Nuvarande regulatorer: konstruktion, arbete och design

Precis som situationer där vi behöver reglera spänningen i våra konstruktioner finns det scenarier där vi behöver reglera strömmen som matas till en viss del av vår krets. Till skillnad från att transformera (byta från en spänningsnivå till en annan), som vanligtvis är en av de främsta orsakerna till spänningsreglering, handlar strömreglering vanligtvis om att hålla strömmen som matas konstant oavsett variationer i belastningsmotstånd eller ingångsspänning. Kretsarna (integrerade eller inte) som används för att uppnå konstant strömförsörjning kallas (Constant) Current Regulators och de används mycket ofta i Power Electronics.

Medan nuvarande tillsynsmyndigheter har presenterats i flera applikationer genom åren är de förmodligen inte ett av de mest populära ämnena i elektroniska designkonversationer förrän nyligen. Nuvarande regulatorer har nu uppnått en slags allestädes närvarande status på grund av sina viktiga applikationer inom LED-belysning bland andra applikationer.

För dagens artikel kommer vi att titta på dessa nuvarande tillsynsmyndigheter och undersöka driftsprinciperna bakom dem, deras design, typer och applikationer bland andra.

Operation Principle of Current Regulator

Driften av en strömregulator liknar den hos spänningsregulatorn, varvid den största skillnaden är parametern de reglerar och den mängd de varierar för att leverera deras uteffekt. I spänningsregulatorer varieras strömmen för att uppnå önskad spänningsnivå, medan strömregulatorer vanligtvis involverar variationer i spänning / motstånd för att uppnå den erforderliga strömutgången. Även om det är möjligt är det vanligtvis svårt att reglera spänning och ström samtidigt i en krets.

För att förstå hur nuvarande tillsynsmyndigheter fungerar krävs det en snabb titt på ohmslagen.

V = IR eller I = V / R

Detta innebär att för att upprätthålla ett konstant strömflöde vid en utgång måste dessa två egenskaper (spänning och motstånd) hållas konstanta i en krets eller justeras så att när det sker en förändring i en, justeras värdet på den andra för att behålla samma utgångsström. Som sådan innebär strömreglering att justera antingen spänningen eller motståndet i en krets eller se till att motstånds- och spänningsvärdena är oförändrade oberoende av kraven / effekterna av den anslutna belastningen.

Nuvarande regulator fungerar

För att korrekt beskriva hur en strömregulator fungerar, låt oss överväga kretsschemat nedan.

Det variabla motståndet i kretsen ovan används för att representera åtgärderna hos en strömregulator. Vi antar att det variabla motståndet är automatiserat och automatiskt kan justera sitt eget motstånd. När kretsen drivs justerar det variabla motståndet sitt motstånd för att kompensera för förändringar i strömmen på grund av variation i belastningsmotstånd eller spänningsförsörjning. Från den grundläggande elklassen bör du komma ihåg att när belastningen, som i huvudsak är motstånd (+ kapacitans / induktans) ökar, upplevs en effektiv strömnedgång och vice versa. Således när belastningen i kretsen ökas (ökat motstånd) snarare än ett strömfall minskar det variabla motståndet sitt eget motstånd för att kompensera för det ökade motståndet och säkerställa samma strömflöden. På samma sätt, när lastmotståndet minskar,det variabla motståndet ökar sitt eget motstånd för att kompensera för minskningen och därmed bibehåller utgångsströmvärdet.

Ett annat tillvägagångssätt vid nuvarande reglering är att ansluta ett tillräckligt högt motstånd parallellt med belastningen så att, i linje med lagarna för grundläggande elektricitet, kommer strömmen att strömma genom banan med minst motstånd som i detta fall kommer att vara genom lasten, med endast en "försumbar" mängd ström som strömmar genom motståndet med högt värde.

Dessa variationer påverkar också spänningen eftersom vissa strömregulatorer håller ström vid utgången genom att variera spänningen. Således är det nästan omöjligt att reglera spänningen vid samma utgång där strömmen regleras.

Nuvarande regleringsdesign

Nuvarande regulatorer implementeras vanligtvis med hjälp av IC-baserade spänningsregulatorer som MAX1818 och LM317 eller genom användning av passiva och aktiva jellybean-komponenter som transistorer och Zener-dioder.

Designa strömregulatorer med hjälp av spänningsregulatorer

För konstruktion av strömregulatorer som använder IC-baserad spänningsregulator, innebär tekniken vanligtvis att man ställer in spänningsregulatorer för att ha ett konstant belastningsmotstånd och linjära spänningsregulatorer används vanligtvis eftersom spänningen mellan utgången från linjära regulatorer och deras jord är vanligtvis tätt reglerad, som sådan, kan ett fast motstånd införas mellan terminalerna så att en fast ström flyter till lasten. Ett bra exempel på en design baserad på detta publicerades i en av EDN-publikationerna av Budge Ing 2016.

Den använda kretsen använder LDO linjärregulator MAX1818 för att skapa en högsidig konstant strömreglerad matning. Tillförseln (visas på bilden ovan) var utformad så att den matar RLOAD med en konstant ström, vilket är lika med I = 1,5V / ROUT. Där 1,5V är den förinställda utspänningen för MAX1818 men kan ändras med en extern resistiv avdelare.

För att säkerställa optimal prestanda för konstruktionen måste spänningen vid ingången på MAX1818 vara upp till 2,5 V och inte över 5,5 V, eftersom detta är det arbetsområde som anges i databladet. För att uppfylla detta villkor, välj ett ROUT-värde som tillåter 2,5V till 5,5V mellan IN och GND. Till exempel när en belastning på säg 100Ω med en 5V VCC fungerar enheten ordentligt med ROUT över 60Ω eftersom värdet tillåter en maximal programmerbar ström på 1,5V / 60Ω = 25mA. Spänningen över enheten är då lika med det minsta tillåtna: 5V - (25mA × 100Ω) = 2,5V.

Andra linjära regulatorer som LM317 kan också användas i en liknande designprocess men en av de största fördelarna som IC: er som MAX1818 har jämfört med andra är det faktum att de innehåller termisk avstängning vilket kan vara mycket viktigt i nuvarande reglering eftersom temperaturen på IC tenderar att bli varmt när belastningar med höga strömkrav ansluts.

För den LM317-baserade strömregulatorn, överväg kretsen nedan;

LM317s är utformade på ett sådant sätt att regulatorn fortsätter att justera sin spänning tills spänningen mellan dess utgångsstift och dess justeringsstift är på 1,25v och som sådan används en delare vid implementering i en spänningsregulator-situation. Men för vårt användningsfall som en strömregulator gör det faktiskt saker och ting lätt för oss, eftersom spänningen är konstant behöver vi bara göra strömmen konstant för att helt enkelt sätta in ett motstånd i serie mellan Vout och ADJ-stift som visas i kretsen ovan. Som sådan kan vi ställa utströmmen till ett fast värde som ges av;

I = 1,25 / R

Med värdet R är den avgörande faktorn för utgångsströmvärdet.

För att skapa en variabel strömregulator behöver vi bara lägga till ett variabelt motstånd i kretsen tillsammans med ett annat motstånd för att skapa en delare till det justerbara stiftet som visas i bilden nedan.

Kretsens funktion är densamma som den tidigare, med skillnaden att strömmen kan justeras i kretsen genom att vrida på vridknappen på potentiometern för att variera motståndet. Spänningen över R ger av;

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

Detta betyder att strömmen över R ges av;

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

Detta ger kretsen ett strömområde på I = 1,25 / R och (1,25 / R) x (1 + R1 / R2)

Beroende på inställd ström; se till att motståndets wattvärde tål den ström som kommer att strömma genom det.

Fördelar och nackdelar med att använda LDO som aktuell regulator

Nedan följer några fördelar för att välja linjär spänningsregulator.

Regulator-IC: er har övertemperaturskydd som kan vara till nytta när laster med alltför stora strömkrav är anslutna.
Regulator IC har en större tolerans för stora ingångsspänningar och stöder i hög grad hög effektförlust.
Regulatorns IC-tillvägagångssätt involverar användning av en mindre mängd komponenter med tillsats av endast ett fåtal motstånd i de flesta fall förutom fall där högre strömmar krävs och effekttransistorer är anslutna. Det betyder att du kan använda samma IC för spännings- och strömreglering.
Minskningen av antalet komponenter kan innebära en minskning av implementeringskostnader och designtid.

Nackdelar:

På baksidan tillåter de konfigurationer som beskrivs under regulatorns ICs-tillvägagångssätt flödet av viloström från regulatorn till belastningen utöver den reglerade utspänningen. Detta introducerar ett fel som kanske inte är tillåtet i vissa applikationer. Detta kan dock minskas genom att välja en regulator med en mycket låg viloström.

En annan nackdel med regulatorns IC-tillvägagångssätt är bristen på flexibilitet i designen.

Bortsett från användningen av IC-spänningsregulatorer, kan strömregulatorer också utformas med hjälp av jellybean-delar inklusive transistorer, opamps och Zener-dioder med nödvändiga motstånd. En Zener-diod används i kretsen förmodligen som en no brainer som om du kommer ihåg att Zener-dioden används för spänningsreglering. Strömregulatorns utformning med dessa delar är den mest flexibla eftersom de vanligtvis är lätta att integrera i befintliga kretsar.

Aktuell regulator som använder transistorer

Vi kommer att överväga två mönster under detta avsnitt. Den första har endast användning av transistorer medan den andra innehåller en blandning av en operationsförstärkare och en effekttransistor.

För den med transistorer, överväg kretsen nedan.

Strömregulatorn som beskrivs i kretsen ovan är en av de enklaste strömregleringsdesignerna. Det är en lågsidströmregulator; Jag anslöt efter lasten innan marken. Den består av tre viktiga komponenter; en styrtransistor (2N5551), en effekttransistor (TIP41) och ett shuntmotstånd (R).Shunten, som i huvudsak är ett motstånd med lågt värde, används för att mäta strömmen som flyter genom lasten. När kretsen slås på noteras ett spänningsfall över shunten. Ju högre värde på lastmotståndet RL desto högre spänningsfall över shunten. Spänningsfallet över shunten fungerar som en utlösare för styrtransistorn så att ju högre spänningsfallet över shunten, desto mer leder transistorn och reglerar den förspänning som appliceras på basen av effekttransistorn för att öka eller minska ledningen med motstånd R1 fungerar som förspänningsmotståndet.

Precis som med de andra kretsarna kan ett variabelt motstånd läggas till parallellt med shuntmotståndet för att variera strömnivån genom att variera mängden spänning som appliceras vid basen av styrtransistorn.

Nuvarande regulator med Op-Amp

För den andra designvägen, överväg kretsen nedan;

Denna krets är baserad på en operationsförstärkare, och precis som i exemplet med transistorn använder den också ett shuntmotstånd för strömavkänning. Spänningsfallet över shunten matas in i operationsförstärkaren som sedan jämför den med en referensspänning inställd av Zener-dioden ZD1. Op-förstärkaren kompenserar för eventuella avvikelser (hög eller låg) i de två ingångsspänningarna genom att justera dess utspänning. Operationsförstärkarens utgångsspänning är ansluten till en FET med hög effekt och ledning sker baserat på den applicerade spänningen.

Den största skillnaden mellan denna design och den första är referensspänningen som implementeras av Zener-dioden. Båda dessa konstruktioner är linjära och hög värmemängd genereras vid höga belastningar som sådana. Kylflänsar bör kopplas till dem för att avleda värmen.

Fördelar och nackdelar

Den största fördelen med denna designmetod är den flexibilitet den ger designern. Delarna kan väljas och designen konfigureras för att smaka utan några av de begränsningar som är förknippade med interna kretsar som kännetecknar regulatorns IC-baserade tillvägagångssätt.

Å andra sidan tenderar detta tillvägagångssätt att vara mer tråkigt, tidskrävande, kräver fler delar, skrymmande, mottagliga för misslyckande och dyrare jämfört med det regulatorbaserade IC-tillvägagångssättet.

Tillämpning av nuvarande tillsynsmyndigheter

Konstantströmregulatorer hittar applikationer i alla typer av enheter från strömförsörjningskretsar, till batteriladdningskretsar, till LED-drivrutiner och andra applikationer där en fast ström behöver regleras oavsett applicerad belastning.

Det är det för den här artikeln! Hoppas du har lärt dig en sak eller två.

Tills nästa gång!