- Princíp činnosti prúdového regulátora
- Pracuje súčasný regulátor
- Návrh súčasných regulátorov
- Návrh prúdových regulátorov pomocou regulátorov napätia
- Výhody a nevýhody použitia LDO ako regulátora prúdu
- Súčasný regulátor využívajúci tranzistory
- Aktuálny regulátor využívajúci Op-Amp
- Uplatňovanie súčasných regulátorov
Rovnako ako situácie, v ktorých potrebujeme regulovať napätie v našich dizajnoch, existujú scenáre, v ktorých musíme regulovať prúd dodávaný do konkrétnej časti nášho obvodu. Na rozdiel od transformácie (zmena z jednej úrovne napätia na druhú), ktorá je zvyčajne jedným z hlavných dôvodov regulácie napätia, je pri regulácii prúdu zvyčajne potrebné udržiavať konštantný dodávaný prúd bez ohľadu na zmeny odporu záťaže alebo vstupného napätia. Obvody (integrované alebo nie), ktoré sa používajú na dosiahnutie napájania konštantným prúdom, sa nazývajú (Constant) Current Regulators (Regulátory konštantného prúdu) a sú veľmi často používané v výkonovej elektronike.
Aj keď sa súčasné regulátory v priebehu rokov objavovali vo viacerých aplikáciách, pravdepodobne až donedávna nepatria medzi najobľúbenejšie témy v rozhovoroch o dizajne elektroniky. Súčasné regulačné orgány teraz dosiahli akýsi všadeprítomný status vďaka svojim dôležitým aplikáciám v LED osvetlení, ako aj medzi inými aplikáciami.
V dnešnom článku sa pozrieme na tieto súčasné regulátory a okrem iného preskúmame princípy ich fungovania, ich dizajn, typy a aplikácie.
Princíp činnosti prúdového regulátora
Činnosť regulátora prúdu je podobná ako v prípade regulátora napätia, pričom hlavným rozdielom je parameter, ktorý regulujú, a množstvo, ktoré sa líši, aby dodávali na výstup. V regulátoroch napätia sa prúd mení, aby sa dosiahla požadovaná úroveň napätia, zatiaľ čo regulátory prúdu zvyčajne zahŕňajú zmeny napätia / odporu na dosiahnutie požadovaného výstupného prúdu. Aj keď je to možné, je zvyčajne ťažké v obvode súčasne regulovať napätie a prúd.
Pochopiť, ako fungujú súčasné regulátory, si vyžaduje rýchly pohľad na zákon ohmov;
V = IR alebo I = V / R
To znamená, že na výstupe sa musí udržiavať konštantný tok prúdu, tieto dve vlastnosti (napätie a odpor) sa musia v obvode udržiavať konštantné alebo sa musia nastaviť tak, aby pri zmene jednej bola zodpovedajúcim spôsobom upravená hodnota druhej, aby sa zachovala rovnaký výstupný prúd. Regulácia prúdu ako taká zahŕňa úpravu buď napätia alebo odporu v obvode, alebo zabezpečenie toho, aby sa hodnoty odporu a napätia nezmenili bez ohľadu na požiadavky / dopady pripojenej záťaže.
Pracuje súčasný regulátor
Aby sme správne opísali, ako funguje regulátor prúdu, zvážme schému zapojenia nižšie.
Variabilný rezistor v obvode vyššie sa používa na predstavenie činnosti regulátora prúdu. Budeme predpokladať, že variabilný rezistor je automatizovaný a môže automaticky upravovať svoj vlastný odpor. Keď je obvod napájaný, premenlivý rezistor upravuje svoj odpor tak, aby kompenzoval zmeny prúdu v dôsledku zmeny odporu záťaže alebo napájacieho napätia. Zo základnej triedy elektriny by ste si mali pamätať, že keď sa zvýši záťaž, čo je v podstate odpor (+ kapacita / indukčnosť), dôjde k efektívnemu poklesu prúdu a naopak. Takže keď sa zvyšuje zaťaženie v obvode (zvýšenie odporu), skôr ako pokles prúdu, premenný rezistor zníži svoj vlastný odpor, aby kompenzoval zvýšený odpor a zabezpečil rovnaký tok prúdu. Rovnakým spôsobom, keď sa zníži odpor zaťaženia,premenlivý odpor zvyšuje svoj vlastný odpor, aby kompenzoval zníženie, čím udržuje hodnotu výstupného prúdu.
Ďalším prístupom v regulácii prúdu je pripojenie dostatočne vysokého odporu paralelne so záťažou tak, aby v súlade so zákonmi základnej elektriny prúdil prúd cez cestu s najmenším odporom, ktorý v tomto prípade bude cez záťaž, iba s odporom „zanedbateľné“ množstvo prúdu pretekajúceho vysoko hodnotným rezistorom.
Tieto variácie tiež ovplyvňujú napätie, pretože niektoré regulátory prúdu udržiavajú prúd na výstupe zmenou napätia. Je teda takmer nemožné regulovať napätie na rovnakom výstupe, kde sa reguluje prúd.
Návrh súčasných regulátorov
Regulátory prúdu sa zvyčajne implementujú pomocou regulátorov napätia založených na IC, ako sú MAX1818 a LM317, alebo pomocou pasívnych a aktívnych komponentov ako jellybean, ako sú tranzistory a Zenerove diódy.
Návrh prúdových regulátorov pomocou regulátorov napätia
Pri konštrukcii prúdových regulátorov s použitím regulátora napätia na báze IC táto technika zvyčajne spočíva v nastavení regulátorov napätia tak, aby mali konštantný odpor záťaže. Regulátory lineárneho napätia sa zvyčajne používajú, pretože napätie medzi výstupom lineárnych regulátorov a ich zemou je zvyčajne pevne uzatvorené. regulovaný, ako taký, môže byť medzi svorky vložený pevný rezistor tak, že do záťaže prúdi pevný prúd. Dobrý príklad dizajnu založeného na tomto základe publikoval Budge Ing v jednej z publikácií EDN v roku 2016.
Použitý obvod používa lineárny regulátor LDO MAX1818 na vytvorenie regulovaného napájania konštantným prúdom na vysokej strane. Napájanie (zobrazené na obrázku vyššie) bolo navrhnuté tak, aby napájalo RLOAD konštantným prúdom, ktorý sa rovná I = 1,5V / ROUT. Kde 1,5 V je prednastavené výstupné napätie MAX1818, ale je možné ho zmeniť pomocou externého odporového deliča.
Aby sa zabezpečil optimálny výkon konštrukcie, musí byť napätie na vstupnej svorke MAX1818 do 2,5 V a najviac 5,5 V, pretože to je prevádzkový rozsah stanovený v údajovom liste. Ak chcete splniť túto podmienku, vyberte hodnotu ROUT, ktorá umožňuje 2,5 V až 5,5 V medzi IN a GND. Napríklad pri zaťažení povedzme 100 Ω pri 5 V VCC, zariadenie funguje správne s ROUTOM nad 60 Ω, pretože hodnota umožňuje maximálny programovateľný prúd 1,5 V / 60 Ω = 25 mA. Napätie na prístroji sa potom rovná minimu, ktoré je povolené: 5V - (25mA × 100Ω) = 2,5V.
Pri podobnom procese návrhu je možné použiť aj ďalšie lineárne regulátory, ako je LM317, ale jednou z hlavných výhod, ktoré majú integrované obvody ako MAX1818 oproti iným, je skutočnosť, že obsahujú tepelné vypnutie, ktoré by mohlo byť pri súčasnej regulácii veľmi dôležité, pretože teplota IC má tendenciu sa zahrievať, keď sú pripojené záťaže s vysokými požiadavkami na prúd.
Pre prúdový regulátor založený na LM317 zvážte obvod uvedený nižšie;
LM317s sú navrhnuté takým spôsobom, že regulátor stále upravuje svoje napätie, kým napätie medzi jeho výstupným pinom a jeho nastavovacím pinom nie je na 1,25v a ako taký sa obvykle používa rozdeľovač pri implementácii v situácii regulátora napätia. Ale pre náš prípad použitia ako regulátor prúdu to v skutočnosti robí veci pre nás super ľahkými, pretože keďže napätie je konštantné, všetko, čo musíme urobiť, aby bola prúdová konštanta, je jednoducho vložiť rezistor do série medzi kolík Vout a ADJ ako je znázornené v obvode vyššie. Ako taký sme schopní nastaviť výstupný prúd na pevnú hodnotu, ktorá je daná;
I = 1,25 / R
S hodnotou R je určujúcim faktorom hodnoty výstupného prúdu.
Aby sme vytvorili regulátor s premenlivým prúdom, stačí, aby sme do obvodu pridali premenlivý odpor spolu s ďalším odporom, aby sme vytvorili delič nastaviteľného kolíka, ako je to znázornené na obrázku nižšie.
Činnosť obvodu je rovnaká ako v predchádzajúcom, s tým rozdielom, že prúd je možné v obvode nastavovať otáčaním gombíka potenciometra, aby sa zmenil odpor. Napätie na R je dané;
V = (1 + R1 / R2) x 1,25
To znamená, že prúd cez R je daný;
I R = (1,25 / R) x (1+ R1 / R2).
To dáva obvodu prúdový rozsah I = 1,25 / R a (1,25 / R) x (1 + R1 / R2)
Závisí od nastaveného prúdu; zabezpečte, aby wattový odpor rezistora R vydržal množstvo prúdu, ktorý ním bude pretekať.
Výhody a nevýhody použitia LDO ako regulátora prúdu
Ďalej uvádzame niekoľko výhod pri výbere prístupu lineárneho regulátora napätia.
- Integrované obvody regulátora obsahujú ochranu proti prehriatiu, ktorá by sa mohla hodiť, keď sú pripojené záťaže s požiadavkami na nadmerný prúd.
- Regulačné integrované obvody majú väčšiu toleranciu voči veľkým vstupným napätiam a do značnej miery podporujú vysoký rozptyl energie.
- Prístup integrovaných obvodov regulátora zahŕňa použitie menšieho množstva komponentov s pridaním iba niekoľkých odporov vo väčšine prípadov, s výnimkou prípadov, keď sú potrebné vyššie prúdy a sú pripojené výkonové tranzistory. To znamená, že môžete použiť rovnaký IC na reguláciu napätia a prúdu.
- Zníženie počtu komponentov by mohlo znamenať zníženie nákladov na implementáciu a času návrhu.
Nevýhody:
Na druhej strane konfigurácie popísané v prístupe regulátora k integrovaným obvodom umožňujú okrem regulovaného výstupného napätia aj prúd pokojového prúdu z regulátora do záťaže. Týmto sa zavádza chyba, ktorá nemusí byť v určitých aplikáciách prípustná. To by sa však dalo znížiť výberom regulátora s veľmi nízkym pokojovým prúdom.
Ďalšou nevýhodou prístupu regulátora IC je nedostatok flexibility v dizajne.
Okrem použitia integrovaných obvodov regulátora napätia môžu byť regulátory prúdu navrhované aj s použitím jelbeanových častí vrátane tranzistorov, opampov a Zenerovej diódy s potrebnými rezistormi. Zenerova dióda sa v obvode používa pravdepodobne ako neprehliadnuteľná, akoby ste si pamätali, že na reguláciu napätia sa používa zenerova dióda. Návrh prúdového regulátora pomocou týchto častí je najpružnejší, pretože sa zvyčajne dajú ľahko integrovať do existujúcich obvodov.
Súčasný regulátor využívajúci tranzistory
V tejto časti zvážime dva návrhy. Prvý bude obsahovať použitie tranzistorov, zatiaľ čo druhý bude obsahovať kombináciu operačného zosilňovača a výkonového tranzistora.
Pre tranzistory zvážte obvod uvedený nižšie.
Regulátor prúdu opísaný v obvode vyššie je jedným z najjednoduchších návrhov regulátora prúdu. Je to nízkoprúdový regulátor prúdu; Pripojil som sa po záťaži pred zemou. Skladá sa z troch kľúčových komponentov; riadiaci tranzistor (2N5551), výkonový tranzistor (TIP41) a bočný odpor (R).Bočník, ktorý je v podstate rezistorom s nízkou hodnotou, sa používa na meranie prúdu pretekajúceho záťažou. Keď je obvod zapnutý, zaznamená sa pokles napätia v bočníku. Čím vyššia je hodnota odporu záťaže RL, tým vyšší je pokles napätia v bočníku. Pokles napätia na bočníku funguje ako spúšť pre riadiaci tranzistor, takže čím vyšší je pokles napätia na bočníku, tým viac tranzistora vedie a reguluje predpätie napätia aplikovaného na základňu výkonového tranzistora, aby sa zvýšilo alebo znížilo vedenie s odpor R1 pôsobiaci ako predpätý odpor.
Rovnako ako k iným obvodom, aj paralelne k bočnému odporu je možné pridať variabilný rezistor, aby sa zmenila úroveň prúdu zmenou množstva napätia privedeného na základňu riadiaceho tranzistora.
Aktuálny regulátor využívajúci Op-Amp
Pre druhú návrhovú cestu zvážte obvod uvedený nižšie;
Tento obvod je založený na operačnom zosilňovači a rovnako ako v príklade s tranzistorom využíva aj skratový rezistor na snímanie prúdu. Pokles napätia v bočníku je vedený do operačného zosilňovača, ktorý ho potom porovnáva s referenčným napätím nastaveným Zenerovou diódou ZD1. Operačný zosilňovač kompenzuje prípadné nezrovnalosti (vysoké alebo nízke) v dvoch vstupných napätiach úpravou výstupného napätia. Výstupné napätie operačného zosilňovača je pripojené k vysokovýkonnému FET a k vedeniu dochádza na základe použitého napätia.
Hlavným rozdielom medzi týmto dizajnom a prvým je referenčné napätie implementované Zenerovou diódou. Oba tieto návrhy sú lineárne a pri vysokom zaťažení bude ako také generované veľké množstvo tepla, na odvod tepla by sa preto mali pripojiť chladiče.
Výhoda a nevýhoda
Hlavnou výhodou tohto dizajnérskeho prístupu je flexibilita, ktorú poskytuje dizajnérovi. Časti je možné zvoliť a design nakonfigurovať podľa vkusu bez akýchkoľvek obmedzení spojených s vnútornými obvodmi, ktoré charakterizujú prístup založený na IC regulátora.
Na druhej strane má tento prístup tendenciu byť zdĺhavejší, časovo náročnejší, vyžaduje viac častí, objemný, náchylný na zlyhanie a nákladnejší v porovnaní s prístupom IC založeným na regulátoroch.
Uplatňovanie súčasných regulátorov
Regulátory konštantného prúdu nachádzajú uplatnenie v najrôznejších zariadeniach od napájacích obvodov, cez obvody nabíjania batérií, až po ovládače LED a ďalšie aplikácie, kde je potrebné regulovať pevný prúd bez ohľadu na aplikovanú záťaž.
To je pre tento článok všetko! Dúfam, že ste sa naučili jednu alebo dve veci.
Až nabudúce!