Reguladores actuales: tipos de construcción, obra y diseño

Al igual que en las situaciones en las que necesitamos regular el voltaje en nuestros diseños, existen escenarios en los que necesitamos regular la corriente que se suministra a una parte particular de nuestro circuito. A diferencia de la transformación (cambiar de un nivel de voltaje a otro), que suele ser una de las principales razones para la regulación de voltaje, la regulación de corriente generalmente se trata de mantener constante la corriente que se suministra, independientemente de las variaciones en la resistencia de carga o el voltaje de entrada. Los circuitos (integrados o no) que se utilizan para lograr un suministro de corriente constante se denominan reguladores de corriente (constante) y se utilizan con mucha frecuencia en la electrónica de potencia.

Si bien los reguladores actuales se han presentado en varias aplicaciones a lo largo de los años, podría decirse que no son uno de los temas más populares en las conversaciones de diseño de electrónica hasta hace poco. Los reguladores actuales ahora han alcanzado una especie de estado ubicuo debido a sus importantes aplicaciones en iluminación LED, entre otras aplicaciones.

Para el artículo de hoy, analizaremos estos reguladores actuales y examinaremos los principios operativos detrás de ellos, su diseño, tipos y aplicaciones, entre otros.

Principio de funcionamiento del regulador de corriente

El funcionamiento de un regulador de corriente es similar al de un regulador de voltaje, con la principal diferencia en el parámetro que regulan y la cantidad que varían para suministrar su salida. En los reguladores de voltaje, la corriente se varía para lograr el nivel de voltaje requerido, mientras que los reguladores de corriente generalmente involucran variaciones en el voltaje / resistencia para lograr la salida de corriente requerida. Como tal, si bien es posible, generalmente es difícil regular el voltaje y la corriente al mismo tiempo en un circuito.

Para comprender cómo funcionan los reguladores actuales, es necesario echar un vistazo rápido a la ley de ohmios;

V = IR o I = V / R

Esto significa que para mantener un flujo de corriente constante en una salida, estas dos propiedades (voltaje y resistencia) deben mantenerse constantes en un circuito o ajustarse de manera que cuando haya un cambio en una, el valor de la otra se ajuste en consecuencia para retener el misma corriente de salida. Como tal, la regulación de corriente implica hacer un ajuste al voltaje o la resistencia en un circuito o asegurar que los valores de Resistencia y Voltaje no cambien independientemente de los requisitos / impactos de la carga conectada.

Funcionamiento del regulador de corriente

Para describir correctamente cómo funciona un regulador de corriente, consideremos el diagrama de circuito a continuación.

La resistencia variable en el circuito de arriba se usa para representar las acciones de un regulador de corriente. Asumiremos que la resistencia variable está automatizada y puede autoajustar su propia resistencia. Cuando se alimenta el circuito, la resistencia variable ajusta su resistencia para compensar los cambios en la corriente debido a la variación en la resistencia de carga o suministro de voltaje. De la clase de electricidad básica, debe recordar que cuando se aumenta la carga, que es esencialmente resistencia (+ capacitancia / inductancia), se experimenta una caída efectiva de la corriente y viceversa. Por lo tanto, cuando aumenta la carga en el circuito (aumento de la resistencia), en lugar de una caída de corriente, la resistencia variable reduce su propia resistencia para compensar el aumento de la resistencia y garantizar que fluya la misma corriente. Del mismo modo, cuando la resistencia de carga se reduce,la resistencia variable aumenta su propia resistencia para compensar la reducción, manteniendo así el valor de la corriente de salida.

Otro enfoque en la regulación de corriente es conectar una resistencia suficientemente alta en paralelo con la carga de manera que, de acuerdo con las leyes de la electricidad básica, la corriente fluya por el camino con menor resistencia que en este caso será a través de la carga, con solo una cantidad "insignificante" de corriente que fluye a través de la resistencia de alto valor.

Estas variaciones también afectan el voltaje ya que algunos reguladores de corriente mantienen la corriente en la salida variando el voltaje. Por lo tanto, es casi imposible regular el voltaje en la misma salida donde se regula la corriente.

Diseño de reguladores actuales

Los reguladores de corriente generalmente se implementan utilizando reguladores de voltaje basados ​​en IC como el MAX1818 y el LM317 o mediante el uso de componentes pasivos y activos de jellybean como transistores y diodos Zener.

Diseño de reguladores de corriente utilizando reguladores de voltaje

Para el diseño de reguladores de corriente que utilizan un regulador de voltaje basado en IC, la técnica generalmente implica configurar reguladores de voltaje para tener una resistencia de carga constante y los reguladores de voltaje lineal generalmente se usan porque el voltaje entre la salida de los reguladores lineales y su tierra generalmente es estrecho regulado, como tal, se puede insertar una resistencia fija entre los terminales de modo que una corriente fija fluya hacia la carga. Un buen ejemplo de un diseño basado en esto fue publicado en una de las publicaciones de EDN por Budge Ing en 2016.

El circuito empleado utiliza el regulador lineal LDO MAX1818 para crear un suministro regulado de corriente constante en el lado alto. El suministro (que se muestra en la imagen de arriba) fue diseñado de tal manera que alimenta RLOAD con una corriente constante, que es igual a I = 1.5V / ROUT. Donde 1.5V es el voltaje de salida preestablecido del MAX1818 pero se puede cambiar usando un divisor resistivo externo.

Para garantizar el rendimiento óptimo del diseño, el voltaje en el terminal de entrada del MAX1818 debe ser de hasta 2,5 V y no superior a 5,5 v, ya que este es el rango de funcionamiento estipulado en la hoja de datos. Para satisfacer esa condición, elija un valor de RUTA que permita 2.5V a 5.5V entre IN y GND. Por ejemplo, cuando una carga de digamos 100Ω con un VCC de 5V, el dispositivo funciona correctamente con ROUT por encima de 60Ω ya que el valor permite una corriente máxima programable de 1.5V / 60Ω = 25mA. El voltaje en el dispositivo es igual al mínimo permitido: 5V - (25mA × 100Ω) = 2.5V.

Otros reguladores lineales como el LM317 también se pueden utilizar en un proceso de diseño similar pero uno de los mayores beneficios que tienen los IC como el MAX1818 sobre otros es el hecho de que incorporan apagado térmico que podría ser muy importante en la regulación actual como la temperatura del El CI tiende a calentarse cuando se conectan cargas con altos requisitos de corriente.

Para el regulador de corriente basado en LM317, considere el circuito a continuación;

Los LM317 están diseñados de tal manera que el regulador sigue ajustando su voltaje hasta que el voltaje entre su pin de salida y su pin de ajuste está en 1.25v y, como tal, se usa generalmente un divisor cuando se implementa en una situación de regulador de voltaje. Pero para nuestro caso de uso como regulador de corriente, en realidad nos facilita las cosas porque, dado que el voltaje es constante, todo lo que tenemos que hacer para hacer que la corriente sea constante es simplemente insertar una resistencia en serie entre el pin Vout y ADJ como se muestra en el circuito de arriba. Como tal, podemos establecer la corriente de salida en un valor fijo que viene dado por;

Yo = 1,25 / R

Siendo el valor de R el factor determinante del valor de la corriente de salida.

Para crear un regulador de corriente variable, solo necesitamos agregar una resistencia variable al circuito junto con otra resistencia para crear un divisor en el pin ajustable como se muestra en la imagen a continuación.

El funcionamiento del circuito es el mismo que el anterior con la diferencia de que la corriente se puede ajustar en circuito girando el mando del potenciómetro para variar la resistencia. El voltaje en R está dado por;

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

Esto significa que la corriente a través de R viene dada por;

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

Esto le da al circuito un rango de corriente de I = 1.25 / R y (1.25 / R) x (1 + R1 / R2)

Depende de la corriente establecida; asegúrese de que la potencia nominal de la resistencia R pueda soportar la cantidad de corriente que fluirá a través de ella.

Ventajas y desventajas de usar LDO como regulador de corriente

A continuación se presentan algunas ventajas para seleccionar el enfoque de regulador de voltaje lineal.

1. Los circuitos integrados reguladores incorporan protección contra sobretemperatura que puede resultar útil cuando se conectan cargas con requisitos de corriente excesivos.
2. Los circuitos integrados de reguladores tienen una mayor tolerancia para grandes voltajes de entrada y, en gran medida, admiten una alta disipación de potencia.
3. El enfoque de los circuitos integrados de regulador implica el uso de una cantidad menor de componentes con la adición de solo unas pocas resistencias en la mayoría de los casos, excepto en los casos en los que se requieren corrientes más altas y se conectan transistores de potencia. Esto significa que puede usar el mismo IC para la regulación de voltaje y corriente.
4. La reducción en la cantidad de componentes podría significar una reducción en el costo de implementación y el tiempo de diseño.

Desventajas:

Por otro lado, las configuraciones descritas en el enfoque de los circuitos integrados del regulador permiten el flujo de corriente de reposo desde el regulador a la carga, además del voltaje de salida regulado. Esto introduce un error que puede no estar permitido en determinadas aplicaciones. Sin embargo, esto podría reducirse eligiendo un regulador con una corriente de reposo muy baja.

Otra desventaja del enfoque de CI del regulador es la falta de flexibilidad en el diseño.

Además del uso de circuitos integrados de regulador de voltaje, los reguladores de corriente también se pueden diseñar utilizando piezas gelatinosas, incluidos transistores, amplificadores operacionales y diodos Zener con las resistencias necesarias. Un diodo Zener se usa en el circuito probablemente como una obviedad, como si recuerde que el diodo Zener se usa para la regulación de voltaje. El diseño de regulador de corriente que utiliza estas piezas es el más flexible, ya que suele ser fácil de integrar en los circuitos existentes.

Regulador de corriente mediante transistores

Consideraremos dos diseños en esta sección. El primero contará con el uso de transistores solo, mientras que el segundo contará con una combinación de un amplificador operacional y un transistor de potencia.

Para el que tiene transistores, considere el circuito a continuación.

El regulador de corriente descrito en el circuito anterior es uno de los diseños de regulador de corriente más simples. Es un regulador de corriente de lado bajo; Me conecté después de la carga antes del suelo. Se compone de tres componentes clave; un transistor de control (el 2N5551), un transistor de potencia (el TIP41) y una resistencia de derivación (R).La derivación, que es esencialmente una resistencia de bajo valor, se usa para medir la corriente que fluye a través de la carga. Cuando se enciende el circuito, se nota una caída de voltaje a través de la derivación. Cuanto mayor sea el valor de la resistencia de carga RL, mayor será la caída de voltaje a través de la derivación. La caída de voltaje a través de la derivación actúa como un disparador para el transistor de control de modo que cuanto mayor es la caída de voltaje a través de la derivación, más conduce el transistor y regula la tensión de polarización aplicada a la base del transistor de potencia para aumentar o reducir la conducción con el resistencia R1 actuando como resistencia de polarización.

Al igual que con los otros circuitos, se puede agregar una resistencia variable en paralelo a la resistencia de derivación para variar el nivel de corriente variando la cantidad de voltaje aplicado en la base del transistor de control.

Regulador de corriente con amplificador operacional

Para la segunda ruta de diseño, considere el circuito a continuación;

Este circuito se basa en un amplificador de operación y , al igual que en el ejemplo del transistor, también utiliza una resistencia en derivación para la detección de corriente. La caída de voltaje a través de la derivación se alimenta al amplificador operacional que luego lo compara con un voltaje de referencia establecido por el diodo Zener ZD1. El amplificador operacional compensa cualquier discrepancia (alta o baja) en los dos voltajes de entrada ajustando su voltaje de salida. El voltaje de salida del amplificador operacional está conectado a un FET de alta potencia y la conducción se produce en función del voltaje aplicado.

La principal diferencia entre este diseño y el primero es el voltaje de referencia implementado por el diodo Zener. Ambos diseños son lineales y se generará una gran cantidad de calor con cargas elevadas, por lo que se deben acoplar disipadores de calor para disipar el calor.

Ventaja y desventaja

La principal ventaja de este enfoque de diseño es la flexibilidad que brinda al diseñador. Las partes pueden seleccionarse y configurarse el diseño al gusto sin ninguna de las limitaciones asociadas con los circuitos internos que caracterizan el enfoque basado en circuitos integrados del regulador.

Por otro lado, este enfoque tiende a ser más tedioso, requiere más tiempo, requiere más piezas, es voluminoso, susceptible de fallar y más caro en comparación con el enfoque de CI basado en reguladores.

Aplicación de reguladores actuales

Los reguladores de corriente constante encuentran aplicaciones en todo tipo de dispositivos, desde circuitos de suministro de energía hasta circuitos de carga de baterías, controladores de LED y otras aplicaciones en las que es necesario regular una corriente fija independientemente de la carga aplicada.

¡Eso es todo por este artículo! Espero que hayas aprendido una o dos cosas.

¡Hasta la próxima!