آموزش الکترونیکالکترونیک

رگولاتور جریان چیست؟ (انواع، نحوه کار و طراحی رگولاتور های جریان)

درست مانند شرایطی که در آن باید ولتاژ را در طرح های خود تنظیم کنیم، مواقعی وجود دارد که باید جریان مورد نیاز را برای قسمت خاصی از مدار خود تنظیم کنیم. برخلاف تغییر شکل (تغییر از یک سطح ولتاژ به سطح دیگر) که معمولاً یکی از دلایل مهم تنظیم ولتاژ است، تنظیم جریان معمولاً در مورد نگه داشتن جریانی است که به طور ثابت اعمال می شود، صرف نظر از تغییرات مقاومت بار یا ولتاژ ورودی. به مدارهایی (یکپارچه یا غیر یکپارچه) که برای دستیابی به جریان ثابت استفاده می شوند، رگولاتور های جریان (ثابت) گفته می شود و در الکترونیک نیرو به صورت رایج مورد استفاده قرار می گیرند.

در حالی که رگولاتور های جریان در طی چندین سال در چندین برنامه کاربردی ارائه شده اند، اما بدون شک یکی از محبوب ترین موضوعات در مکالمات طراحی الکترونیک نیستند. رگولاتور های جریان، به دلیل کاربردهای مهمی که در نورپردازی LED در میان سایر برنامه ها دارند، اکنون به نوعی وضعیت همه گیر دست یافته اند.

امروز، ما به دنبال این رگولاتور های جریان خواهیم بود و اصول عملیاتی پشت آنها، طراحی، انواع و کاربردهای آنها را بررسی می کنیم.

پیشنهاد میکنم قبل از خواندن این مقاله، مقاله ترانزیستور IGBT چیست؟ را بخوانید.

اصول عملیاتی رگولاتور جریان

عملکرد یک رگولاتور جریان مشابه رگولاتور ولتاژ، با تفاوتی عمده در پارامتر تنظیم شده و مقدار آنها برای تأمین خروجیِ گوناگون است. در رگولاتور ولتاژ، جریان برای دستیابی به سطح ولتاژ مورد نیاز متنوع است، در حالی که رگولاتور جریان معمولاً تغییراتی را در ولتاژ / مقاومت برای دستیابی به خروجی جریان مورد نیاز دارند. به همین ترتیب، در حالی که محتمل است، معمولا تنظیم ولتاژ و جریان همزمان در یک مدار دشوار است.

برای یادگیری کامل آردوینو ، روی دوره آموزش آردوینو و برای یادگیری کامل الکترونیک، روی دوره آموزش الکترونیک کلیک کنید.

برای درک نحوه عملکرد رگولاتور های جریان، نگاهی سریع به قانون اهم نیاز است.

V=IR or I = V/R

این بدان معنی است که برای حفظ جریان ثابت جاری در یک خروجی، این دو ویژگی (ولتاژ و مقاومت) باید در یک مدار، ثابت نگه داشته شوند یا به گونه ای تنظیم شوند که در صورت تغییر در یکی، مقدار دیگری بر اساس آن تنظیم شود تا همان جریان خروجی را حفظ کند. بدین ترتیب، تنظیم جریان، شامل ایجاد یک تنظیم برای ولتاژ یا مقاومت در مدار یا اطمینان از عدم تغییر مقادیر مقاومت و ولتاژ بدون توجه به الزامات / تأثیرات بار متصل است.

عملکرد رگولاتور جریان

برای توصیف صحیح عملکرد ریگلاتور جریان، بیایید نمودار مدار زیر را در نظر بگیریم.

عملکرد رگولاتور جریان

مقاومت متغیر در مدار بالا برای نشان دادن اعمال یک رگولاتور جریان استفاده می شود. فرض می کنیم که مقاومت متغیر خودکار است و می تواند مقاومت خود را به صورت خودکار تنظیم کند. وقتی مدار تغذیه می شود، مقاومت متغیر مقاومت خود را تنظیم می کند تا تغییرات جریان ناشی از تغییر مقاومت بار یا ولتاژ را جبران کند. از کلاس برق پایه، باید به یاد داشته باشید که وقتی بار، که اساساً مقاومت (+ ظرفیت خازنی / اندوکتانس) است، افزایش می یابد، افت موثر جریان آزموده می شود و بالعکس. بنابراین هنگامی که بار در مدار افزایش می یابد (افزایش مقاومت)، به جای افت جریان، مقاومت متغیر مقاومت خود را کاهش می دهد تا مقاومت افزایش یافته را جبران کند و جریان جاری مشابه را تضمین کند. به همین ترتیب، وقتی مقاومت بار کاهش می یابد، مقاومت متغیر مقاومت خود را افزایش می دهد تا کاهش را جبران کند، بنابراین مقدار جریان خروجی را حفظ می کند.

مطلب پیشنهادی:  مقاومت الکتریکی و قانون اهم (آموزش کامل)

رویکردی دیگر در تنظیم جریان، اتصال یک مقاومتی که به اندازه ی کافی بالاست به موازات بار است به طوری که، مطابق با قوانین برق پایه، جریان از طریق مسیری با کمترین مقاومت، که در این مورد از طریق بار خواهد بود، جریان می یابد، فقط با مقدار بسیار ناچیزی از جریان جاری شده از طریق مقاومتی با مقدار زیاد.

این تغییرات همچنین بر روی ولتاژ تأثیر می گذارد زیرا برخی از رگولاتور های جریان با تغییر ولتاژ، جریان را در خروجی حفظ می کنند. بنابراین، تنظیم ولتاژ در همان خروجی که جریان در آن تنظیم می شود، تقریباً غیرممکن است.

طراحی رگولاتور های جریان

رگولاتور های جریان معمولاً با استفاده از رگولاتور های ولتاژ مبتنی بر IC مانند MAX1818 و LM317 یا با استفاده از اجزای غیرفعال و فعال ژله ای مثل ترانزیستورها و دیود های زنر اجرا می شوند.

طراحی رگولاتور جریان با رگولاتور ولتاژ

برای طراحی رگولاتور های جریان با استفاده از رگولاتور ولتاژ مبتنی بر IC، این روش معمولاً تنظیم رگولاتور های ولتاژ برای مقاومت در برابر بار ثابت است و از رگولاتور های ولتاژ خطی معمولاً استفاده می شود زیرا، ولتاژ بین خروجی رگولاتور های خطی و زمین آنها معمولاً دقیق تنظیم می شود، به این ترتیب، می توان یک مقاومت ثابت را بین پایانه ها وارد کرد به طوری که جریان ثابت به سمت بار جاری شود. یک مثال خوب از طراحی براساس این، در یکی از نشریات EDN توسط Budge Ing در سال 2016 منتشر شده است.

همچنین اگر در مورد این مطلب سوالی داشتید در انتهای صفحه در قسمت نظرات بپرسید

طراحی رگولاتور جریان با رگولاتور ولتاژ

مدار استفاده شده از رگولاتور خطی LDO MAX1818 برای ایجاد یک منبع تنظیم جریان ثابت جانبی بالا استفاده می کند. منبع تغذیه (در تصویر بالا نشان داده شده است) به گونه ای طراحی شده است که RLOAD را با یک جریان ثابتی تغذیه می کند که برابر با I = 1.5V / ROUT است. جایی که 1.5 ولت ولتاژ خروجی از پیش تعیین شده MAX1818 است اما با استفاده از یک تقسیم کننده مقاومت خارجی می توان آن را تغییر داد.

برای اطمینان از عملکرد مطلوب طراحی، ولتاژ در پایانه ورودی MAX1818 باید تا 2.5 ولت باشد و بالاتر از 5.5 ولت نباشد زیرا این محدوده عملیاتی تعیین شده توسط صفحه داده است. برای اجرای این شرط، مقدار ROUT ای را انتخاب کنید که 2.5 ولت تا 5.5 ولت بین IN و GND امکان پذیر باشد. به عنوان مثال وقتی می توان گفت بار 100Ω با 5 ولت VCC، دستگاه با ROUT بالای 60Ω به درستی کار می کند. زیرا مقدار حداکثر جریان قابل برنامه ریزی 1.5V / 60Ω = 25mA را مجاز می کند. ولتاژ روی دستگاه پس از آن برابر با حداقل مجاز است: 5 ولت (25 میلی آمپر × 100Ω) = 2.5 ولت.

رگولاتور های خطی دیگر مانند LM317 نیز می توانند در یک فرآیند طراحی مشابه مورد استفاده قرار گیرند اما یکی از مهمترین مزایایی که IC هایی مانند MAX1818 نسبت به سایرین دارند این حقیقت است که آنها دارای خاموش شدن حرارتی هستند که می تواند در تنظیم جریان بسیار مهم باشد زیرا هنگامی که بارهایی با جریان بالا به هم متصل می شوند، دمای IC گرم می شود.

مطلب پیشنهادی:  آموزش ساخت PCB در خانه (مرحله به مرحله)

برای رگولاتور جریان براساس LM317، مدار زیر را در نظر بگیرید.

رگولاتور جریان براساس LM317

LM317 ها به گونه ای طراحی شده اند که رگولاتور ولتاژ خود را مرتباً تنظیم می کند تا زمانی که ولتاژ بین پین خروجی آن و پایه تنظیم آن در 1.25 ولت باشد و به عنوان یک تقسیم کننده معمولاً هنگام اجرای در یک رگولاتور ولتاژ استفاده می شود. اما برای استفاده ما به عنوان رگولاتور جریان، این کار در واقع کار را برای ما بسیار آسان می کند زیرا از آنجا که ولتاژ ثابت است، برای ثابت نگه داشتن جریان تنها کاری که باید بکنیم این است که به راحتی یک مقاومت را بین پین Vout و ADJ وارد کنیم همانطور که در مدار بالا نشان داده شده است. به این ترتیب، ما قادر به تنظیم جریان خروجی به یک مقدار ثابت هستیم که توسط آن داده می شود.

I = 1.25/R

با مقدار R عامل تعیین کننده مقدار جریان خروجی است.

برای ایجاد یک رگولاتور جریان متغیر، فقط باید یک مقاومت متغیر در کنار یک مقاومت دیگر به مدار اضافه کنیم تا یک تقسیم کننده به پایه قابل تنظیم مانند تصویر زیر ایجاد کنید.

آموزش کامل رگولاتور های جریان

این بدان معنی است که جریان در R داده می شود با :

V = (1 + R1/R2) x 1.25

این به مدار دامنه جریان I = 1.25 / R و (1.25 / R) x (1 R1 / R2) را می دهد.

IR = (1.25/R) x (1+ R1/R2).

بسته به جریان تنظیم شده ؛ مطمئن شوید که وات مقاومت R می تواند مقدار جریانی که از آن عبور می کند را تحمل کند.

 

مزایا و معایب استفاده از LDO برای رگولاتور جریان

در زیر برخی از مزایای انتخاب روش رگولاتور ولتاژ خطی آورده شده است.

  1. IC های رگولاتور دارای حفاظت بیش از حد دما هستند که در صورت اتصال بارهایی با جریان بیش از حد، مفید خواهد بود.
  2. IC های رگولاتور تحمل بیشتری برای ولتاژهای ورودی بالا دارند و تا حد زیادی از اتلاف نیرو زیاد پشتیبانی می کنند.
  3. رویکرد IC های رگولاتور شامل استفاده از مقدار کمتری از اجزا با افزودن فقط چند مقاومت در بیشتر موارد است، به استثنای مواردی که جریان های بیشتری مورد نیاز است و ترانزیستور های برق متصل هستند. این بدان معنی است که شما می توانید از همان IC برای تنظیم ولتاژ و جریان استفاده کنید.
  4. کاهش تعداد اجزا می تواند به معنای کاهش در هزینه اجرا و زمان طراحی باشد.

معایب :

در جنبه معکوس، تنظیماتی که در زیر رویه IC های رگولاتور توضیح داده شده است، علاوه بر ولتاژ خروجی تنظیم شده، جریان جاری آرام را از رگولاتور به بار مجاز می کند. این خطایی را نشان می دهد که ممکن است در برنامه های خاص مجاز نباشد. با این وجود می توان با انتخاب رگولاتوری با جریان جاری آرام، این میزان را کاهش داد.

نکته منفی دیگر رویکرد IC رگولاتور ، عدم انعطاف پذیری در طراحی است.

گذشته از استفاده از IC های رگولاتور ولتاژ، رگولاتور های جریان نیز می توانند با استفاده از قطعات ژله ای شامل ترانزیستور ها، اپامپر ها و دیود زنر با مقاومت های لازم طراحی شوند. یک دیود زنر در مدار احتمالاً به عنوان یک سیستم ممنوع استفاده می شود، همانطور که بخاطر دارید دیود زنر برای تنظیم ولتاژ استفاده می شود. طراحی رگولاتور جریان با استفاده از این قطعات از انعطاف پذیری بیشتری برخوردار است زیرا ادغام آن ها در مدارهای موجود معمولاً آسان است.

مطلب پیشنهادی:  ساخت مدار تستر آپ امپ (تست سوختگی Op-amp)

رگولاتور جریان با ترانزیستور

ما دو طرح را در زیر این بخش در نظر خواهیم گرفت. اولین مورد فقط از ترانزیستور ها استفاده می شود در حالیکه در نمونه دوم ترکیبی از یک آمپلی فایر عملیاتی و یک ترانزیستور قدرت وجود دارد.

برای مدار با ترانزیستور، مدار زیر را در نظر بگیرید.

رگولاتور جریان با ترانزیستور

رگولاتور جریان توصیف شده در مدار بالا، یکی از ساده ترین طراحی های رگولاتور جریان است. این یک رگولاتور جریان کم طرف است. I  بعد از بار، قبل از زمین متصل شده. آن از سه جز اصلی تشکیل شده است. ترانزیستور کنترل (2N5551)، ترانزیستور قدرت (TIP41) و مقاومت شنت (R). شنت، که اساساً یک مقاومتی با مقدار کم است، برای اندازه گیری جریان عبوری از بار استفاده می شود. هنگامی که مدار روشن می شود، افت ولتاژ در سراسر شنت مشخص می شود. هرچه مقدار مقاومت بار RL بیشتر باشد، افت ولتاژ در شنت بیشتر است. افت ولتاژ بر روی شنت مانند ترانزیستور کنترل عمل می کند، به طوری که هرچه افت ولتاژ روی شنت بیشتر باشد، ترانزیستور ولتاژ بایاس اعمال شده به پایه ترانزیستور قدرت را برای افزایش یا کاهش رسانش با ترانزیستور R1 تنظیم و هدایت می کند. مقاومت R1 به عنوان مقاومت بایاس عمل می کند.

درست مانند سایر مدار ها، می توان یک مقاومت متغیر به موازات مقاومت شنت اضافه کرد تا با تغییر مقدار ولتاژ اعمال شده در پایه ترانزیستور کنترل، سطح جریان را تغییر دهد.

رگولاتور جریان با آپ امپ

برای مسیر طراحی دوم، مدار زیر را در نظر بگیرید.

رگولاتور جریان با آپ امپ

این مدار بر اساس آمپلی فایر عملیاتی است و درست مانند نمونه ترانزیستور، از یک مقاومت شنت برای سنجش جریان نیز استفاده می کند. افت ولتاژ از طریق شنت به آمپلی فایر عملیاتی هدایت می شود و سپس آن را با ولتاژ مرجع تنظیم شده توسط دیود زنر ZD1 مقایسه می کند. آمپر op با تنظیم ولتاژ خروجی، هرگونه اختلاف (زیاد یا کم) در دو ولتاژ ورودی را جبران می کند. ولتاژ خروجی آمپلی فایر عملیاتی به یک FET با قدرت بالا متصل می شود و هدایت بر اساس ولتاژ اعمال شده رخ می دهد.

تفاوت عمده این طرح با اولین طرح در ولتاژ مرجع اجرا شده توسط دیود زنر است. هر دوی این طرح ها به صورت خطی هستند و مقدار زیادی گرما در بارهای زیاد تولید می شود، به این منظور گرماگیرها باید به آنها متصل شوند تا گرما از بین برود.

مزایا و معایب :

مهمترین مزیت این روش طراحی انعطاف پذیری ای است که برای طراح فراهم می کند. قطعات را می توان انتخاب کرد و بدون هیچ گونه محدودیتی در ارتباط با مدارهای داخلی که ویژگی رویکرد IC رگولاتور را مشخص می کند، به سلیقه خود پیکربندی کرد.

از طرف دیگر، این روش خسته کننده تر است و زمان بیشتر را می برد، در مقایسه با روش IC بر اساس رگولاتور ، به قطعات بیشتر، بزرگ تر، مستعد خرابی بیشتر و گران تری نیاز دارد.

کاربرد رگولاتور جریان

رگولاتور های جریان ثابت، برنامه های کاربردی را در انواع دستگاه ها از مدارهای تغذیه گرفته تا مدارهای شارژ باتری، درایورهای LED و سایر برنامه هایی که نیاز به تنظیم جریان ثابت دارند، صرف نظر از بار اعمال شده، پیدا می کنند.

پیشنهاد میکنم بعد از این مقاله، مقاله مدار آینه جریان را بخوانید.

میخواهید برنامه نویسی STM32 را یاد بگیرید؟

دوره آموزش STM32

میخواهید الکترونیک را یاد بگیرید؟

دوره آموزش الکترونیک
دوره آموزش آردوینو

میخواهید آردوینو را به صورت پروژه محور یاد بگیرید؟ برای مشاهده توضیحات روی دوره مورد نظر کلیک کنید

برای دریافت مطالب جدید در کانال تلگرام یا پیج اینستاگرام آیرنکس عضو شوید.

محمد رحیمی

محمد رحیمی

محمد رحیمی هستم. سعی میکنم در آیرنکس مطالب مفید را قرار دهم. (در خصوص سوال در مورد این مطلب از قسمت نظرات همین مطلب اقدام کنید) سعی میکنم تمام نظرات را پاسخ دهم.

دیدگاهتان را بنویسید

نشانی ایمیل شما منتشر نخواهد شد. بخش‌های موردنیاز علامت‌گذاری شده‌اند *