Регуляторы тока: строительные, рабочие и проектные виды

Так же, как ситуации, в которых нам нужно регулировать напряжение в наших конструкциях, есть сценарии, в которых нам нужно регулировать ток, который подается в определенную часть нашей цепи. В отличие от преобразования (перехода от одного уровня напряжения к другому), которое обычно является одной из основных причин регулирования напряжения, регулирование тока обычно заключается в поддержании постоянного тока, который подается, независимо от изменений сопротивления нагрузки или входного напряжения. Цепи (встроенные или нет), которые используются для обеспечения постоянного тока, называются (постоянными) регуляторами тока, и они очень часто используются в силовой электронике.

Хотя регуляторы Current использовались в нескольких приложениях на протяжении многих лет, возможно, до недавнего времени они не были одной из самых популярных тем в обсуждениях проектирования электроники. Текущие регуляторы теперь достигли своего рода повсеместного статуса благодаря их важным приложениям в светодиодном освещении среди других приложений.

В сегодняшней статье мы рассмотрим эти текущие регуляторы и изучим лежащие в их основе принципы работы, их конструкцию, типы и применение, среди прочего.

Принцип действия регулятора тока

Работа регулятора тока аналогична работе регулятора напряжения с основным отличием в параметре, который они регулируют, и величине, которую они изменяют для обеспечения своего выхода. В регуляторах напряжения ток изменяется для достижения необходимого уровня напряжения, в то время как регуляторы тока обычно включают изменения напряжения / сопротивления для достижения необходимого выходного тока. Таким образом, хотя это возможно, обычно трудно одновременно регулировать напряжение и ток в цепи.

Чтобы понять, как работают регуляторы тока, необходимо быстро взглянуть на закон Ома;

V = IR или I = V / R

Это означает, что для поддержания постоянного тока на выходе эти два свойства (напряжение и сопротивление) должны поддерживаться постоянными в цепи или регулироваться таким образом, чтобы при изменении одного значения другого соответственно регулировалось, чтобы сохранить такой же выходной ток. Таким образом, регулирование тока включает в себя регулировку напряжения или сопротивления в цепи или обеспечение неизменности значений сопротивления и напряжения независимо от требований / воздействий подключенной нагрузки.

Текущий регулятор работает

Чтобы правильно описать, как работает регулятор тока, давайте рассмотрим принципиальную схему ниже.

Переменный резистор в схеме выше используется для представления действия регулятора тока. Предположим, что переменный резистор автоматизирован и может автоматически регулировать собственное сопротивление. Когда схема находится под напряжением, переменный резистор регулирует свое сопротивление, чтобы компенсировать изменения тока из-за изменения сопротивления нагрузки или напряжения питания. Относительно базового класса электричества вы должны помнить, что при увеличении нагрузки, которая по сути является сопротивлением (+ емкость / индуктивность), происходит эффективное падение тока, и наоборот. Таким образом, когда нагрузка в цепи увеличивается (увеличение сопротивления), а не падение тока, переменный резистор уменьшает свое собственное сопротивление, чтобы компенсировать повышенное сопротивление и обеспечить одинаковые токи. Таким же образом, когда сопротивление нагрузки уменьшается,переменное сопротивление увеличивает собственное сопротивление, чтобы компенсировать уменьшение, таким образом поддерживая значение выходного тока.

Другой подход к регулированию тока состоит в том, чтобы подключить достаточно высокий резистор параллельно нагрузке так, чтобы в соответствии с законами основного электричества ток протекал по пути с наименьшим сопротивлением, которое в этом случае будет проходить через нагрузку, только с «ничтожно малое» количество тока, протекающего через резистор высокого номинала.

Эти изменения также влияют на напряжение, так как некоторые регуляторы тока поддерживают ток на выходе, изменяя напряжение. Таким образом, практически невозможно регулировать напряжение на том же выходе, где регулируется ток.

Текущий дизайн регуляторов

Стабилизаторы тока обычно реализуются с использованием стабилизаторов напряжения на основе микросхем, таких как MAX1818 и LM317, или с использованием пассивных и активных компонентов, таких как транзисторы и стабилитроны.

Разработка регуляторов тока с использованием регуляторов напряжения

Для проектирования регуляторов тока с использованием регулятора напряжения на основе IC метод обычно включает настройку регуляторов напряжения с постоянным сопротивлением нагрузки, и обычно используются линейные регуляторы напряжения, потому что напряжение между выходом линейных регуляторов и их землей обычно плотно регулируемый, как таковой, фиксированный резистор может быть вставлен между выводами так, чтобы фиксированный ток протекал к нагрузке. Хороший пример дизайна, основанного на этом, был опубликован в одной из публикаций EDN от Budge Ing в 2016 году.

Используемая схема использует линейный стабилизатор LDO MAX1818 для создания стабилизированного источника постоянного тока на стороне высокого напряжения. Источник питания (показанный на изображении выше) был разработан таким образом, что он питает RLOAD постоянным током, равным I = 1,5 В / ROUT. Где 1,5 В - предустановленное выходное напряжение MAX1818, но его можно изменить с помощью внешнего резистивного делителя.

Чтобы обеспечить оптимальную производительность конструкции, напряжение на входной клемме MAX1818 должно быть до 2,5 В, а не выше 5,5 В, поскольку это рабочий диапазон, указанный в таблице данных. Чтобы удовлетворить это условие, выберите значение ROUT, которое позволяет от 2,5 В до 5,5 В между IN и GND. Например, при нагрузке, скажем, 100 Ом при 5 В VCC, устройство правильно работает с ROUT выше 60 Ом, так как значение допускает максимальный программируемый ток 1,5 В / 60 Ом = 25 мА. Тогда напряжение на устройстве будет равно минимально допустимому: 5 В - (25 мА × 100 Ом) = 2,5 В.

Другие линейные регуляторы, такие как LM317, также могут использоваться в аналогичном процессе проектирования, но одним из основных преимуществ таких микросхем, как MAX1818, по сравнению с другими, является тот факт, что они включают тепловое отключение, которое может быть очень важным при регулировании тока, так как температура IC имеет тенденцию нагреваться при подключении нагрузок с высокими требованиями к току.

Для регулятора тока на базе LM317 рассмотрите схему ниже;

LM317 сконструированы таким образом, что регулятор продолжает регулировать свое напряжение до тех пор, пока напряжение между его выходным выводом и его регулировочным выводом не достигнет 1,25 В, и поэтому делитель обычно используется при реализации в ситуации регулятора напряжения. Но для нашего случая использования в качестве регулятора тока это на самом деле очень упрощает нам задачу, потому что, поскольку напряжение постоянно, все, что нам нужно сделать, чтобы сделать ток постоянным, - это просто вставить резистор последовательно между выводами Vout и ADJ. как показано на схеме выше. Таким образом, мы можем установить выходной ток на фиксированное значение, которое задается:

I = 1,25 / R

При этом значение R является определяющим фактором значения выходного тока.

Чтобы создать регулятор переменного тока, нам нужно только добавить в схему переменный резистор вместе с другим резистором, чтобы создать делитель на регулируемом выводе, как показано на изображении ниже.

Работа схемы такая же, как и в предыдущей, с той разницей, что ток в цепи можно регулировать поворотом ручки потенциометра для изменения сопротивления. Напряжение на R составляет;

V = (1 + R1 / R2) х 1,25

Это означает, что ток через R определяется выражением;

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

Это дает цепи диапазон тока I = 1,25 / R и (1,25 / R) x (1 + R1 / R2).

Зависит от установленного тока; Убедитесь, что номинальная мощность резистора R может выдерживать ток, протекающий через него.

Преимущества и недостатки использования LDO в качестве регулятора тока

Ниже приведены некоторые преимущества выбора линейного регулятора напряжения.

ИС регулятора имеют защиту от перегрева, которая может пригодиться при подключении нагрузок с повышенными требованиями к току.
ИС регуляторов более устойчивы к большим входным напряжениям и в значительной степени поддерживают высокое рассеивание мощности.
Подход с использованием ИС регулятора предполагает использование меньшего количества компонентов с добавлением всего нескольких резисторов в большинстве случаев, за исключением случаев, когда требуются более высокие токи и подключены силовые транзисторы. Это означает, что вы можете использовать одну и ту же микросхему для регулирования напряжения и тока.
Уменьшение количества компонентов может означать снижение стоимости внедрения и времени разработки.

Недостатки:

С другой стороны, конфигурации, описанные в рамках подхода ИС регуляторов, позволяют пропускать ток покоя от регулятора к нагрузке в дополнение к регулируемому выходному напряжению. Это приводит к ошибке, которая может быть недопустимой в некоторых приложениях. Однако это можно уменьшить, выбрав регулятор с очень низким током покоя.

Еще одним недостатком подхода к регулятору IC является отсутствие гибкости в конструкции.

Помимо использования микросхем регуляторов напряжения, регуляторы тока также могут быть спроектированы с использованием желейных частей, включая транзисторы, операционные усилители и стабилитрон с необходимыми резисторами. Стабилитрон используется в схеме, вероятно, просто, как будто вы помните, что стабилитрон используется для регулирования напряжения. Конструкция регулятора тока с использованием этих частей является наиболее гибкой, поскольку их обычно легко интегрировать в существующие схемы.

Регулятор тока на транзисторах

В этом разделе мы рассмотрим два дизайна. В первом будут использованы только транзисторы, а во втором - операционный усилитель и силовой транзистор.

Для модели с транзисторами рассмотрим схему ниже.

Стабилизатор тока, описанный в схеме выше, является одной из простейших конструкций регуляторов тока. Это регулятор тока низкой стороны; Подключал после нагрузки до земли. Он состоит из трех основных компонентов; управляющий транзистор (2N5551), силовой транзистор (TIP41) и шунтирующий резистор (R).Шунт, который по сути представляет собой резистор малой мощности, используется для измерения тока, протекающего через нагрузку. При включении цепи на шунте отмечается падение напряжения. Чем выше значение сопротивления нагрузки RL, тем больше падение напряжения на шунте. Падение напряжения на шунте действует как триггер для управляющего транзистора, так что чем выше падение напряжения на шунте, тем больше транзистор проводит и регулирует напряжение смещения, приложенное к базе силового транзистора, для увеличения или уменьшения проводимости с помощью резистор R1, действующий как резистор смещения.

Как и в других схемах, переменный резистор может быть добавлен параллельно шунтирующему резистору для изменения уровня тока путем изменения величины напряжения, приложенного к базе управляющего транзистора.

Регулятор тока с использованием операционного усилителя

Для второго варианта проектирования рассмотрим схему ниже;

Эта схема основана на операционном усилителе и, как и в примере с транзистором, также использует шунтирующий резистор для измерения тока. Падение напряжения на шунте подается в операционный усилитель, который затем сравнивает его с опорным напряжением, установленным стабилитроном ZD1. Операционный усилитель компенсирует любые несоответствия (высокое или низкое) двух входных напряжений, регулируя свое выходное напряжение. Выходное напряжение операционного усилителя подключается к мощному полевому транзистору, и проводимость зависит от приложенного напряжения.

Основное различие между этой конструкцией и первым из них является источник опорного напряжения осуществляется диодом Зенера. Обе эти конструкции являются линейными, и при высоких нагрузках будет выделяться большое количество тепла, поэтому к ним должны быть присоединены радиаторы для отвода тепла.

Преимущества и недостатки

Основным преимуществом такого подхода к проектированию является гибкость, которую он предоставляет дизайнеру. Детали могут быть выбраны, а конструкция сконфигурирована по вкусу без каких-либо ограничений, связанных с внутренней схемой, которая характерна для подхода, основанного на регуляторе на основе ИС.

С другой стороны, этот подход имеет тенденцию быть более утомительным, трудоемким, требует большего количества деталей, громоздких, подверженных сбоям и более дорогих по сравнению с подходом на основе регуляторов.

Применение действующих регуляторов

Стабилизаторы постоянного тока находят применение во всех видах устройств, от цепей питания до цепей зарядки аккумуляторов, драйверов светодиодов и других приложений, где необходимо регулировать постоянный ток независимо от приложенной нагрузки.

Вот и все для этой статьи! Надеюсь, вы узнали одну или две вещи.

До следующего раза!