Regolatori attuali: tipologie costruttive, lavorative e progettuali

Proprio come le situazioni in cui abbiamo bisogno di regolare la tensione nei nostri progetti, ci sono scenari in cui dobbiamo regolare la corrente che viene fornita a una parte particolare del nostro circuito. A differenza della trasformazione (passaggio da un livello di tensione a un altro) che di solito è uno dei motivi principali per la regolazione della tensione, la regolazione della corrente consiste solitamente nel mantenere costante la corrente fornita, indipendentemente dalle variazioni della resistenza di carico o della tensione di ingresso. I circuiti (integrati o meno) che vengono utilizzati per ottenere un'alimentazione di corrente costante sono chiamati regolatori di corrente (costante) e sono molto comunemente usati nell'elettronica di potenza.

Sebbene gli attuali regolatori siano stati presenti in diverse applicazioni nel corso degli anni, probabilmente non sono uno degli argomenti più popolari nelle conversazioni sulla progettazione elettronica fino a tempi recenti. Gli attuali regolatori hanno ora raggiunto una sorta di status onnipresente grazie alle loro importanti applicazioni nell'illuminazione a LED, tra le altre applicazioni.

Nell'articolo di oggi, esamineremo questi regolatori attuali ed esamineremo i principi operativi alla base, il loro design, i tipi e le applicazioni, tra gli altri.

Principio di funzionamento del regolatore di corrente

Il funzionamento di un regolatore di corrente è simile a quello del regolatore di tensione con la differenza principale che è il parametro che regolano e la quantità che variano per fornire la loro uscita. Nei regolatori di tensione, la corrente viene variata per raggiungere il livello di tensione richiesto, mentre i regolatori di corrente di solito comportano variazioni di tensione / resistenza per ottenere l'uscita di corrente richiesta. In quanto tale, sebbene sia possibile, di solito è difficile regolare contemporaneamente tensione e corrente in un circuito.

Per capire come funzionano i regolatori attuali è necessario dare una rapida occhiata alla legge degli ohm;

V = IR o I = V / R

Ciò significa che per mantenere un flusso di corrente costante su un'uscita, queste due proprietà (tensione e resistenza) devono essere mantenute costanti in un circuito o regolate in modo tale che quando c'è un cambiamento in uno, il valore dell'altro viene regolato di conseguenza per mantenere il stessa corrente di uscita. In quanto tale, la regolazione della corrente comporta la regolazione della tensione o della resistenza in un circuito o la garanzia che i valori di resistenza e tensione siano invariati indipendentemente dai requisiti / impatti del carico collegato.

Regolatore di corrente funzionante

Per descrivere correttamente come funziona un regolatore di corrente, consideriamo lo schema del circuito seguente.

Il resistore variabile nel circuito sopra viene utilizzato per rappresentare le azioni di un regolatore di corrente. Assumeremo che il resistore variabile sia automatizzato e possa regolare automaticamente la propria resistenza. Quando il circuito è alimentato, il resistore variabile regola la sua resistenza per compensare le variazioni di corrente dovute alla variazione della resistenza di carico o della tensione di alimentazione. Dalla classe di elettricità di base, è necessario ricordare che quando il carico, che è essenzialmente resistenza (+ capacità / induttanza), viene aumentato, si verifica un calo effettivo di corrente e viceversa. Pertanto, quando il carico nel circuito viene aumentato (aumento della resistenza), piuttosto che una caduta di corrente, il resistore variabile riduce la propria resistenza per compensare l'aumento della resistenza e garantire gli stessi flussi di corrente. Allo stesso modo, quando la resistenza al carico si riduce,la resistenza variabile aumenta la propria resistenza per compensare la riduzione, mantenendo così il valore della corrente di uscita.

Un altro approccio nella regolazione della corrente è quello di collegare un resistore sufficientemente alto in parallelo al carico in modo tale che, in linea con le leggi dell'elettricità di base, la corrente scorrerà attraverso il percorso con minore resistenza che in questo caso sarà attraverso il carico, una quantità "trascurabile" di corrente che scorre attraverso il resistore di alto valore.

Queste variazioni influenzano anche la tensione poiché alcuni regolatori di corrente mantengono la corrente in uscita variando la tensione. Pertanto, è quasi impossibile regolare la tensione alla stessa uscita in cui viene regolata la corrente.

Progettazione di regolatori attuali

I regolatori di corrente vengono solitamente implementati utilizzando regolatori di tensione basati su IC come MAX1818 e LM317 o utilizzando componenti attivi e passivi jellybean come transistor e diodi Zener.

Progettazione di regolatori di corrente utilizzando regolatori di tensione

Per la progettazione di regolatori di corrente che utilizzano regolatori di tensione basati su IC, la tecnica di solito comporta l'impostazione di regolatori di tensione per avere una resistenza di carico costante e vengono solitamente utilizzati regolatori di tensione lineari perché, la tensione tra l'uscita dei regolatori lineari e la loro massa è solitamente stretta regolata, come tale, è possibile inserire tra i terminali una resistenza fissa in modo tale che una corrente fissa fluisca al carico. Un buon esempio di un progetto basato su questo è stato pubblicato in una delle pubblicazioni EDN di Budge Ing nel 2016.

Il circuito impiegato utilizza il regolatore lineare LDO MAX1818 per creare un'alimentazione regolata a corrente costante high-side. L'alimentazione (mostrata nell'immagine sopra) è stata progettata in modo tale da alimentare RLOAD con una corrente costante, pari a I = 1.5V / ROUT. Dove 1,5 V è la tensione di uscita preimpostata del MAX1818 ma può essere modificata utilizzando un divisore resistivo esterno.

Per garantire le prestazioni ottimali del progetto, la tensione al terminale di ingresso del MAX1818 deve essere fino a 2,5 V e non superiore a 5,5 V in quanto questo è il range di funzionamento stabilito dalla scheda tecnica. Per soddisfare tale condizione, scegliere un valore ROUT che consenta da 2,5 V a 5,5 V tra IN e GND. Ad esempio, quando un carico di diciamo 100Ω con un VCC 5V, il dispositivo funziona correttamente con ROUT superiore a 60Ω poiché il valore consente una corrente massima programmabile di 1.5V / 60Ω = 25mA. La tensione sul dispositivo è quindi pari al minimo consentito: 5 V - (25 mA × 100 Ω) = 2,5 V.

Altri regolatori lineari come l'LM317 possono essere utilizzati anche in un processo di progettazione simile, ma uno dei principali vantaggi che i circuiti integrati come il MAX1818 hanno sugli altri è il fatto che incorporano lo spegnimento termico che potrebbe essere molto importante nella regolazione della corrente come la temperatura del Il circuito integrato tende a surriscaldarsi quando vengono collegati carichi con requisiti di corrente elevati.

Per il regolatore di corrente basato su LM317, considerare il circuito seguente;

Gli LM317 sono progettati in modo tale che il regolatore continui a regolare la sua tensione fino a quando la tensione tra il suo pin di uscita e il suo pin di regolazione è a 1,25v e come tale un divisore viene solitamente utilizzato quando si implementa in una situazione di regolatore di tensione. Ma per il nostro caso d'uso come regolatore di corrente, in realtà ci rende le cose super facili perché, poiché la tensione è costante, tutto ciò che dobbiamo fare per rendere costante la corrente è semplicemente inserire un resistore in serie tra il pin Vout e ADJ come mostrato nel circuito sopra. Come tale, siamo in grado di impostare la corrente di uscita ad un valore fisso che è dato da;

I = 1,25 / R

Con il valore di R che è il fattore determinante del valore della corrente di uscita.

Per creare un regolatore di corrente variabile, dobbiamo solo aggiungere un resistore variabile al circuito insieme a un altro resistore per creare un divisore al pin regolabile come mostrato nell'immagine sotto.

Il funzionamento del circuito è lo stesso del precedente con la differenza che la corrente può essere regolata nel circuito ruotando la manopola del potenziometro per variare la resistenza. La tensione su R sta cedendo;

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

Ciò significa che la corrente attraverso R è data da;

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

Ciò fornisce al circuito un intervallo di corrente di I = 1.25 / R e (1.25 / R) x (1 + R1 / R2)

Dipende dalla corrente impostata; assicurarsi che la potenza nominale del resistore R possa sopportare la quantità di corrente che fluirà attraverso di essa.

Vantaggi e svantaggi dell'utilizzo di LDO come regolatore di corrente

Di seguito sono riportati alcuni vantaggi per la selezione dell'approccio del regolatore di tensione lineare.

1. I circuiti integrati del regolatore incorporano una protezione da sovratemperatura che potrebbe tornare utile quando sono collegati carichi con requisiti di corrente eccessivi.
2. I circuiti integrati del regolatore hanno una tolleranza maggiore per tensioni di ingresso elevate e supportano in larga misura un'elevata dissipazione di potenza.
3. L'approccio dei circuiti integrati del regolatore prevede l'uso di una quantità minore di componenti con l'aggiunta di solo pochi resistori nella maggior parte dei casi, tranne nei casi in cui sono richieste correnti più elevate e sono collegati transistor di potenza. Ciò significa che è possibile utilizzare lo stesso IC per la regolazione della tensione e della corrente.
4. La riduzione del numero di componenti potrebbe significare una riduzione dei costi di implementazione e dei tempi di progettazione.

Svantaggi:

Il rovescio della medaglia, le configurazioni descritte nell'approccio dei circuiti integrati del regolatore consentono il flusso di corrente di riposo dal regolatore al carico in aggiunta alla tensione di uscita regolata. Ciò introduce un errore che potrebbe non essere consentito in alcune applicazioni. Ciò potrebbe, tuttavia, essere ridotto scegliendo un regolatore con una corrente di riposo molto bassa.

Un altro aspetto negativo dell'approccio IC del regolatore è la mancanza di flessibilità nella progettazione.

Oltre all'uso di circuiti integrati per regolatori di tensione, i regolatori di corrente possono anche essere progettati utilizzando parti jellybean inclusi transistor, amplificatori operazionali e diodi Zener con resistori necessari. Un diodo Zener viene utilizzato nel circuito probabilmente come un gioco da ragazzi, come se ti ricordassi che il diodo Zener viene utilizzato per la regolazione della tensione. Il design del regolatore di corrente che utilizza queste parti è il più flessibile in quanto di solito sono facili da integrare nei circuiti esistenti.

Regolatore di corrente che utilizza transistor

Considereremo due progetti in questa sezione. Il primo sarà caratterizzato dall'uso di soli transistor mentre il secondo sarà caratterizzato da un mix di un amplificatore operazionale e un transistor di potenza.

Per quello con transistor, considera il circuito seguente.

Il regolatore di corrente descritto nel circuito sopra è uno dei progetti di regolatore di corrente più semplici. È un regolatore di corrente low-side; Ho collegato dopo il carico prima della terra. Si compone di tre componenti chiave; un transistor di controllo (il 2N5551), un transistor di potenza (il TIP41) e un resistore di shunt (R).Lo shunt, che è essenzialmente un resistore di basso valore, viene utilizzato per misurare la corrente che scorre attraverso il carico. Quando il circuito è acceso, si nota una caduta di tensione attraverso lo shunt. Maggiore è il valore della resistenza di carico RL, maggiore è la caduta di tensione attraverso lo shunt. La caduta di tensione attraverso lo shunt agisce come un trigger per il transistor di controllo in modo tale che maggiore è la caduta di tensione attraverso lo shunt, più il transistor conduce e regola la tensione di polarizzazione applicata alla base del transistor di potenza per aumentare o ridurre la conduzione con il resistenza R1 che funge da resistenza di polarizzazione.

Proprio come con gli altri circuiti, un resistore variabile può essere aggiunto in parallelo al resistore di shunt per variare il livello di corrente variando la quantità di tensione applicata alla base del transistor di controllo.

Regolatore di corrente utilizzando Op-Amp

Per il secondo percorso di progettazione, si consideri il circuito seguente;

Questo circuito si basa su un amplificatore di funzionamento e , proprio come nell'esempio con il transistor, utilizza anche un resistore shunt per il rilevamento della corrente. La caduta di tensione attraverso lo shunt viene alimentata nell'amplificatore operazionale che poi la confronta con una tensione di riferimento impostata dal diodo Zener ZD1. L'amplificatore operazionale compensa eventuali discrepanze (alta o bassa) nelle due tensioni di ingresso regolando la sua tensione di uscita. La tensione di uscita dell'amplificatore operazionale è collegata a un FET ad alta potenza e la conduzione avviene in base alla tensione applicata.

La principale differenza tra questo design e il primo è la tensione di riferimento implementata dal diodo Zener. Entrambi questi modelli sono lineari e un'elevata quantità di calore verrà generata a carichi elevati in quanto tali, i dissipatori di calore dovrebbero essere accoppiati a loro per dissipare il calore.

Vantaggio e svantaggio

Il principale vantaggio di questo approccio progettuale è la flessibilità che fornisce al progettista. Le parti possono essere selezionate e il design configurato a piacere senza nessuna delle limitazioni associate ai circuiti interni che caratterizzano l'approccio basato su IC del regolatore.

D'altra parte, questo approccio tende ad essere più noioso, dispendioso in termini di tempo, richiede più parti, ingombranti, suscettibili di guasti e più costosi se confrontati con l'approccio IC basato su regolatore.

Applicazione dei regolatori attuali

I regolatori di corrente costante trovano applicazione in tutti i tipi di dispositivi, dai circuiti di alimentazione, ai circuiti di carica della batteria, ai driver LED e ad altre applicazioni in cui è necessario regolare una corrente fissa indipendentemente dal carico applicato.

Questo è tutto per questo articolo! Spero che tu abbia imparato una o due cose.

Fino alla prossima volta!