Aktuelle Regulierungsbehörden: Bau-, Arbeits- und Konstruktionsarten

Genau wie in Situationen, in denen wir die Spannung in unseren Entwürfen regulieren müssen, gibt es Szenarien, in denen wir den Strom regulieren müssen, der einem bestimmten Teil unserer Schaltung zugeführt wird. Im Gegensatz zur Transformation (Wechsel von einem Spannungspegel zu einem anderen), die normalerweise einer der Hauptgründe für die Spannungsregelung ist, geht es bei der Stromregelung normalerweise darum, den zugeführten Strom unabhängig von Schwankungen des Lastwiderstands oder der Eingangsspannung konstant zu halten. Die Schaltungen (integriert oder nicht), die verwendet werden, um zu erreichen Konstantstromversorgung werden (Constant) genannt Stromregler und sie sind in der Leistungselektronik sehr häufig verwendet.

Während Stromregler im Laufe der Jahre in mehreren Anwendungen vorgestellt wurden, sind sie bis vor kurzem wohl nicht eines der beliebtesten Themen in Gesprächen über Elektronikdesign. Gegenwärtige Regulierungsbehörden haben jetzt eine Art allgegenwärtigen Status erreicht, unter anderem aufgrund ihrer wichtigen Anwendungen in der LED-Beleuchtung.

Für den heutigen Artikel werden wir uns mit diesen aktuellen Regulierungsbehörden befassen und unter anderem die dahinter stehenden Funktionsprinzipien, deren Design, Typen und Anwendungen untersuchen.

Funktionsprinzip des Stromreglers

Der Betrieb eines Stromreglers ähnelt dem des Spannungsreglers, wobei der Hauptunterschied darin besteht, welche Parameter sie regeln und welche Menge sie variieren, um ihren Ausgang zu versorgen. Bei Spannungsreglern wird der Strom variiert, um den erforderlichen Spannungspegel zu erreichen, während Stromregler normalerweise Änderungen der Spannung / des Widerstands beinhalten, um den erforderlichen Stromausgang zu erreichen. Während es möglich ist, ist es normalerweise schwierig, Spannung und Strom gleichzeitig in einer Schaltung zu regeln.

Um zu verstehen, wie Stromregler funktionieren, muss ein kurzer Blick auf das Ohmsche Gesetz geworfen werden.

V = IR oder I = V / R.

Dies bedeutet, dass zur Aufrechterhaltung eines konstanten Stromflusses an einem Ausgang diese beiden Eigenschaften (Spannung und Widerstand) in einem Stromkreis konstant gehalten oder so eingestellt werden müssen, dass bei einer Änderung des einen der Wert des anderen entsprechend angepasst wird, um den Wert beizubehalten gleicher Ausgangsstrom. Daher umfasst die Stromregelung die Anpassung der Spannung oder des Widerstands in einem Stromkreis oder die Sicherstellung, dass die Widerstands- und Spannungswerte unabhängig von den Anforderungen / Auswirkungen der angeschlossenen Last unverändert bleiben.

Stromregler funktioniert

Um die Funktionsweise eines Stromreglers richtig zu beschreiben, betrachten wir den folgenden Schaltplan.

Der variable Widerstand in der obigen Schaltung wird verwendet, um die Aktionen eines Stromreglers darzustellen. Wir gehen davon aus, dass der variable Widerstand automatisiert ist und seinen eigenen Widerstand automatisch anpassen kann. Wenn die Schaltung mit Strom versorgt wird, passt der variable Widerstand seinen Widerstand an, um Änderungen des Stroms aufgrund von Änderungen des Lastwiderstands oder der Spannungsversorgung auszugleichen. Ab der Grundstromklasse sollten Sie sich daran erinnern, dass bei einer Erhöhung der Last, bei der es sich im Wesentlichen um einen Widerstand (+ Kapazität / Induktivität) handelt, ein effektiver Stromabfall auftritt und umgekehrt. Wenn also die Last in der Schaltung erhöht wird (Erhöhung des Widerstands) und nicht ein Stromabfall, verringert der variable Widerstand seinen eigenen Widerstand, um den erhöhten Widerstand zu kompensieren und sicherzustellen, dass der gleiche Strom fließt. In gleicher Weise, wenn sich der Lastwiderstand verringert,Der variable Widerstand erhöht seinen eigenen Widerstand, um die Reduzierung zu kompensieren und so den Ausgangsstromwert beizubehalten.

Ein anderer Ansatz bei der Stromregelung besteht darin, einen ausreichend hohen Widerstand parallel zur Last zu schalten, so dass gemäß den Gesetzen der Grundelektrizität Strom durch den Pfad mit dem geringsten Widerstand fließt, der in diesem Fall nur durch die Last verläuft eine "vernachlässigbare" Strommenge, die durch den hochwertigen Widerstand fließt.

Diese Schwankungen wirken sich auch auf die Spannung aus, da einige Stromregler den Strom am Ausgang durch Variieren der Spannung aufrechterhalten. Daher ist es fast unmöglich, die Spannung an demselben Ausgang zu regeln, an dem der Strom geregelt wird.

Aktuelles Regulierungsdesign

Stromregler werden normalerweise mit IC-basierten Spannungsreglern wie dem MAX1818 und dem LM317 oder mit passiven und aktiven Jellybean-Komponenten wie Transistoren und Zenerdioden implementiert.

Entwerfen von Stromreglern mithilfe von Spannungsreglern

Für die Auslegung von Stromreglern unter Verwendung eines Spannungsreglers auf IC-Basis umfasst die Technik normalerweise das Einrichten von Spannungsreglern mit konstantem Lastwiderstand, und es werden normalerweise lineare Spannungsregler verwendet, da die Spannung zwischen dem Ausgang der linearen Regler und ihrer Masse normalerweise dicht ist geregelt kann als solcher ein fester Widerstand zwischen die Klemmen eingefügt werden, so dass ein fester Strom zur Last fließt. Ein gutes Beispiel für ein darauf basierendes Design wurde 2016 in einer der EDN-Publikationen von Budge Ing veröffentlicht.

Die verwendete Schaltung verwendet den LDO-Linearregler MAX1818, um eine hochseitige Konstantstrom-geregelte Versorgung zu erzeugen. Die Versorgung (siehe Abbildung oben) wurde so ausgelegt, dass sie RLOAD mit einem konstanten Strom speist, der gleich I = 1,5 V / ROUT ist. Wobei 1,5 V die voreingestellte Ausgangsspannung des MAX1818 ist, die jedoch mit einem externen Widerstandsteiler geändert werden kann.

Um die optimale Leistung des Designs zu gewährleisten, muss die Spannung am Eingangsanschluss des MAX1818 bis zu 2,5 V und nicht über 5,5 V liegen, da dies der im Datenblatt festgelegte Betriebsbereich ist. Um diese Bedingung zu erfüllen, wählen Sie einen ROUT-Wert, der 2,5 V bis 5,5 V zwischen IN und GND zulässt. Wenn beispielsweise eine Last von beispielsweise 100 Ω mit 5 V VCC vorliegt, funktioniert das Gerät ordnungsgemäß mit einer ROUT über 60 Ω, da der Wert einen maximal programmierbaren Strom von 1,5 V / 60 Ω = 25 mA zulässt. Die Spannung am Gerät entspricht dann dem zulässigen Minimum: 5 V - (25 mA × 100 Ω) = 2,5 V.

Andere Linearregler wie der LM317 können ebenfalls in einem ähnlichen Entwurfsprozess verwendet werden. Einer der Hauptvorteile von ICs wie dem MAX1818 gegenüber anderen ist jedoch die Tatsache, dass sie eine thermische Abschaltung beinhalten, die bei der Stromregelung als Temperatur des sehr wichtig sein könnte Der IC neigt dazu, heiß zu werden, wenn Lasten mit hohen Stromanforderungen angeschlossen werden.

Beachten Sie für den auf LM317 basierenden Stromregler die folgende Schaltung.

LM317s sind so ausgelegt, dass der Regler seine Spannung so lange einstellt, bis die Spannung zwischen seinem Ausgangsstift und seinem Einstellstift 1,25 V beträgt. Daher wird bei der Implementierung in einer Spannungsreglersituation normalerweise ein Teiler verwendet. Für unseren Anwendungsfall als Stromregler ist dies für uns jedoch sehr einfach, da wir, da die Spannung konstant ist, nur einen Widerstand in Reihe zwischen dem Vout- und dem ADJ-Pin einfügen müssen, um den Strom konstant zu halten wie in der obigen Schaltung gezeigt. Als solches können wir den Ausgangsstrom auf einen festen Wert einstellen, der gegeben ist durch;

I = 1,25 / R.

Der Wert von R ist der Determinantenfaktor des Ausgangsstromwerts.

Um einen variablen Stromregler zu erstellen, müssen wir der Schaltung nur einen variablen Widerstand neben einem anderen Widerstand hinzufügen, um einen Teiler für den einstellbaren Stift zu erstellen, wie in der folgenden Abbildung gezeigt.

Der Betrieb der Schaltung ist der gleiche wie der vorherige, mit dem Unterschied, dass der Strom in der Schaltung durch Drehen des Knopfes des Potentiometers eingestellt werden kann, um den Widerstand zu variieren. Die Spannung an R gibt nach;

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

Dies bedeutet, dass der Strom über R gegeben ist durch;

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

Dies gibt der Schaltung einen Strombereich von I = 1,25 / R und (1,25 / R) x (1 + R1 / R2)

Abhängig vom eingestellten Strom; Stellen Sie sicher, dass die Wattleistung des Widerstands R der Strommenge standhält, die durch ihn fließt.

Vor- und Nachteile der Verwendung von LDO als Stromregler

Im Folgenden sind einige Vorteile für die Auswahl des linearen Spannungsregleransatzes aufgeführt.

1. Regler-ICs verfügen über einen Übertemperaturschutz, der nützlich sein kann, wenn Lasten mit übermäßigem Strombedarf angeschlossen werden.
2. Regler-ICs haben eine größere Toleranz für große Eingangsspannungen und unterstützen weitgehend eine hohe Verlustleistung.
3. Der Ansatz der Regler-ICs beinhaltet die Verwendung einer geringeren Anzahl von Komponenten mit der Hinzufügung von nur wenigen Widerständen in den meisten Fällen, außer in Fällen, in denen höhere Ströme erforderlich sind und Leistungstransistoren angeschlossen sind. Dies bedeutet, dass Sie denselben IC für die Spannungs- und Stromregelung verwenden können.
4. Die Reduzierung der Anzahl der Komponenten könnte eine Reduzierung der Implementierungskosten und der Entwurfszeit bedeuten.

Nachteile:

Auf der anderen Seite ermöglichen die unter dem Ansatz der Regler-ICs beschriebenen Konfigurationen zusätzlich zur geregelten Ausgangsspannung den Fluss des Ruhestroms vom Regler zur Last. Dies führt zu einem Fehler, der in bestimmten Anwendungen möglicherweise nicht zulässig ist. Dies könnte jedoch durch die Wahl eines Reglers mit einem sehr geringen Ruhestrom verringert werden.

Ein weiterer Nachteil des Regler-IC-Ansatzes ist die mangelnde Flexibilität im Design.

Abgesehen von der Verwendung von Spannungsregler-ICs können Stromregler auch unter Verwendung von Jellybean-Teilen wie Transistoren, Operationsverstärkern und Zenerdioden mit den erforderlichen Widerständen konstruiert werden. Eine Zenerdiode wird in der Schaltung wahrscheinlich als Kinderspiel verwendet, als ob Sie sich daran erinnern, dass die Zenerdiode zur Spannungsregelung verwendet wird. Das Design des Stromreglers unter Verwendung dieser Teile ist am flexibelsten, da sie normalerweise leicht in vorhandene Schaltkreise integriert werden können.

Stromregler mit Transistoren

In diesem Abschnitt werden zwei Entwürfe betrachtet. Der erste wird nur die Verwendung von Transistoren beinhalten, während der zweite eine Mischung aus einem Operationsverstärker und einem Leistungstransistor beinhalten wird.

Betrachten Sie für die mit Transistoren die folgende Schaltung.

Der in der obigen Schaltung beschriebene Stromregler ist einer der einfachsten Stromreglerentwürfe. Es ist ein Low-Side-Stromregler; Ich habe nach der Last vor dem Boden angeschlossen. Es besteht aus drei Schlüsselkomponenten; einen Steuertransistor (2N5551), einen Leistungstransistor (TIP41) und einen Nebenschlusswiderstand (R).Der Shunt, bei dem es sich im Wesentlichen um einen niederwertigen Widerstand handelt, wird zur Messung des durch die Last fließenden Stroms verwendet. Wenn der Stromkreis eingeschaltet wird, wird ein Spannungsabfall über dem Shunt festgestellt. Je höher der Wert des Lastwiderstands RL ist, desto höher ist der Spannungsabfall am Shunt. Der Spannungsabfall über dem Shunt wirkt als Auslöser für den Steuertransistor, so dass der Transistor die an die Basis des Leistungstransistors angelegte Vorspannung umso mehr leitet und reguliert, je höher der Spannungsabfall über dem Shunt ist, um die Leitung mit dem zu erhöhen oder zu verringern Widerstand R1, der als Vorspannungswiderstand wirkt.

Genau wie bei den anderen Schaltungen kann parallel zum Nebenschlusswiderstand ein variabler Widerstand hinzugefügt werden, um den Strompegel durch Variieren der an der Basis des Steuertransistors angelegten Spannungsmenge zu variieren.

Stromregler mit Operationsverstärker

Betrachten Sie für den zweiten Entwurfspfad die folgende Schaltung.

Diese Schaltung basiert auf einem Operationsverstärker und verwendet wie im Beispiel mit dem Transistor auch einen Nebenschlusswiderstand zur Stromerfassung. Der Spannungsabfall über dem Shunt wird in den Operationsverstärker eingespeist, der ihn dann mit einer von der Zenerdiode ZD1 eingestellten Referenzspannung vergleicht. Der Operationsverstärker gleicht etwaige Abweichungen (hoch oder niedrig) in den beiden Eingangsspannungen durch Einstellen seiner Ausgangsspannung aus. Die Ausgangsspannung des Operationsverstärkers ist an einen Hochleistungs-FET angeschlossen und die Leitung erfolgt basierend auf der angelegten Spannung.

Der Hauptunterschied zwischen diesem Design und dem ersten ist die von der Zenerdiode implementierte Referenzspannung. Beide Konstruktionen sind linear und bei hohen Lasten wird eine hohe Wärmemenge erzeugt. Daher sollten Kühlkörper mit ihnen gekoppelt werden, um die Wärme abzuleiten.

Vorteil und Nachteil

Der Hauptvorteil dieses Designansatzes ist die Flexibilität, die er dem Designer bietet. Die Teile können ausgewählt und das Design so konfiguriert werden, dass sie ohne die mit internen Schaltkreisen verbundenen Einschränkungen schmecken, die den Regler-IC-basierten Ansatz charakterisieren.

Andererseits ist dieser Ansatz tendenziell langwieriger, zeitaufwendiger, erfordert mehr Teile, ist sperrig, fehleranfällig und im Vergleich zum auf Reglern basierenden IC-Ansatz teurer.

Anwendung aktueller Regulierungsbehörden

Konstantstromregler finden Anwendung in allen Arten von Geräten, von Stromversorgungskreisen über Batterieladekreise bis hin zu LED-Treibern und anderen Anwendungen, bei denen ein fester Strom unabhängig von der angelegten Last geregelt werden muss.

Das wars für diesen Artikel! Ich hoffe, Sie haben ein oder zwei Dinge gelernt.

Bis zum nächsten Mal!