Regulator saat ini: jenis konstruksi, pekerjaan dan desain

Sama seperti situasi di mana kita perlu mengatur tegangan dalam desain kita, ada skenario di mana kita perlu mengatur arus yang disuplai ke bagian tertentu dari rangkaian kita. Tidak seperti transformasi (mengubah dari satu level tegangan ke level lain) yang biasanya merupakan salah satu alasan utama regulasi tegangan, regulasi arus biasanya tentang menjaga arus yang disuplai konstan, terlepas dari variasi resistansi beban atau tegangan input. Sirkuit (terintegrasi atau tidak) yang digunakan untuk mencapai suplai arus konstan disebut Regulator Arus (Konstan) dan sangat umum digunakan dalam Power Electronics.

Sementara regulator saat ini telah ditampilkan dalam beberapa aplikasi selama bertahun-tahun, mereka bisa dibilang bukan salah satu topik paling populer dalam percakapan desain elektronik hingga saat ini. Regulator saat ini sekarang telah mencapai semacam status di mana-mana karena aplikasi penting mereka dalam Pencahayaan LED di antara aplikasi lainnya.

Untuk artikel hari ini, kita akan melihat regulator saat ini dan memeriksa prinsip operasi di baliknya, desain, jenis, dan aplikasinya, antara lain.

Prinsip Operasi Regulator Saat Ini

Pengoperasian pengatur arus mirip dengan pengatur tegangan dengan perbedaan utama adalah parameter yang mereka atur dan kuantitas yang bervariasi untuk memasok keluarannya. Pada regulator tegangan, arus divariasikan untuk mencapai level tegangan yang dibutuhkan, sedangkan regulator arus biasanya melibatkan variasi tegangan / resistansi untuk mencapai keluaran arus yang dibutuhkan. Dengan demikian, meskipun memungkinkan, biasanya sulit untuk mengatur tegangan dan arus pada saat yang sama dalam suatu rangkaian.

Untuk memahami bagaimana regulator saat ini bekerja membutuhkan pandangan sekilas pada hukum ohm;

V = IR atau I = V / R

Ini berarti untuk menjaga aliran arus konstan pada keluaran, kedua properti ini (tegangan dan resistansi) harus dijaga konstan dalam rangkaian atau disesuaikan sedemikian rupa sehingga ketika ada perubahan di satu, nilai yang lain disesuaikan untuk mempertahankan arus keluaran yang sama. Dengan demikian, regulasi saat ini melibatkan penyesuaian pada tegangan atau resistansi dalam rangkaian atau memastikan nilai Resistansi dan Tegangan tidak berubah terlepas dari persyaratan / dampak beban yang terhubung.

Regulator Saat Ini Bekerja

Untuk menjelaskan dengan tepat bagaimana regulator saat ini beroperasi, mari pertimbangkan diagram rangkaian di bawah ini.

Resistor variabel pada rangkaian di atas digunakan untuk mewakili tindakan pengatur arus. Kami akan menganggap resistor variabel otomatis dan dapat menyesuaikan resistansinya sendiri secara otomatis. Ketika rangkaian diberi daya, resistor variabel menyesuaikan resistansinya untuk mengkompensasi perubahan arus karena variasi resistansi beban atau suplai tegangan. Dari kelas kelistrikan dasar, Anda harus ingat bahwa ketika beban, yang pada dasarnya adalah resistansi (+ kapasitansi / induktansi) dinaikkan, akan terjadi penurunan arus yang efektif dan sebaliknya. Jadi, ketika beban dalam rangkaian dinaikkan (peningkatan resistansi), daripada penurunan arus, resistor variabel mengurangi resistansinya sendiri untuk mengimbangi peningkatan resistansi dan memastikan aliran arus yang sama. Dengan cara yang sama, ketika tahanan beban berkurang,resistansi variabel meningkatkan resistansinya sendiri untuk mengkompensasi pengurangan, sehingga mempertahankan nilai arus keluaran.

Pendekatan lain dalam pengaturan arus adalah dengan menghubungkan resistor yang cukup tinggi secara paralel dengan beban sedemikian rupa sehingga sesuai dengan hukum kelistrikan dasar, arus akan mengalir melalui jalur dengan hambatan terkecil yang dalam hal ini akan melalui beban, dengan hanya jumlah arus yang "dapat diabaikan" yang mengalir melalui resistor bernilai tinggi.

Variasi ini juga mempengaruhi tegangan karena beberapa regulator arus menjaga arus pada keluaran dengan memvariasikan tegangan. Dengan demikian, hampir tidak mungkin untuk mengatur tegangan pada keluaran yang sama di mana arus sedang diatur.

Desain Regulator Saat Ini

Regulator arus biasanya diimplementasikan menggunakan regulator tegangan berbasis IC seperti MAX1818 dan LM317 atau dengan menggunakan komponen pasif dan aktif jellybean seperti transistor dan dioda Zener.

Merancang Regulator Arus menggunakan Regulator Tegangan

Untuk perancangan regulator arus menggunakan regulator tegangan berbasis IC, teknik ini biasanya melibatkan pengaturan regulator tegangan agar memiliki tahanan beban yang konstan dan biasanya digunakan regulator tegangan linier karena, tegangan antara keluaran regulator linier dan groundnya biasanya rapat. diatur, dengan demikian, resistor tetap dapat disisipkan di antara terminal sedemikian rupa sehingga arus tetap mengalir ke beban. Contoh bagus desain berdasarkan ini dipublikasikan di salah satu publikasi EDN oleh Budge Ing In 2016.

Sirkuit yang digunakan menggunakan regulator linier LDO MAX1818 untuk membuat suplai yang diatur arus konstan sisi tinggi. Suplai (ditunjukkan pada gambar di atas) dirancang sedemikian rupa sehingga memberi makan RLOAD dengan arus konstan, yang sama dengan I = 1.5V / ROUT. Di mana 1.5V adalah tegangan keluaran preset dari MAX1818 tetapi dapat diubah menggunakan pembagi resistif eksternal.

Untuk memastikan kinerja desain yang optimal, tegangan pada terminal input MAX1818 harus mencapai 2.5V dan tidak di atas 5.5v karena ini adalah rentang operasi yang ditentukan oleh lembar data. Untuk memenuhi kondisi tersebut, pilih nilai ROUT yang memungkinkan 2.5V hingga 5.5V antara IN dan GND. Misalnya ketika beban katakanlah 100Ω dengan VCC 5V, perangkat berfungsi dengan baik dengan ROUT di atas 60Ω karena nilainya memungkinkan arus maksimum yang dapat diprogram 1,5V / 60Ω = 25mA. Tegangan di perangkat kemudian sama dengan minimum yang diizinkan: 5V - (25mA × 100Ω) = 2.5V.

Regulator linier lainnya seperti LM317 juga dapat digunakan dalam proses desain yang serupa tetapi salah satu manfaat utama yang dimiliki IC seperti MAX1818 dibandingkan yang lain adalah fakta bahwa mereka menggabungkan penghentian termal yang bisa sangat penting dalam regulasi saat ini sebagai suhu IC cenderung menjadi panas ketika beban dengan kebutuhan arus tinggi dihubungkan.

Untuk pengatur arus berbasis LM317, pertimbangkan rangkaian di bawah ini;

LM317s dirancang sedemikian rupa sehingga regulator terus menyesuaikan tegangannya sampai tegangan antara pin output dan pin penyesuaiannya berada pada 1.25v dan dengan demikian pembagi biasanya digunakan saat mengimplementasikan dalam situasi regulator tegangan. Tetapi untuk kasus penggunaan kami sebagai pengatur arus, itu sebenarnya membuat segalanya menjadi sangat mudah bagi kami karena, karena tegangannya konstan, yang perlu kita lakukan untuk membuat arus konstan adalah dengan memasukkan resistor secara seri antara pin Vout dan ADJ. seperti yang ditunjukkan pada rangkaian di atas. Dengan demikian, kita dapat mengatur arus keluaran ke nilai tetap yang diberikan oleh;

I = 1,25 / R

Dengan nilai R menjadi faktor penentu nilai arus keluaran.

Untuk membuat pengatur arus variabel, kita hanya perlu menambahkan resistor variabel ke rangkaian bersama resistor lain untuk membuat pembatas ke pin yang dapat disesuaikan seperti yang ditunjukkan pada gambar di bawah ini.

Pengoperasian rangkaian sama dengan rangkaian sebelumnya dengan perbedaan arus dapat diatur dalam rangkaian dengan memutar kenop potensiometer untuk memvariasikan resistansi. Tegangan di R diberikan oleh;

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

Ini berarti Arus melintasi R diberikan oleh;

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

Ini memberi rangkaian rentang arus I = 1,25 / R dan (1,25 / R) x (1 + R1 / R2)

Tergantung pada arus yang disetel; memastikan nilai watt resistor R dapat menahan jumlah arus yang akan mengalir melaluinya.

Keuntungan dan Kerugian menggunakan LDO sebagai Regulator Saat Ini

Di bawah ini adalah beberapa keuntungan untuk memilih pendekatan regulator tegangan linier.

IC regulator menggabungkan perlindungan suhu berlebih yang dapat berguna ketika beban dengan persyaratan arus berlebih dihubungkan.
IC regulator memiliki toleransi yang lebih besar untuk tegangan input yang besar dan sebagian besar mendukung disipasi daya tinggi.
Pendekatan IC regulator melibatkan penggunaan sejumlah kecil komponen dengan penambahan hanya beberapa resistor dalam banyak kasus kecuali untuk kasus di mana arus yang lebih tinggi diperlukan dan transistor daya dihubungkan. Ini berarti Anda dapat menggunakan IC yang sama untuk pengaturan tegangan dan arus.
Pengurangan jumlah komponen dapat berarti pengurangan biaya implementasi dan waktu desain.

Kekurangan:

Di sisi lain, konfigurasi yang dijelaskan di bawah pendekatan IC regulator memungkinkan aliran arus diam dari regulator ke beban selain tegangan keluaran yang diatur. Ini menimbulkan kesalahan yang mungkin tidak diizinkan dalam aplikasi tertentu. Namun, hal ini dapat dikurangi dengan memilih regulator dengan arus diam yang sangat rendah.

Kelemahan lain dari pendekatan IC regulator adalah kurangnya fleksibilitas dalam desain.

Selain menggunakan IC Regulator Tegangan, regulator arus juga dapat dirancang dengan menggunakan komponen jellybean termasuk transistor, opamp, dan dioda Zener dengan resistor yang diperlukan. Dioda Zener digunakan di rangkaian mungkin sebagai no brainer seolah-olah Anda ingat dioda Zener digunakan untuk pengaturan tegangan. Desain regulator arus yang menggunakan bagian-bagian ini paling fleksibel karena biasanya mudah diintegrasikan ke dalam rangkaian yang ada.

Regulator Saat Ini menggunakan Transistor

Kami akan mempertimbangkan dua desain di bawah bagian ini. Yang pertama akan menampilkan penggunaan transistor saja sedangkan yang kedua akan menampilkan campuran penguat operasional dan transistor daya.

Untuk yang memiliki Transistor, perhatikan rangkaian di bawah ini.

Regulator arus yang dijelaskan pada rangkaian di atas merupakan salah satu desain regulator arus yang paling sederhana. Ini adalah pengatur arus sisi rendah; Saya terhubung setelah beban sebelum tanah. Itu terdiri dari tiga komponen utama; transistor kontrol (2N5551), transistor daya (TIP41) dan resistor shunt (R).Shunt, yang pada dasarnya merupakan resistor bernilai rendah, digunakan untuk mengukur arus yang mengalir melalui beban. Saat rangkaian dinyalakan, penurunan tegangan dicatat di seluruh shunt. Semakin tinggi nilai resistansi beban RL, semakin tinggi penurunan tegangan melintasi shunt. Penurunan tegangan pada shunt bertindak sebagai pemicu untuk transistor kontrol sehingga semakin tinggi penurunan tegangan pada shunt, semakin banyak transistor melakukan dan mengatur tegangan bias yang diterapkan ke basis transistor daya untuk meningkatkan atau mengurangi konduksi dengan resistor R1 bertindak sebagai resistor bias.

Sama seperti rangkaian lainnya, resistor variabel dapat ditambahkan secara paralel ke resistor shunt untuk memvariasikan level arus dengan memvariasikan jumlah tegangan yang diterapkan pada basis transistor kontrol.

Regulator Saat Ini menggunakan Op-Amp

Untuk jalur desain kedua, perhatikan sirkuit di bawah ini;

Rangkaian ini didasarkan pada penguat operasi, dan seperti pada contoh dengan transistor, rangkaian ini juga menggunakan resistor shunt untuk penginderaan arus. Penurunan tegangan pada shunt diumpankan ke penguat operasional yang kemudian membandingkannya dengan tegangan referensi yang ditetapkan oleh dioda Zener ZD1. Op-amp mengkompensasi setiap ketidaksesuaian (tinggi atau rendah) pada dua tegangan masukan dengan menyesuaikan tegangan keluarannya. Tegangan keluaran penguat operasional dihubungkan ke FET daya tinggi dan konduksi terjadi berdasarkan tegangan yang diberikan.

Perbedaan utama antara desain ini dan yang pertama adalah tegangan referensi yang diterapkan oleh dioda Zener. Kedua desain ini linier dan jumlah panas yang tinggi akan dihasilkan pada beban tinggi karena itu, heat sink harus digabungkan untuk menghilangkan panas.

Keuntungan dan Kerugian

Keuntungan utama dari pendekatan desain ini adalah fleksibilitas yang diberikan kepada desainer. Bagian-bagiannya dapat dipilih dan desainnya dikonfigurasi sesuai selera tanpa ada batasan yang terkait dengan sirkuit internal yang menjadi ciri pendekatan berbasis IC regulator.

Di sisi lain, pendekatan ini cenderung lebih membosankan, memakan waktu, membutuhkan lebih banyak suku cadang, besar, rentan gagal, dan lebih mahal jika dibandingkan dengan pendekatan IC berbasis regulator.

Penerapan Regulator Saat Ini

Regulator arus konstan menemukan aplikasi di semua jenis perangkat mulai dari sirkuit catu daya, sirkuit pengisian baterai, hingga driver LED dan aplikasi lain di mana arus tetap perlu diatur terlepas dari Beban yang diterapkan.

Sekian untuk artikel ini! Harap Anda mempelajari satu atau dua hal.

Sampai nanti!