Reguladores atuais: tipos de construção, trabalho e design

Assim como nas situações em que precisamos regular a tensão em nossos projetos, há cenários em que precisamos regular a corrente que está sendo fornecida a uma parte específica do nosso circuito. Ao contrário da transformação (mudança de um nível de tensão para outro), que geralmente é uma das principais razões para a regulação da tensão, a regulação da corrente geralmente trata de manter a corrente fornecida constante, independentemente das variações na resistência da carga ou da tensão de entrada. Os circuitos (integrados ou não) que são utilizados para obter alimentação de corrente constante são chamados de Reguladores de Corrente (Constante) e são muito utilizados em Eletrônica de Potência.

Embora os reguladores atuais tenham sido apresentados em várias aplicações ao longo dos anos, eles provavelmente não são um dos tópicos mais populares nas conversas sobre projetos eletrônicos até recentemente. Os reguladores atuais alcançaram uma espécie de status onipresente devido às suas importantes aplicações em iluminação LED, entre outras aplicações.

Para o artigo de hoje, veremos esses reguladores atuais e examinaremos os princípios operacionais por trás deles, seu design, tipos e aplicações, entre outros.

Princípio de operação do regulador de corrente

O funcionamento de um regulador de corrente é semelhante ao do regulador de tensão, com a principal diferença sendo o parâmetro que eles regulam e a quantidade que variam para fornecer sua saída. Em reguladores de tensão, a corrente é variada para atingir o nível de tensão necessário, enquanto os reguladores de corrente geralmente envolvem variações na tensão / resistência para atingir a saída de corrente necessária. Como tal, embora seja possível, geralmente é difícil regular a tensão e a corrente ao mesmo tempo em um circuito.

Para entender como os reguladores atuais funcionam, é necessário dar uma olhada rápida na lei de ohms;

V = IR ou I = V / R

Isso significa que, para manter um fluxo de corrente constante em uma saída, essas duas propriedades (tensão e resistência) devem ser mantidas constantes em um circuito ou ajustadas de forma que quando houver uma mudança em uma, o valor da outra seja ajustado de acordo para reter o mesma corrente de saída. Como tal, a regulação atual envolve fazer um ajuste na tensão ou resistência em um circuito ou garantir que os valores de Resistência e Tensão permaneçam inalterados, independentemente dos requisitos / impactos da carga conectada.

Regulador Atual Funcionando

Para descrever adequadamente como um regulador de corrente opera, vamos considerar o diagrama de circuito abaixo.

O resistor variável no circuito acima é usado para representar as ações de um regulador de corrente. Assumiremos que o resistor variável é automatizado e pode ajustar automaticamente sua própria resistência. Quando o circuito é energizado, o resistor variável ajusta sua resistência para compensar as mudanças na corrente devido à variação na resistência da carga ou no fornecimento de tensão. Da aula de eletricidade básica, você deve se lembrar que quando a carga, que é essencialmente resistência (+ capacitância / indutância), é aumentada, ocorre uma queda efetiva na corrente e vice-versa. Assim, quando a carga no circuito é aumentada (aumento na resistência), ao invés de uma queda de corrente, o resistor variável reduz sua própria resistência para compensar o aumento da resistência e garantir o mesmo fluxo de corrente. Da mesma forma, quando a resistência da carga reduz,a resistência variável aumenta sua própria resistência para compensar a redução, mantendo assim o valor da corrente de saída.

Outra abordagem na regulação atual é conectar um resistor suficientemente alto em paralelo com a carga de modo que, de acordo com as leis da eletricidade básica, a corrente flua através do caminho com menor resistência que, neste caso, será através da carga, com apenas uma quantidade "desprezível" de corrente fluindo através do resistor de alto valor.

Essas variações também afetam a tensão, pois alguns reguladores de corrente mantêm a corrente na saída variando a tensão. Assim, é quase impossível regular a tensão na mesma saída em que a corrente está sendo regulada.

Projeto de reguladores atuais

Os reguladores de corrente são geralmente implementados usando reguladores de tensão baseados em IC, como o MAX1818 e o LM317, ou pelo uso de componentes passivos e ativos Jellybean, como transistores e diodos Zener.

Projetando reguladores de corrente usando reguladores de tensão

Para o projeto de reguladores de corrente usando regulador de tensão baseado em IC, a técnica geralmente envolve a configuração de reguladores de tensão para ter uma resistência de carga constante e reguladores de tensão linear são normalmente usados porque, a tensão entre a saída dos reguladores lineares e seu aterramento é geralmente apertada regulado, como tal, um resistor fixo pode ser inserido entre os terminais de modo que uma corrente fixa flua para a carga. Um bom exemplo de design baseado nisso foi publicado em uma das publicações da EDN pela Budge Ing em 2016.

O circuito empregado usa o regulador linear LDO MAX1818 para criar uma fonte regulada de corrente constante do lado alto. A alimentação (mostrada na imagem acima) foi projetada de forma a alimentar RLOAD com corrente constante, que é igual a I = 1,5V / ROUT. Onde 1,5 V é a tensão de saída predefinida do MAX1818, mas pode ser alterada usando um divisor resistivo externo.

Para garantir o desempenho ideal do projeto, a tensão no terminal de entrada do MAX1818 deve ser de até 2,5 V e não acima de 5,5 V, pois esta é a faixa operacional estipulada pela ficha técnica. Para satisfazer essa condição, escolha um valor ROUT que permita 2,5 V a 5,5 V entre IN e GND. Por exemplo, quando uma carga de digamos 100Ω com um VCC de 5 V, o dispositivo funciona corretamente com ROTA acima de 60Ω, pois o valor permite uma corrente máxima programável de 1,5 V / 60Ω = 25 mA. A tensão no dispositivo é então igual ao mínimo permitido: 5 V - (25 mA × 100Ω) = 2,5 V.

Outros reguladores lineares como o LM317 também podem ser usados em um processo de design semelhante, mas um dos principais benefícios que CIs como o MAX1818 têm sobre os outros é o fato de incorporarem desligamento térmico que pode ser muito importante na regulação atual como a temperatura do IC tende a ficar quente quando cargas com requisitos de alta corrente são conectadas.

Para o regulador de corrente baseado em LM317, considere o circuito abaixo;

Os LM317s são projetados de forma que o regulador continue ajustando sua tensão até que a tensão entre o pino de saída e o pino de ajuste esteja em 1,25 V e, como tal, um divisor é normalmente usado ao implementar em uma situação de regulador de tensão. Mas para o nosso caso de uso como um regulador de corrente, isso realmente torna as coisas muito fáceis para nós porque, como a tensão é constante, tudo o que precisamos fazer para tornar a corrente constante é simplesmente inserir um resistor em série entre o pino Vout e ADJ como mostrado no circuito acima. Como tal, somos capazes de definir a corrente de saída para um valor fixo que é dado por;

I = 1,25 / R

Com o valor de R sendo o fator determinante do valor da corrente de saída.

Para criar um regulador de corrente variável, precisamos apenas adicionar um resistor variável ao circuito ao lado de outro resistor para criar um divisor para o pino ajustável, conforme mostrado na imagem abaixo.

O funcionamento do circuito é igual ao anterior, com a diferença de que a corrente pode ser ajustada no circuito girando o botão do potenciômetro para variar a resistência. A voltagem em R está passando;

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

Isso significa que a corrente em R é dada por;

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

Isso dá ao circuito uma faixa de corrente de I = 1,25 / R e (1,25 / R) x (1 + R1 / R2)

Depende da corrente definida; certifique-se de que a classificação em watt do resistor R pode suportar a quantidade de corrente que fluirá através dele.

Vantagens e desvantagens de usar LDO como regulador de corrente

Abaixo estão algumas vantagens para selecionar a abordagem do regulador de tensão linear.

Os CIs reguladores incorporam proteção contra temperatura excessiva que pode ser útil quando cargas com requisitos de corrente excessivos são conectadas.
Os CIs reguladores têm uma tolerância maior para grandes tensões de entrada e, em grande parte, suportam uma dissipação de alta potência.
A abordagem dos CIs do regulador envolve o uso de uma quantidade menor de componentes com a adição de apenas alguns resistores na maioria dos casos, exceto nos casos em que correntes mais altas são necessárias e transistores de potência são conectados. Isso significa que você pode usar o mesmo IC para regulação de tensão e corrente.
A redução no número de componentes pode significar uma redução no custo de implementação e no tempo de design.

Desvantagens:

Por outro lado, as configurações descritas na abordagem dos CIs do regulador permitem o fluxo de corrente quiescente do regulador para a carga, além da tensão de saída regulada. Isso introduz um erro que pode não ser permitido em certas aplicações. Isso poderia, no entanto, ser reduzido escolhendo um regulador com uma corrente quiescente muito baixa.

Outra desvantagem da abordagem do regulador IC é a falta de flexibilidade no projeto.

Além do uso de CIs reguladores de tensão, os reguladores de corrente também podem ser projetados com peças de jellybean, incluindo transistores, opamps e diodo Zener com os resistores necessários. Um diodo Zener é usado no circuito provavelmente como um acéfalo, se você se lembrar que o diodo Zener é usado para regulação de tensão. O projeto do regulador de corrente usando essas peças é o mais flexível, pois geralmente são fáceis de integrar aos circuitos existentes.

Regulador de corrente usando transistores

Consideraremos dois projetos nesta seção. O primeiro contará com o uso de transistores apenas, enquanto o segundo contará com uma mistura de um amplificador operacional e um transistor de potência.

Para aquele com transistores, considere o circuito abaixo.

O regulador de corrente descrito no circuito acima é um dos projetos de regulador de corrente mais simples. É um regulador de corrente do lado inferior; Liguei após a carga antes do solo. É composto de três componentes principais; um transistor de controle (o 2N5551), um transistor de potência (O TIP41) e um resistor de derivação (R).O shunt, que é essencialmente um resistor de baixo valor, é usado para medir a corrente que flui através da carga. Quando o circuito é ligado, uma queda de tensão é observada no shunt. Quanto mais alto for o valor da resistência de carga RL, maior será a queda de tensão no shunt. A queda de voltagem através do shunt atua como um gatilho para o transistor de controle de modo que quanto maior a queda de voltagem através do shunt, mais o transistor conduz e regula a voltagem de polarização aplicada à base do transistor de potência para aumentar ou reduzir a condução com o resistor R1 atuando como o resistor de polarização.

Assim como com os outros circuitos, um resistor variável pode ser adicionado em paralelo ao resistor shunt para variar o nível de corrente variando a quantidade de tensão aplicada na base do transistor de controle.

Regulador de corrente usando Op-Amp

Para o segundo caminho do projeto, considere o circuito abaixo;

Este circuito é baseado em um amplificador de operação e , assim como no exemplo com o transistor, também faz uso de um resistor shunt para detecção de corrente. A queda de tensão através do shunt é alimentada no amplificador operacional, que então a compara com uma tensão de referência definida pelo diodo Zener ZD1. O op-amp compensa qualquer discrepância (alta ou baixa) nas duas tensões de entrada ajustando sua tensão de saída. A tensão de saída do amplificador operacional é conectada a um FET de alta potência e a condução ocorre com base na tensão aplicada.

A principal diferença entre este projeto e o primeiro é a tensão de referência implementada pelo diodo Zener. Ambos os projetos são lineares e uma grande quantidade de calor será gerada em altas cargas, como tal, dissipadores de calor devem ser acoplados a eles para dissipar o calor.

Vantagem e desvantagem

A principal vantagem dessa abordagem de design é a flexibilidade que ela fornece ao designer. As peças podem ser selecionadas e o design configurado de acordo com o gosto, sem nenhuma das limitações associadas aos circuitos internos que caracterizam a abordagem baseada em IC do regulador.

Por outro lado, esta abordagem tende a ser mais tediosa, demorada, requer mais peças, volumosas, suscetíveis a falhas e mais caras quando comparada com a abordagem IC baseada em regulador.

Aplicação dos Reguladores Atuais

Os reguladores de corrente constante encontram aplicações em todos os tipos de dispositivos, desde circuitos de fornecimento de energia a circuitos de carregamento de bateria, drivers de LED e outras aplicações em que uma corrente fixa precisa ser regulada independentemente da carga aplicada.

É isso para este artigo! Espero que você tenha aprendido uma ou duas coisas.

Até a próxima!