المنظمون الحاليون: أنواع البناء والعمل والتصميم

تمامًا مثل المواقف التي نحتاج فيها إلى تنظيم الجهد في تصميماتنا ، هناك سيناريوهات نحتاج فيها إلى تنظيم التيار الذي يتم توفيره لجزء معين من دائرتنا. على عكس التحويل (التغيير من مستوى جهد إلى آخر) والذي يعد عادةً أحد الأسباب الرئيسية لتنظيم الجهد ، فإن التنظيم الحالي عادةً ما يتعلق بالحفاظ على التيار الذي يتم توفيره ثابتًا ، بغض النظر عن الاختلافات في مقاومة الحمل أو جهد الدخل. الدوائر (متكامل أم لا) التي تستخدم لتحقيق العرض الحالي المستمر تسمى (ثابت) المنظمين الحالية والتي تستخدم عادة للغاية في إلكترونيات القوى.

على الرغم من ظهور المنظمين الحاليين في العديد من التطبيقات على مر السنين ، إلا أنهم لم يعدوا أحد أكثر الموضوعات شيوعًا في محادثات تصميم الإلكترونيات حتى وقت قريب. لقد حقق المنظمون الحاليون الآن نوعًا من الوضع في كل مكان بسبب تطبيقاتهم المهمة في إضاءة LED من بين تطبيقات أخرى.

في مقال اليوم ، سنلقي نظرة على المنظمين الحاليين ونفحص مبادئ التشغيل الكامنة وراءهم وتصميمهم وأنواعهم وتطبيقاتهم من بين أمور أخرى.

مبدأ تشغيل المنظم الحالي

يشبه تشغيل المنظم الحالي تشغيل منظم الجهد مع الاختلاف الرئيسي هو المعلمة التي ينظمونها والكمية التي يتغيرون بها لتزويد ناتجهم. في منظمات الجهد ، يتنوع التيار لتحقيق مستوى الجهد المطلوب ، بينما تتضمن المنظمات الحالية عادةً اختلافات في الجهد / المقاومة لتحقيق الإخراج الحالي المطلوب. على هذا النحو ، في حين أنه من الممكن ، عادة ما يكون من الصعب تنظيم الجهد والتيار في نفس الوقت في الدائرة.

لفهم كيفية عمل المنظمين الحاليين يتطلب نظرة سريعة على قانون أوم ؛

V = IR أو I = V / R

هذا يعني الحفاظ على تدفق تيار ثابت عند الإخراج ، يجب الحفاظ على هاتين الخاصيتين (الجهد والمقاومة) ثابتتين في دائرة أو تعديلهما بحيث عندما يكون هناك تغيير في أحدهما ، يتم تعديل قيمة الأخرى وفقًا لذلك للاحتفاظ نفس التيار الناتج. على هذا النحو ، يتضمن التنظيم الحالي إجراء تعديل على الجهد أو المقاومة في الدائرة أو ضمان عدم تغيير قيم المقاومة والجهد بغض النظر عن متطلبات / تأثيرات الحمل المتصل.

المنظم الحالي يعمل

لوصف كيفية عمل المنظم الحالي بشكل صحيح ، دعنا نفكر في مخطط الدائرة أدناه.

يتم استخدام المقاوم المتغير في الدائرة أعلاه لتمثيل إجراءات منظم التيار. سنفترض أن المقاوم المتغير مؤتمت ويمكنه ضبط مقاومته تلقائيًا. عندما يتم تشغيل الدائرة ، يقوم المقاوم المتغير بضبط مقاومته للتعويض عن التغيرات في التيار بسبب التغير في مقاومة الحمل أو إمداد الجهد. من فئة الكهرباء الأساسية ، يجب أن تتذكر أنه عند زيادة الحمل ، وهو أساسًا مقاومة (+ السعة / الحث) ، يحدث انخفاض فعال في التيار والعكس صحيح. وبالتالي عندما يزداد الحمل في الدائرة (زيادة المقاومة) ، بدلاً من انخفاض التيار ، يقلل المقاوم المتغير مقاومته للتعويض عن المقاومة المتزايدة وضمان نفس التدفق الحالي. بنفس الطريقة ، عندما تقل مقاومة الحمل ،تزيد المقاومة المتغيرة من مقاومتها للتعويض عن الانخفاض ، وبالتالي الحفاظ على قيمة الإنتاج الحالية.

هناك طريقة أخرى في التنظيم الحالي تتمثل في توصيل مقاومة عالية بما فيه الكفاية بالتوازي مع الحمل بحيث يتدفق التيار ، وفقًا لقوانين الكهرباء الأساسية ، عبر المسار بأقل مقاومة والتي في هذه الحالة ستكون من خلال الحمل ، فقط كمية "لا تذكر" من التيار المتدفق عبر المقاوم عالي القيمة.

تؤثر هذه الاختلافات أيضًا على الجهد حيث تحافظ بعض المنظمات الحالية على التيار عند الخرج عن طريق تغيير الجهد. وبالتالي ، يكاد يكون من المستحيل تنظيم الجهد عند نفس الإخراج حيث يتم تنظيم التيار.

تصميم المنظمين الحاليين

عادة ما يتم تنفيذ المنظمين الحاليين باستخدام منظمات الجهد القائمة على IC مثل MAX1818 و LM317 أو عن طريق استخدام المكونات السلبية والفعالة مثل الترانزستورات وثنائيات زينر.

تصميم منظمات التيار باستخدام منظمات الجهد

لتصميم المنظمين الحاليين باستخدام منظم الجهد المعتمد على IC ، عادةً ما تتضمن التقنية إعداد منظمات الجهد للحصول على مقاومة حمل ثابتة وعادة ما يتم استخدام منظمات الجهد الخطي لأن الجهد بين خرج المنظمين الخطيين وأرضهم يكون عادةً محكمًا منظم ، على هذا النحو ، يمكن إدخال المقاوم الثابت بين المحطات بحيث يتدفق تيار ثابت إلى الحمل. تم نشر مثال جيد للتصميم القائم على هذا في أحد منشورات EDN بواسطة Budge Ing في عام 2016.

تستخدم الدائرة الكهربائية منظم LDO الخطي MAX1818 لإنشاء مصدر تيار ثابت عالي الجانب منظم. تم تصميم العرض (الموضح في الصورة أعلاه) بحيث يغذي RLOAD بتيار ثابت ، والذي يساوي I = 1.5V / ROUT. حيث يكون 1.5 فولت هو جهد الخرج المحدد مسبقًا لـ MAX1818 ولكن يمكن تغييره باستخدام مقسم مقاوم خارجي.

لضمان الأداء الأمثل للتصميم ، يجب أن يصل الجهد عند طرف الإدخال في MAX1818 إلى 2.5 فولت ولا يزيد عن 5.5 فولت لأن هذا هو نطاق التشغيل المنصوص عليه في ورقة البيانات. لتلبية هذا الشرط ، اختر قيمة ROUT التي تسمح 2.5V إلى 5.5V بين IN و GND. على سبيل المثال ، عندما يكون الحمل 100 مع 5V VCC ، فإن الجهاز يعمل بشكل صحيح مع ROUT أعلى من 60Ω حيث تسمح القيمة بحد أقصى للتيار القابل للبرمجة 1.5V / 60Ω = 25mA. ثم يساوي الجهد عبر الجهاز الحد الأدنى المسموح به: 5V - (25mA × 100Ω) = 2.5V.

يمكن أيضًا استخدام المنظمات الخطية الأخرى مثل LM317 في عملية تصميم مماثلة ، ولكن إحدى المزايا الرئيسية التي تتمتع بها الدوائر المتكاملة مثل MAX1818 على غيرها هي حقيقة أنها تتضمن إيقاف التشغيل الحراري والذي قد يكون مهمًا جدًا في التنظيم الحالي مثل درجة حرارة يميل IC إلى أن يصبح ساخنًا عند توصيل الأحمال ذات المتطلبات الحالية العالية.

بالنسبة للمنظم الحالي القائم على LM317 ، ضع في اعتبارك الدائرة أدناه ؛

تم تصميم LM317s بحيث يستمر المنظم في ضبط جهده حتى يصل الجهد بين دبوس الخرج ودبوس الضبط الخاص به إلى 1.25 فولت ، وبالتالي يتم استخدام هذا الحاجز عادةً عند التنفيذ في حالة منظم الجهد. ولكن بالنسبة لحالة الاستخدام الخاصة بنا كمنظم للتيار ، فإنه في الواقع يجعل الأمور سهلة للغاية بالنسبة لنا لأنه نظرًا لأن الجهد ثابت ، فكل ما نحتاج إلى فعله لجعل ثابت التيار هو ببساطة إدخال المقاوم في سلسلة بين Vout و ADJ pin كما هو موضح في الدائرة أعلاه. على هذا النحو ، نحن قادرون على ضبط تيار الإخراج على قيمة ثابتة يتم تقديمها بواسطة ؛

أنا = 1.25 / ص

مع كون قيمة R هي العامل المحدد لقيمة الإخراج الحالية.

لإنشاء منظم تيار متغير ، نحتاج فقط إلى إضافة المقاوم المتغير إلى الدائرة جنبًا إلى جنب مع المقاوم الآخر لإنشاء مقسم للدبوس القابل للتعديل كما هو موضح في الصورة أدناه.

تشغيل الدائرة هو نفسه الذي كان يعمل في السابق مع اختلاف هو أنه يمكن ضبط التيار في الدائرة عن طريق تدوير مقبض مقياس الجهد لتغيير المقاومة. الجهد عبر R يعطي بواسطة ؛

الخامس = (1 + R1 / R2) × 1.25

هذا يعني أن التيار عبر R يُعطى بواسطة ؛

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

هذا يعطي الدائرة نطاقًا حاليًّا من I = 1.25 / R و (1.25 / R) x (1 + R1 / R2)

تعتمد على مجموعة التيار ؛ تأكد من أن تصنيف الواط للمقاوم R يمكنه تحمل كمية التيار الذي سيتدفق عبره.

مزايا وعيوب استخدام LDO كمنظم حالي

فيما يلي بعض المزايا لاختيار نهج منظم الجهد الخطي.

تشتمل الدوائر المتكاملة للهيئات التنظيمية على حماية من درجة الحرارة الزائدة والتي يمكن أن تكون مفيدة عند توصيل الأحمال ذات المتطلبات الحالية المفرطة.
تتمتع الدوائر المتكاملة للهيئات التنظيمية بتحمل أكبر لجهود الإدخال الكبيرة وتدعم إلى حد كبير تبديد الطاقة العالية.
يتضمن نهج ICs المنظم استخدام كمية أصغر من المكونات مع إضافة عدد قليل فقط من المقاومات في معظم الحالات باستثناء الحالات التي تتطلب تيارات أعلى ويتم توصيل ترانزستورات الطاقة. هذا يعني أنه يمكنك استخدام نفس IC لتنظيم الجهد والتيار.
قد يعني تقليل عدد المكونات تقليل تكلفة التنفيذ ووقت التصميم.

سلبيات:

على الجانب الآخر ، تسمح التكوينات الموصوفة في نهج ICs المنظم بتدفق التيار الهادئ من المنظم إلى الحمل بالإضافة إلى جهد الخرج المنظم. يؤدي هذا إلى حدوث خطأ قد لا يكون مسموحًا به في بعض التطبيقات. ومع ذلك ، يمكن تقليل هذا عن طريق اختيار منظم بتيار هادئ للغاية.

الجانب السلبي الآخر لنهج منظم IC هو الافتقار إلى المرونة في التصميم.

بصرف النظر عن استخدام الدوائر المتكاملة لمنظم الجهد ، يمكن أيضًا تصميم المنظمين الحاليين باستخدام أجزاء jellybean بما في ذلك الترانزستورات و opamps و Zener diode مع المقاومات الضرورية يتم استخدام الصمام الثنائي Zener في الدائرة على الأرجح لأنه لا يحتاج إلى تفكير كما لو كنت تتذكر أن الصمام الثنائي Zener يستخدم لتنظيم الجهد. يعد تصميم المنظم الحالي باستخدام هذه الأجزاء هو الأكثر مرونة حيث يسهل دمجها عادةً في الدوائر الحالية.

المنظم الحالي باستخدام الترانزستورات

سننظر في تصميمين تحت هذا القسم. سيحتوي الأول على استخدام الترانزستورات فقط بينما سيحتوي الثاني على مزيج من مضخم تشغيلي وترانزستور طاقة.

بالنسبة للواحد مع الترانزستورات ، ضع في اعتبارك الدائرة أدناه.

يعتبر المنظم الحالي الموصوف في الدائرة أعلاه أحد أبسط تصميمات منظم التيار. إنه منظم تيار منخفض الجانب ؛ لقد قمت بالاتصال بعد الحمل قبل الأرض. وهي مكونة من ثلاثة مكونات رئيسية ؛ ترانزستور تحكم (2N5551) ، ترانزستور طاقة (TIP41) ومقاوم تحويلة (R).تُستخدم التحويلة ، والتي هي أساسًا مقاومة منخفضة القيمة ، لقياس التيار المتدفق خلال الحمل. عند تشغيل الدائرة ، يتم ملاحظة انخفاض الجهد عبر التحويلة. كلما زادت قيمة مقاومة الحمل R ، زاد انخفاض الجهد عبر التحويل. يعمل انخفاض الجهد عبر التحويلة كمحفز لترانزستور التحكم بحيث أنه كلما زاد انخفاض الجهد عبر التحويلة ، زاد إجراء الترانزستور وتنظيم جهد التحيز المطبق على قاعدة ترانزستور الطاقة لزيادة أو تقليل التوصيل باستخدام المقاوم R1 بمثابة المقاوم التحيز.

تمامًا كما هو الحال مع الدوائر الأخرى ، يمكن إضافة المقاوم المتغير بالتوازي مع المقاوم التحويلية لتغيير المستوى الحالي عن طريق تغيير مقدار الجهد المطبق في قاعدة ترانزستور التحكم.

المنظم الحالي باستخدام Op-Amp

بالنسبة لمسار التصميم الثاني ، ضع في اعتبارك الدائرة أدناه ؛

تعتمد هذه الدائرة على مضخم التشغيل ، وكما هو الحال في مثال الترانزستور ، فإنها تستخدم أيضًا مقاومة تحويلية لاستشعار التيار. يتم تغذية انخفاض الجهد عبر التحويلة في مكبر التشغيل الذي يقارنه بعد ذلك بجهد مرجعي محدد بواسطة الصمام الثنائي ZD1. يقوم جهاز op-amp بتعويض أي تباينات (عالية أو منخفضة) في جهدي الإدخال عن طريق ضبط جهد الخرج. يتم توصيل الجهد الناتج لمضخم التشغيل بقدرة عالية FET ويحدث التوصيل بناءً على الجهد المطبق.

الاختلاف الرئيسي بين هذا التصميم والأول هو الجهد المرجعي الذي ينفذه الصمام الثنائي Zener. كلا التصميمين خطي وسيتم توليد كمية عالية من الحرارة بأحمال عالية على هذا النحو ، يجب أن تقترن أحواض الحرارة بها لتبديد الحرارة.

مزايا وعيوب

الميزة الرئيسية لنهج التصميم هذا هي المرونة التي يوفرها للمصمم. يمكن اختيار الأجزاء وتهيئة التصميم حسب الذوق دون أي قيود مرتبطة بالدوائر الداخلية التي تميز النهج القائم على منظم الدائرة المتكاملة.

من ناحية أخرى ، يميل هذا النهج إلى أن يكون مملاً أكثر ، ويستغرق وقتًا طويلاً ، ويتطلب المزيد من الأجزاء ، وضخمة ، وعرضة للفشل ، وأكثر تكلفة عند مقارنته بنهج IC القائم على التنظيم.

تطبيق المنظمين الحاليين

تجد منظمات التيار المستمر تطبيقات في جميع أنواع الأجهزة من دوائر إمداد الطاقة ، إلى دوائر شحن البطارية ، إلى مشغلات LED والتطبيقات الأخرى التي يحتاج فيها التيار الثابت إلى التنظيم بغض النظر عن الحمل المطبق.

هذا كل شيء لهذا المقال! أتمنى أن تكون قد تعلمت شيئًا أو شيئين.

حتى المرة القادمة!