Huidige toezichthouders: constructie-, werk- en ontwerptypes

Net als situaties waarin we de spanning in onze ontwerpen moeten regelen, zijn er scenario's waarin we de stroom moeten regelen die aan een bepaald deel van ons circuit wordt geleverd. In tegenstelling tot transformeren (veranderen van het ene spanningsniveau naar het andere), wat meestal een van de belangrijkste redenen is voor spanningsregeling, gaat stroomregeling meestal over het constant houden van de stroom die wordt geleverd, ongeacht variaties in belastingsweerstand of ingangsspanning. De circuits (geïntegreerde of niet) die worden gebruikt om te bereiken constante stroom toevoer worden genoemd (Constant) Current Regulators en ze worden zeer vaak gebruikt in Power Electronics.

Hoewel de huidige regulatoren in de loop der jaren in verschillende toepassingen zijn gebruikt, zijn ze tot voor kort misschien niet een van de meest populaire onderwerpen in gesprekken over elektronica-ontwerp. Huidige regelgevers hebben nu een soort alomtegenwoordige status bereikt vanwege hun belangrijke toepassingen in onder meer LED-verlichting.

Voor het artikel van vandaag zullen we naar deze huidige toezichthouders kijken en onder meer de werkingsprincipes erachter, hun ontwerp, typen en toepassingen onderzoeken.

Werkingsprincipe van huidige regelaar

De werking van een stroomregelaar is vergelijkbaar met die van de spanningsregelaar, met als belangrijkste verschil de parameter die ze regelen en de hoeveelheid die ze variëren om hun output te leveren. In spanningsregelaars wordt de stroom gevarieerd om het vereiste spanningsniveau te bereiken, terwijl stroomregelaars meestal variaties in spanning / weerstand met zich meebrengen om de vereiste stroomuitvoer te bereiken. Als zodanig, hoewel het mogelijk is, is het meestal moeilijk om spanning en stroom tegelijkertijd in een circuit te regelen.

Om te begrijpen hoe de huidige regulatoren werken, is een snelle blik op de ohm-wet vereist;

V = IR of I = V / R

Dit betekent om een constante stroom aan een uitgang te behouden, deze twee eigenschappen (spanning en weerstand) moeten constant worden gehouden in een circuit of zodanig worden aangepast dat wanneer er een verandering is in de ene, de waarde van de andere dienovereenkomstig wordt aangepast om de dezelfde uitgangsstroom. Als zodanig houdt de huidige regeling een aanpassing in van de spanning of weerstand in een circuit of het verzekeren dat de weerstands- en spanningswaarden ongewijzigd blijven, ongeacht de vereisten / effecten van de aangesloten belasting.

Huidige regelaar werkt

Laten we het onderstaande schakelschema eens bekijken om goed te beschrijven hoe een stroomregelaar werkt.

De variabele weerstand in het bovenstaande circuit wordt gebruikt om de acties van een stroomregelaar weer te geven. We gaan ervan uit dat de variabele weerstand geautomatiseerd is en zijn eigen weerstand automatisch kan aanpassen. Wanneer het circuit wordt gevoed, past de variabele weerstand zijn weerstand aan om te compenseren voor veranderingen in de stroom als gevolg van variatie in belastingsweerstand of voedingsspanning. Vanaf de basiselektriciteitsklasse moet u onthouden dat wanneer de belasting, die in wezen weerstand is (+ capaciteit / inductantie), een effectieve stroomdaling wordt ervaren en vice versa. Dus wanneer de belasting in het circuit wordt verhoogd (toename in weerstand), in plaats van een stroomdaling, verlaagt de variabele weerstand zijn eigen weerstand om de verhoogde weerstand te compenseren en ervoor te zorgen dat dezelfde stroom vloeit. Op dezelfde manier, wanneer de belastingsweerstand afneemt,de variabele weerstand verhoogt zijn eigen weerstand om de vermindering te compenseren, waardoor de uitgangsstroomwaarde behouden blijft.

Een andere benadering in de huidige regulering is om een voldoende hoge weerstand parallel aan de belasting aan te sluiten, zodat, in overeenstemming met de wetten van basiselektriciteit, stroom door het pad met de minste weerstand zal stromen, in dit geval door de belasting, met alleen een "verwaarloosbare" hoeveelheid stroom die door de hoogwaardige weerstand vloeit.

Deze variaties hebben ook invloed op de spanning, aangezien sommige stroomregelaars de stroom aan de uitgang handhaven door de spanning te variëren. Het is dus bijna onmogelijk om de spanning te regelen op dezelfde uitgang waar de stroom wordt geregeld.

Huidig regelgeversontwerp

Stroomregelaars worden meestal geïmplementeerd met behulp van op IC gebaseerde spanningsregelaars zoals de MAX1818 en de LM317 of door het gebruik van passieve en actieve componenten van jellybean zoals transistors en zenerdiodes.

Ontwerpen van stroomregelaars met behulp van spanningsregelaars

Voor het ontwerp van stroomregelaars met behulp van een op IC gebaseerde spanningsregelaar, omvat de techniek meestal het instellen van spanningsregelaars om een constante belastingsweerstand te hebben en lineaire spanningsregelaars worden meestal gebruikt omdat de spanning tussen de uitgang van lineaire regelaars en hun aarde meestal krap is. Als zodanig geregeld, kan een vaste weerstand tussen de klemmen worden gestoken zodat een vaste stroom naar de belasting vloeit. Een goed voorbeeld van een daarop gebaseerd ontwerp is in 2016 gepubliceerd in een van de EDN-publicaties van Budge Ing.

Het gebruikte circuit maakt gebruik van de LDO lineaire regelaar MAX1818 om een constante stroomgeregelde voeding aan de hoge kant te creëren. De voeding (weergegeven in de afbeelding hierboven) is zo ontworpen dat deze RLOAD voedt met een constante stroom, die gelijk is aan I = 1.5V / ROUT. Waarbij 1.5V de vooraf ingestelde uitgangsspanning van de MAX1818 is, maar deze kan worden gewijzigd met behulp van een externe resistieve verdeler.

Om optimale prestaties van het ontwerp te garanderen, moet de spanning op de ingangsklem van de MAX1818 maximaal 2,5 V zijn en niet hoger dan 5,5 V, aangezien dit het werkbereik is dat wordt bepaald in het gegevensblad. Om aan die voorwaarde te voldoen, kiest u een ROUT-waarde die 2,5V tot 5,5V tussen IN en GND toelaat. Bijvoorbeeld wanneer een belasting van zeg 100Ω met een 5V VCC, het apparaat correct functioneert met ROUT boven 60Ω aangezien de waarde een maximale programmeerbare stroom van 1.5V / 60Ω = 25mA toelaat. De spanning over het apparaat is dan gelijk aan het toegestane minimum: 5V - (25mA × 100Ω) = 2,5V.

Andere lineaire regelaars zoals de LM317 kunnen ook in een soortgelijk ontwerpproces worden gebruikt, maar een van de belangrijkste voordelen die IC's zoals de MAX1818 ten opzichte van andere hebben, is het feit dat ze thermische uitschakeling bevatten, wat erg belangrijk kan zijn bij de huidige regeling, aangezien de temperatuur van de IC heeft de neiging warm te worden wanneer belastingen met hoge stroomvereisten zijn aangesloten.

Bekijk het onderstaande circuit voor de op LM317 gebaseerde stroomregelaar;

LM317's zijn zo ontworpen dat de regelaar zijn spanning blijft aanpassen totdat de spanning tussen de uitgangspen en de afstelpen 1,25 V is en daarom wordt een verdeler meestal gebruikt bij implementatie in een spanningsregelaar. Maar voor ons gebruik als stroomregelaar maakt het het ons eigenlijk supergemakkelijk omdat, aangezien de spanning constant is, alles wat we hoeven te doen om de stroom constant te maken, is door simpelweg een weerstand in serie tussen de Vout en ADJ pin te plaatsen. zoals getoond in het circuit hierboven. Als zodanig zijn we in staat om de uitgangsstroom in te stellen op een vaste waarde die wordt gegeven door;

Ik = 1,25 / R

Met de waarde van R is de bepalende factor van de uitgangsstroomwaarde.

Om een variabele stroomregelaar te maken, hoeven we alleen een variabele weerstand aan het circuit toe te voegen naast een andere weerstand om een verdeler naar de verstelbare pin te maken, zoals weergegeven in de onderstaande afbeelding.

De werking van het circuit is hetzelfde als het vorige, met het verschil dat de stroom in het circuit kan worden aangepast door aan de knop van de potentiometer te draaien om de weerstand te variëren. De spanning over R geeft door;

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

Dit betekent dat de stroom over R wordt gegeven door;

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

Dit geeft het circuit een stroombereik van I = 1,25 / R en (1,25 / R) x (1 + R1 / R2)

Hang af van de ingestelde stroom; Zorg ervoor dat het wattage van weerstand R bestand is tegen de hoeveelheid stroom die er doorheen gaat.

Voordelen en nadelen van het gebruik van LDO als stroomregelaar

Hieronder staan enkele voordelen voor het selecteren van de lineaire spanningsregelaarbenadering.

Regelaar-IC's bevatten bescherming tegen oververhitting, wat handig kan zijn wanneer belastingen met overmatige stroomvereisten zijn aangesloten.
Regulator-IC's hebben een grotere tolerantie voor grote ingangsspanningen en ondersteunen in hoge mate een hoge vermogensdissipatie.
De benadering van de regulator-IC's omvat het gebruik van een kleiner aantal componenten met de toevoeging van slechts een paar weerstanden in de meeste gevallen, behalve in gevallen waarin hogere stromen vereist zijn en vermogenstransistors zijn aangesloten. Dit betekent dat u dezelfde IC kunt gebruiken voor spannings- en stroomregeling.
De vermindering van het aantal componenten zou een vermindering van de implementatiekosten en ontwerptijd kunnen betekenen.

Nadelen:

Aan de andere kant maken de configuraties beschreven onder de benadering van de regulator-IC's de stroom van ruststroom van de regulator naar de belasting mogelijk naast de gereguleerde uitgangsspanning. Dit introduceert een fout die in bepaalde toepassingen mogelijk niet is toegestaan. Dit zou echter kunnen worden verminderd door een regelaar te kiezen met een zeer lage ruststroom.

Een ander nadeel van de IC-benadering van de regulator is het gebrek aan flexibiliteit in het ontwerp.

Afgezien van het gebruik van spanningsregelaar-IC's, kunnen stroomregelaars ook worden ontworpen met behulp van jellybean-onderdelen, waaronder transistors, opamps en zenerdiodes met de nodige weerstanden. Een zenerdiode wordt in het circuit gebruikt, waarschijnlijk als een goed idee, alsof je je herinnert dat zenerdiode wordt gebruikt voor spanningsregeling. Het ontwerp van de stroomregelaar met behulp van deze onderdelen is het meest flexibel, aangezien ze meestal gemakkelijk in bestaande circuits kunnen worden geïntegreerd.

Huidige regelaar die transistors gebruikt

We zullen in deze sectie twee ontwerpen bespreken. De eerste zal alleen het gebruik van transistors bevatten, terwijl de tweede een mix van een operationele versterker en een vermogenstransistor zal bevatten.

Overweeg voor degene met transistors het onderstaande circuit.

De stroomregelaar die in het bovenstaande circuit wordt beschreven, is een van de eenvoudigste ontwerpen van stroomregelaars. Het is een lage stroomregelaar; Ik maakte verbinding na de belasting voor de grond. Het bestaat uit drie hoofdcomponenten; een stuurtransistor (de 2N5551), een vermogenstransistor (de TIP41) en een shuntweerstand (R).De shunt, die in wezen een weerstand met een lage waarde is, wordt gebruikt om de stroom te meten die door de belasting vloeit. Wanneer het circuit is ingeschakeld, wordt een spanningsval over de shunt opgemerkt. Hoe hoger de waarde van de belastingsweerstand RL, hoe hoger de spanningsval over de shunt. De spanningsval over de shunt fungeert als een trigger voor de besturingstransistor, zodat hoe hoger de spanningsval over de shunt is, hoe meer de transistor geleidt en de voorspanning regelt die wordt aangelegd op de basis van de vermogenstransistor om de geleiding met de weerstand R1 die fungeert als de instelweerstand.

Net als bij de andere circuits, kan een variabele weerstand parallel aan de shuntweerstand worden toegevoegd om het stroomniveau te variëren door de hoeveelheid spanning die aan de basis van de stuurtransistor wordt aangelegd te variëren.

Huidige regelaar met behulp van Op-Amp

Overweeg voor het tweede ontwerppad het onderstaande circuit;

Deze schakeling is gebaseerd op een operationele versterker en maakt net als in het voorbeeld met de transistor ook gebruik van een shuntweerstand voor stroomdetectie. De spanningsval over de shunt wordt naar de operationele versterker gevoerd, die deze vervolgens vergelijkt met een referentiespanning die is ingesteld door de zenerdiode ZD1. De op-amp compenseert eventuele discrepanties (hoog of laag) in de twee ingangsspanningen door de uitgangsspanning aan te passen. De uitgangsspanning van de operationele versterker is verbonden met een krachtige FET en geleiding vindt plaats op basis van de aangelegde spanning.

Het belangrijkste verschil tussen dit ontwerp en het eerste is de referentiespanning die wordt geïmplementeerd door de zenerdiode. Beide ontwerpen zijn lineair en er zal een grote hoeveelheid warmte worden gegenereerd bij hoge belasting als zodanig, koellichamen moeten eraan worden gekoppeld om de warmte af te voeren.

Voordeel en nadeel

Het grote voordeel van deze ontwerpaanpak is de flexibiliteit die het de ontwerper biedt. De onderdelen kunnen worden geselecteerd en het ontwerp kan naar smaak worden geconfigureerd zonder enige van de beperkingen die verband houden met interne schakelingen die kenmerkend zijn voor de op de regulator-IC gebaseerde benadering.

Aan de andere kant is deze benadering vaak vervelend, tijdrovender, vereist meer onderdelen, omvangrijk, vatbaar voor defecten en duurder in vergelijking met de op een regulator gebaseerde IC-benadering.

Toepassing van huidige regelgevers

Constante stroomregelaars vinden toepassingen in allerlei soorten apparaten, van voedingscircuits tot batterijlaadcircuits, tot LED-stuurprogramma's en andere toepassingen waarbij een vaste stroom moet worden geregeld, ongeacht de toegepaste belasting.

Dat is het voor dit artikel! Ik hoop dat je het een en ander hebt geleerd.

Tot de volgende keer!