Чтобы правильно описать принцип работы регулятора тока, давайте рассмотрим принципиальную схему ниже.

Переменный резистор в приведенной выше схеме используется для представления действия регулятора тока. Предположим, что переменный резистор автоматизирован и может автоматически регулировать свое сопротивление. Когда цепь включена, переменный резистор регулирует свое сопротивление, чтобы компенсировать изменения тока из-за изменения сопротивления нагрузки или напряжения питания. Из базового класса электричества вы должны помнить, что при увеличении нагрузки, которая по существу представляет собой сопротивление (+ емкость/индуктивность), происходит эффективное падение тока, и наоборот. Таким образом, когда нагрузка в цепи увеличивается (увеличение сопротивления), а не падение тока, переменный резистор уменьшает собственное сопротивление, чтобы компенсировать повышенное сопротивление и обеспечить протекание того же тока. Таким же образом, когда сопротивление нагрузки уменьшается, переменное сопротивление увеличивает собственное сопротивление, чтобы компенсировать уменьшение, тем самым сохраняя значение выходного тока.

Другой подход к регулированию тока заключается в подключении резистора достаточной мощности параллельно нагрузке таким образом, чтобы в соответствии с законами основного электричества ток протекал по пути с наименьшим сопротивлением, который в данном случае будет проходить через нагрузку, только с «незначительным» током, протекающим через резистор высокого номинала.

Эти изменения также влияют на напряжение, поскольку некоторые регуляторы тока поддерживают ток на выходе, изменяя напряжение. Таким образом, практически невозможно регулировать напряжение на том же выходе, на котором регулируется ток.

Регуляторы тока обычно реализуются с использованием регуляторов напряжения на основе интегральных схем, таких как MAX1818 и LM317, или с использованием мармеладных пассивных и активных компонентов, таких как транзисторы и стабилитроны.

Для проектирования регуляторов тока с использованием регуляторов напряжения на основе интегральных схем метод обычно включает настройку регуляторов напряжения для обеспечения постоянного сопротивления нагрузки. Обычно используются линейные регуляторы напряжения, поскольку: напряжение между выходом линейных регуляторов и их землей обычно жестко регулируется, поэтому между выводами можно вставить постоянный резистор, чтобы на нагрузку протекал фиксированный ток. Хороший пример дизайна, основанного на этом, был опубликован Budge Ing в одной из публикаций EDN в 2016 году.0007

Используемая схема использует линейный стабилизатор LDO MAX1818 для создания регулируемого источника постоянного тока на стороне высокого напряжения. Источник питания (показан на изображении выше) был разработан таким образом, что он питает RLOAD постоянным током, равным   I = 1,5 В/ROUT. Где 1,5 В — предустановленное выходное напряжение

Для обеспечения оптимальной работы схемы напряжение на входе MAX1818 должно быть до 2,5 В и не выше 5,5 В, так как это рабочий диапазон, указанный в техническом описании. Чтобы выполнить это условие, выберите значение ROUT, которое допускает от 2,5 В до 5,5 В между IN и GND. Например, когда нагрузка, скажем, 100 Ом с 5 В VCC, устройство работает должным образом с ROUT выше 60 Ом, поскольку это значение допускает максимальный программируемый ток 1,5 В / 60 Ом = 25 мА. Тогда напряжение на устройстве будет равно минимально допустимому: 5 В — (25 мА × 100 Ом) = 2,5 В.

Другие линейные регуляторы, такие как LM317, также могут быть использованы в аналогичном процессе проектирования, но одним из основных преимуществ ИС , таких как MAX1818, является тот факт, что они включают отключение при перегреве, что может быть очень важно при текущем регулировании. , так как температура микросхемы имеет тенденцию к нагреву при подключении нагрузок с высокими требованиями к току.

  I = 1,25/р 
 

Значение R является определяющим фактором значения выходного тока.

Чтобы создать регулятор переменного тока, нам нужно всего лишь добавить переменный резистор в схему вместе с другим резистором, чтобы создать делитель для регулируемого контакта, как показано на рисунке ниже.

Схема работает так же, как и предыдущая с той разницей, что ток в цепи можно регулировать, поворачивая ручку потенциометра для изменения сопротивления. Напряжение на R определяется по формуле;

 
  В = (1 + R1/R2) x 1,25  

Это означает, что ток через R определяется выражением;

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

Это дает цепи ток в диапазоне I = 1,25/R и (1,25/R) x (1 + R1/R2)

Зависит от установленного тока; убедитесь, что мощность резистора R может выдержать ток, который будет протекать через него.

Ниже приведены некоторые преимущества выбора линейного регулятора напряжения.

1. ИС регулятора включают защиту от перегрева, которая может пригодиться при подключении нагрузок с чрезмерными требованиями по току.
ИС регулятора
2. имеют большую устойчивость к большим входным напряжениям и в значительной степени поддерживают высокую рассеиваемую мощность.
3. Подход, основанный на микросхемах регуляторов, предполагает использование меньшего количества компонентов с добавлением всего нескольких резисторов в большинстве случаев, за исключением случаев, когда требуются более высокие токи и подключаются силовые транзисторы. Это означает, что вы можете использовать одну и ту же микросхему для регулирования напряжения и тока.
4. Уменьшение количества компонентов может означать сокращение стоимости реализации и времени проектирования.

Недостатки:

С другой стороны, конфигурации, описанные в подходе ИС регулятора, допускают протекание тока покоя от регулятора к нагрузке в дополнение к регулируемому выходному напряжению. Это приводит к ошибке, которая может быть недопустима в некоторых приложениях. Однако это можно уменьшить, выбрав регулятор с очень низким током покоя.

Другим недостатком ИС регулятора является отсутствие гибкости конструкции.

Помимо использования ИС регулятора напряжения, регуляторы тока также могут быть разработаны с использованием мармеладных компонентов, включая транзисторы, операционные усилители и стабилитрон с необходимыми резисторами. В схеме используется стабилитрон, вероятно, это несложно, как если вы помните, что стабилитрон используется для регулирования напряжения. Конструкции регуляторов тока с использованием этих деталей наиболее гибкие, поскольку их обычно легко интегрировать в существующие схемы.

В этом разделе мы рассмотрим две конструкции. В первом будут использоваться только транзисторы, а во втором будет сочетание операционного усилителя и силового транзистора .

Для варианта с транзисторами рассмотрите схему ниже.

Регулятор тока, описанный в приведенной выше схеме, является одной из простейших конструкций стабилизатора тока. Это регулятор тока низкой стороны ; Подключал после нагрузки до земли. Он состоит из трех ключевых компонентов; управляющий транзистор (2N5551), силовой транзистор (TIP41) и шунтирующий резистор (R). Шунт, представляющий собой маломощный резистор, используется для измерения тока, протекающего через нагрузку. При включении цепи отмечается падение напряжения на шунте. Чем выше значение сопротивления нагрузки RL, тем выше падение напряжения на шунте. Падение напряжения на шунте действует как триггер для управляющего транзистора, так что чем выше падение напряжения на шунте, тем больше транзистор проводит, и регулирует напряжение смещения, приложенное к базе силового транзистора, чтобы увеличить или уменьшить проводимость с резистор R1, выполняющий роль резистора смещения.

Как и в других схемах, переменный резистор может быть добавлен параллельно шунтирующему резистору для изменения уровня тока путем изменения величины напряжения, подаваемого на базу управляющего транзистора.

Для второго пути проектирования рассмотрим схему ниже;

Эта схема основана на операционном усилителе , и, как и в примере с транзистором, также использует шунтирующий резистор для измерения тока. Падение напряжения на шунте подается на операционный усилитель, который затем сравнивает его с опорным напряжением, установленным стабилитроном ZD1. Операционный усилитель компенсирует любые расхождения (высокие или низкие) в двух входных напряжениях, регулируя свое выходное напряжение. Выходное напряжение операционного усилителя подключено к высокомощному полевому транзистору, и проводимость осуществляется в зависимости от приложенного напряжения.

Основное различие между этой схемой и первой заключается в опорном напряжении, реализуемом стабилитроном. Обе эти конструкции являются линейными, и при высоких нагрузках будет выделяться большое количество тепла, поэтому к ним должны быть подключены радиаторы для рассеивания тепла.

Преимущества и недостатки

Основным преимуществом этого подхода к проектированию является гибкость, которую он предоставляет разработчику. Детали могут быть выбраны, а конструкция сконфигурирована по вкусу без каких-либо ограничений, связанных с внутренней схемой, которая характеризует подход, основанный на регуляторе IC.

С другой стороны, этот подход, как правило, более утомителен, требует больше времени, требует большего количества деталей, громоздок, подвержен сбоям и более дорог по сравнению с подходом IC на основе регулятора.

Стабилизаторы постоянного тока находят применение во всех типах устройств, от цепей питания до цепей зарядки аккумуляторов, драйверов светодиодов и других приложений, где необходимо регулировать фиксированный ток независимо от применяемого Нагрузка.

Вот и все! Надеюсь, вы узнали одну или две вещи.

До следующего раза!

Рассмотрены простые схемы регуляторов напряжения и тока

В этой статье мы анализируем некоторые важные схемы регуляторов напряжения с использованием дискретных компонентов, таких как транзисторы, стабилитроны, резисторы и т. д. Эти регуляторы очень гибки благодаря своим конструктивным характеристикам и могут быть адаптированы для генерации любой уровень постоянного напряжения и постоянного тока по желанию.

Что такое регулятор

Основная функция схемы регулятора постоянного тока состоит в том, чтобы генерировать фиксированное и постоянное напряжение и ток на определенных заданных уровнях. Таким образом, регулятор используется в источнике питания для поддержания выходного напряжения или тока в определенных фиксированных пределах.

Также рекомендуется для вас: Схемы регулятора напряжения с использованием транзистора и стабилитрона выходное напряжение или ток не зависят от нагрузки. Эти источники должны были бы быть в состоянии производить бесконечное количество энергии, и они, очевидно, просто существовали бы только в теории.

Когда требуется действительно чистый источник постоянного тока, часто становятся полезными линейные стабилизаторы, поскольку они производят меньший шум, пульсации и лучшее управление. Эти стабилизаторы, как правило, представляют собой устройства с тремя клеммами (вход, общая земля и выход), поэтому требуется лишь несколько внешних компонентов (для популярных микросхем регуляторов серий 7800 и 7900 требуется всего пара конденсаторов емкостью от 0,01 мкФ до 1 мкФ, и только при определенных условиях.)

Эти регуляторы могут буквально демонстрировать регулирование намного ниже 1%, а также обеспечивать значительное ограничение тока и встроенную функцию предотвращения отказов. Существуют также импульсные стабилизаторы и микросхемы преобразователей напряжения, которым действительно требуется очень мало внешних конденсаторов и ничего больше. Эти недорогие регуляторы и преобразователи делают возможным и простым обеспечение дискретных цепей напряжениями, которые не могут быть поданы через основной источник питания системы. Такие конфигурации часто позволяют избежать ограничений по питанию, предоставляя большую свободу проектирования.

Простейший регулятор

В простейшем регуляторе используется устройство с двумя выводами, такое как стабилитрон с характеристикой поддержания постоянного напряжения на нем. На рисунке 1 ниже показана базовая схема.

Зенеровские диоды могут быть соединены последовательно в любой конфигурации для достижения еще более высоких напряжений. Должен быть встроен токоограничивающий (балластный) резистор, так как эти устройства будут пытаться поддерживать постоянное напряжение на клеммах, потребляя любой ток, доступный от источника питания.

Эффективность важна.

Полное сопротивление регулирующего устройства может быть очень низким, и оно может быстро потреблять катастрофические количества тока при отсутствии ограничительного резистора и выйти из строя.

Поэтому для стабилитрона необходим ограничительный резистор. Поскольку регулирующий компонент шунтирован поперек нагрузки, этот тип схемы стабилитрона (рис. 1) часто называют стабилизатором шунтирующего типа.

Этот метод очень хорошо работает для приложений с низким энергопотреблением, когда требуется ток всего в несколько миллиампер, а регулирования (% изменения напряжения или тока при различных нагрузках) достаточно всего на несколько процентов.

Поскольку весь ток, протекающий через ограничительный резистор, представляет собой сумму тока нагрузки и тока регулятора, необходимого для поддержания напряжения, эффективность часто бывает низкой, особенно при малых нагрузках.

Большой ток может проходить через регулятор при отключении или изменении нагрузки. Хотя это не проблема для крошечных схем, таких как схема генератора, потребляющая всего несколько миллиампер, это может быть проблемой в схеме, такой как крошечное цифровое устройство, для которого может потребоваться около 1 ампера при 5 вольтах.

В некоторых случаях (светодиоды, выключатели) система может потреблять менее 50 миллиампер в режиме ожидания и 1 ампер в активном режиме. В таких случаях стабилизатор на стабилитроне будет крайне неэффективен, так как ему придется пропускать примерно 1 А через стабилитрон, пока система простаивает и, следовательно, не потребляет свой рабочий ток.

В таком случае, если бы входное напряжение составляло 12 В, эффективность регулятора 12 В на 5 В могла бы быть крайне низкой из-за наличия постоянной нагрузки более 1 А на источнике 12 В, даже если нагрузка на 5 сторона питания вольта была маленькой.

Это соответствует 12 Вт или даже больше выделению тепла, что является крайне неэффективным условием.

Простым решением является использование активного регулятора, который может не потреблять столько тока для работы.

Следует, однако, отметить, что всегда будет некоторая потеря напряжения на регуляторе. Поскольку схема регулятора представляет собой усилитель, для ее работы требуется некоторое напряжение.

Напряжение база-эмиттер проходного транзистора составляет от 0,6 до 0,7 вольт, и в резисторах смещения будут некоторые потери напряжения. Входное напряжение должно быть постоянно как минимум на 2–5 вольт выше максимального ожидаемого выходного напряжения; он никогда не должен опускаться ниже этого уровня, иначе это повлияет на управление выходом.

Это минимальное напряжение должно всегда поддерживаться при минимальном входном линейном напряжении при полной нагрузке. Ниже этого порога мгновенные изменения из-за пульсаций входного питания, переходных процессов нагрузки и т. д. приведут к потере регулирования («пропаданию»).

Регулятор с использованием транзисторного эмиттерного повторителя

На рис. 2 ниже транзистор эмиттерного повторителя используется для минимизации тока, потребляемого устройством регулятора. На стабилитрон поступает 10 или 20 мА. Это напряжение подается на базу транзистора, который называется «проходным» транзистором, поскольку он предназначен для прохождения тока нагрузки.

Это может быть мощный транзистор, рассчитанный на многоамперный ток.

Ток нагрузки состоит из тока коллектора, составляющего основную часть тока, и тока базы. Ток базы равен току коллектора, деленному на коэффициент усиления транзистора по постоянному току (или бета, которая обычно равна 50).

Предполагая, что транзистор имеет усиление по току β, равное 50, и ток нагрузки 1 ампер, ток коллектора можно рассчитать, как указано ниже

Ток коллектора = β/(β+1) = 1 ампер или 50/51 ампер.

Базовый ток можно рассчитать по следующей формуле:

Базовый ток = 1/(β +1) или 1/51 ампер.

Это несколько меньше 20 миллиампер. На рис. 2 выше показана базовая конструкция регулятора.

Использование транзистора Дарлингтона с проходным транзистором

На рис. 3 ниже показано, как вспомогательный транзистор можно использовать в качестве промежуточного каскада, если проходной транзистор является устройством с очень высоким током и низким значением hFE.

Промежуточный транзистор сконфигурирован как пара Дарлингтона с проходным транзистором, что значительно увеличивает коэффициент усиления по току, а также повышает его способность передавать ток.

Следует отметить, что при отсутствии нагрузки единственным током, потребляемым схемой, является ток только стабилитрона.

Создание регулируемого регулятора

Также можно присоединить переменный резистор или потенциометр к стабилитрону, и если вы подсоедините движок потенциометра к базе транзистора, вы можете получить переменное выходное напряжение, как показано на рис. Рис. 4 ниже.

Проблема с этой схемой в том, что она не лучше (на самом деле, несколько хуже), чем стабилитрон в качестве регулятора. Не существует системы, гарантирующей, что выходное напряжение на нагрузке остается постоянным.

Кроме того, падение напряжения между базой и эмиттером проходного транзистора приводит к небольшому снижению выходного напряжения (обычно от 0,6 до 0,7 В на транзистор). Если потенциометр используется для изменения выходного напряжения, вы можете обнаружить дополнительные потери из-за сопротивления потенциометра.

Это сопротивление приводит к снижению регулирования. Регулятор не может узнать, упало ли выходное напряжение. Что действительно необходимо, так это средство для измерения выходного напряжения, сравнения его с установленным эталоном и автоматического изменения выходного напряжения на соответствующее значение.

Это требует использования механизма обратной связи для регулирования выходного напряжения. С еще несколькими элементами мы покажем вам действительно простой способ добиться этого.

Регулятор с обратной связью для повышения точности выходного сигнала

На рис. 5 ниже показан очень простой регулятор с обратной связью, в котором выходное напряжение имеет некоторый контроль над своим точным уровнем. R1 и R2 образуют делитель напряжения, который измеряет выходное напряжение и посылает его на базу транзистора Q1.

Падение напряжения на стабилитроне D1 удерживает на эмиттере Q1 заданное и регулируемое напряжение. Ток смещения от R3 и ток эмиттера от Q1 вызывают этот провал.

Это падение создается током смещения R3 и током эмиттера Q1.

Если выходное напряжение падает, транзистор Q1 отключается, позволяя меньшему току течь через резистор смещения R4. Напряжение на коллекторе увеличится, увеличивая напряжение на базе проходного транзистора Q2 и, следовательно, на эмиттере Q2, который, как правило, является выходным выводом регулятора питания.

Это увеличение напряжения будет отправлено на базу Q1, компенсируя первоначальный провал. Общее воздействие приведет к повышению стабильности выходного напряжения.

100% Совершенство невозможно

Эта настройка, однако, не идеальна. Схема регулятора представляет собой усилитель с обратной связью с ограниченным коэффициентом усиления. Поскольку усиление по напряжению в основном обеспечивается Q1, схема может иметь чистое усиление по напряжению без обратной связи, которое может составлять около 20-100, в зависимости от усиления Q1, нагрузки источника питания, импеданса стабилитрона и других параметров. Усиление контура можно определить как произведение общего усиления на коэффициент обратной связи.

В этой ситуации коэффициентом обратной связи является отношение R2 /(R1 + R2). При прочих равных, чем больше коэффициент усиления контура, тем лучше регулирование. На самом деле эта схема будет предлагать улучшение регулирования в 10 или более раз по сравнению с более ранними схемами. Однако эта схема имеет определенные ограничения, некоторые из которых следующие:

• В Q1 выходное напряжение не может быть ниже, чем напряжение стабилитрона + потери база-эмиттер.
• Нет ограничения тока или защиты от короткого замыкания. Поскольку на резисторе R4 всегда будет потеря напряжения, максимальное регулируемое выходное напряжение ограничено.
• Поскольку коэффициент обратной связи R2 /(R1 + R2) уменьшается с увеличением выходного напряжения, регулирование постепенно ухудшается.
• Поскольку часть токов смещения (через R3 и R4) возникает с нерегулируемой стороны, на выход будут влиять колебания входного напряжения, что ухудшит регулирование.

Эти проблемы могут быть решены путем настройки схемы и установки нескольких дополнительных компонентов. Первую проблему можно решить с помощью низковольтного стабилитрона, хотя самые надежные стабилитроны рассчитаны примерно на 5–8 вольт.

Можно использовать вторичную плавающую цепь источника питания для подачи напряжения ниже (отрицательного) земли и переводить R2 на отрицательное напряжение, а не на землю.

Подключите сопротивление к входу, и падение напряжения на нем может работать как функция тока нагрузки, которая может влиять на выход регулятора. Дополнительный коэффициент усиления без обратной связи можно получить, используя дополнительные транзисторы или операционный усилитель.

Ограничение тока

На рис. 6 ниже показан один из способов включения ограничения тока. Резистор R4 соединен последовательно с PNP-транзистором Q1, который служит источником тока.

Этот резистор необходим для ограничения тока, подаваемого на D1. На базе транзистора Q1 диоды D2 и D3 генерируют очень постоянное напряжение, которое на 1,4 В ниже входного напряжения регулятора.

Q1 проводит ток до тех пор, пока падение напряжения, вызванное током коллектора проходного транзистора, составляет менее 0,7 В на выборочном резисторе R5. По мере нарастания тока нагрузки падение на резисторе R5 возрастает до такой степени, что оно начинает отключать транзистор Q1.

Резистор R4 теперь может вызывать падение базового напряжения проходного транзистора Q2, вызывая уменьшение выходного напряжения регулятора. Поскольку этот ток также смещает эталонный стабилитрон D1, опорное напряжение падает, снижая выходное напряжение. Таким образом, ток, отбираемый от регулятора, может быть ограничен таким образом.

Падение на 0,7 В на резисторе R5 инициирует ограничение тока, поэтому сопротивление резистора R5 должно быть равно 0,7/(Предел тока) или около 0,7 Ом для 1 ампера, 0,35 Ом для 2 ампер и т. д.

Использование операционного усилителя

На рис. 7 ниже показано, как можно использовать операционный усилитель для улучшения управления. Обратите внимание, что прирост теперь резко увеличится. Тем не менее, в определенных обстоятельствах почти наверняка потребуется частотная коррекция, так как фазовый сдвиг контура может вызывать колебания на некоторых или всех стадиях нагрузки.

Хотя напряжение смещения для операционного усилителя может подаваться непосредственно от стабилизатора, обычно желательно наличие дополнительного вспомогательного источника малой мощности.

Для операционного усилителя может потребоваться отрицательный источник, особенно в том случае, если регулятор предназначен для регулировки или понижения выходного напряжения до нуля вольт, как в лабораторном источнике питания.

На этом мы завершаем нашу статью о простых схемах стабилизаторов напряжения. Если у вас есть какие-либо вопросы или изменения, связанные с вышеуказанными концепциями, пожалуйста, не стесняйтесь комментировать ниже для быстрого ответа.

Простая схема переключаемого регулятора напряжения

Ссылаясь на рисунок выше, можно построить трехступенчатый источник питания с регулируемым напряжением, последовательно объединив три стабилитрона с переключателем и несколькими другими легкодоступными компонентами.