Τρέχοντες ρυθμιστές: τύποι κατασκευής, εργασίας και σχεδιασμού

Ακριβώς όπως καταστάσεις στις οποίες πρέπει να ρυθμίσουμε την τάση στα σχέδιά μας, υπάρχουν σενάρια όπου πρέπει να ρυθμίσουμε το ρεύμα που τροφοδοτείται σε ένα συγκεκριμένο μέρος του κυκλώματός μας. Σε αντίθεση με τον μετασχηματισμό (αλλαγή από ένα επίπεδο τάσης σε άλλο) που είναι συνήθως ένας από τους κύριους λόγους ρύθμισης τάσης, η τρέχουσα ρύθμιση αφορά συνήθως τη διατήρηση του ρεύματος που παρέχεται σταθερό, ανεξάρτητα από τις διακυμάνσεις στην αντίσταση φορτίου ή στην τάση εισόδου. Τα κυκλώματα (ενσωματωμένα ή μη) που χρησιμοποιούνται για την επίτευξη σταθερής παροχής ρεύματος ονομάζονται (Constant) Ρυθμιστές ρεύματος και χρησιμοποιούνται πολύ συχνά στην Power Electronics.

Ενώ οι τρέχουσες ρυθμιστικές αρχές έχουν εμφανιστεί σε πολλές εφαρμογές με την πάροδο των ετών, αναμφισβήτητα δεν αποτελούν ένα από τα πιο δημοφιλή θέματα στις συνομιλίες σχεδιασμού ηλεκτρονικών μέχρι πρόσφατα. Οι υφιστάμενοι ρυθμιστές έχουν πλέον επιτύχει ένα είδος πανταχού παρόντητας λόγω των σημαντικών εφαρμογών τους στο LED Lighting μεταξύ άλλων εφαρμογών.

Για το σημερινό άρθρο, θα εξετάσουμε αυτούς τους τρέχοντες ρυθμιστές και θα εξετάσουμε τις αρχές λειτουργίας πίσω από αυτές, το σχεδιασμό, τους τύπους και τις εφαρμογές τους, μεταξύ άλλων.

Αρχή λειτουργίας του τρέχοντος ρυθμιστή

Η λειτουργία ενός ρυθμιστή ρεύματος είναι παρόμοια με εκείνη του ρυθμιστή τάσης με τη μεγαλύτερη διαφορά να είναι η παράμετρος που ρυθμίζουν και η ποσότητα που ποικίλλουν για την παροχή της εξόδου τους. Στους ρυθμιστές τάσης, το ρεύμα μεταβάλλεται για να επιτευχθεί το απαιτούμενο επίπεδο τάσης, ενώ οι ρυθμιστές ρεύματος συνήθως περιλαμβάνουν διακυμάνσεις στην τάση / αντίσταση για την επίτευξη της απαιτούμενης εξόδου ρεύματος. Ως εκ τούτου, ενώ είναι δυνατόν, είναι συνήθως δύσκολο να ρυθμιστεί η τάση και το ρεύμα ταυτόχρονα σε ένα κύκλωμα.

Για να καταλάβετε πώς λειτουργούν οι τρέχουσες ρυθμιστικές αρχές απαιτείται μια γρήγορη ματιά στον νόμο του ohms.

V = IR ή I = V / R

Αυτό σημαίνει τη διατήρηση σταθερής ροής ρεύματος σε μια έξοδο, αυτές οι δύο ιδιότητες (τάση και αντίσταση) πρέπει να διατηρούνται σταθερές σε ένα κύκλωμα ή να ρυθμίζονται έτσι ώστε όταν υπάρχει αλλαγή σε ένα, η τιμή του άλλου ρυθμίζεται ανάλογα για να διατηρήσει το ίδιο ρεύμα εξόδου. Ως εκ τούτου, η τρέχουσα ρύθμιση περιλαμβάνει τη ρύθμιση είτε της τάσης είτε της αντίστασης σε ένα κύκλωμα ή τη διασφάλιση ότι οι τιμές αντίστασης και τάσης είναι αμετάβλητες ανεξάρτητα από τις απαιτήσεις / τις επιπτώσεις του συνδεδεμένου φορτίου.

Ο τρέχων ρυθμιστής λειτουργεί

Για να περιγράψουμε σωστά πώς λειτουργεί ένας τρέχων ρυθμιστής, ας εξετάσουμε το παρακάτω διάγραμμα κυκλώματος.

Η μεταβλητή αντίσταση στο παραπάνω κύκλωμα χρησιμοποιείται για την απεικόνιση των ενεργειών ενός τρέχοντος ρυθμιστή. Θα υποθέσουμε ότι η μεταβλητή αντίσταση είναι αυτοματοποιημένη και μπορεί να προσαρμόσει αυτόματα τη δική της αντίσταση. Όταν το κύκλωμα τροφοδοτείται, η μεταβλητή αντίσταση ρυθμίζει την αντίστασή της για να αντισταθμίσει τις αλλαγές στο ρεύμα λόγω διακύμανσης στην αντίσταση φορτίου ή στην παροχή τάσης. Από τη βασική κατηγορία ηλεκτρικής ενέργειας, πρέπει να θυμάστε ότι όταν αυξάνεται το φορτίο, το οποίο είναι ουσιαστικά αντίσταση (+ χωρητικότητα / επαγωγή), παρατηρείται μια πραγματική πτώση του ρεύματος και το αντίστροφο. Έτσι, όταν το φορτίο στο κύκλωμα αυξάνεται (αύξηση της αντίστασης), αντί για πτώση ρεύματος, η μεταβλητή αντίσταση μειώνει τη δική της αντίσταση για να αντισταθμίσει την αυξημένη αντίσταση και να εξασφαλίσει τις ίδιες ροές ρεύματος. Με τον ίδιο τρόπο, όταν μειώνεται η αντίσταση φορτίου,η μεταβλητή αντίσταση αυξάνει τη δική της αντίσταση για να αντισταθμίσει τη μείωση, διατηρώντας έτσι την τρέχουσα τιμή εξόδου.

Μια άλλη προσέγγιση στην τρέχουσα ρύθμιση είναι να συνδέσετε μια αρκετά υψηλή αντίσταση παράλληλα με το φορτίο έτσι ώστε, σύμφωνα με τους νόμους της βασικής ηλεκτρικής ενέργειας, το ρεύμα θα ρέει μέσω της διαδρομής με τη λιγότερη αντίσταση η οποία στην περίπτωση αυτή θα είναι μέσω του φορτίου, με μόνο "αμελητέα" ποσότητα ρεύματος που ρέει μέσω της αντίστασης υψηλής αξίας.

Αυτές οι παραλλαγές επηρεάζουν επίσης την τάση καθώς ορισμένοι ρυθμιστές ρεύματος διατηρούν ρεύμα στην έξοδο μεταβάλλοντας την τάση. Έτσι, είναι σχεδόν αδύνατο να ρυθμιστεί η τάση στην ίδια έξοδο όπου ρυθμίζεται το ρεύμα.

Τρέχων σχεδιασμός ρυθμιστών

Οι τρέχοντες ρυθμιστές συνήθως εφαρμόζονται με χρήση ρυθμιστών τάσης με βάση το IC όπως το MAX1818 και το LM317 ή με τη χρήση παθητικών και ενεργών συστατικών ζελένιας όπως τρανζίστορ και διόδους Zener.

Σχεδιασμός Τρέχοντων Ρυθμιστών χρησιμοποιώντας Ρυθμιστές Τάσης

Για τον σχεδιασμό των τρέχοντων ρυθμιστών που χρησιμοποιούν ρυθμιστή τάσης με βάση το IC, η τεχνική συνήθως περιλαμβάνει τη ρύθμιση ρυθμιστών τάσης ώστε να έχουν σταθερή αντίσταση φορτίου και οι ρυθμιστές γραμμικής τάσης χρησιμοποιούνται συνήθως επειδή, η τάση μεταξύ της εξόδου γραμμικών ρυθμιστών και της γείωσης τους είναι συνήθως σφιχτά ρυθμιζόμενη, ως τέτοια, μια σταθερή αντίσταση μπορεί να εισαχθεί μεταξύ των ακροδεκτών έτσι ώστε ένα σταθερό ρεύμα να ρέει στο φορτίο. Ένα καλό παράδειγμα σχεδιασμού που βασίστηκε σε αυτό δημοσιεύθηκε σε μία από τις εκδόσεις του EDN από την Budge Ing In 2016.

Το κύκλωμα που χρησιμοποιείται χρησιμοποιεί τον γραμμικό ρυθμιστή LDO MAX1818 για τη δημιουργία τροφοδοσίας υψηλής απόδοσης σταθερού ρεύματος. Η τροφοδοσία (φαίνεται στην παραπάνω εικόνα) σχεδιάστηκε έτσι ώστε να τροφοδοτεί το RLOAD με σταθερό ρεύμα, το οποίο είναι ίσο με I = 1,5V / ROUT. Όπου 1,5V είναι η προκαθορισμένη τάση εξόδου του MAX1818 αλλά μπορεί να αλλάξει χρησιμοποιώντας ένα εξωτερικό διαχωριστικό αντίστασης.

Για να εξασφαλιστεί η βέλτιστη απόδοση του σχεδιασμού, η τάση στον ακροδέκτη εισόδου του MAX1818 πρέπει να είναι έως 2,5V και όχι πάνω από 5,5v, καθώς αυτό είναι το εύρος λειτουργίας που ορίζεται από το δελτίο δεδομένων. Για να ικανοποιήσετε αυτήν την προϋπόθεση, επιλέξτε μια τιμή ROUT που επιτρέπει 2,5V έως 5,5V μεταξύ IN και GND. Για παράδειγμα, όταν ένα φορτίο π.χ. 100Ω με 5V VCC, η συσκευή λειτουργεί σωστά με ROUT πάνω από 60Ω καθώς η τιμή επιτρέπει ένα μέγιστο προγραμματιζόμενο ρεύμα 1,5V / 60Ω = 25mA. Η τάση στη συσκευή ισούται με την ελάχιστη επιτρεπόμενη: 5V - (25mA × 100Ω) = 2,5V.

Άλλοι γραμμικοί ρυθμιστές όπως το LM317 μπορούν επίσης να χρησιμοποιηθούν σε μια παρόμοια διαδικασία σχεδιασμού, αλλά ένα από τα σημαντικότερα οφέλη που έχουν τα IC όπως το MAX1818 έναντι άλλων είναι το γεγονός ότι ενσωματώνουν θερμικό κλείσιμο που θα μπορούσε να είναι πολύ σημαντικό στον τρέχοντα κανονισμό καθώς η θερμοκρασία του Το IC τείνει να ζεσταθεί όταν συνδέονται φορτία με υψηλές απαιτήσεις ρεύματος.

Για τον τρέχοντα ρυθμιστή LM317, λάβετε υπόψη το παρακάτω κύκλωμα.

Τα LM317s έχουν σχεδιαστεί με τέτοιο τρόπο ώστε ο ρυθμιστής να συνεχίζει να ρυθμίζει την τάση του έως ότου η τάση μεταξύ του πείρου εξόδου και του πείρου ρύθμισής του να είναι στα 1,25v και ως εκ τούτου χρησιμοποιείται διαχωριστικό κατά την εφαρμογή σε κατάσταση ρυθμιστή τάσης. Αλλά για τη θήκη χρήσης μας ως τρέχοντος ρυθμιστής, στην πραγματικότητα κάνει τα πράγματα εξαιρετικά εύκολα για εμάς, επειδή, επειδή η τάση είναι σταθερή, το μόνο που χρειάζεται να κάνουμε για να κάνουμε την τρέχουσα σταθερά είναι απλά να εισάγουμε μια αντίσταση σε σειρά μεταξύ του πείρου Vout και ADJ όπως φαίνεται στο παραπάνω κύκλωμα. Ως τέτοια, είμαστε σε θέση να ρυθμίσουμε το ρεύμα εξόδου σε μια σταθερή τιμή που δίνεται από?

I = 1,25 / R

Με την τιμή του R να είναι ο καθοριστικός παράγοντας της τρέχουσας τιμής εξόδου.

Για να δημιουργήσουμε έναν ρυθμιστή μεταβλητού ρεύματος, χρειάζεται μόνο να προσθέσουμε μια μεταβλητή αντίσταση στο κύκλωμα μαζί με μια άλλη αντίσταση για να δημιουργήσουμε ένα διαχωριστικό στον ρυθμιζόμενο πείρο όπως φαίνεται στην παρακάτω εικόνα.

Η λειτουργία του κυκλώματος είναι η ίδια με την προηγούμενη με τη διαφορά ότι το ρεύμα μπορεί να ρυθμιστεί στο κύκλωμα περιστρέφοντας το κουμπί του ποτενσιόμετρου για να μεταβάλλει την αντίσταση. Η τάση στο R δίνεται από:

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

Αυτό σημαίνει ότι το ρεύμα απέναντι R δίνεται από:

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

Αυτό δίνει στο κύκλωμα μια τρέχουσα περιοχή I = 1,25 / R και (1,25 / R) x (1 + R1 / R2)

Εξαρτηθείτε από το τρέχον ρεύμα. βεβαιωθείτε ότι η βαθμολογία watt της αντίστασης R μπορεί να αντέξει την ποσότητα ρεύματος που θα ρέει μέσα από αυτήν.

Πλεονεκτήματα και μειονεκτήματα της χρήσης του LDO ως τρέχοντος ρυθμιστή

Ακολουθούν ορισμένα πλεονεκτήματα για την επιλογή της προσέγγισης του γραμμικού ρυθμιστή τάσης.

Τα IC ρυθμιστή ενσωματώνουν προστασία υπερθέρμανσης που μπορεί να είναι χρήσιμη όταν συνδέονται φορτία με υπερβολικές απαιτήσεις ρεύματος
Τα IC ρυθμιστή έχουν μεγαλύτερη ανοχή για μεγάλες τάσεις εισόδου και σε μεγάλο βαθμό υποστηρίζουν υψηλή απορρόφηση ισχύος.
Η προσέγγιση IC ρυθμιστή περιλαμβάνει τη χρήση μικρότερης ποσότητας εξαρτημάτων με την προσθήκη μόνο λίγων αντιστάσεων στις περισσότερες περιπτώσεις εκτός από περιπτώσεις όπου απαιτούνται υψηλότερα ρεύματα και συνδέονται τρανζίστορ ισχύος. Αυτό σημαίνει ότι θα μπορούσατε να χρησιμοποιήσετε το ίδιο IC για τάση και τρέχουσα ρύθμιση.
Η μείωση του αριθμού των στοιχείων θα μπορούσε να σημαίνει μείωση του κόστους εφαρμογής και του χρόνου σχεδιασμού.

Μειονεκτήματα:

Από την άλλη πλευρά, οι διαμορφώσεις που περιγράφονται στην προσέγγιση IC ρυθμιστή επιτρέπουν τη ροή του ηρεμίου ρεύματος από τον ρυθμιστή στο φορτίο επιπλέον της ρυθμιζόμενης τάσης εξόδου. Αυτό εισάγει ένα σφάλμα που ενδέχεται να μην είναι επιτρεπτό σε ορισμένες εφαρμογές. Αυτό θα μπορούσε, ωστόσο, να μειωθεί επιλέγοντας έναν ρυθμιστή με πολύ χαμηλό ρεύμα ηρεμίας.

Ένα άλλο μειονέκτημα της προσέγγισης IC ρυθμιστή είναι η έλλειψη ευελιξίας στο σχεδιασμό.

Εκτός από τη χρήση IC Voltage Regulator, οι τρέχοντες ρυθμιστές μπορούν επίσης να σχεδιαστούν χρησιμοποιώντας μέρη ζελατίνας, συμπεριλαμβανομένων τρανζίστορ, opamps και δίοδος Zener με τις απαραίτητες αντιστάσεις. Μια δίοδος Zener χρησιμοποιείται στο κύκλωμα πιθανώς ως μη εγκεφάλου σαν να θυμάστε ότι η δίοδος Zener χρησιμοποιείται για ρύθμιση τάσης. Ο σχεδιασμός του τρέχοντος ρυθμιστή που χρησιμοποιεί αυτά τα μέρη είναι ο πιο ευέλικτος, καθώς συνήθως είναι εύκολο να ενσωματωθούν σε υπάρχοντα κυκλώματα.

Τρέχων ρυθμιστής που χρησιμοποιεί τρανζίστορ

Θα εξετάσουμε δύο σχέδια σε αυτήν την ενότητα. Το πρώτο θα χρησιμοποιεί τη χρήση τρανζίστορ μόνο, ενώ το δεύτερο θα περιλαμβάνει συνδυασμό λειτουργικού ενισχυτή και τρανζίστορ ισχύος.

Για αυτό με τα τρανζίστορ, εξετάστε το παρακάτω κύκλωμα

Ο τρέχων ρυθμιστής που περιγράφεται στο παραπάνω κύκλωμα είναι ένας από τους απλούστερους σχεδιασμούς ρεύματος. Είναι ένας ρυθμιστής ρεύματος χαμηλής πλευράς. Συνδέθηκα μετά το φορτίο πριν από το έδαφος. Αποτελείται από τρία βασικά συστατικά. ένα τρανζίστορ ελέγχου (το 2N5551), ένα τρανζίστορ ισχύος (The TIP41) και μια αντίσταση διακλάδωσης (R).Η διακλάδωση, που είναι ουσιαστικά μια αντίσταση χαμηλής αξίας, χρησιμοποιείται για τη μέτρηση του ρεύματος που ρέει μέσω του φορτίου. Όταν το κύκλωμα είναι ενεργοποιημένο, σημειώνεται πτώση τάσης κατά μήκος της διακλάδωσης. Όσο υψηλότερη είναι η τιμή της αντίστασης φορτίου RL τόσο υψηλότερη είναι η πτώση τάσης κατά τη διάρκεια της διακλάδωσης. Η πτώση τάσης κατά μήκος της διακλάδωσης ενεργεί ως σκανδάλη για το τρανζίστορ ελέγχου έτσι ώστε όσο υψηλότερη είναι η πτώση τάσης κατά μήκος της διακλάδωσης, τόσο περισσότερο το τρανζίστορ διεξάγει και ρυθμίζει την τάση πόλωσης που εφαρμόζεται στη βάση του τρανζίστορ ισχύος για να αυξήσει ή να μειώσει την αγωγιμότητα με αντίσταση R1 που ενεργεί ως αντίσταση πόλωσης.

Όπως και με τα άλλα κυκλώματα, μια μεταβλητή αντίσταση μπορεί να προστεθεί παράλληλα με την αντίσταση διακλάδωσης για να μεταβάλει το τρέχον επίπεδο μεταβάλλοντας την ποσότητα τάσης που εφαρμόζεται στη βάση του τρανζίστορ ελέγχου.

Τρέχων ρυθμιστής που χρησιμοποιεί Op-Amp

Για τη δεύτερη διαδρομή σχεδιασμού, εξετάστε το παρακάτω κύκλωμα.

Αυτό το κύκλωμα βασίζεται σε έναν ενισχυτή λειτουργίας, και όπως στο παράδειγμα με το τρανζίστορ, χρησιμοποιεί επίσης μια αντίσταση διακλάδωσης για την τρέχουσα ανίχνευση. Η πτώση τάσης κατά μήκος της διακλάδωσης τροφοδοτείται στον λειτουργικό ενισχυτή ο οποίος στη συνέχεια τη συγκρίνει με μια τάση αναφοράς που ορίζεται από τη δίοδο Zener ZD1. Το op-amp αντισταθμίζει τυχόν ασυμφωνίες (υψηλή ή χαμηλή) στις δύο τάσεις εισόδου ρυθμίζοντας την τάση εξόδου. Η τάση εξόδου του λειτουργικού ενισχυτή συνδέεται με FET υψηλής ισχύος και η αγωγή συμβαίνει με βάση την εφαρμοζόμενη τάση.

Η κύρια διαφορά μεταξύ αυτού του σχεδιασμού και του πρώτου είναι η τάση αναφοράς που εφαρμόζεται από τη δίοδο Zener. Και τα δύο αυτά σχέδια είναι γραμμικά και υψηλή ποσότητα θερμότητας θα δημιουργηθεί σε υψηλά φορτία ως τέτοια, οι ψύκτρες θα πρέπει να συνδέονται με αυτούς για να διαλύσουν τη θερμότητα.

Πλεονέκτημα και μειονέκτημα

Το κύριο πλεονέκτημα αυτής της σχεδιαστικής προσέγγισης είναι η ευελιξία που παρέχει στον σχεδιαστή. Τα μέρη μπορούν να επιλεγούν και ο σχεδιασμός να διαμορφωθεί για να δοκιμάζει χωρίς κανέναν από τους περιορισμούς που σχετίζονται με τα εσωτερικά κυκλώματα που χαρακτηρίζει την προσέγγιση με βάση τον ρυθμιστή IC.

Από την άλλη πλευρά, αυτή η προσέγγιση τείνει να είναι πιο κουραστική, χρονοβόρα, απαιτεί περισσότερα εξαρτήματα, ογκώδη, ευαίσθητα σε αστοχία και πιο ακριβή σε σύγκριση με την προσέγγιση IC που βασίζεται σε ρυθμιστές.

Εφαρμογή τρεχόντων ρυθμιστικών αρχών

Οι ρυθμιστές σταθερού ρεύματος βρίσκουν εφαρμογές σε κάθε είδους συσκευές από κυκλώματα τροφοδοσίας, έως κυκλώματα φόρτισης μπαταρίας, έως οδηγούς LED και άλλες εφαρμογές όπου πρέπει να ρυθμιστεί ένα σταθερό ρεύμα ανεξάρτητα από το εφαρμοζόμενο φορτίο.

Αυτό είναι για αυτό το άρθρο! Ελπίζω να μάθατε ένα ή δύο πράγματα.

Μέχρι την επόμενη φορά!