Regulatoare de curent: tipuri de construcție, lucru și proiectare

La fel ca situațiile în care trebuie să reglăm tensiunea în proiectele noastre, există scenarii în care trebuie să reglăm curentul care este furnizat unei anumite părți a circuitului nostru. Spre deosebire de transformare (schimbarea de la un nivel de tensiune la altul) care este de obicei unul dintre motivele majore pentru reglarea tensiunii, reglarea curentului este de obicei menținerea constantă a curentului care este furnizat, indiferent de variațiile rezistenței la sarcină sau a tensiunii de intrare. Circuitele (integrate sau nu) care sunt utilizate pentru a obține o alimentare constantă cu curent se numesc regulatoare de curent (constante) și sunt foarte frecvent utilizate în electronica de putere.

În timp ce autoritățile de reglementare actuale au fost prezentate în mai multe aplicații de-a lungul anilor, acestea nu sunt, fără îndoială, unul dintre cele mai populare subiecte în conversațiile de proiectare electronică până de curând. Regulatorii actuali au atins acum un fel de stare omniprezentă datorită aplicațiilor lor importante în iluminatul cu LED, printre alte aplicații.

Pentru articolul de astăzi, vom analiza aceste regulatoare actuale și vom examina principiile de funcționare din spatele lor, proiectarea, tipurile și aplicațiile acestora, printre altele.

Principiul de funcționare al regulatorului de curent

Funcționarea unui regulator de curent este similară cu cea a regulatorului de tensiune, diferența majoră fiind parametrul pe care îl reglează și cantitatea pe care o variază pentru a-și furniza ieșirea. În regulatoarele de tensiune, curentul este variat pentru a atinge nivelul de tensiune necesar, în timp ce regulatoarele de curent implică de obicei variații de tensiune / rezistență pentru a atinge ieșirea de curent necesară. Ca atare, deși este posibil, este de obicei dificil să reglați tensiunea și curentul în același timp într-un circuit.

Pentru a înțelege modul în care funcționează regulatorii actuali este nevoie de o privire rapidă asupra legii ohmilor;

V = IR sau I = V / R

Aceasta înseamnă să mențineți un debit de curent constant la o ieșire, aceste două proprietăți (tensiune și rezistență) trebuie menținute constante într-un circuit sau reglate astfel încât atunci când există o schimbare într-una, valoarea celeilalte este ajustată în consecință pentru a păstra același curent de ieșire. Ca atare, reglarea curentului implică efectuarea unei ajustări fie la tensiune, fie la rezistență într-un circuit sau asigurarea valorilor de rezistență și tensiune neschimbate, indiferent de cerințele / impacturile sarcinii conectate.

Regulator curent funcționează

Pentru a descrie cum funcționează un regulator de curent, să luăm în considerare schema de circuit de mai jos.

Rezistorul variabil din circuitul de mai sus este utilizat pentru a reprezenta acțiunile unui regulator de curent. Vom presupune că rezistența variabilă este automatizată și își poate regla propria rezistență. Când circuitul este alimentat, rezistența variabilă își reglează rezistența pentru a compensa schimbările de curent datorate variației rezistenței la sarcină sau alimentării cu tensiune. Din clasa de bază a energiei electrice, ar trebui să vă amintiți că atunci când sarcina, care este în esență rezistență (+ capacitate / inductanță) este crescută, se produce o scădere efectivă a curentului și invers. Astfel, atunci când sarcina din circuit este crescută (creșterea rezistenței), mai degrabă decât o cădere de curent, rezistența variabilă își reduce propria rezistență pentru a compensa rezistența crescută și pentru a asigura aceleași fluxuri de curent. În același mod, atunci când rezistența la sarcină se reduce,rezistența variabilă își mărește propria rezistență pentru a compensa reducerea, menținând astfel valoarea curentului de ieșire.

O altă abordare în reglarea curentului este conectarea unui rezistor suficient de ridicat în paralel cu sarcina, astfel încât, în conformitate cu legile electricității de bază, curentul să curgă pe calea cu rezistența cea mai mică, care în acest caz va fi prin sarcină, cu doar o cantitate „neglijabilă” de curent care curge prin rezistorul de mare valoare.

Aceste variații afectează, de asemenea, tensiunea, deoarece unii regulatori de curent mențin curentul la ieșire, variind tensiunea. Astfel, este aproape imposibil să reglați tensiunea la aceeași ieșire în care curentul este reglementat.

Proiectare regulatoare actuale

Regulatoarele de curent sunt de obicei implementate folosind regulatoare de tensiune bazate pe IC, cum ar fi MAX1818 și LM317 sau prin utilizarea de componente pasive și active jellybean, cum ar fi tranzistoare și diode Zener.

Proiectarea regulatoarelor de curent folosind regulatoare de tensiune

Pentru proiectarea regulatoarelor de curent care utilizează regulatorul de tensiune bazat pe IC, tehnica implică de obicei configurarea regulatoarelor de tensiune pentru a avea o rezistență constantă la sarcină și regulatoarele de tensiune liniare sunt de obicei utilizate deoarece, tensiunea dintre ieșirea regulatorilor liniari și masa lor este de obicei strânsă reglementat, ca atare, un rezistor fix poate fi introdus între terminale astfel încât un curent fix să curgă la sarcină. Un bun exemplu de design bazat pe acest lucru a fost publicat într-una dintre publicațiile EDN de Budge Ing în 2016.

Circuitul utilizat folosește regulatorul liniar LDO MAX1818 pentru a crea o sursă reglată de curent constant. Alimentarea (prezentată în imaginea de mai sus) a fost proiectată astfel încât să alimenteze RLOAD cu un curent constant, care este egal cu I = 1,5V / ROUT. În cazul în care 1,5V este tensiunea de ieșire presetată a MAX1818, dar poate fi modificată folosind un separator rezistiv extern.

Pentru a asigura performanța optimă a proiectării, tensiunea la terminalul de intrare al MAX1818 trebuie să fie de până la 2,5V și nu mai mare de 5,5v, deoarece acesta este domeniul de funcționare stipulat în fișa tehnică. Pentru a îndeplini această condiție, alegeți o valoare ROUT care să permită între 2,5V și 5,5V între IN și GND. De exemplu, atunci când o sarcină de 100Ω cu un VCC de 5V, dispozitivul funcționează corect cu ROUT peste 60Ω, deoarece valoarea permite un curent programabil maxim de 1,5V / 60Ω = 25mA. Tensiunea pe dispozitiv este apoi egală cu cea minimă permisă: 5V - (25mA × 100Ω) = 2,5V.

Alte regulatoare liniare, cum ar fi LM317, pot fi, de asemenea, utilizate într-un proces de proiectare similar, dar unul dintre avantajele majore pe care IC-urile precum MAX1818 le au asupra altora este faptul că încorporează oprire termică, care ar putea fi foarte importantă în reglarea curentă, deoarece temperatura IC-ul tinde să se încălzească atunci când sunt conectate sarcini cu cerințe de curent ridicate.

Pentru regulatorul de curent bazat pe LM317, luați în considerare circuitul de mai jos;

LM317s sunt proiectate în așa fel încât regulatorul continuă să-și regleze tensiunea până când tensiunea dintre pinul de ieșire și pinul de reglare este la 1,25v și, ca atare, un divizor este de obicei utilizat atunci când este implementat într-o situație a regulatorului de tensiune. Dar, pentru cazul nostru de utilizare ca regulator de curent, de fapt ne face lucrurile foarte ușoare pentru că, deoarece tensiunea este constantă, tot ce trebuie să facem pentru a face constantă curentul este să introducem pur și simplu un rezistor în serie între pinul Vout și ADJ așa cum se arată în circuitul de mai sus. Ca atare, putem stabili curentul de ieșire la o valoare fixă care este dată de;

I = 1,25 / R

Cu valoarea lui R fiind factorul determinant al valorii curentului de ieșire.

Pentru a crea un regulator de curent variabil, trebuie doar să adăugăm un rezistor variabil la circuit alături de un alt rezistor pentru a crea un divizor la pinul reglabil, așa cum se arată în imaginea de mai jos.

Funcționarea circuitului este aceeași cu cea precedentă, diferența fiind că curentul poate fi reglat în circuit prin rotirea butonului potențiometrului pentru a varia rezistența. Tensiunea de pe R cedează;

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

Aceasta înseamnă că curentul din R este dat de;

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

Acest lucru oferă circuitului un domeniu de curent de I = 1,25 / R și (1,25 / R) x (1 + R1 / R2)

Depinde de curentul setat; asigurați-vă că puterea nominală a rezistorului R poate rezista la cantitatea de curent care va curge prin el.

Avantajele și dezavantajele utilizării LDO ca regulator de curent

Mai jos sunt câteva avantaje pentru selectarea abordării regulatorului de tensiune liniară.

Circuitele regulatoare încorporează protecție la supratemperatură care ar putea fi utilă atunci când sunt conectate încărcături cu cerințe excesive de curent.
Circuitele regulatoare au o toleranță mai mare pentru tensiuni mari de intrare și susțin într-o mare măsură disiparea mare a puterii.
Abordarea IC-urilor de reglementare implică utilizarea unei cantități mai mici de componente, cu adăugarea a doar câteva rezistențe, în majoritatea cazurilor, cu excepția cazurilor în care sunt necesari curenți mai mari și tranzistori de putere conectați. Aceasta înseamnă că ați putea folosi același IC pentru reglarea tensiunii și curentului.
Reducerea numărului de componente ar putea însemna o reducere a costurilor de implementare și a timpului de proiectare.

Dezavantaje:

Pe de altă parte, configurațiile descrise în abordarea IC-ului regulatorului permit fluxul curentului de repaus de la regulator la sarcină, în plus față de tensiunea de ieșire reglată. Aceasta introduce o eroare care poate să nu fie permisă în anumite aplicații. Totuși, acest lucru ar putea fi redus prin alegerea unui regulator cu un curent de repaus foarte scăzut.

Un alt dezavantaj al abordării IC a regulatorului este lipsa flexibilității în proiectare.

În afară de utilizarea circuitelor de reglare a tensiunii, regulatoarele de curent pot fi, de asemenea, proiectate folosind piese din jellybean, inclusiv tranzistoare, opamps și diode Zener cu rezistențele necesare. O diodă Zener este utilizată în circuit probabil ca un „brainer”, de parcă vă amintiți că dioda Zener este utilizată pentru reglarea tensiunii. Proiectarea regulatorului de curent utilizând aceste piese este cea mai flexibilă, deoarece sunt de obicei ușor de integrat în circuitele existente.

Regulator de curent care utilizează tranzistoare

Vom lua în considerare două modele în această secțiune. Primul va include utilizarea tranzistoarelor numai în timp ce al doilea va include un amestec de amplificator operațional și tranzistor de putere.

Pentru cel cu tranzistoare, luați în considerare circuitul de mai jos.

Regulatorul de curent descris în circuitul de mai sus este unul dintre cele mai simple modele de regulatoare de curent. Este un regulator de curent pe partea joasă; M-am conectat după încărcare înainte de sol. Este alcătuit din trei componente cheie; un tranzistor de control (2N5551), un tranzistor de putere (The TIP41) și un rezistor de șunt (R).Șuntul, care este în esență un rezistor de valoare mică, este utilizat pentru a măsura curentul care curge prin sarcină. Când circuitul este pornit, se observă o cădere de tensiune peste șunt. Cu cât este mai mare valoarea rezistenței la sarcină RL, cu atât este mai mare căderea de tensiune peste șunt. Căderea de tensiune pe șunt acționează ca un declanșator pentru tranzistorul de control, astfel încât, cu cât este mai mare căderea de tensiune pe șunt, cu atât tranzistorul conduce și reglează tensiunea de polarizare aplicată la baza tranzistorului de putere pentru a crește sau reduce conducerea cu rezistorul R1 acționând ca rezistor de polarizare.

La fel ca în cazul celorlalte circuite, un rezistor variabil poate fi adăugat în paralel cu rezistorul de șunt pentru a varia nivelul de curent, variind cantitatea de tensiune aplicată la baza tranzistorului de control.

Regulator de curent utilizând Op-Amp

Pentru a doua cale de proiectare, luați în considerare circuitul de mai jos;

Acest circuit se bazează pe un amplificator de funcționare și , la fel ca în exemplul cu tranzistorul, folosește și un rezistor de șunt pentru detectarea curentului. Căderea de tensiune pe șunt este alimentată în amplificatorul operațional, care apoi o compară cu o tensiune de referință setată de dioda Zener ZD1. Amplificatorul operațional compensează eventualele discrepanțe (mari sau mici) din cele două tensiuni de intrare prin ajustarea tensiunii sale de ieșire. Tensiunea de ieșire a amplificatorului operațional este conectată la un FET de mare putere și conducerea are loc pe baza tensiunii aplicate.

Diferența majoră dintre acest design și primul este tensiunea de referință implementată de dioda Zener. Ambele modele sunt liniare, iar cantitatea mare de căldură va fi generată la sarcini mari ca atare, radiatoarele ar trebui să fie cuplate la ele pentru a disipa căldura.

Avantaj și dezavantaj

Avantajul major al acestei abordări de proiectare este flexibilitatea pe care o oferă designerului. Părțile pot fi selectate și designul configurat după gust fără nici una dintre limitările asociate cu circuitele interne care caracterizează abordarea bazată pe regulatorul IC.

Pe de altă parte, această abordare tinde să fie mai obositoare, consumatoare de timp, necesită mai multe piese, voluminoase, susceptibile la eșec și mai costisitoare în comparație cu abordarea IC bazată pe regulator.

Aplicarea regulatorilor de curent

Regulatoarele de curent constant găsesc aplicații în tot felul de dispozitive, de la circuite de alimentare, la circuite de încărcare a bateriei, la drivere cu LED-uri și alte aplicații în care un curent fix trebuie reglat, indiferent de sarcina aplicată.

Gata pentru acest articol! Sper că ai învățat un lucru sau două.

Până la data viitoare!