- Driftsprincip for nuværende regulator
- Nuværende regulator arbejder
- Nuværende reguleringsdesign
- Design af aktuelle regulatorer ved hjælp af spændingsregulatorer
- Fordele og ulemper ved at bruge LDO som nuværende regulator
- Nuværende regulator ved hjælp af transistorer
- Nuværende regulator ved hjælp af Op-Amp
- Anvendelse af nuværende regulatorer
Ligesom situationer, hvor vi har brug for at regulere spændingen i vores designs, er der scenarier, hvor vi har brug for at regulere den strøm, der leveres til en bestemt del af vores kredsløb. I modsætning til at transformere (skifte fra et spændingsniveau til et andet), som normalt er en af hovedårsagerne til spændingsregulering, handler strømregulering normalt om at holde den strøm, der leveres konstant, uanset variationer i belastningsmodstand eller indgangsspænding. Kredsløbene (integreret eller ej), der bruges til at opnå konstant strømforsyning kaldes (Constant) Current Regulators, og de bruges meget almindeligt i Power Electronics.
Mens de nuværende regulatorer har været omtalt i flere applikationer gennem årene, er de uden tvivl ikke et af de mest populære emner inden for elektroniske designsamtaler indtil for nylig. Nuværende regulatorer har nu opnået en slags allestedsnærværende status på grund af deres vigtige applikationer inden for LED-belysning blandt andre applikationer.
I dagens artikel vil vi se på disse nuværende regulatorer og undersøge driftsprincipperne bag dem, deres design, typer og applikationer blandt andre.
Driftsprincip for nuværende regulator
Driften af en strømregulator svarer til spændingsregulatorens funktion, idet den største forskel er den parameter, de regulerer, og den mængde, de varierer for at levere deres output. I spændingsregulatorer varieres strømmen for at opnå det krævede spændingsniveau, mens strømregulatorer normalt involverer variationer i spænding / modstand for at opnå den krævede strømudgang. Selvom det er muligt, er det som regel vanskeligt at regulere spænding og strøm på samme tid i et kredsløb.
For at forstå, hvordan de nuværende regulatorer fungerer, kræves et hurtigt kig på ohmsloven;
V = IR eller I = V / R
Dette betyder for at opretholde en konstant strømflow ved en udgang, disse to egenskaber (spænding og modstand) skal holdes konstant i et kredsløb eller justeres således, at når der er en ændring i den ene, justeres værdien af den anden i overensstemmelse hermed for at bevare samme udgangsstrøm. Som sådan indebærer strømregulering at foretage en justering af enten spændingen eller modstanden i et kredsløb eller sikre, at modstands- og spændingsværdierne er uændrede uanset kravene / virkningerne af den tilsluttede belastning.
Nuværende regulator arbejder
For korrekt at beskrive, hvordan en nuværende regulator fungerer, lad os overveje kredsløbsdiagrammet nedenfor.
Den variable modstand i kredsløbet ovenfor bruges til at repræsentere virkningerne af en strømregulator. Vi antager, at den variable modstand er automatiseret og automatisk kan justere sin egen modstand. Når kredsløbet får strøm, justerer den variable modstand sin modstand for at kompensere for ændringer i strømmen på grund af variation i belastningsmodstand eller spændingsforsyning. Fra grundlæggende elektricitetsklasse skal du huske, at når belastningen, som i det væsentlige er modstand (+ kapacitans / induktans) øges, opleves et effektivt fald i strømmen og omvendt. Således når belastningen i kredsløbet øges (stigning i modstand) snarere end et strømfald, reducerer den variable modstand sin egen modstand for at kompensere for den øgede modstand og sikre de samme strømstrømme. På samme måde, når belastningsmodstanden reduceres,den variable modstand øger sin egen modstand for at kompensere for reduktionen og opretholder således udgangsstrømmen.
En anden tilgang i den nuværende regulering er at forbinde en tilstrækkelig høj modstand parallelt med belastningen, således at strømmen i overensstemmelse med grundlæggende elektricitetslove strømmer gennem stien med mindst modstand, som i dette tilfælde vil være gennem belastningen med en "ubetydelig" mængde strøm, der strømmer gennem modstanden med høj værdi.
Disse variationer påvirker også spændingen, da nogle strømregulatorer opretholder strøm ved udgangen ved at variere spændingen. Således er det næsten umuligt at regulere spændingen ved den samme udgang, hvor strømmen reguleres.
Nuværende reguleringsdesign
Nuværende regulatorer implementeres normalt ved hjælp af IC-baserede spændingsregulatorer som MAX1818 og LM317 eller ved brug af passive og aktive komponenter af gelé, som transistorer og Zener-dioder.
Design af aktuelle regulatorer ved hjælp af spændingsregulatorer
Til design af strømregulatorer ved hjælp af IC-baseret spændingsregulator, involverer teknikken normalt opsætning af spændingsregulatorer til at have en konstant belastningsmodstand, og lineære spændingsregulatorer bruges normalt, fordi spændingen mellem output fra lineære regulatorer og deres jord er normalt tæt reguleret som sådan kan en fast modstand indsættes mellem terminalerne, således at en fast strøm strømmer til belastningen. Et godt eksempel på et design baseret på dette blev offentliggjort i en af EDN-publikationerne af Budge Ing i 2016.
Det anvendte kredsløb bruger LDO lineær regulator MAX1818 til at skabe en højsides konstant strømreguleret forsyning. Forsyningen (vist på billedet ovenfor) er designet således, at den føder RLOAD med en konstant strøm, der er lig med I = 1,5V / ROUT. Hvor 1,5V er den forudindstillede udgangsspænding på MAX1818, men kan ændres ved hjælp af en ekstern modstandsdeler.
For at sikre den optimale ydelse af designet skal spændingen ved indgangsterminalen på MAX1818 være op til 2,5 V og ikke over 5,5 V, da dette er det driftsområde, der er angivet i databladet. For at opfylde denne betingelse skal du vælge en ROUT-værdi, der tillader 2,5V til 5,5V mellem IN og GND. For eksempel når en belastning på sige 100Ω med en 5V VCC, fungerer enheden korrekt med ROUT over 60Ω, da værdien tillader en maksimal programmerbar strøm på 1,5V / 60Ω = 25mA. Spændingen over enheden svarer derefter til det tilladte minimum: 5V - (25mA × 100Ω) = 2,5V.
Andre lineære regulatorer som LM317 kan også bruges i en lignende designproces, men en af de største fordele, som IC'er som MAX1818 har i forhold til andre, er det faktum, at de inkorporerer termisk nedlukning, hvilket kan være meget vigtigt i den nuværende regulering, da temperaturen på IC har tendens til at blive varm, når der tilsluttes belastninger med høje strømkrav.
For den LM317-baserede strømregulator skal du overveje kredsløbet nedenfor;
LM317s er designet på en sådan måde, at regulatoren fortsætter med at justere sin spænding, indtil spændingen mellem dens udgangsstift og dens justeringsstift er på 1,25v, og som sådan bruges en skillevæg ved implementering i en spændingsregulator-situation. Men for vores brugstilfælde som en strømregulator gør det faktisk tingene super let for os, for da spændingen er konstant, er alt, hvad vi skal gøre for at gøre strømmen konstant, simpelthen at indsætte en modstand i serie mellem Vout og ADJ-stiften som vist i kredsløbet ovenfor. Som sådan er vi i stand til at indstille udgangsstrømmen til en fast værdi, som er givet af;
I = 1,25 / R
Med værdien af R er den afgørende faktor for udgangsstrømværdien.
For at oprette en variabel strømregulator behøver vi kun tilføje en variabel modstand til kredsløbet sammen med en anden modstand for at oprette en skillevæg til den justerbare stift som vist på billedet nedenfor.
Driften af kredsløbet er den samme som den forrige, idet forskellen er, at strømmen kan justeres i kredsløbet ved at dreje drejeknappen til potentiometeret for at variere modstanden. Spændingen over R giver ved;
V = (1 + R1 / R2) x 1,25
Dette betyder, at strømmen over R er givet ved;
I R = (1,25 / R) x (1 + R1 / R2).
Dette giver kredsløbet et strømområde på I = 1,25 / R og (1,25 / R) x (1 + R1 / R2)
Afhænger af den indstillede strøm; sørg for, at modstanden R's wattværdi kan modstå den mængde strøm, der strømmer gennem den.
Fordele og ulemper ved at bruge LDO som nuværende regulator
Nedenfor er nogle fordele ved valg af lineær spændingsregulator tilgang.
- Regulator IC'er indeholder over temperaturbeskyttelse, som kan være praktisk, når der tilsluttes belastninger med for store strømkrav.
- Regulator IC'er har en større tolerance for store indgangsspændinger og understøtter i høj grad høj effektafledning.
- Regulator IC's tilgang involverer brugen af en mindre mængde komponenter med tilføjelse af kun få modstande i de fleste tilfælde undtagen i tilfælde, hvor højere strømme er påkrævet, og effekttransistorer er forbundet. Dette betyder, at du kan bruge den samme IC til regulering af spænding og strøm.
- Reduktionen i antallet af komponenter kan betyde en reduktion i implementeringsomkostninger og designtid.
Ulemper:
På bagsiden tillader de konfigurationer, der er beskrevet under regulator ICs tilgang, strømmen af hvilestrøm fra regulatoren til belastningen ud over den regulerede udgangsspænding. Dette introducerer en fejl, som muligvis ikke er tilladt i visse applikationer. Dette kunne dog reduceres ved at vælge en regulator med en meget lav hvilestrøm.
En anden ulempe ved regulatorens IC-tilgang er manglen på fleksibilitet i designet.
Bortset fra brugen af spændingsregulator-IC'er kan strømregulatorer også designes ved hjælp af jellybean-dele, herunder transistorer, opamps og Zener-dioder med nødvendige modstande. En Zener-diode bruges i kredsløbet sandsynligvis som en no brainer, som hvis du husker, at Zener-diode bruges til spændingsregulering. Design af strømregulator ved hjælp af disse dele er den mest fleksible, da de normalt er lette at integrere i eksisterende kredsløb.
Nuværende regulator ved hjælp af transistorer
Vi vil overveje to designs under dette afsnit. Den første har kun brug af transistorer, mens den anden indeholder en blanding af en operationsforstærker og en effekttransistor.
For den med transistorer, overvej kredsløbet nedenfor.
Den aktuelle regulator beskrevet i kredsløbet ovenfor er en af de enkleste strømregulatorer. Det er en strømregulator med lav side; Jeg forbandt efter belastningen før jorden. Den består af tre nøglekomponenter; en kontroltransistor (2N5551), en effekttransistor (TIP41) og en shuntmodstand (R).Shunten, som i det væsentlige er en modstand med lav værdi, bruges til at måle strømmen, der strømmer gennem belastningen. Når kredsløbet er tændt, bemærkes et spændingsfald på tværs af shunten. Jo højere værdien af belastningsmodstanden RL jo højere er spændingsfaldet over shunten. Spændingsfaldet over shunten fungerer som en udløser for styretransistoren, således at jo højere spændingsfaldet over shunten er, desto mere leder transistoren og regulerer den forspænding, der påføres basen af effekttransistoren for at øge eller reducere ledning med modstand R1 fungerer som forspændingsmodstand.
Ligesom med de andre kredsløb kan en variabel modstand tilføjes parallelt med shuntmodstanden for at variere strømniveauet ved at variere mængden af spænding, der påføres i bunden af kontroltransistoren.
Nuværende regulator ved hjælp af Op-Amp
For den anden designsti skal du overveje kredsløbet nedenfor;
Dette kredsløb er baseret på en operationsforstærker, og ligesom i eksemplet med transistoren bruger det også en shuntmodstand til strømregistrering. Spændingsfaldet over shunten føres ind i operationsforstærkeren, som derefter sammenligner det med en referencespænding indstillet af Zener-dioden ZD1. Op-amp kompenserer for uoverensstemmelser (høj eller lav) i de to indgangsspændinger ved at justere dens udgangsspænding. Operationsforstærkerens udgangsspænding er forbundet til en FET med høj effekt, og ledning sker baseret på den anvendte spænding.
Den største forskel mellem dette design og det første er referencespændingen implementeret af Zener-dioden. Begge disse design er lineære, og der genereres en høj mængde varme ved høje belastninger som sådan. Kølelegemer skal kobles til dem for at sprede varmen.
Fordel og ulempe
Den største fordel ved denne designtilgang er den fleksibilitet, den giver designeren. Dele kan vælges, og designet kan konfigureres til at smage uden nogen af de begrænsninger, der er forbundet med interne kredsløb, der karakteriserer regulatorens IC-baserede tilgang.
På den anden side har denne tilgang en tendens til at være mere kedelig, tidskrævende, kræver flere dele, voluminøse, modtagelige for svigtende og dyrere sammenlignet med den regulatorbaserede IC-tilgang.
Anvendelse af nuværende regulatorer
Konstantstrømsregulatorer finder applikationer i alle mulige enheder fra strømforsyningskredsløb til batteriopladningskredsløb til LED-drivere og andre applikationer, hvor en fast strøm skal reguleres uanset den anvendte belastning.
Det er det til denne artikel! Håber du har lært en ting eller to.
Indtil næste gang!