Регулировка тока источника питания

Обновлено: 05.07.2024

Преобразователи напряжения постоянного тока часто используются для подачи регулируемого напряжения от нестабилизированного источника напряжения. Нерегулируемые источники напряжения могут быть выпрямленными линейными напряжениями, которые подвержены колебаниям из-за изменения величины. Источники регулируемого напряжения обеспечивают среднее выходное постоянное напряжение на желаемом уровне (3,3 В, 2,5 В и т. д.), несмотря на колебания источников входного напряжения и переменные выходные нагрузки. Факторы, которые следует учитывать при выборе решения для источника регулируемого напряжения, включают:

В следующих разделах описываются несколько различных регуляторов напряжения.

Линейные регуляторы

Линейные стабилизаторы напряжения обычно используются для понижающих преобразователей (выходное напряжение питания ниже входного напряжения источника). Линейные стабилизаторы также доступны с фиксированным выходным напряжением или переменным выходным напряжением при использовании внешних резисторов смещения.

Преимущество линейных регуляторов заключается в простоте реализации и минимальном количестве деталей (только микросхема в случае фиксированного выхода) и низких пульсациях на выходе. Основным недостатком линейных регуляторов является низкий КПД. Значительная мощность рассеивается внутри ИС линейного стабилизатора, так как преобразователь постоянно включен и проводит ток. Линейные стабилизаторы следует использовать, когда разница между входным напряжением источника и выходным напряжением питания минимальна, а эффективность преобразователя не имеет значения.

Переключение регуляторов

Импульсные стабилизаторы напряжения обычно используются как для повышающих, так и для понижающих приложений и отличаются от линейных регуляторов реализацией широтно-импульсной модуляции (ШИМ). Импульсные регуляторы управляют выходным напряжением с помощью переключателя тока (внутреннего или внешнего по отношению к регулятору IC) с постоянной частотой и переменным рабочим циклом. Частоты переключения обычно составляют от нескольких кГц до нескольких сотен кГц. Коэффициент заполнения переключателя определяет, насколько и как быстро увеличивается или уменьшается выходное напряжение питания в зависимости от состояния нагрузки и входного напряжения источника. Некоторые импульсные стабилизаторы используют как переменную частоту переключения, так и рабочий цикл, но они обычно не используются для приложений FPGA/CPLD.

Очевидным преимуществом импульсных стабилизаторов является эффективность, поскольку минимальная мощность рассеивается в цепи питания (переключатели на полевых транзисторах), когда выходное напряжение питания достаточно для состояния нагрузки. По сути, преобразователь мощности «выключается», когда питание не требуется, из-за минимального рабочего цикла переключателя. Недостатком импульсных стабилизаторов является сложность, так как на борту требуется несколько внешних пассивных компонентов. В случае сильноточных приложений требуются внешние ИС на полевых транзисторах, поскольку преобразователь ИС действует только как логика управления для внешнего переключателя на полевых транзисторах. Пульсации выходного напряжения являются еще одним недостатком, который обычно устраняется с помощью обходной емкости вблизи источника питания и на нагрузке.

Конвертер доллара

Понижающие или понижающие преобразователи напряжения создают среднее выходное напряжение ниже, чем входное напряжение источника. На рис. 1 показана базовая топология buck с использованием идеальных компонентов. Катушка индуктивности служит источником тока для выходного сопротивления нагрузки. Когда переключатель полевого транзистора включен, ток дросселя увеличивается, вызывая положительное падение напряжения на дросселе и более низкое выходное напряжение питания по сравнению с входным напряжением источника. Когда переключатель FET выключен, ток катушки индуктивности разряжается, вызывая отрицательное падение напряжения на катушке индуктивности. Поскольку один порт катушки индуктивности подключен к земле, другой порт будет иметь более высокий уровень напряжения, который является целевым выходным напряжением питания. Выходная емкость действует как фильтр нижних частот, уменьшая пульсации выходного напряжения в результате колебаний тока через катушку индуктивности. Диод обеспечивает ток для катушки индуктивности, когда полевой транзистор выключен.

Методы и схемы ограничения тока с использованием диодов и транзисторов для обеспечения функции ограничения тока для источников питания и других цепей.

Схемы ограничения тока являются ключом к источникам питания, защищая их в случае короткого замыкания или других условий перегрузки.

Ввиду возможного повреждения источника питания в случае перегрузки почти всегда устанавливаются ограничители тока, и они являются стандартной функцией, включенной в ИС регулируемых источников питания.

Как следует из названия, схема ограничения тока ограничивает ток от регулируемого источника питания до максимальной величины, определяемой схемой, и, таким образом, может серьезно повредить цепи, как источник питания, так и цепь, на которую подается питание. избегать.

Эти схемы более применимы к линейным источникам питания, хотя аналогичные методы измерения могут использоваться в импульсных источниках питания.

Типы ограничения тока

Как и в случае с любой технологией и типом электронной схемы, существует несколько вариантов выбора. То же самое относится и к ограничителям тока, используемым в регулируемых источниках питания.

Существует два основных типа схемы ограничения тока:

Ограничение постоянного тока. При использовании ограничения постоянного тока выходное напряжение поддерживается по мере увеличения тока до тех пор, пока не будет достигнута точка, в которой достигается максимум. В этот момент ток поддерживается на этом уровне, в то время как напряжение падает с увеличением нагрузки.

Это основная форма ограничения тока, используемая в регулируемых источниках питания. Схема проста и использует всего несколько электронных компонентов, но она не снижает ток в случае короткого замыкания - он поддерживается на максимальном уровне, что может привести к повреждению схемы.

Одним из недостатков является то, что когда начинает работать ограничение тока, потребляется максимальный ток, но в этот момент выходное напряжение падает, а это означает, что последовательный транзистор в регулируемом блоке питания имеет повышенное напряжение. Это увеличивает рассеиваемую мощность внутри устройства.

В точке, где выходное напряжение близко к нулю, потребляется максимальный ток, в то время как напряжение на ней равно полному входному напряжению от схем сглаживания и выпрямления. Это не идеально, потому что на этапе проектирования электронной схемы необходимо сделать поправку на это, требуя, возможно, более крупного последовательного проходного транзистора, а также дополнительных возможностей теплоотвода, что увеличивает стоимость и размер регулируемого источника питания.

Обратное ограничение тока. В этом типе ограничения тока, используемом в регулируемых источниках питания, выходное напряжение поддерживается до момента, когда начинает действовать ограничение тока. В этот момент, вместо того, чтобы просто ограничивать ток, ток фактически начинает уменьшаться. Таким образом, чем больше перегрузка, тем меньше ток, и тем самым снижается риск повреждения.

Ограничение обратного тока в стабилизаторе напряжения снижает энергопотребление, поскольку по мере увеличения перегрузки ток уменьшается, а общее энергопотребление падает, удерживая тепловыделение последовательного проходного транзистора в более разумных пределах.

Несмотря на немного более сложный подход, обратная схема ограничения тока может быть реализована с использованием относительно небольшого количества электронных компонентов. Поскольку эта функция обычно включается в интегральные схемы регулируемых источников питания, дополнительные затраты на использование обратных ограничений по сравнению с ограничением постоянного тока не заметны. Соответственно, в этих ИС практически всегда используется обратная схема ограничения тока.

Ограничитель обратного хода усложняет линейный источник питания, поскольку требует больше электронных компонентов, чем простой ограничитель постоянного тока. Существует также возможность состояния, известного как «блокировка», с неомическими устройствами, которые потребляют постоянный ток независимо от напряжения питания. Ограничитель тока обратного хода также может включать временную задержку, чтобы избежать проблемы с блокировкой.

Две разные формы ограничения тока линейного источника питания, как правило, используются в разных областях, фактический тип, используемый для любого конкретного приложения, выбирается на этапе проектирования электронной схемы проекта.

Базовая схема ограничения постоянного тока

Существует ряд схем, которые можно использовать для ограничения постоянного тока для защиты источника питания, но в одной из самых простых схем используются всего три электронных компонента: два диода и резистор.

Простой регулируемый блок питания с ограничением тока

В схеме ограничителя тока источника питания используется чувствительный резистор, включенный последовательно с эмиттером выходного проходного транзистора. Два диода, расположенные между выходом схемы и базой проходного транзистора, обеспечивают ограничение тока.

Когда схема работает в нормальном рабочем диапазоне, на последовательном резисторе присутствует небольшое напряжение. Это напряжение плюс напряжение базы-эмиттера транзистора меньше, чем два падения диодного перехода, необходимые для включения двух диодов, чтобы они могли проводить ток. Однако по мере увеличения тока увеличивается и напряжение на резисторе.

Когда оно равно напряжению включения диода, напряжение на резисторе плюс падение на переходе база-эмиттер для транзистора равняется двум падениям на диоде, и в результате это напряжение возникает на двух диодах, которые начинают проводить ток. Это начинает снижать напряжение на базе транзистора, тем самым ограничивая потребляемый ток.

Схема этого диодного ограничителя тока для линейного источника питания особенно проста, и, соответственно, конструкция электронной схемы также очень проста.

Значение последовательного резистора можно рассчитать так, чтобы напряжение на нем возросло до 0.6 вольт (напряжение включения кремниевого диода) при достижении максимального тока. Однако всегда лучше обеспечить некоторый запас, ограничив ток от простого стабилизатора питания до того, как будет достигнут абсолютный максимальный уровень.

Двухтранзисторный линейный стабилизатор питания с ограничением тока

Та же простая диодная форма ограничения тока может быть включена в схемы линейных источников питания, которые используют обратную связь для измерения фактического выходного напряжения и обеспечивают более точную регулировку выходного сигнала. Если точка измерения выходного напряжения находится после последовательного резистора измерения тока, то падение напряжения на нем можно скорректировать на выходе.

Линейная схема питания с обратной связью и ограничением тока

Схема ограничения тока обратного транзистора

Схема ограничения тока с обратной связью обеспечивает гораздо лучшую производительность, чем обычная схема ограничения постоянного тока, используемая в более простых источниках питания.

Транзисторный линейный стабилизатор питания с обратным ограничением тока

Схема обратной связи использует несколько дополнительных электронных компонентов, в том числе транзистор и несколько резисторов, но обеспечивает гораздо лучшую защиту источника питания и схемы, на которую подается питание.

Схема работает, потому что по мере увеличения нагрузки увеличивающаяся доля напряжения между эмиттером и землей падает на резисторе R3 — по мере того, как нагрузка становится меньше, эффект делителя потенциала означает, что больше напряжения падает на резисторе R3.

Точка достигается, когда транзистор Tr3 начинает открываться. Когда это происходит, он начинает ограничивать ток.

Если сопротивление нагрузки становится меньше, напряжение на резисторе R3 увеличивается, больше включает Tr3, и это еще больше снижает ток, снижая уровень обеспечиваемого тока.

Есть несколько уравнений, которые можно использовать для определения ключевых параметров схемы, обеспечивающих требуемый максимальный ток для линейного регулятора напряжения, а также уровень обратного тока при коротком замыкании.

Влияние плохого регулирования (или стабилизации) питания можно увидеть на рис. 1.3.1, где показаны графики выходного напряжения (V_DC) при увеличении тока нагрузки (I) в различных режимах. версии базового блока питания.

Обратите внимание, что выходное напряжение значительно выше для двухполупериодных моделей (красный и желтый), чем для полуволновых (зеленый и фиолетовый). Также обратите внимание на небольшое снижение напряжения при добавлении LC-фильтра из-за падения напряжения на катушке индуктивности. В каждом случае в базовой конструкции выходное напряжение падает почти линейно по мере увеличения тока, потребляемого от источника питания. В дополнение к этому эффекту дополнительная разрядка накопительного конденсатора также вызывает увеличение амплитуды пульсаций.

Рис. 1.3.1 Сравнение кривых регулирования

Регулятор (стабилизатор)

Регулятор или стабилизатор?

Строго говоря, компенсация колебаний сетевого (линейного) входного напряжения называется РЕГУЛИРОВКОЙ, а компенсация колебаний тока нагрузки — СТАБИЛИЗАЦИЯ. На практике вы обнаружите, что эти термины используются довольно свободно для описания компенсации обоих эффектов. На самом деле большинство стабилизированных или регулируемых источников питания компенсируют как входные, так и выходные колебания, поэтому они являются (по крайней мере, до некоторой степени) стабилизированными и регулируемыми источниками питания.

Как и во многих современных терминах, термин «регулятор» будет использоваться здесь для описания как регулирования, так и стабилизации.

Эти проблемы можно решить, включив стабилизатор на выходе источника питания. Эффект этой схемы можно увидеть на рис. 1.3.1. в виде черной линии на графике, где для любого тока примерно до 200 мА выходное напряжение (хотя и ниже абсолютного максимума, обеспечиваемого базовым источником питания) остается постоянным.

Регулятор противодействует изменению тока нагрузки, автоматически компенсируя снижение выходного напряжения при увеличении тока.

В регулируемых источниках питания также часто бывает, что выходное напряжение автоматически и внезапно снижается до нуля в качестве меры безопасности, если потребляемый ток превышает установленный предел. Это называется ограничением тока.

Для регулирования требуется дополнительная схема на выходе простого источника питания. Используемые схемы сильно различаются как по стоимости, так и по сложности. Используются две основные формы регулирования:

<р>1. Шунтовой регулятор.

<р>2. Регулятор серии.

Эти два подхода сравниваются на рис. 1.3.2 и рис. 1.3.3

Регулятор шунта

Рис. 1.3.2 Шунтирующий регулятор

В параллельном регуляторе (рис. 1.3.2) цепь подключается параллельно нагрузке. Цель регулятора — постоянно обеспечивать стабильное напряжение на нагрузке; это достигается за счет постоянного протекания тока через цепь регулятора. Если ток нагрузки увеличивается, то схема регулятора уменьшает свой ток так, что общий ток питания I_T, (состоящий из тока нагрузки I_L плюс ток регулятора I _S), остается на том же значении. Точно так же, если ток нагрузки уменьшается, то ток регулятора увеличивается, чтобы поддерживать постоянный общий ток I_T. Если общий ток питания останется прежним, то останется и напряжение питания.

Регулятор серии

Рис. 1.3.2 Регулятор серии

Последовательные регуляторы обычно управляются выборкой напряжения нагрузки с использованием системы отрицательной обратной связи. Если напряжение нагрузки имеет тенденцию к падению, меньшая обратная связь заставляет управляющее устройство уменьшать свое сопротивление, позволяя большему току протекать в нагрузку, тем самым увеличивая напряжение нагрузки до исходного значения. Увеличение напряжения на нагрузке будет иметь обратный эффект. Как и шунтовое регулирование, действие последовательного регулятора также компенсирует колебания напряжения питания.

Что означает блок питания?

Прежде чем мы перейдем к разнице между регулируемым и нерегулируемым блоком питания, давайте сначала разберемся, что именно означает «блок питания». В общем смысле источник питания — это любое устройство, которое подает энергию (мощность!) в электрическую цепь. Таким образом, батареи — это источники питания для фонариков, а электростанции — это источники питания для электросети.

Обычно мы имеем в виду не это, когда говорим об источниках питания. Обычно мы используем «источник питания» для обозначения схемы или устройства, которое адаптирует доступную мощность к конкретным потребностям одного устройства или набора подобных устройств. В большинстве непромышленных условий доступная мощность или входная мощность — это переменный ток, а выходная мощность — постоянный ток. Блок питания будет получать питание от электрической розетки и преобразовывать ток из переменного тока в постоянный. Итак, все ли блоки питания построены и спроектированы одинаково? Ответ - нет.

Источники питания могут быть:

Отдельные устройства (например, «кирпичи», которые мы втыкаем в стены для ноутбуков)
Встроенные устройства (например, холодильники, микроволновые печи и телевизоры)
Гибридные блоки (например, встроенные, но автономные блоки питания, используемые в настольных компьютерах)

Каждому устройству для работы требуется разное количество энергии или постоянного тока, а это означает, что блок питания должен каким-то образом регулировать напряжение, чтобы устройство не перегревалось.

Источник питания – это первое место, куда поступает электроэнергия. Большинство из них спроектированы таким образом, чтобы справляться с колебаниями электрического тока и при этом обеспечивать регулируемую или постоянную выходную мощность. В некоторых блоках питания даже есть предохранители, которые перегорают, если скачок напряжения слишком велик, чтобы защитить оборудование.

Источники питания делятся на две категории: регулируемые и нерегулируемые. В чем разница при сравнении регулируемого и нерегулируемого источника питания? Что ж, разница между регулируемым и нерегулируемым блоком питания связана с входным и выходным напряжением, необходимым для определенных устройств.

Что такое регулируемый источник питания?

Давайте начнем с изучения того, что такое регулируемый источник питания и почему это важно? Регулируемые блоки питания имеют регуляторы напряжения на выходе. Это означает, что регулятор гарантирует, что выходное напряжение всегда будет оставаться на уровне номинального значения источника питания, независимо от тока, потребляемого устройством. Любое изменение входного напряжения не повлияет на выходное напряжение из-за регуляторов.

Это работает до тех пор, пока устройство не потребляет больше номинального выходного тока источника питания. Говоря простым языком, регулируемый источник питания обеспечивает постоянное выходное напряжение, независимое от выходного тока. Регулируемый источник питания с несколькими регуляторами может обеспечивать несколько выходных напряжений для работы различных устройств. Регулируемые блоки питания поддерживают напряжение на нужном уровне и идеально подходят практически для всех типов электронных устройств благодаря плавной и стабильной подаче напряжения, которую они обеспечивают.

Что такое нерегулируемый источник питания?

Теперь, когда мы ответили, что такое регулируемый источник питания, что такое нерегулируемый источник питания? Ну, как следует из названия, разница между регулируемым и нерегулируемым источником питания заключается в том, что выходное напряжение нерегулируемого источника питания не регулируется. Нерегулируемые источники питания предназначены для получения определенного напряжения при определенном токе. То есть, если снова использовать причудливые электрические термины, нерегулируемые источники питания обеспечивают постоянное количество энергии (напряжение x ток). Выходное напряжение будет уменьшаться по мере увеличения выходного тока, и наоборот; таким образом, нерегулируемый источник питания всегда должен максимально соответствовать требованиям по напряжению и току устройства, которое он питает.

Нерегулируемые источники питания по своей природе не обеспечивают чистого (то есть постоянного) напряжения, как это делают регулируемые источники питания. Без регулятора для стабилизации выходного напряжения любое изменение входного напряжения будет отражаться на выходном напряжении. Эти небольшие изменения выходного напряжения называются «пульсирующим напряжением» и, по сути, представляют собой электрические помехи. Если требования к источнику питания и нагрузке совпадают, обычно проблем не возникает. Однако, если напряжение пульсаций достаточно велико по отношению к выходному напряжению, это повлияет на поведение цепей и устройств.

Чтобы уменьшить влияние пульсаций напряжения, конденсатор фильтра можно поместить между положительным и отрицательным выходами источника питания. Конденсатор, который сопротивляется изменениям напряжения, будет действовать как регулятор, сглаживая выходное напряжение и обеспечивая нормальную работу.

Регулируемый и нерегулируемый источник питания: что выбрать?

Так что же лучше выбрать? Это зависит от ваших потребностей. Нерегулируемые источники питания менее дороги, но они могут обеспечивать мощность, равную доступной входной мощности. Если вы питаете оборудование с чувствительной электроникой, чистая мощность является абсолютным требованием. Вы можете использовать нерегулируемый источник питания, если он точно соответствует требованиям по напряжению и току устройства, что позволяет ему работать. плавно.

Если вам нужен блок питания с несколькими выходными напряжениями постоянного тока, лучше использовать один регулируемый блок питания с несколькими выходами, чем несколько блоков с одним выходом. Стабилизированные блоки питания также более распространены и их легко найти, поскольку становится все проще производить регулируемые блоки питания, которые по-прежнему недороги. Кроме того, если используемое вами устройство является чувствительным, вы можете выбрать регулируемый источник питания, что даст вам больше уверенности в том, что ваше устройство получает правильное напряжение независимо от входного сигнала.

Если вы не знаете, какой тип источника питания вы используете для своего датчика, свяжитесь с нами сегодня! Мы поможем вам определить, используете ли вы регулируемый или нерегулируемый источник питания и какой тип датчика лучше всего подходит для ваших нужд.

Читайте также: