per jį tekančios srovės kiekį.

Privalumai ir trūkumai naudojant LDO kaip dabartinį reguliatorių

Toliau pateikiami keli linijinės įtampos reguliatoriaus metodo pasirinkimo pranašumai.

Reguliatoriaus IC yra apsauga nuo per temperatūros, kuri gali būti naudinga, kai prijungiamos apkrovos, turinčios pernelyg didelius srovės reikalavimus.
Reguliatoriaus IC turi didesnę toleranciją didelėms įėjimo įtampoms ir labai palaiko didelės galios išsisklaidymą.
Reguliatoriaus IC metodas apima mažesnio komponentų kiekio naudojimą, daugeliu atvejų pridedant tik keletą rezistorių, išskyrus atvejus, kai reikalingos didesnės srovės ir prijungti maitinimo tranzistoriai. Tai reiškia, kad įtampos ir srovės reguliavimui galite naudoti tą patį IC.
Sumažėjus komponentų skaičiui, gali sumažėti įgyvendinimo išlaidos ir projektavimo laikas.

Trūkumai:

Apie atvirkštinė pusė, apibūdintos pagal reguliatorius ICs požiūrio konfigūracijos leidžia srautą inertiškos srovės iš reguliatoriaus į apkrovą, be reguliuojamos išėjimo įtampa. Tai sukelia klaidą, kuri gali būti neleistina tam tikrose programose. Tačiau tai būtų galima sumažinti pasirinkus reguliatorių su labai maža ramybės srove.

Kitas reguliatoriaus IC požiūrio trūkumas yra lankstumo trūkumas projektuojant.

Be įtampos reguliatoriaus IC naudojimo, srovės reguliatoriai taip pat gali būti suprojektuoti naudojant želė pupelių dalis, įskaitant tranzistorius, opampus ir „Zener“ diodą su reikalingais rezistoriais. „Zener“ diodas grandinėje naudojamas tikriausiai kaip „be brainer“, tarsi prisimenate, kad „Zener“ diodas naudojamas įtampos reguliavimui. Srovės reguliatoriaus dizainas naudojant šias dalis yra pats lankstiausias, nes juos paprastai lengva integruoti į esamas grandines.

Srovės reguliatorius naudojant tranzistorius

Šiame skyriuje mes apsvarstysime du dizainus. Pirmajame bus naudojami tik tranzistoriai, o antrajame - operacinio stiprintuvo ir galios tranzistoriaus derinys.

Turint omenyje tranzistorius, apsvarstykite toliau pateiktą grandinę.

Aukščiau pateiktoje grandinėje aprašytas srovės reguliatorius yra vienas iš paprasčiausių srovės reguliatorių konstrukcijų. Tai žemos srovės reguliatorius; Aš prisijungiau po apkrovos prieš žemę. Jį sudaro trys pagrindiniai komponentai; valdymo tranzistorius (2N5551), galios tranzistorius (The TIP41) ir šunto rezistorius (R).Šuntas, kuris iš esmės yra mažos vertės rezistorius, naudojamas matuojant srovę, tekančią per apkrovą. Įjungus grandinę, per šuntą pastebimas įtampos kritimas. Kuo didesnė atsparumo apkrovai RL vertė, tuo didesnis įtampos kritimas per šuntą. Įtampos kritimas per šuntą veikia kaip valdomasis tranzistorius, todėl kuo didesnis įtampos kritimas per šuntą, tuo daugiau tranzistorius atlieka ir reguliuoja šališkumo įtampą, taikomą galios tranzistoriaus pagrindui, kad padidėtų arba sumažėtų laidumas su rezistorius R1, veikiantis kaip šališkas rezistorius.

Kaip ir kitose grandinėse, lygiagrečiai šunto rezistoriui galima pridėti kintamą rezistorių, kad būtų galima pakeisti srovės lygį keičiant įtampą, taikomą valdymo tranzistoriaus pagrinde.

Dabartinis reguliatorius naudojant „Op-Amp“

Antrojo projektavimo kelio atveju apsvarstykite toliau pateiktą grandinę;

Ši grandinė yra pagrįsta veikimo stiprintuvu, ir, kaip ir tranzistoriaus pavyzdyje, srovės jutimui ji taip pat naudoja šunto rezistorių. Įtampos kritimas per šuntą tiekiamas į operacinį stiprintuvą, kuris tada lyginamas su etalonine įtampa, kurią nustato „Zener“ diodas ZD1. Op-amp kompensuoja bet kokius dviejų (didelių ar mažų) įėjimo įtampų neatitikimus, reguliuodamas jo išėjimo įtampą. Operacinio stiprintuvo išėjimo įtampa yra prijungta prie didelės galios FET ir laidumas vyksta atsižvelgiant į taikomą įtampą.

Pagrindinis skirtumas tarp šio dizaino ir pirmojo yra etaloninė įtampa, kurią įgyvendina „Zener“ diodas. Abi šios konstrukcijos yra linijinės, o esant didelei apkrovai susidaro didelis šilumos kiekis, todėl šilumos išsklaidymas turėtų būti sujungtas su jomis.

Privalumas ir trūkumas

Pagrindinis šio dizaino metodo privalumas yra lankstumas, kurį jis suteikia dizaineriui. Dalys gali būti parenkamos ir dizainas gali būti sukonfigūruotas taip, kad nebūtų jokių apribojimų, susijusių su vidine grandine, apibūdinančiu reguliatoriaus IC principą.

Kita vertus, šis požiūris yra labiau varginantis, užimantis daug laiko, reikalaujantis daugiau dalių, didelių gabaritų, jautrus gedimams ir brangesnis, palyginti su reguliatoriumi pagrįstu IC metodu.

Dabartinių reguliatorių taikymas

Nuolatinės srovės reguliatoriai gali naudoti įvairius įrenginius, pradedant maitinimo grandinėmis, baigiant akumuliatoriaus įkrovimo grandinėmis, baigiant šviesos diodų tvarkyklėmis ir kitomis programomis, kur reikia reguliuoti fiksuotą srovę, neatsižvelgiant į taikomą apkrovą.

Tai šiam straipsniui! Tikiuosi, kad išmokote vieną ar du dalykus.

Iki kito karto!