הרגולטורים הנוכחיים: סוגי בנייה, עבודה ותכנון

בדיוק כמו מצבים בהם עלינו לווסת את המתח בתכנונים שלנו, ישנם תרחישים בהם עלינו לווסת את הזרם שמסופק לחלק מסוים במעגל שלנו. בניגוד לשינוי (שינוי מרמת מתח אחת לאחרת) שהיא בדרך כלל אחת הסיבות העיקריות לוויסות המתח, ויסות הזרם בדרך כלל נועד לשמור על הזרם המסופק קבוע, ללא קשר לשינויים בעמידות העומס או מתח הכניסה. המעגלים (משולבים או לא) המשמשים להשגת אספקת זרם קבוע מכונים רגולטורי זרם (קבוע) והם נפוצים מאוד בתחום אלקטרוניקת החשמל.

בעוד שהרגולטורים הנוכחיים הוצגו בכמה יישומים לאורך השנים, הם ללא ספק לא אחד הנושאים הפופולריים ביותר בשיחות עיצוב אלקטרוניקה עד לאחרונה. הרגולטורים הנוכחיים השיגו כעת מעין מעמד בכל מקום בשל היישומים החשובים שלהם בתאורת LED בין יישומים אחרים.

למאמר של היום, נבחן את הרגולטורים הנוכחיים הללו ונבחן את עקרונות התפעול העומדים מאחוריהם, תכנונם, סוגיהם ויישומיהם בין היתר.

עקרון המבצע של הרגולטור הנוכחי

פעולתו של וסת זרם דומה לזו של וסת המתח, כאשר ההבדל העיקרי הוא הפרמטר שהם מווסתים והכמות שהם משתנים כדי לספק את תפוקתם. בווסתי מתח, הזרם משתנה בכדי להשיג את רמת המתח הנדרשת, בעוד שבווסתים הנוכחיים יש בדרך כלל שינויים במתח / התנגדות להשגת תפוקת הזרם הנדרשת. ככזה, למרות שזה אפשרי, בדרך כלל קשה לווסת מתח וזרם בו זמנית במעגל.

כדי להבין כיצד פועלים הרגולטורים הנוכחיים נדרשת התבוננות מהירה בחוק אוהם;

V = IR או I = V / R

משמעות הדבר היא לשמור על זרימת זרם קבועה ביציאה, על שני המאפיינים הללו (מתח והתנגדות) להישאר קבועים במעגל או להתאים אותם כך שכאשר יש שינוי באחד, הערך של השני יותאם בהתאם כדי לשמור על אותו זרם פלט. ככזה, ויסות הנוכחי כולל ביצוע התאמה למתח או להתנגדות במעגל או להבטיח ערכי ההתנגדות והמתח ללא שינוי ללא קשר לדרישות / השפעות העומס המחובר.

הרגולטור הנוכחי עובד

כדי לתאר כראוי כיצד פועל הרגולטור הנוכחי, נבחן את תרשים המעגל להלן.

הנגד המשתנה במעגל שלמעלה משמש לייצוג פעולות הרגולטור הנוכחי. נניח שהנגד המשתנה הוא אוטומטי ויכול להתאים אוטומטית את ההתנגדות שלו. כאשר המעגל מופעל, הנגד המשתנה מתאים את התנגדותו כדי לפצות על שינויים בזרם עקב שונות בהתנגדות העומס או אספקת המתח. משיעור חשמל בסיסי, עליכם לזכור שכאשר העומס, שהוא למעשה התנגדות (+ קיבול / אינדוקציה) מוגבר, חווים ירידה יעילה בזרם ולהיפך. לכן כאשר העומס במעגל גדל (עלייה בהתנגדות), במקום ירידה בזרם, הנגד המשתנה מפחית את ההתנגדות שלו כדי לפצות על ההתנגדות המוגברת ולהבטיח את זרימת הזרם זהה. באותו אופן, כאשר התנגדות העומס פוחתת,ההתנגדות המשתנה מגבירה את ההתנגדות שלה כדי לפצות על ההפחתה, ובכך שומרת על ערך זרם הפלט.

גישה נוספת בוויסות הנוכחי היא חיבור נגד גבוה מספיק במקביל לעומס כך שבקוים לחוקי החשמל הבסיסי, הזרם יזרום דרך הנתיב עם הכי פחות התנגדות שבמקרה זה יהיה דרך העומס, עם רק כמות "זניחה" של זרם הזורם דרך הנגד בעל הערך הגבוה.

וריאציות אלה משפיעות גם על המתח מכיוון שחלק מהווסתים הנוכחיים שומרים על זרם בפלט על ידי שינוי המתח. לפיכך, כמעט בלתי אפשרי לווסת את המתח באותה פלט בו מווסתים את הזרם.

תכנון הרגולטורים הנוכחי

הרגולטורים הנוכחיים מיושמים בדרך כלל באמצעות ויסות מתח מבוסס IC כמו MAX1818 ו- LM317 או על ידי שימוש ברכיבים פסיביים ופעילים של ג'לי, כמו טרנזיסטורים ודיודות זנר.

תכנון הרגולטורים הנוכחיים באמצעות רגולטורי מתח

לתכנון הרגולטורים הנוכחיים המשתמשים בווסת מתח מבוסס IC, הטכניקה כוללת בדרך כלל הגדרת וסת מתח שיהיה להם עמידות עומס קבועה ובדרך כלל משתמשים בווסתי מתח ליניאריים מכיוון שהמתח בין תפוקת הווסתים ליניאריים לאדמתם הוא בדרך כלל בחוזקה. מווסת, ככזה, ניתן להכניס נגד קבוע בין המסופים כך שזרם קבוע יזרום לעומס. דוגמה טובה לעיצוב המבוסס על כך פורסמה באחד מפרסומי ה- EDN מאת Budge Ing בשנת 2016.

המעגל המשמש משתמש בווסת הליניארית LDO MAX1818 ליצירת אספקת ויסות זרם קבוע בצד גבוה. האספקה ​​(שמוצגת בתמונה למעלה) תוכננה כך שתאכיל את ה- RLOAD בזרם קבוע, השווה ל- I = 1.5V / ROUT. כאשר 1.5V הוא מתח היציאה שנקבע מראש של ה- MAX1818 אך ניתן לשנותו באמצעות מחלק התנגדות חיצוני.

כדי להבטיח ביצועים אופטימליים של התכנון, המתח במסוף הקלט של ה- MAX1818 חייב להיות עד 2.5 וולט ולא מעל 5.5 וולט שכן זהו טווח ההפעלה שנקבע בגיליון הנתונים. כדי לעמוד בתנאי זה, בחר ערך ROUT המאפשר 2.5V עד 5.5V בין IN ו- GND. לדוגמא כאשר עומס של למשל 100Ω עם VCC 5V, המכשיר פועל כראוי עם ROUT מעל 60Ω שכן הערך מאפשר זרם מקסימלי לתכנות של 1.5V / 60Ω = 25mA. המתח על פני המכשיר שווה למינימום המותר: 5V - (25mA × 100Ω) = 2.5V.

ויסות ליניארי אחר כמו LM317 יכול לשמש גם בתהליך תכנון דומה, אך אחד היתרונות העיקריים שיש לממשקים כמו ה- MAX1818 על פני אחרים הוא העובדה שהם משלבים כיבוי תרמי שיכול להיות חשוב מאוד בוויסות הנוכחי כטמפרטורה של IC נוטה להתחמם כאשר מתחברים עומסים עם דרישות זרם גבוהות.

עבור הרגולטור הנוכחי מבוסס LM317, שקול את המעגל להלן;

LM317s מתוכננים בצורה כזו שהווסת ממשיך לכוונן את המתח שלו עד שהמתח בין סיכת הפלט שלו לסיכת הכוונון שלו הוא 1.25 וולט וככזה בדרך כלל משתמשים במפריד כזה כאשר הם מיישמים במצב של ויסות מתח. אך במקרה השימוש שלנו כווסת זרם, זה ממש עושה לנו דברים סופר קלים מכיוון שמכיוון שהמתח הוא קבוע, כל שעלינו לעשות כדי להפוך את הזרם לקבוע הוא פשוט להכניס נגד סדרה בין הוווט לסיכה ADJ. כפי שמוצג במעגל לעיל. ככאלה, אנו מסוגלים להגדיר את זרם המוצא לערך קבוע אשר ניתן על ידי;

אני = 1.25 / R

כאשר הערך של R הוא הגורם הקובע של ערך זרם הפלט.

כדי ליצור מווסת זרם משתנה, עלינו רק להוסיף נגד משתנה למעגל לצד נגר אחר כדי ליצור מחלק לסיכה המתכווננת כפי שמוצג בתמונה למטה.

פעולת המעגל זהה לזו הקודמת, כאשר ההבדל הוא שניתן לכוונן את הזרם במעגל על ​​ידי סיבוב כפתור הפוטנציומטר כדי לשנות את ההתנגדות. המתח על פני R נותן לפי;

V = (1 + R1 / R2) x 1.25

פירוש הדבר שהזרם על פני R ניתן על ידי;

I _R = (1.25 / R) x (1+ R1 / R2).

זה נותן למעגל טווח זרם של I = 1.25 / R ו- (1.25 / R) x (1 + R1 / R2)

תלוי בזרם שנקבע; ודא שדירוג הוואט של הנגד R יכול לעמוד בכמות הזרם שתזרום דרכו.

יתרונות וחסרונות בשימוש ב- LDO כמווסת זרם

להלן כמה יתרונות לבחירת הגישה של ויסות המתח הליניארי.

1. מכשירי IC לווסת משלבים הגנה מפני טמפרטורה שיכולה להיות שימושית כאשר מחוברים עומסים עם דרישות זרם מוגזמות.
2. ל- IC של הרגולטור יש סובלנות רבה יותר למתח כניסה גדול ובמידה רבה תומך בפיזור הספק גבוה.
3. גישת ה- IC של הרגולטור כוללת שימוש בכמות קטנה יותר של רכיבים בתוספת נגדים בודדים ברוב המקרים למעט מקרים בהם נדרשים זרמים גבוהים יותר ומחוברים טרנזיסטורי כוח. המשמעות היא שתוכל להשתמש באותו IC לצורך ויסות מתח וזרם.
4. הפחתה במספר הרכיבים עשויה להיות הפחתה בעלות ההטמעה ובזמן התכנון.

חסרונות:

מצד שני, התצורות המתוארות תחת גישת ה- ICs של הווסת מאפשרות זרימת זרם שקט מהווסת לעומס בנוסף למתח היציאה המווסת. זה מציג שגיאה שאולי אינה מותרת ביישומים מסוימים. עם זאת, ניתן לצמצם זאת באמצעות בחירה בווסת עם זרם שקט נמוך מאוד.

חסרון נוסף בגישת ה- IC של הרגולטור הוא חוסר הגמישות בתכנון.

מלבד השימוש ב- ICs של רגולטור מתח, הרגולטורים הנוכחיים יכולים לתכנן גם באמצעות חלקי ג'לי כולל טרנזיסטורים, אופמפס ודיודת זנר עם נגדים הכרחיים. דיודת זנר משמשת במעגל, ככל הנראה, כאינה טובה יותר כאילו אתה זוכר שדיודת זנר משמשת לוויסות מתח. תכנון הרגולטור הנוכחי המשתמש בחלקים אלה הוא הגמיש ביותר מכיוון שלרוב קל לשלב אותם במעגלים קיימים.

הרגולטור הנוכחי המשתמש בטרנזיסטורים

אנו נשקול שני עיצובים תחת סעיף זה. הראשון יכלול שימוש בטרנזיסטורים בלבד ואילו השני יכלול שילוב של מגבר תפעולי וטרנזיסטור כוח.

עבור זה עם טרנזיסטורים, שקול את המעגל להלן.

הרגולטור הנוכחי המתואר במעגל לעיל הוא אחד מתכנוני הרגולטור הנוכחי הפשוטים ביותר. זהו רגולטור זרם בצד נמוך; התחברתי אחרי העומס לפני האדמה. הוא מורכב משלושה מרכיבי מפתח; טרנזיסטור בקרה (2N5551), טרנזיסטור כוח (TIP41) ונגד מחלף (R).המחלף, שהוא למעשה נגד בעל ערך נמוך, משמש למדידת הזרם הזורם דרך העומס. כאשר המעגל מופעל, נצפתה ירידת מתח על פני המחלף. ככל שערך התנגדות העומס RL גבוה יותר כך ירידת המתח על פני המחלף גבוהה יותר. ירידת המתח על פני השאנט משמשת כטריגר לטרנזיסטור הבקרה כך שככל שנפילת המתח על פני השאנט גבוהה יותר, כך הטרנזיסטור מוליך ומווסת את מתח ההטיה המופעל על בסיס טרנזיסטור ההספק כדי להגדיל או להפחית את ההולכה עם הנגד R1 מתנהג כנגד ההטיה.

בדיוק כמו במעגלים האחרים, ניתן להוסיף נגד משתנה במקביל לנגד השאנט כדי לשנות את רמת הזרם על ידי שינוי כמות המתח המופעלת בבסיס טרנזיסטור הבקרה.

הרגולטור הנוכחי המשתמש ב- Op-Amp

עבור נתיב התכנון השני, שקול את המעגל להלן;

מעגל זה מבוסס על מגבר פעולה, ובדיוק כמו בדוגמה עם הטרנזיסטור, הוא גם עושה שימוש בנגד שאנט לצורך חישת זרם. ירידת המתח על פני השאנט מוזנת למגבר התפעולי אשר משווה אותו למתח התייחסות שנקבע על ידי דיודת הזנר ZD1. המגבר-על מפצה על כל פערים (גבוהים או נמוכים) בשני מתח הכניסה על ידי התאמת מתח המוצא שלו. מתח המוצא של המגבר התפעולי מחובר ל- FET בעל הספק גבוה וההולכה מתרחשת על בסיס המתח המיושם.

ההבדל העיקרי בין תכנון זה לראשון הוא מתח הייחוס המיושם על ידי דיודת זנר. שני העיצובים הללו הם ליניאריים וכמות חום גבוהה תיווצר בעומסים גבוהים ככאלה, יש לחבר אליהם כיורי קירור כדי להפיץ את החום.

יתרונות וחסרונות

היתרון העיקרי בגישה עיצובית זו הוא הגמישות שהיא מעניקה למעצב. ניתן לבחור את החלקים ולהגדיר את התכנון לפי הטעם ללא מגבלות הקשורות למעגלים פנימיים המאפיינים את הגישה מבוססת הרגולטור IC.

מצד שני, גישה זו נוטה להיות מייגעת יותר, גוזלת זמן, דורשת יותר חלקים, מגושמים, רגישים לכשלים ויקרים יותר בהשוואה לגישת IC המבוססת על הרגולטור.

יישום הרגולטורים הנוכחיים

רגולטורים של זרם קבוע מוצאים יישומים בכל מיני מכשירים החל ממעגלי אספקת חשמל, ועד מעגלי טעינת סוללות, למנהלי LED ויישומים אחרים בהם יש צורך לווסת זרם קבוע ללא קשר לעומס המופעל.

זהו זה עבור מאמר זה! מקווה שלמדת דבר אחד או שניים.

עד הפעם הבאה!