Régulateurs de courant: types de construction, de travail et de conception

Tout comme les situations dans lesquelles nous devons réguler la tension dans nos conceptions, il existe des scénarios dans lesquels nous devons réguler le courant fourni à une partie particulière de notre circuit. Contrairement à la transformation (passage d'un niveau de tension à un autre) qui est généralement l'une des principales raisons de la régulation de tension, la régulation du courant consiste généralement à maintenir constant le courant fourni, quelles que soient les variations de la résistance de charge ou de la tension d'entrée. Les circuits (intégrés ou non) utilisés pour obtenir une alimentation en courant constant sont appelés régulateurs de courant (constant) et ils sont très couramment utilisés en électronique de puissance.

Bien que les régulateurs actuels aient été présentés dans plusieurs applications au fil des ans, ils ne sont sans doute pas l'un des sujets les plus populaires dans les conversations sur la conception électronique jusqu'à récemment. Les régulateurs actuels ont maintenant atteint une sorte de statut omniprésent en raison de leurs applications importantes dans l'éclairage LED, entre autres applications.

Pour l'article d'aujourd'hui, nous examinerons ces régulateurs actuels et examinerons les principes de fonctionnement qui les sous-tendent, leur conception, leurs types et leurs applications, entre autres.

Principe de fonctionnement du régulateur de courant

Le fonctionnement d'un régulateur de courant est similaire à celui du régulateur de tension, la différence majeure étant le paramètre qu'ils régulent et la quantité qu'ils varient pour fournir leur sortie. Dans les régulateurs de tension, le courant varie pour atteindre le niveau de tension requis, tandis que les régulateurs de courant impliquent généralement des variations de tension / résistance pour obtenir la sortie de courant requise. En tant que tel, bien que cela soit possible, il est généralement difficile de réguler la tension et le courant en même temps dans un circuit.

Pour comprendre le fonctionnement des régulateurs actuels, il faut un rapide coup d'œil à la loi des ohms;

V = IR ou I = V / R

Cela signifie que pour maintenir un flux de courant constant à une sortie, ces deux propriétés (tension et résistance) doivent être maintenues constantes dans un circuit ou ajustées de telle sorte qu'en cas de changement de l'une, la valeur de l'autre soit ajustée en conséquence pour conserver même courant de sortie. En tant que telle, la régulation du courant implique de procéder à un ajustement de la tension ou de la résistance dans un circuit ou de s'assurer que les valeurs de résistance et de tension restent inchangées indépendamment des exigences / impacts de la charge connectée.

Régulateur actuel fonctionnant

Pour décrire correctement le fonctionnement d'un régulateur de courant, considérons le schéma de circuit ci-dessous.

La résistance variable dans le circuit ci-dessus est utilisée pour représenter les actions d'un régulateur de courant. Nous supposerons que la résistance variable est automatisée et peut ajuster automatiquement sa propre résistance. Lorsque le circuit est alimenté, la résistance variable ajuste sa résistance pour compenser les changements de courant dus à la variation de la résistance de charge ou de l'alimentation en tension. À partir de la classe électrique de base, vous devez vous rappeler que lorsque la charge, qui est essentiellement une résistance (+ capacité / inductance) est augmentée, une chute de courant effective est ressentie et vice versa. Ainsi, lorsque la charge dans le circuit est augmentée (augmentation de la résistance), plutôt qu'une chute de courant, la résistance variable réduit sa propre résistance pour compenser l'augmentation de la résistance et assurer les mêmes flux de courant. De la même manière, lorsque la résistance de charge diminue,la résistance variable augmente sa propre résistance pour compenser la réduction, maintenant ainsi la valeur du courant de sortie.

Une autre approche de la régulation du courant consiste à connecter une résistance suffisamment élevée en parallèle avec la charge de telle sorte que, conformément aux lois de l'électricité de base, le courant circule dans le chemin avec le moins de résistance qui, dans ce cas, traversera la charge, avec seulement une quantité "négligeable" de courant circulant à travers la résistance de valeur élevée.

Ces variations affectent également la tension car certains régulateurs de courant maintiennent le courant à la sortie en faisant varier la tension. Ainsi, il est presque impossible de réguler la tension à la même sortie où le courant est régulé.

Conception actuelle des régulateurs

Les régulateurs de courant sont généralement mis en œuvre à l'aide de régulateurs de tension à base de circuits intégrés tels que le MAX1818 et le LM317 ou par l'utilisation de composants passifs et actifs de jellybean tels que des transistors et des diodes Zener.

Conception de régulateurs de courant à l'aide de régulateurs de tension

Pour la conception de régulateurs de courant utilisant un régulateur de tension à base de circuit intégré, la technique consiste généralement à configurer des régulateurs de tension pour avoir une résistance de charge constante et des régulateurs de tension linéaires sont généralement utilisés car la tension entre la sortie des régulateurs linéaires et leur masse est généralement étroitement régulée, comme telle, une résistance fixe peut être insérée entre les bornes de telle sorte qu'un courant fixe circule vers la charge. Un bon exemple de conception basée sur cela a été publié dans l'une des publications EDN par Budge Ing en 2016.

Le circuit utilisé utilise le régulateur linéaire LDO MAX1818 pour créer une alimentation régulée à courant constant côté haut. L'alimentation (montrée dans l'image ci-dessus) a été conçue de telle sorte qu'elle alimente RLOAD avec un courant constant, qui est égal à I = 1,5 V / ROUT. Où 1,5 V est la tension de sortie préréglée du MAX1818 mais peut être modifiée à l'aide d'un diviseur résistif externe.

Pour assurer les performances optimales de la conception, la tension à la borne d'entrée du MAX1818 doit être jusqu'à 2,5 V et non supérieure à 5,5 V car c'est la plage de fonctionnement stipulée par la fiche technique. Pour satisfaire cette condition, choisissez une valeur ROUT qui autorise 2,5 V à 5,5 V entre IN et GND. Par exemple, quand une charge de disons 100Ω avec un 5V VCC, l'appareil fonctionne correctement avec ROUT au-dessus de 60Ω car la valeur permet un courant programmable maximum de 1,5V / 60Ω = 25mA. La tension aux bornes de l'appareil est alors égale au minimum autorisé: 5V - (25mA × 100Ω) = 2,5V.

D'autres régulateurs linéaires comme le LM317 peuvent également être utilisés dans un processus de conception similaire, mais l'un des principaux avantages des circuits intégrés tels que le MAX1818 par rapport aux autres est le fait qu'ils intègrent l'arrêt thermique qui pourrait être très important dans la régulation du courant comme la température du IC a tendance à chauffer lorsque des charges avec des exigences de courant élevées sont connectées.

Pour le régulateur de courant basé sur LM317, considérez le circuit ci-dessous;

Les LM317 sont conçus de telle manière que le régulateur continue d'ajuster sa tension jusqu'à ce que la tension entre sa broche de sortie et sa broche de réglage soit à 1,25 V et, en tant que tel, un diviseur est généralement utilisé lors de la mise en œuvre dans une situation de régulateur de tension. Mais pour notre cas d'utilisation en tant que régulateur de courant, cela nous facilite en fait les choses car, comme la tension est constante, tout ce que nous devons faire pour rendre le courant constant est simplement d'insérer une résistance en série entre les broches Vout et ADJ. comme indiqué dans le circuit ci-dessus. En tant que tel, nous pouvons régler le courant de sortie sur une valeur fixe qui est donnée par;

I = 1,25 / R

La valeur de R étant le facteur déterminant de la valeur du courant de sortie.

Pour créer un régulateur de courant variable, il suffit d'ajouter une résistance variable au circuit à côté d'une autre résistance pour créer un diviseur sur la broche réglable comme indiqué dans l'image ci-dessous.

Le fonctionnement du circuit est le même que le précédent à la différence que le courant peut être réglé en circuit en tournant le bouton du potentiomètre pour faire varier la résistance. La tension aux bornes de R est donnée par;

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

Cela signifie que le courant à travers R est donné par;

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

Cela donne au circuit une plage de courant de I = 1,25 / R et (1,25 / R) x (1 + R1 / R2)

Dépend du courant réglé; Assurez-vous que la puissance nominale de la résistance R peut supporter la quantité de courant qui la traversera.

Avantages et inconvénients de l'utilisation de LDO comme régulateur de courant

Voici quelques avantages pour le choix de l'approche du régulateur de tension linéaire.

Les circuits intégrés des régulateurs intègrent une protection contre la surchauffe, ce qui pourrait être utile lorsque des charges avec des exigences de courant excessives sont connectées.
Les circuits intégrés de régulation ont une plus grande tolérance aux tensions d'entrée importantes et supportent dans une large mesure une dissipation de puissance élevée.
L'approche des circuits intégrés de régulation implique l'utilisation d'une plus petite quantité de composants avec l'ajout de seulement quelques résistances dans la plupart des cas, sauf dans les cas où des courants plus élevés sont nécessaires et où des transistors de puissance sont connectés. Cela signifie que vous pouvez utiliser le même circuit intégré pour la régulation de tension et de courant.
La réduction du nombre de composants pourrait signifier une réduction du coût de mise en œuvre et du temps de conception.

Désavantages:

D'un autre côté, les configurations décrites dans l'approche des circuits intégrés de régulation permettent le flux de courant de repos du régulateur vers la charge en plus de la tension de sortie régulée. Cela introduit une erreur qui peut ne pas être autorisée dans certaines applications. Cela pourrait cependant être réduit en choisissant un régulateur avec un courant de repos très faible.

Un autre inconvénient de l'approche IC du régulateur est le manque de flexibilité dans la conception.

Outre l'utilisation de circuits intégrés de régulation de tension, les régulateurs de courant peuvent également être conçus à l'aide de pièces en jellybean, notamment des transistors, des amplificateurs opérationnels et une diode Zener avec les résistances nécessaires. Une diode Zener est utilisée dans le circuit probablement comme une évidence, comme si vous vous souvenez que la diode Zener est utilisée pour la régulation de tension. La conception du régulateur de courant utilisant ces pièces est la plus flexible car elles sont généralement faciles à intégrer dans les circuits existants.

Régulateur de courant utilisant des transistors

Nous examinerons deux modèles dans cette section. Le premier comportera l'utilisation de transistors uniquement tandis que le second comportera un mélange d'un amplificateur opérationnel et d'un transistor de puissance.

Pour celui avec transistors, considérez le circuit ci-dessous.

Le régulateur de courant décrit dans le circuit ci-dessus est l'une des conceptions de régulateur de courant les plus simples. C'est un régulateur de courant côté bas; Je me suis connecté après la charge avant la terre. Il se compose de trois éléments clés; un transistor de commande (le 2N5551), un transistor de puissance (le TIP41) et une résistance shunt (R).Le shunt, qui est essentiellement une résistance de faible valeur, est utilisé pour mesurer le courant traversant la charge. Lorsque le circuit est sous tension, une chute de tension est notée aux bornes du shunt. Plus la valeur de la résistance de charge RL est élevée, plus la chute de tension aux bornes du shunt est élevée. La chute de tension aux bornes du shunt agit comme un déclencheur pour le transistor de commande de telle sorte que plus la chute de tension est élevée sur le shunt, plus le transistor conduit et régule la tension de polarisation appliquée à la base du transistor de puissance pour augmenter ou réduire la conduction avec le résistance R1 agissant comme résistance de polarisation.

Tout comme avec les autres circuits, une résistance variable peut être ajoutée en parallèle à la résistance shunt pour faire varier le niveau de courant en faisant varier la quantité de tension appliquée à la base du transistor de commande.

Régulateur de courant utilisant Op-Amp

Pour le deuxième chemin de conception, considérez le circuit ci-dessous;

Ce circuit est basé sur un amplificateur de fonctionnement, et tout comme dans l'exemple avec le transistor, il utilise également une résistance shunt pour la détection de courant. La chute de tension aux bornes du shunt est introduite dans l'amplificateur opérationnel qui la compare ensuite à une tension de référence fixée par la diode Zener ZD1. L'ampli opérationnel compense les écarts (élevés ou faibles) dans les deux tensions d'entrée en ajustant sa tension de sortie. La tension de sortie de l'amplificateur opérationnel est connectée à un FET haute puissance et la conduction se produit sur la base de la tension appliquée.

La principale différence entre cette conception et la première est la tension de référence mise en œuvre par la diode Zener. Ces deux conceptions sont linéaires et une grande quantité de chaleur sera générée à des charges élevées en tant que telles, des dissipateurs de chaleur doivent leur être couplés pour dissiper la chaleur.

Avantage et désavantage

Le principal avantage de cette approche de conception est la flexibilité qu'elle offre au concepteur. Les pièces peuvent être sélectionnées et la conception configurée pour goûter sans aucune des limitations associées au circuit interne qui caractérise l'approche basée sur le circuit intégré du régulateur.

D'autre part, cette approche a tendance à être plus fastidieuse, longue, nécessite plus de pièces, encombrante, susceptible de tomber en panne et plus coûteuse par rapport à l'approche IC basée sur le régulateur.

Application des régulateurs actuels

Les régulateurs de courant constant trouvent des applications dans toutes sortes de dispositifs, des circuits d'alimentation aux circuits de charge de batterie, en passant par les pilotes de LED et d'autres applications où un courant fixe doit être régulé indépendamment de la charge appliquée.

Voilà pour cet article! J'espère que vous avez appris une ou deux choses.

Jusqu'à la prochaine fois!