Cơ quan quản lý hiện tại: loại xây dựng, làm việc và thiết kế

Cũng giống như các tình huống mà chúng ta cần điều chỉnh điện áp trong thiết kế của mình, có những tình huống mà chúng ta cần điều chỉnh dòng điện được cung cấp cho một phần cụ thể của mạch điện. Không giống như biến đổi (thay đổi từ mức điện áp này sang mức điện áp khác) thường là một trong những lý do chính để điều chỉnh điện áp, điều chỉnh dòng điện thường là giữ cho dòng điện được cung cấp không đổi, bất kể sự thay đổi của điện trở tải hoặc điện áp đầu vào. Các mạch (tích hợp hoặc không) được sử dụng để đạt được nguồn cung cấp dòng điện không đổi được gọi là Bộ điều chỉnh dòng điện (Không đổi) và chúng được sử dụng rất phổ biến trong Điện tử Công suất.

Mặc dù các bộ điều chỉnh hiện tại đã được đưa vào một số ứng dụng trong nhiều năm, chúng được cho là không phải là một trong những chủ đề phổ biến nhất trong các cuộc trò chuyện về thiết kế điện tử cho đến gần đây. Bộ điều chỉnh hiện tại hiện đã đạt được một loại trạng thái phổ biến do các ứng dụng quan trọng của chúng trong Chiếu sáng LED trong số các ứng dụng khác.

Đối với bài viết hôm nay, chúng ta sẽ xem xét các bộ điều chỉnh hiện tại này và xem xét các nguyên tắc hoạt động đằng sau chúng, thiết kế, loại và ứng dụng của chúng cùng với những bộ điều chỉnh khác.

Nguyên lý hoạt động của bộ điều chỉnh dòng điện

Hoạt động của bộ điều chỉnh dòng điện tương tự như hoạt động của bộ điều chỉnh điện áp với sự khác biệt chính là tham số chúng điều chỉnh và số lượng chúng thay đổi để cung cấp đầu ra của chúng. Trong bộ điều chỉnh điện áp, dòng điện thay đổi để đạt được mức điện áp yêu cầu, trong khi bộ điều chỉnh dòng điện thường liên quan đến sự thay đổi điện áp / điện trở để đạt được sản lượng dòng điện yêu cầu. Như vậy, mặc dù có thể, nhưng thường rất khó để điều chỉnh điện áp và dòng điện cùng một lúc trong mạch.

Để hiểu cách thức hoạt động của các cơ quan quản lý hiện hành, cần phải xem nhanh luật ohms;

V = IR hoặc I = V / R

Điều này có nghĩa là để duy trì dòng điện không đổi ở đầu ra, hai đặc tính này (điện áp và điện trở) phải được giữ không đổi trong mạch hoặc được điều chỉnh sao cho khi có sự thay đổi trong một, giá trị của kia được điều chỉnh tương ứng để giữ lại cùng một đầu ra hiện tại. Do đó, điều chỉnh dòng điện liên quan đến việc điều chỉnh điện áp hoặc điện trở trong mạch hoặc đảm bảo các giá trị Điện trở và Điện áp không thay đổi bất kể yêu cầu / tác động của tải được kết nối.

Bộ điều chỉnh hiện tại đang hoạt động

Để mô tả đúng cách một bộ điều chỉnh dòng điện hoạt động, chúng ta hãy xem xét sơ đồ mạch dưới đây.

Biến trở trong mạch trên được sử dụng để biểu diễn các hoạt động của bộ điều chỉnh dòng điện. Chúng tôi sẽ giả sử biến trở được tự động hóa và có thể tự động điều chỉnh điện trở của chính nó. Khi mạch được cấp điện, biến trở sẽ điều chỉnh điện trở của nó để bù lại những thay đổi của dòng điện do sự thay đổi của điện trở tải hoặc điện áp cung cấp. Từ lớp điện cơ bản, bạn nên nhớ rằng khi tải, về cơ bản là điện trở (+ điện dung / độ tự cảm) được tăng lên, thì dòng điện hiệu dụng sẽ giảm và ngược lại. Do đó, khi tăng tải trong mạch (tăng điện trở), thay vì giảm dòng, biến trở sẽ giảm điện trở của chính nó để bù cho điện trở tăng và đảm bảo dòng điện chạy như nhau. Theo cách tương tự, khi điện trở tải giảm,biến trở làm tăng điện trở của chính nó để bù lại phần giảm, do đó duy trì giá trị dòng điện đầu ra.

Một cách tiếp cận khác trong quy định hiện tại là kết nối một điện trở đủ cao song song với tải sao cho phù hợp với định luật điện cơ bản, dòng điện sẽ chạy qua đường dẫn có điện trở nhỏ nhất mà trong trường hợp này sẽ đi qua tải, chỉ với dòng điện chạy qua điện trở có giá trị lớn "không đáng kể".

Các biến thể này cũng ảnh hưởng đến điện áp vì một số bộ điều chỉnh dòng điện duy trì dòng điện ở đầu ra bằng cách thay đổi điện áp. Do đó, hầu như không thể điều chỉnh điện áp ở cùng một đầu ra mà dòng điện đang được điều chỉnh.

Thiết kế bộ điều chỉnh hiện tại

Bộ điều chỉnh hiện tại thường được thực hiện bằng cách sử dụng bộ điều chỉnh điện áp dựa trên IC như MAX1818 và LM317 hoặc bằng cách sử dụng các thành phần thụ động và tích cực của Jellybean như bóng bán dẫn và điốt Zener.

Thiết kế bộ điều chỉnh dòng điện sử dụng bộ điều chỉnh điện áp

Để thiết kế bộ điều chỉnh dòng sử dụng bộ điều chỉnh điện áp dựa trên IC, kỹ thuật thường liên quan đến việc thiết lập bộ điều chỉnh điện áp để có điện trở tải không đổi và bộ điều chỉnh điện áp tuyến tính thường được sử dụng vì điện áp giữa đầu ra của bộ điều chỉnh tuyến tính và đất của chúng thường chặt chẽ được điều chỉnh, như vậy, một điện trở cố định có thể được đưa vào giữa các đầu nối sao cho dòng điện cố định chạy tới tải. Một ví dụ điển hình về thiết kế dựa trên điều này đã được Budge Ing xuất bản trong một trong những ấn phẩm EDN vào năm 2016.

Mạch được sử dụng sử dụng bộ điều chỉnh tuyến tính LDO MAX1818 để tạo ra nguồn cung cấp được điều chỉnh dòng điện ổn định phía cao. Nguồn cung cấp (hiển thị trong hình trên) được thiết kế để nó cấp nguồn cho RLOAD với dòng điện không đổi, bằng I = 1,5V / ROUT. Trong đó 1,5V là điện áp đầu ra đặt trước của MAX1818 nhưng có thể thay đổi bằng bộ chia điện trở bên ngoài.

Để đảm bảo hiệu suất tối ưu của thiết kế, điện áp tại cực đầu vào của MAX1818 phải lên đến 2,5V và không trên 5,5v vì đây là phạm vi hoạt động được quy định bởi biểu dữ liệu. Để thỏa mãn điều kiện đó, hãy chọn giá trị ROUT cho phép 2,5V đến 5,5V giữa IN và GND. Ví dụ: khi tải 100Ω với 5V VCC, thiết bị hoạt động bình thường với ROUT trên 60Ω vì giá trị cho phép dòng tối đa có thể lập trình là 1,5V / 60Ω = 25mA. Điện áp trên thiết bị sau đó bằng mức tối thiểu cho phép: 5V - (25mA × 100Ω) = 2,5V.

Các bộ điều chỉnh tuyến tính khác như LM317 cũng có thể được sử dụng trong quy trình thiết kế tương tự nhưng một trong những lợi ích chính mà các vi mạch như MAX1818 có so với các vi mạch khác là thực tế là chúng kết hợp ngắt nhiệt có thể rất quan trọng trong quy định hiện hành vì nhiệt độ của IC có xu hướng nóng lên khi các tải có yêu cầu dòng điện cao được kết nối.

Đối với bộ điều chỉnh dòng điện dựa trên LM317, hãy xem xét mạch bên dưới;

LM317 được thiết kế theo cách mà bộ điều chỉnh tiếp tục điều chỉnh điện áp của nó cho đến khi điện áp giữa chân đầu ra và chân điều chỉnh của nó ở mức 1,25v và do đó bộ chia như vậy thường được sử dụng khi thực hiện trong tình huống điều chỉnh điện áp. Nhưng đối với trường hợp sử dụng của chúng tôi như một bộ điều chỉnh dòng điện, nó thực sự làm cho mọi thứ trở nên cực kỳ dễ dàng đối với chúng tôi bởi vì, vì điện áp không đổi, tất cả những gì chúng ta cần làm để làm cho dòng điện không đổi là chỉ cần chèn một điện trở nối tiếp giữa chân Vout và ADJ như trong mạch trên. Như vậy, chúng ta có thể đặt dòng điện đầu ra thành một giá trị cố định được cho bởi;

I = 1,25 / R

Với giá trị của R là hệ số quyết định giá trị dòng điện đầu ra.

Để tạo một bộ điều chỉnh dòng điện, chúng ta chỉ cần thêm một biến trở vào mạch bên cạnh một điện trở khác để tạo ra một bộ chia cho chân điều chỉnh như trong hình dưới đây.

Hoạt động của mạch giống như mạch trước với điểm khác biệt là dòng điện có thể được điều chỉnh trong mạch bằng cách xoay núm của chiết áp để thay đổi điện trở. Điện áp trên R cho bởi;

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

Điều này có nghĩa là Dòng điện qua R được cho bởi;

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

Điều này cung cấp cho mạch một phạm vi hiện tại I = 1,25 / R và (1,25 / R) x (1 + R1 / R2)

Phụ thuộc vào dòng đặt; đảm bảo định mức watt của điện trở R có thể chịu được lượng dòng điện chạy qua nó.

Ưu điểm và nhược điểm của việc sử dụng LDO làm Bộ điều chỉnh hiện tại

Dưới đây là một số ưu điểm cho việc lựa chọn phương pháp tiếp cận bộ điều chỉnh điện áp tuyến tính.

Các IC điều chỉnh tích hợp tính năng bảo vệ quá nhiệt có thể hữu ích khi các tải có yêu cầu dòng điện quá mức được kết nối.
IC điều chỉnh có khả năng chịu đựng lớn hơn đối với điện áp đầu vào lớn và ở mức độ lớn hỗ trợ tiêu tán công suất cao.
Phương pháp tiếp cận IC điều chỉnh liên quan đến việc sử dụng một lượng nhỏ linh kiện hơn với việc bổ sung chỉ một vài điện trở trong hầu hết các trường hợp, ngoại trừ các trường hợp yêu cầu dòng điện cao hơn và các bóng bán dẫn công suất được kết nối. Điều này có nghĩa là bạn có thể sử dụng cùng một IC để điều chỉnh điện áp và dòng điện.
Việc giảm số lượng thành phần có thể đồng nghĩa với việc giảm chi phí thực hiện và thời gian thiết kế.

Nhược điểm:

Mặt khác, các cấu hình được mô tả theo cách tiếp cận IC điều chỉnh cho phép dòng điện tĩnh từ bộ điều chỉnh đến tải cùng với điện áp đầu ra được điều chỉnh. Điều này dẫn đến một lỗi có thể không được phép trong một số ứng dụng. Tuy nhiên, điều này có thể được giảm bớt bằng cách chọn một bộ điều chỉnh có dòng điện tĩnh rất thấp.

Một nhược điểm khác của phương pháp tiếp cận vi mạch điều chỉnh là thiếu tính linh hoạt trong thiết kế.

Ngoài việc sử dụng IC điều chỉnh điện áp, các bộ điều chỉnh dòng điện cũng có thể được thiết kế bằng cách sử dụng các bộ phận Jellybean bao gồm bóng bán dẫn, opamps và diode Zener với các điện trở cần thiết. Một diode Zener được sử dụng trong mạch có lẽ là không có trí tuệ nếu bạn nhớ rằng diode Zener được sử dụng để điều chỉnh điện áp. Thiết kế của bộ điều chỉnh dòng điện sử dụng các bộ phận này là linh hoạt nhất vì chúng thường dễ tích hợp vào các mạch hiện có.

Bộ điều chỉnh hiện tại sử dụng bóng bán dẫn

Chúng tôi sẽ xem xét hai thiết kế trong phần này. Cái đầu tiên sẽ chỉ sử dụng bóng bán dẫn trong khi cái thứ hai sẽ có sự kết hợp giữa bộ khuếch đại hoạt động và bóng bán dẫn công suất.

Đối với cái có bóng bán dẫn, hãy xem xét mạch bên dưới.

Bộ điều chỉnh dòng điện được mô tả trong mạch trên là một trong những thiết kế bộ điều chỉnh dòng điện đơn giản nhất. Nó là một bộ điều chỉnh dòng điện bên thấp; Tôi kết nối sau tải trước khi tiếp đất. Nó được tạo thành từ ba thành phần chính; một bóng bán dẫn điều khiển (2N5551), một bóng bán dẫn công suất (TIP41) và một điện trở shunt (R).Shunt, về cơ bản là một điện trở có giá trị thấp, được sử dụng để đo dòng điện chạy qua tải. Khi bật mạch, một sự sụt giảm điện áp được ghi nhận trên shunt. Giá trị của điện trở tải RL càng cao thì điện áp rơi trên shunt càng cao. Điện áp giảm trên shunt hoạt động như một kích hoạt cho bóng bán dẫn điều khiển sao cho điện áp giảm trên shunt càng cao, bóng bán dẫn càng dẫn và điều chỉnh điện áp phân cực áp dụng cho cơ sở của bóng bán dẫn công suất để tăng hoặc giảm dẫn với điện trở R1 đóng vai trò là điện trở phân cực.

Cũng giống như với các mạch khác, một biến trở có thể được thêm vào song song với điện trở shunt để thay đổi mức dòng điện bằng cách thay đổi lượng điện áp đặt ở chân của bóng bán dẫn điều khiển.

Bộ điều chỉnh hiện tại sử dụng Op-Amp

Đối với con đường thiết kế thứ hai, hãy xem xét mạch bên dưới;

Mạch này dựa trên một bộ khuếch đại hoạt động, và giống như trong ví dụ với bóng bán dẫn, nó cũng sử dụng một điện trở shunt để cảm nhận dòng điện. Điện áp giảm qua shunt được đưa vào bộ khuếch đại hoạt động, sau đó so sánh nó với điện áp tham chiếu được đặt bởi diode Zener ZD1. Op-amp bù đắp bất kỳ sự khác biệt nào (cao hoặc thấp) trong hai điện áp đầu vào bằng cách điều chỉnh điện áp đầu ra của nó. Điện áp đầu ra của bộ khuếch đại hoạt động được kết nối với FET công suất cao và sự dẫn điện xảy ra dựa trên điện áp đặt vào.

Sự khác biệt chính giữa thiết kế này và thiết kế đầu tiên là điện áp tham chiếu được thực hiện bởi diode Zener. Cả hai thiết kế này đều tuyến tính và lượng nhiệt cao sẽ được tạo ra ở tải cao, do đó, các tấm tản nhiệt nên được ghép nối với chúng để tản nhiệt.

Thuận lợi và khó khăn

Ưu điểm chính của phương pháp thiết kế này là tính linh hoạt mà nó cung cấp cho người thiết kế. Các bộ phận có thể được lựa chọn và thiết kế được cấu hình để phù hợp mà không có bất kỳ hạn chế nào liên quan đến mạch bên trong đặc trưng cho cách tiếp cận dựa trên vi mạch điều chỉnh.

Mặt khác, cách tiếp cận này có xu hướng tẻ nhạt hơn, tốn thời gian, yêu cầu nhiều bộ phận hơn, cồng kềnh, dễ hỏng hóc và đắt hơn khi so sánh với cách tiếp cận dựa trên vi mạch điều chỉnh.

Áp dụng các cơ quan quản lý hiện hành

Bộ điều chỉnh dòng điện không đổi tìm thấy các ứng dụng trong tất cả các loại thiết bị từ mạch cung cấp điện, mạch sạc pin, trình điều khiển đèn LED và các ứng dụng khác mà dòng điện cố định cần được điều chỉnh bất kể Tải được áp dụng.

Đó là nó cho bài viết này! Hy vọng bạn đã học được một hoặc hai điều.

Cho đến thời điểm tiếp theo!