Reguladors actuals: tipus de construcció, treball i disseny

Igual que les situacions en què hem de regular el voltatge en els nostres dissenys, hi ha escenaris en què hem de regular el corrent que s’està subministrant a una part concreta del nostre circuit. A diferència de la transformació (canviar d’un nivell de voltatge a un altre) que sol ser un dels motius principals de la regulació de la tensió, la regulació del corrent sol consistir en mantenir constant el corrent que s’està subministrant, independentment de les variacions de la resistència de càrrega o del voltatge d’entrada. Els circuits (integrats o no) que s’utilitzen per aconseguir un subministrament de corrent constant s’anomenen reguladors de corrent (constants) i s’utilitzen molt habitualment a l’electrònica de potència.

Tot i que els reguladors actuals han aparegut en diverses aplicacions al llarg dels anys, és probable que no siguin un dels temes més populars de les converses de disseny electrònic fins fa poc. Els reguladors actuals han assolit ara una mena d’estat omnipresent a causa de les seves importants aplicacions en il·luminació LED, entre altres aplicacions.

Per a l'article d'avui, examinarem aquests reguladors actuals i examinarem els principis de funcionament que hi ha darrere, el seu disseny, tipus i aplicacions, entre d'altres.

Principi de funcionament del regulador de corrent

El funcionament d'un regulador de corrent és similar al del regulador de tensió, essent la diferència principal el paràmetre que regulen i la quantitat que varien per subministrar la seva sortida. Als reguladors de tensió, el corrent varia per assolir el nivell de voltatge requerit, mentre que els reguladors de corrent solen comportar variacions de tensió / resistència per aconseguir la sortida de corrent requerida. Com a tal, tot i que és possible, sol ser difícil regular la tensió i el corrent al mateix temps en un circuit.

Per entendre com funcionen els reguladors actuals cal fer una ullada ràpida a la llei d’ohms;

V = IR o I = V / R

Això significa mantenir un flux de corrent constant a una sortida, aquestes dues propietats (tensió i resistència) s’han de mantenir constants en un circuit o ajustar-les de manera que, quan hi hagi un canvi, el valor de l’altre s’ajusti en conseqüència per conservar la el mateix corrent de sortida. Com a tal, la regulació de corrent implica fer un ajust a la tensió o resistència d’un circuit o assegurar que els valors de resistència i tensió no es modifiquin, independentment dels requisits / impactes de la càrrega connectada.

El regulador actual funciona

Per descriure correctament el funcionament d’un regulador de corrent, considerem el diagrama de circuits següent.

La resistència variable del circuit anterior s’utilitza per representar les accions d’un regulador de corrent. Suposarem que la resistència variable està automatitzada i pot ajustar automàticament la seva pròpia resistència. Quan el circuit s’alimenta, la resistència variable ajusta la seva resistència per compensar els canvis de corrent a causa de la variació de la resistència de càrrega o del subministrament de tensió. A partir de la classe bàsica d’electricitat, recordeu que quan s’incrementa la càrrega, que és essencialment resistència (+ capacitat / inductància), es produeix una caiguda efectiva de corrent i viceversa. Així, quan la càrrega del circuit augmenta (augment de la resistència), en lloc d'una caiguda de corrent, la resistència variable redueix la seva pròpia resistència per compensar l'augment de la resistència i garantir els mateixos fluxos de corrent. De la mateixa manera, quan es redueix la resistència a la càrrega,la resistència variable augmenta la seva pròpia resistència per compensar la reducció, mantenint així el valor del corrent de sortida.

Un altre enfocament de la regulació actual és connectar una resistència prou alta en paral·lel a la càrrega de manera que, d’acord amb les lleis de l’electricitat bàsica, el corrent flueixi pel camí amb menys resistència que en aquest cas passarà per la càrrega una quantitat "insignificant" de corrent que circula per la resistència d'alt valor.

Aquestes variacions també afecten la tensió, ja que alguns reguladors de corrent mantenen el corrent a la sortida variant la tensió. Per tant, és gairebé impossible regular la tensió a la mateixa sortida on s'està regulant el corrent.

Disseny de reguladors actuals

Els reguladors de corrent generalment s’implementen mitjançant reguladors de voltatge basats en IC com el MAX1818 i el LM317 o mitjançant l’ús de components passius i actius de gelea com transistors i díodes Zener.

Disseny de reguladors de corrent mitjançant reguladors de tensió

Per al disseny de reguladors de corrent que utilitzen regulador de voltatge basat en IC, la tècnica sol consistir en la configuració de reguladors de tensió per tenir una resistència de càrrega constant i s’utilitzen regularment reguladors de tensió lineals perquè la tensió entre la sortida dels reguladors lineals i la seva terra sol ser estretament. regulat, com a tal, es pot inserir una resistència fixa entre els terminals de manera que flueixi un corrent fix a la càrrega. Un bon exemple de disseny basat en això es va publicar en una de les publicacions EDN de Budge Ing el 2016.

El circuit emprat utilitza el regulador lineal LDO MAX1818 per crear una font regulada de corrent constant. El subministrament (que es mostra a la imatge superior) es va dissenyar de manera que alimenta RLOAD amb un corrent constant, que és igual a I = 1,5 V / ROUT On 1,5 V és el voltatge de sortida preestablert del MAX1818, però es pot canviar mitjançant un divisor resistiu extern.

Per garantir el rendiment òptim del disseny, el voltatge al terminal d'entrada del MAX1818 ha de ser de fins a 2,5 V i no superior a 5,5 v, ja que aquest és el rang de funcionament estipulat per la fitxa tècnica. Per complir aquesta condició, trieu un valor ROUT que permeti de 2,5 V a 5,5 V entre IN i GND. Per exemple, quan hi ha una càrrega de 100Ω amb un VCC de 5V, el dispositiu funciona correctament amb ROUT per sobre de 60Ω, ja que el valor permet un corrent programable màxim d'1,5V / 60Ω = 25mA. La tensió del dispositiu és igual al mínim permès: 5V - (25mA × 100Ω) = 2,5V.

Altres reguladors lineals com el LM317 també es poden utilitzar en un procés de disseny similar, però un dels principals avantatges que tenen els circuits integrats com el MAX1818 és que incorporen un tancament tèrmic que podria ser molt important en la regulació actual, ja que la temperatura del La IC tendeix a escalfar-se quan es connecten càrregues amb requisits de corrent elevats.

Per al regulador de corrent basat en LM317, tingueu en compte el circuit següent;

Els LM317 estan dissenyats de manera que el regulador continua ajustant la seva tensió fins que la tensió entre el pin de sortida i el pin d'ajust és de 1,25 v i, per tant, un divisor s'utilitza normalment quan s'implementa en una situació de regulador de tensió. Però, per al nostre cas d’ús com a regulador de corrent, en realitat ens facilita les coses perquè, atès que el voltatge és constant, tot el que hem de fer perquè la constant de corrent sigui simplement inserir una resistència en sèrie entre el pin Vout i ADJ tal com es mostra al circuit anterior. Com a tal, podem establir el corrent de sortida a un valor fix que ve donat per;

I = 1,25 / R

Amb el valor de R el factor determinant del valor del corrent de sortida.

Per crear un regulador de corrent variable, només necessitem afegir una resistència variable al circuit al costat d’una altra resistència per crear un divisor al pin ajustable tal com es mostra a la imatge següent.

El funcionament del circuit és el mateix que l'anterior, amb la diferència que el corrent es pot ajustar en circuit girant el comandament del potenciòmetre per variar la resistència. La tensió a través de R està cedint;

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

Això significa que el corrent a través de R ve donat per;

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

Això dóna al circuit un rang de corrent d’I = 1,25 / R i (1,25 / R) x (1 + R1 / R2)

Depèn del corrent establert; assegureu-vos que la resistència R pot resistir la quantitat de corrent que hi fluirà.

Avantatges i desavantatges d’utilitzar LDO com a regulador de corrent

A continuació es mostren alguns avantatges per seleccionar l'enfocament del regulador de tensió lineal.

1. Els circuits integrats del regulador incorporen protecció contra la temperatura que pot ser útil quan es connecten càrregues amb requisits de corrent excessius.
2. Els circuits reguladors tenen una major tolerància a grans tensions d’entrada i, en gran mesura, suporten una elevada dissipació de potència.
3. L'enfocament de les CI de regulador implica l'ús d'una menor quantitat de components amb l'addició de només unes poques resistències en la majoria dels casos, excepte en els casos en què es requereixen corrents més elevats i es connecten transistors de potència. Això significa que podeu utilitzar el mateix CI per a la regulació de la tensió i la intensitat.
4. La reducció del nombre de components podria significar una reducció del cost d’implementació i del temps de disseny.

Desavantatges:

Per altra banda, les configuracions descrites sota l'enfocament del circuit regulador IC permeten el flux de corrent en repòs des del regulador a la càrrega, a més de la tensió de sortida regulada. Això introdueix un error que pot no ser permès en determinades aplicacions. Tot i això, es podria reduir escollint un regulador amb un corrent de repòs molt baix.

Un altre desavantatge de l'enfocament del regulador IC és la manca de flexibilitat en el disseny.

A part de l'ús de circuits integrats de regulador de tensió, els reguladors de corrent també es poden dissenyar utilitzant peces de gelatina, inclosos transistors, opamps i díodes Zener amb les resistències necessàries. Un díode Zener s'utilitza al circuit probablement com a no brainer, com si recordés que el díode Zener s'utilitza per a la regulació de la tensió. El disseny del regulador de corrent que utilitza aquestes peces és el més flexible, ja que solen ser fàcils d’integrar als circuits existents.

Regulador actual que utilitza transistors

Considerarem dos dissenys en aquesta secció. El primer inclourà l'ús de transistors només mentre que el segon comptarà amb una barreja d'un amplificador operacional i un transistor de potència.

Pel que fa a transistors, tingueu en compte el circuit següent.

El regulador de corrent descrit al circuit anterior és un dels dissenys de reguladors de corrent més senzills. És un regulador de corrent de banda baixa; Vaig connectar després de la càrrega abans de terra. Està format per tres components clau; un transistor de control (el 2N5551), un transistor de potència (El TIP41) i una resistència de derivació (R).La derivació, que és essencialment una resistència de baix valor, s’utilitza per mesurar el corrent que circula per la càrrega. Quan s’encén el circuit, s’observa una caiguda de tensió a través de la derivació. Com més gran sigui el valor de la resistència de càrrega RL, major serà la caiguda de tensió a través de la derivació. La caiguda de tensió a través de la derivació actua com a activador del transistor de control de manera que, com més alta sigui la caiguda de tensió a través de la derivació, més transistor condueix i regula la tensió de polarització aplicada a la base del transistor de potència per augmentar o reduir la conducció amb la la resistència R1 que actua com a resistència de polarització.

Igual que amb els altres circuits, es pot afegir una resistència variable en paral·lel a la resistència de derivació per variar el nivell de corrent variant la quantitat de voltatge aplicat a la base del transistor de control.

Regulador actual que utilitza Op-Amp

Per al segon camí de disseny, tingueu en compte el circuit següent;

Aquest circuit es basa en un amplificador d’operació i , igual que a l’exemple del transistor, també fa servir una resistència de derivació per a la detecció de corrent. La caiguda de tensió a través de la derivació s’introdueix a l’amplificador operacional que després el compara amb un voltatge de referència establert pel díode Zener ZD1. L’amplificador operatiu compensa les discrepàncies (altes o baixes) en les dues tensions d’entrada ajustant la seva tensió de sortida. La tensió de sortida de l'amplificador operacional està connectada a un FET d'alta potència i la conducció es produeix en funció de la tensió aplicada.

La principal diferència entre aquest disseny i el primer és la tensió de referència implementada pel díode Zener. Aquests dos dissenys són lineals i es generarà una gran quantitat de calor a càrregues elevades com a tals, els dissipadors de calor haurien d'estar acoblats a ells per dissipar la calor.

Avantatge i desavantatge

L’avantatge principal d’aquest enfocament de disseny és la flexibilitat que proporciona al dissenyador. Les peces es poden seleccionar i configurar el disseny al gust sense cap de les limitacions associades als circuits interns que caracteritzen l'enfocament basat en IC del regulador.

D'altra banda, aquest enfocament tendeix a ser més tediós, que consumeix temps, requereix més peces, voluminosos, susceptibles a fallar i més car en comparació amb l'enfocament IC basat en el regulador.

Aplicació de reguladors actuals

Els reguladors de corrent constant troben aplicacions en tot tipus de dispositius, des de circuits d’alimentació fins a circuits de càrrega de bateries, controladors de LED i altres aplicacions en què cal regular un corrent fix independentment de la càrrega aplicada.

Això és tot per a aquest article! Espero que hagueu après una cosa o dues.

Fins la propera!