- หลักการทำงานของ Regulator ปัจจุบัน
- Regulator ปัจจุบันทำงาน
- การออกแบบหน่วยงานกำกับดูแลปัจจุบัน
- การออกแบบตัวควบคุมกระแสไฟฟ้าโดยใช้ตัวควบคุมแรงดันไฟฟ้า
- ข้อดีและข้อเสียของการใช้ LDO เป็นตัวควบคุมปัจจุบัน
- ตัวควบคุมปัจจุบันโดยใช้ทรานซิสเตอร์
- Current Regulator โดยใช้ Op-Amp
- การประยุกต์ใช้หน่วยงานกำกับดูแลปัจจุบัน
เช่นเดียวกับสถานการณ์ที่เราจำเป็นต้องควบคุมแรงดันไฟฟ้าในการออกแบบของเรามีสถานการณ์ที่เราต้องควบคุมกระแสที่จ่ายให้กับส่วนใดส่วนหนึ่งของวงจรของเรา ซึ่งแตกต่างจากการเปลี่ยนรูป (เปลี่ยนจากระดับแรงดันไฟฟ้าหนึ่งไปยังอีกระดับหนึ่ง) ซึ่งโดยปกติแล้วเป็นสาเหตุหลักประการหนึ่งของการควบคุมแรงดันไฟฟ้าโดยทั่วไปการควบคุมกระแสมักเกี่ยวกับการรักษากระแสที่จ่ายให้คงที่โดยไม่คำนึงถึงความแปรปรวนของความต้านทานโหลดหรือแรงดันไฟฟ้าขาเข้า วงจร (รวมหรือไม่) ที่ใช้เพื่อให้ได้แหล่งจ่ายกระแสคงที่เรียกว่า (Constant) Current Regulatorsและมักใช้ใน Power Electronics
ในขณะที่หน่วยงานกำกับดูแลปัจจุบันมีการนำเสนอในหลายแอปพลิเคชันในช่วงหลายปีที่ผ่านมาพวกเขาไม่ได้เป็นหนึ่งในหัวข้อยอดนิยมในการสนทนาเกี่ยวกับการออกแบบอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์จนกระทั่งเมื่อไม่นาน ขณะนี้หน่วยงานกำกับดูแลปัจจุบันได้รับสถานะที่แพร่หลายเนื่องจากการใช้งานที่สำคัญของพวกเขาในหลอดไฟ LED ท่ามกลางแอปพลิเคชันอื่น ๆ
สำหรับบทความในวันนี้เราจะมองไปที่เหล่านี้หน่วยงานกำกับดูแลในปัจจุบันและตรวจสอบหลักการทำงานอยู่เบื้องหลังพวกเขาออกแบบประเภทและการใช้งานของพวกเขาในหมู่คนอื่น
หลักการทำงานของ Regulator ปัจจุบัน
การทำงานของตัวควบคุมกระแสจะคล้ายกับตัวควบคุมแรงดันไฟฟ้าโดยมีความแตกต่างที่สำคัญคือพารามิเตอร์ที่ควบคุมและปริมาณที่แตกต่างกันไปเพื่อจ่ายเอาต์พุต ในตัวควบคุมแรงดันไฟฟ้ากระแสจะแตกต่างกันไปเพื่อให้ได้ระดับแรงดันไฟฟ้าที่ต้องการในขณะที่ตัวควบคุมกระแสมักเกี่ยวข้องกับการเปลี่ยนแปลงของแรงดัน / ความต้านทานเพื่อให้ได้เอาต์พุตกระแสที่ต้องการ ด้วยเหตุนี้แม้ว่าจะเป็นไปได้ แต่โดยปกติแล้วการควบคุมแรงดันและกระแสในเวลาเดียวกันในวงจรจึงเป็นเรื่องยาก
เพื่อทำความเข้าใจว่าหน่วยงานกำกับดูแลในปัจจุบันทำงานอย่างไรต้องดูกฎหมายโอห์ม
V = IR หรือ I = V / R
ซึ่งหมายถึงการรักษาการไหลของกระแสคงที่ที่เอาต์พุตคุณสมบัติทั้งสองนี้ (แรงดันและความต้านทาน) จะต้องคงที่ในวงจรหรือปรับให้คงที่เมื่อมีการเปลี่ยนแปลงค่าของอีกค่าหนึ่งจะถูกปรับตามเพื่อรักษา กระแสไฟขาออกเดียวกัน ด้วยเหตุนี้การควบคุมกระแสจึงเกี่ยวข้องกับการปรับแรงดันไฟฟ้าหรือความต้านทานในวงจรหรือตรวจสอบให้แน่ใจว่าค่าความต้านทานและแรงดันไฟฟ้าไม่เปลี่ยนแปลงโดยไม่คำนึงถึงข้อกำหนด / ผลกระทบของโหลดที่เชื่อมต่อ
Regulator ปัจจุบันทำงาน
เพื่ออธิบายวิธีการทำงานของตัวควบคุมกระแสไฟฟ้าอย่างถูกต้องลองพิจารณาแผนภาพวงจรด้านล่าง
ตัวต้านทานตัวแปรในวงจรด้านบนใช้เพื่อแสดงการกระทำของตัวควบคุมกระแส เราจะถือว่าตัวต้านทานตัวแปรเป็นแบบอัตโนมัติและสามารถปรับความต้านทานของตัวเองโดยอัตโนมัติได้ เมื่อวงจรถูกขับเคลื่อนตัวต้านทานแบบแปรผันจะปรับความต้านทานเพื่อชดเชยการเปลี่ยนแปลงของกระแสเนื่องจากการเปลี่ยนแปลงของความต้านทานโหลดหรือแหล่งจ่ายแรงดันไฟฟ้า จากคลาสไฟฟ้าพื้นฐานคุณควรจำไว้ว่าเมื่อโหลดซึ่งโดยพื้นฐานแล้วความต้านทาน (+ ความจุ / ตัวเหนี่ยวนำ) เพิ่มขึ้นจะมีประสบการณ์การลดลงของกระแสไฟฟ้าที่มีประสิทธิภาพและในทางกลับกัน ดังนั้นเมื่อโหลดในวงจรเพิ่มขึ้น (ความต้านทานเพิ่มขึ้น) แทนที่จะลดลงในปัจจุบันตัวต้านทานแบบแปรผันจะลดความต้านทานของตัวเองเพื่อชดเชยความต้านทานที่เพิ่มขึ้นและให้กระแสไฟฟ้าไหลเท่ากัน ในทำนองเดียวกันเมื่อความต้านทานโหลดลดลงความต้านทานตัวแปรจะเพิ่มความต้านทานของตัวเองเพื่อชดเชยการลดลงซึ่งจะรักษาค่ากระแสเอาต์พุต
อีกแนวทางหนึ่งในการควบคุมกระแสคือการเชื่อมต่อตัวต้านทานที่สูงเพียงพอควบคู่ไปกับโหลดเพื่อให้สอดคล้องกับกฎของกระแสไฟฟ้าพื้นฐานกระแสไฟฟ้าจะไหลผ่านเส้นทางที่มีความต้านทานน้อยที่สุดซึ่งในกรณีนี้จะผ่านโหลดโดยมีเพียง จำนวนกระแสที่ "เล็กน้อย" ที่ไหลผ่านตัวต้านทานค่าสูง
รูปแบบเหล่านี้มีผลต่อแรงดันไฟฟ้าเช่นกันเนื่องจากตัวควบคุมกระแสบางตัวรักษากระแสที่เอาต์พุตโดยการเปลี่ยนแรงดันไฟฟ้า ดังนั้นจึงแทบเป็นไปไม่ได้เลยที่จะควบคุมแรงดันไฟฟ้าที่เอาต์พุตเดียวกันกับที่มีการควบคุมกระแสไฟฟ้า
การออกแบบหน่วยงานกำกับดูแลปัจจุบัน
ตัวควบคุมกระแสมักจะใช้งานโดยใช้ตัวควบคุมแรงดันไฟฟ้าที่ใช้ IC เช่น MAX1818 และ LM317 หรือโดยการใช้ส่วนประกอบแบบพาสซีฟและแอคทีฟของ jellybean เช่นทรานซิสเตอร์และซีเนอร์ไดโอด
การออกแบบตัวควบคุมกระแสไฟฟ้าโดยใช้ตัวควบคุมแรงดันไฟฟ้า
สำหรับการออกแบบตัวควบคุมกระแสโดยใช้ตัวควบคุมแรงดันไฟฟ้าแบบ IC เทคนิคมักจะเกี่ยวข้องกับการตั้งค่าตัวควบคุมแรงดันไฟฟ้าให้มีความต้านทานต่อโหลดคงที่และมักใช้ตัวควบคุมแรงดันไฟฟ้าเชิงเส้นเนื่องจากแรงดันไฟฟ้าระหว่างเอาต์พุตของตัวควบคุมเชิงเส้นและพื้นดินมักจะแน่น ด้วยเหตุนี้จึงสามารถใส่ตัวต้านทานคงที่ระหว่างขั้วเพื่อให้กระแสคงที่ไหลไปยังโหลด ตัวอย่างที่ดีของการออกแบบตามนี้ได้รับการตีพิมพ์ในสิ่งพิมพ์ EDN ฉบับหนึ่งโดย Budge Ing ในปี 2559
วงจรที่ใช้ใช้ตัวควบคุมเชิงเส้น LDO MAX1818เพื่อสร้างแหล่งจ่ายกระแสไฟฟ้าที่มีการควบคุมกระแสคงที่สูง แหล่งจ่าย (แสดงในภาพด้านบน) ได้รับการออกแบบให้ฟีด RLOAD ด้วยกระแสคงที่ซึ่งเท่ากับ I = 1.5V / ROUT โดยที่ 1.5V คือแรงดันเอาต์พุตที่ตั้งไว้ล่วงหน้าของMAX1818แต่สามารถเปลี่ยนได้โดยใช้ตัวแบ่งตัวต้านทานภายนอก
เพื่อให้แน่ใจว่าการออกแบบมีประสิทธิภาพสูงสุดแรงดันไฟฟ้าที่ขั้วอินพุตของ MAX1818 ต้องสูงถึง 2.5V และไม่เกิน 5.5v เนื่องจากเป็นช่วงการทำงานที่กำหนดโดยแผ่นข้อมูล เพื่อให้เป็นไปตามเงื่อนไขนั้นให้เลือกค่า ROUT ที่อนุญาตให้ 2.5V ถึง 5.5V ระหว่าง IN และ GND ตัวอย่างเช่นเมื่อโหลดบอกว่า100Ωพร้อม 5V VCC อุปกรณ์จะทำงานได้อย่างถูกต้องโดยมี ROUT สูงกว่า60Ωเนื่องจากค่านี้อนุญาตให้มีกระแสไฟฟ้าที่ตั้งโปรแกรมได้สูงสุด 1.5V / 60Ω = 25mA แรงดันไฟฟ้าทั่วทั้งอุปกรณ์จะเท่ากับค่าต่ำสุดที่อนุญาต: 5V - (25mA ×100Ω) = 2.5V
ตัวควบคุมเชิงเส้นอื่น ๆ เช่น LM317 ยังสามารถใช้ในกระบวนการออกแบบที่คล้ายคลึงกันได้ แต่ประโยชน์ที่สำคัญอย่างหนึ่งที่ IC เช่น MAX1818 มีเหนือสิ่งอื่น ๆ คือความจริงที่ว่าพวกเขารวมการปิดระบบความร้อนซึ่งอาจมีความสำคัญมากในการควบคุมปัจจุบันเนื่องจากอุณหภูมิของ IC มีแนวโน้มที่จะร้อนเมื่อเชื่อมต่อโหลดที่มีความต้องการกระแสไฟฟ้าสูง
สำหรับตัวควบคุมกระแสตาม LM317ให้พิจารณาวงจรด้านล่าง
LM317s ได้รับการออกแบบในลักษณะที่ตัวควบคุมจะปรับแรงดันไฟฟ้าไปเรื่อย ๆ จนกระทั่งแรงดันไฟฟ้าระหว่างขาเอาต์พุตและขาปรับอยู่ที่ 1.25v และโดยปกติจะใช้ตัวแบ่งดังกล่าวเมื่อใช้งานในสถานการณ์ควบคุมแรงดันไฟฟ้า แต่สำหรับกรณีการใช้งานของเราในฐานะตัวควบคุมปัจจุบันมันทำให้สิ่งต่าง ๆ ง่ายมากสำหรับเราเพราะเนื่องจากแรงดันไฟฟ้าคงที่สิ่งที่เราต้องทำเพื่อให้ค่าคงที่ในปัจจุบันคือเพียงแค่ใส่ตัวต้านทานในอนุกรมระหว่างขา Vout และ ADJ ดังแสดงในวงจรด้านบน ดังนั้นเราจึงสามารถตั้งค่ากระแสเอาต์พุตเป็นค่าคงที่ซึ่งกำหนดโดย;
ผม = 1.25 / R
ด้วยค่า R เป็นปัจจัยดีเทอร์มิแนนต์ของค่ากระแสเอาต์พุต
ในการสร้างตัวควบคุมกระแสแบบแปรผันเราจะต้องเพิ่มตัวต้านทานตัวแปรให้กับวงจรควบคู่ไปกับตัวต้านทานอื่นเพื่อสร้างตัวแบ่งไปยังพินที่ปรับได้ดังแสดงในภาพด้านล่าง
การทำงานของวงจรจะเหมือนกับวงจรก่อนหน้าโดยมีข้อแตกต่างคือสามารถปรับกระแสในวงจรได้โดยการหมุนลูกบิดของโพเทนชิออมิเตอร์เพื่อเปลี่ยนความต้านทาน แรงดันไฟฟ้าข้าม R ให้โดย;
V = (1 + R1 / R2) x 1.25
ซึ่งหมายความว่าปัจจุบันข้าม R นั้นกำหนดโดย;
ฉันR = (1.25 / R) x (1+ R1 / R2)
ทำให้วงจรมีช่วงกระแส I = 1.25 / R และ (1.25 / R) x (1 + R1 / R2)
ขึ้นอยู่กับชุดปัจจุบัน ตรวจสอบให้แน่ใจว่าพิกัดวัตต์ของตัวต้านทาน R สามารถทนต่อปริมาณกระแสไฟฟ้าที่จะไหลผ่านได้
ข้อดีและข้อเสียของการใช้ LDO เป็นตัวควบคุมปัจจุบัน
ด้านล่างนี้เป็นข้อดีบางประการสำหรับการเลือกแนวทางควบคุมแรงดันไฟฟ้าเชิงเส้น
- ไอซี Regulator รวมการป้องกันอุณหภูมิซึ่งอาจมีประโยชน์เมื่อเชื่อมต่อโหลดที่มีความต้องการกระแสไฟมากเกินไป
- ไอซี Regulator มีความทนทานต่อแรงดันไฟฟ้าอินพุตขนาดใหญ่และในระดับที่ดีรองรับการกระจายพลังงานสูง
- วิธีการควบคุม ICs เกี่ยวข้องกับการใช้ส่วนประกอบจำนวนน้อยโดยการเพิ่มตัวต้านทานเพียงไม่กี่ตัวในกรณีส่วนใหญ่ยกเว้นในกรณีที่ต้องใช้กระแสไฟฟ้าที่สูงขึ้นและมีการเชื่อมต่อทรานซิสเตอร์กำลัง ซึ่งหมายความว่าคุณสามารถใช้ IC เดียวกันสำหรับการควบคุมแรงดันและกระแส
- การลดจำนวนส่วนประกอบอาจหมายถึงการลดต้นทุนการใช้งานและเวลาในการออกแบบ
ข้อเสีย:
ในทางกลับกันการกำหนดค่าที่อธิบายไว้ภายใต้วิธีการควบคุม ICs ช่วยให้การไหลของกระแสไฟฟ้าหยุดนิ่งจากตัวควบคุมไปยังโหลดนอกเหนือจากแรงดันเอาต์พุตที่มีการควบคุม สิ่งนี้ทำให้เกิดข้อผิดพลาดซึ่งอาจไม่ได้รับอนุญาตในบางแอปพลิเคชัน อย่างไรก็ตามสิ่งนี้สามารถลดลงได้โดยการเลือกตัวควบคุมที่มีกระแสไฟฟ้านิ่งต่ำมาก
ข้อเสียอีกประการหนึ่งของแนวทาง IC ควบคุมคือการขาดความยืดหยุ่นในการออกแบบ
นอกเหนือจากการใช้ไอซีตัวควบคุมแรงดันไฟฟ้าแล้วตัวควบคุมกระแสยังสามารถออกแบบโดยใช้ชิ้นส่วนของเยลลี่บีนรวมถึงทรานซิสเตอร์โอแอมป์และซีเนอร์ไดโอดที่มีตัวต้านทานที่จำเป็น ใช้ซีเนอร์ไดโอดในวงจรอาจเป็นเกมง่ายๆราวกับว่าคุณจำได้ว่าซีเนอร์ไดโอดใช้สำหรับควบคุมแรงดันไฟฟ้า การออกแบบตัวควบคุมกระแสโดยใช้ชิ้นส่วนเหล่านี้มีความยืดหยุ่นมากที่สุดเนื่องจากมักจะรวมเข้ากับวงจรที่มีอยู่ได้ง่าย
ตัวควบคุมปัจจุบันโดยใช้ทรานซิสเตอร์
เราจะพิจารณาการออกแบบสองแบบภายใต้ส่วนนี้ คนแรกที่จะมีการใช้งานของทรานซิสเตอร์เท่านั้นในขณะที่สองจะมีส่วนผสมของเครื่องขยายเสียงการดำเนินงานและพลังงานทรานซิสเตอร์ที่
สำหรับรุ่นที่มีทรานซิสเตอร์ให้พิจารณาวงจรด้านล่าง
ตัวควบคุมกระแสที่อธิบายไว้ในวงจรข้างต้นเป็นหนึ่งในการออกแบบตัวควบคุมกระแสที่ง่ายที่สุด มันเป็นต่ำด้านควบคุมปัจจุบัน; ฉันเชื่อมต่อหลังจากโหลดก่อนพื้นดินประกอบด้วยองค์ประกอบหลักสามส่วน ทรานซิสเตอร์ควบคุม (2N5551) ทรานซิสเตอร์กำลัง (TIP41) และตัวต้านทานแบบปัด (R)ส่วนแบ่งซึ่งโดยพื้นฐานแล้วเป็นตัวต้านทานที่มีค่าต่ำใช้เพื่อวัดกระแสที่ไหลผ่านโหลด เมื่อเปิดวงจรแรงดันไฟฟ้าตกจะถูกบันทึกไว้ที่ส่วนแบ่ง ค่าความต้านทานโหลดสูงขึ้น RL ก็จะยิ่งแรงดันตกคร่อมที่สูงขึ้น แรงดันตกคร่อมตัวแบ่งจะทำหน้าที่เป็นตัวกระตุ้นให้ทรานซิสเตอร์ควบคุมซึ่งยิ่งแรงดันตกคร่อมสูงขึ้นเท่าใดทรานซิสเตอร์ก็จะดำเนินการและควบคุมแรงดันไบอัสที่ใช้กับฐานของทรานซิสเตอร์กำลังเพื่อเพิ่มหรือลดการนำด้วย ตัวต้านทาน R1 ทำหน้าที่เป็นตัวต้านทานอคติ
เช่นเดียวกับวงจรอื่น ๆ ตัวต้านทานแบบแปรผันสามารถเพิ่มควบคู่ไปกับตัวต้านทานแบบแบ่งเพื่อเปลี่ยนระดับกระแสไฟฟ้าโดยการเปลี่ยนปริมาณแรงดันไฟฟ้าที่ฐานของทรานซิสเตอร์ควบคุม
Current Regulator โดยใช้ Op-Amp
สำหรับเส้นทางการออกแบบที่สองให้พิจารณาวงจรด้านล่าง
วงจรนี้มีพื้นฐานมาจากแอมพลิฟายเออร์การทำงานและเช่นเดียวกับในตัวอย่างของทรานซิสเตอร์มันยังใช้ตัวต้านทานแบบแบ่งสำหรับการตรวจจับกระแส แรงดันตกคร่อมตัวแบ่งจะถูกป้อนเข้าในแอมพลิฟายเออร์ที่ใช้งานได้ซึ่งจะเปรียบเทียบกับแรงดันอ้างอิงที่กำหนดโดยซีเนอร์ไดโอด ZD1 ออปแอมป์จะชดเชยความคลาดเคลื่อน (สูงหรือต่ำ) ของแรงดันไฟฟ้าอินพุตสองตัวโดยการปรับแรงดันไฟฟ้าขาออก แรงดันไฟฟ้าขาออกของเครื่องขยายเสียงที่ใช้งานได้เชื่อมต่อกับ FET กำลังสูงและการนำไฟฟ้าเกิดขึ้นตามแรงดันไฟฟ้าที่ใช้
ความแตกต่างที่สำคัญระหว่างการออกแบบนี้กับแบบแรกคือแรงดันอ้างอิงที่ใช้โดยซีเนอร์ไดโอด การออกแบบทั้งสองแบบนี้เป็นแบบเชิงเส้นและความร้อนจำนวนมากจะถูกสร้างขึ้นที่โหลดสูงเช่นนี้ควรติดตั้งฮีตซิงก์เพื่อกระจายความร้อน
ข้อดีและข้อเสีย
ข้อได้เปรียบที่สำคัญของแนวทางการออกแบบนี้คือความยืดหยุ่นที่มอบให้กับนักออกแบบ สามารถเลือกชิ้นส่วนและกำหนดค่าการออกแบบเพื่อลิ้มรสโดยไม่มีข้อ จำกัด ใด ๆ ที่เกี่ยวข้องกับวงจรภายในซึ่งกำหนดลักษณะของวิธีการควบคุมตาม IC
ในทางกลับกันวิธีนี้มีแนวโน้มที่จะน่าเบื่อใช้เวลานานต้องใช้ชิ้นส่วนมากขึ้นมีขนาดใหญ่เสี่ยงต่อการล้มเหลวและมีราคาแพงกว่าเมื่อเปรียบเทียบกับแนวทาง IC ที่ใช้ตัวควบคุม
การประยุกต์ใช้หน่วยงานกำกับดูแลปัจจุบัน
ตัวควบคุมกระแสคงที่จะค้นหาแอปพลิเคชันในอุปกรณ์ทุกประเภทตั้งแต่วงจรจ่ายไฟวงจรการชาร์จแบตเตอรี่ไปจนถึงไดรเวอร์ LED และแอปพลิเคชันอื่น ๆ ที่ต้องควบคุมกระแสคงที่โดยไม่คำนึงถึงโหลดที่ใช้
สำหรับบทความนี้! หวังว่าคุณจะได้เรียนรู้หนึ่งหรือสองสิ่ง
ไว้คราวหน้า!