kompletny artykuł w pliku pdf

Co ciekawego kryje stabilizator LM317?
Co ciekawego kryje stabilizator LM317? (cz.3 – ost.)
Karol Świerc
5.5 Stabilizator prądu
napięcia. Powyżej, jest stabilizatorem prądu (o znacznie
bardziej „stromej” charakterystyce aniżeli w przykładzie
poprzednim). Wykazuje zatem prostokątną charakterystykę U-I.
Jak ten układ działa? Nietrudno domyślić się, iż „kluczem” jest „sprytnie” zamknięte sprzężenie zwrotne. W
trybie „napięciowym” pełni je R6-R8. Dopóki na wejściu
nieodwracającym wzmacniacza operacyjnego panuje
wyższy potencjał aniżeli na wejściu odwracającym, układ
pracuje w klasycznej konfiguracji stabilizując napięcie.
Prąd układu LM317 „wzmacniany” jest zewnętrznym tranzystorem (patrz rys.5.2 w p.5.2), a punkt pracy układu scalonego wyznacza rezystor R1. Powyżej pewnej wartości
prądu (w gałęzi równoległej, tj. w obwodzie kolektora Q1)
potencjał wejścia odwracającego wzmacniacza operacyjnego przekroczy potencjał wyjścia stabilizatora. Wzmacniacz operacyjny nie pozwoli na dalszy wzrost prądu
ściągając w dół wyprowadzenie ADJUST układu LM317.
W tych warunkach pętla stabilizacji prądu jest dominująca
nad obwodem stabilizacji napięcia; stąd „prostokątna”
charakterystyka U-I układu. Pętla ujemnego sprzężenia
zwrotnego w trybie „prądowym” jest znacznie bardziej
skomplikowana (w sensie charakterystyki wzmocnienia i
fazy), aniżeli w trybie napięciowym. Parametry układu scalonego (LM317) nie gwarantują już stabilności. Dlatego
C5 (w obwodzie lokalnego feedback-u wmacniacza operacyjnego) jako dominujący biegun. W obwodzie wyjścia
wzmacniacza operacyjnego wstawiono diodę LED jako
sygnalizacja, iż układ pracuje stabilizując prąd (nie na-
W serwisie coraz częściej spotykamy się ze stabilizatorami prądu (wszelkie ładowarki). Najprostszy stabilizator
prądu zbudowany na układzie LM317 pokazano już w
p.5.1, rysunek 5.1g. Zawiera on oprócz układu scalonego jedynie jeden opornik! Bardzo prosty układ ładowarki
pokazano na rys.5.5. To źródło napięcia dla prądu poniżej
IGRAN. „Powyżej”, układ stabilizuje prąd. IGRAN ustalone jest
rezystorem R1. R1 =1 om daje ograniczenie prądowe
na poziomie 0.6A. Dla innych wartości oporu zachodzi
odwrotna proporcjonalność.
LM317
VIN
VIN
9V ÷ 40V
VOUT
ADJ
240
U 6.7V
1.1k
1000µF
2N2222
100
R1
I OGR 0.6V
R1
Rys.5.5. Ładowarka akumulatora 6V z ograniczaniem
prądowym
Rozwiązanie pokazane na rysunku 5.6 także integruje
cechy zarówno stabilizatora napięcia, jak i prądu. Do
określonej (granicznej wartości) prądu jest stabilizatorem
Obwód sprzê¿enia zwrotnego w trybie pr¹dowym
Q1
MJ4502
LM317
R1
33
VIN
35V
C1
1µF
Regulacja
pr¹du
C2
100pF
VOUT
ADJ
U WY
D2
1N457
C4
75pF
R4
680
2
8
6
1.2V÷30V
D1
1N457
D3
LED
LM301A
4
3
C5
75pF
– regulowane R8
– regulowane R2
C3
10µF
V+
7
Charakterystyka U-I
I MAX = 5A
R3
0.2R
5W
1.2V÷30V
1
U
R2
250k
R5
330k
Obwód
sprzê¿enia
zwrotnego
w trybie napiêciowym
R6
240
R7
220
I
-6V
Regulacja
napiêcia
R8
C6
10µF
Rys.5.6. Regulowany zasilacz napięcia lub stabilizator prądu 1.2 ÷ 30V/5A
SERWIS ELEKTRONIKI Co ciekawego kryje stabilizator LM317?
500
VIN 18V
R6
0.5
LM317
LED
R5
1k
Q1
2N2905
0.1µF
I MIN = 147mA
R1
3k
R2
15
73mV
R3
230
R4
15k
3
7
1N457
1
TO 12V
BATTERY
LM301A
2
8
4
1µF
1000pF
START
Rys.5.7. Ładowarka baterii 12V
pięcie). Wraz z diodą D1 pełni ona także funkcję odcięcia
wzmacniacza operacyjnego w trybie stabilizacji napięcia
(wtedy na wyjściu wzmacniacza panuje potencjał bliski
jego dodatniego zasilania). Na zakończenie opisu układu
z rys.5.6 proponujemy zainteresowanemu Czytelnikowi
sprawdzenie, iż w trybie stabilizacji prądu układ będzie
go utrzymywał na poziomie IWY = (1.2V × R2)/(R3 × R5).
Układ ładowarki (baterii 12V) z wykorzystaniem układu LM317 pokazuje rysunek 5.7. Można powiedzieć,
iż układ ten wykazuje (w pewnym sensie) „odwrotną”
charakterystykę do pokazanego wyżej. Podłączając do
wyjścia rozładowaną baterię 12V, ładowarka „zechce” na
niej wymusić napięcie ok. 14.5V. Prąd ładowania będzie
ograniczony układem ograniczenia prądowego w strukturze LM317. Materiały źródłowe sugerują zastosowanie
układu LM317K o ograniczeniu prądowym na poziomie
2A. W miarę ładowania baterii, jej prąd ładowania maleje.
Gdy osiągnie on wartość ok. 150mA, zadziała dodatnie
sprzężenie zwrotne wykonane w obwodzie wzmacniacza operacyjnego. Teraz, o napięciu wytwarzanym na
wyjściu układu LM317 zadecyduje, oprócz rezystancji
R1-R2-R3 jeszcze rezystor R4 (włączany równolegle do
R1). Napięcie wyjściowe spadnie o około 2.5V. Stan niski
na wyjściu wzmacniacza operacyjnego zaświeci diodę
LED sygnalizującą koniec ładowania. W tym układzie nie
obserwujemy dwu ujemnych sprzężeń zwrotnych, natomiast sprzężenie zwrotne dodatnie skutkujące histerezą
charakterystyki. Z tego też względu, układ wyposażono
w „switch” startowy. Elementy obwodu są tak obliczone,
że podłączenie rozładowanej baterii powinno od razu
spowodować jej ładowanie. Jednak, chcąc podładować
baterię „lekko” rozładowaną, może być konieczne „ręczne” zastartowanie tego procesu. wyższego niż (jedynie) ok. 5V. Przy niskich nastawach,
mimo niewielkiego prądu IWY sporo ciepła wydziela się
w obwodzie stabilizatora liniowego. Tu „lwią” jego część
bierze na siebie tranzystor Q2. Właśnie w układzie zasilacza „dużego” napięcia można wydajnie podnieść jego
stabilność stosując diodę Zenera w miejsce dzielnika rezystancyjnego o dużym stosunku oporności. Taką modyfikację pokazano na rysunku 5.8b. W obu układach „ripple
rejection” poprawiono dodatkowym kondensatorem C1.
Diodę D2 dołożono jako zabezpieczenie przed zwarciem
wyjścia. Z uwagi na to, iż „tym razem” na C1 występuje
napięcie znacznej wartości, dla bezpieczeństwa dołożono
także rezystor R4. „Dołożenie” R7 „pogarszającego” ESR
kondensatora C2 wskazuje na „problemy ze stabilnością”.
Analizę obu wersji układu (rys.5.8a i b) pozostawiamy
Czytelnikowi.
VIN 170V
Q1
R1
100k
1/2W
„Zawsze” tylko ok.5V
R3
100
1/2W
VOUT
1.2 TO
160V @ 25mA
LM317
VIN
VOUT
ADJ
R7
2.7
R5
150
D2
1N4001
R4
100
5.6 Stabilizator wysokiego napięcia
Ten przykład pokazuje (zapowiadany w punkcie 3)
stabilizator napięcia dużej wartości. W istocie, zmieniając
wartość R7 można regulować napięcie wyjściowe w przedziale 8 do 160V. Mimo to, LM nigdy nie widzi napięcia
Q2
R2
1k
D1
1N4733
6.2V
Ten tranzystor
na radiatorze
C1
1.0µF
C2
1.0µF
R6
20k
5W
Regulacja
U WY
Tu „jak zawsze” 1.2V
Rys.5.8a. Zasilacz regulowany 1.2V ÷ 160V
SERWIS ELEKTRONIKI Co ciekawego kryje stabilizator LM317?
VIN 170V
Stopieñ „œledz¹cy”
(Bierze „na siebie” wiêksz¹
czêœæ napiêcia i mocy)
Q1
R1
100k
1/2W
Q2
R2
1k
D1
1N4733
6.2V
R3
100
1/2W
VOUT
8V TO
160V @ 25mA
LM317
VIN
VOUT
ADJ
R7
2.7
I1
D2
1N4001
R6
1k
R5
1.5k
R4
100
LM329B
C1
1.0µF
R8
20k
5W
C2
1.0µF
Regulacja
napiêcia
Rys.5.8b. Zasilacz wysokiego napięcia o poprawionej
stabilności napięcia wyjściowego
Na rysunku 5.10 pokazano schemat precyzyjnego
źródła napięcia. Tę samą wartość napięcia można
uzyskać stosując jedynie (oprócz układu LM317) dwa
rezystory. Jednak tutaj, obwód sprzężenia zwrotnego
jest bardziej wyrafinowany. Stabilizacja nie bazuje
na wewnętrznym źródle odniesienia 1.2V, lecz na
zewnętrznej termicznie skompensowanej diodzie Zenera. Jakie jest teraz wzmocnienie w otwartej pętli, a
jaki współczynnik sprzężenia zwrotnego tego „układu
regulacji”? Zagrożenia dla stabilności są „co najmniej”
poważne. Nietrudno domyślić się, iż dominujący biegun (gwarantujący odpowiednią charakterystykę fazy)
wtrącony jest w obwód wzmacniacza operacyjnego
LM308. Można także domniemywać, iż układ ten nie
cechuje szybka charakterystyka dynamiczna, co w tym
zastosowaniu nie jest parametrem najistotniejszym.
Istotne są natomiast połączenia obwodu prądowego
i obwodu kontroli napięcia, tzw. połączenia Kelvina,
którego szczegóły na rysunku 5.10 wyeksponowano.
LM317
15V
VIN
ADJ
VIN
VOUT
LM317
VIN
VOUT
VOUT
ADJ
6
5µF
R4
2k
R1
10k
5k
OUTPUT
ADJUST
10.000V OUTPUT
1 ppm/°C MAX
8
240
4
R2
2k
LM308A
H+
3
R3
4.7k
7
0.001
2
6.95V
3
4
1
C1
100pF
LM337
R1
2k
2
A1
LM301A
7
8
GND
R2
10k
R3
2k
1µF TANTALUM
H-
1k CERMET
OUTPUT ADJUST
6
ADJ
VOUT
VIN
-VOUT = -1(V OUT)
LM299AH
(I LOAD = 5mA MIN)
-VIN
Rys.5.9. Zasilacz symetrycznego napięcia regulowany
jednym potencjometrem
5.7 Dwa przykłady z „wyższej półki”
Rysunek 5.9 pokazuje zasilacz napięcia symetrycznego (regulowanego jednym potencjometrem. Obwód
wykorzystuje oprócz układu scalonego LM317 jego „symetryczną kopię” układ LM337. Sprzężenie zwrotne w
obrębie LM317 jest zamknięte w najprostszy i najbardziej
typowy dla tego elementu sposób. Sprzężenie zwrotne
w obrębie układu LM337 wykorzystuje sztuczną masę w
węźle łączącym rezystory R1-R2. Równość tych rezystancji zapewni równość (bezwzględnych wartości) obu
napięć. Zakończmy opis tego prostego układu pytaniem,
jakie wymagania „ciążą” na elementach R3 i C1? POWER
COMMON
OUTPUT
RETURN
Rys.5.10. Precyzyjne, o dużej stabilności źródło napięcia 10.000V (≤1 ppm/°C)
Przykłady wybrane przez autora artykułu pokazują
przekrojowo zastosowanie elementu LM317 jako stabilizatora napięcia-prądu. Taka jest „intencja” konstrukcji
i z taką spotykamy się najczęściej w serwisie (choć w
odbiornikach telewizyjnych będzie to zwykle aplikacja
podstawowa z rysunku 3b). Artykuł nie wyczerpuje jednak
zastosowań tego elementu w układach elektronicznych
(niekonwencjonalnych). Pomysłowość konstruktorów
zasługuje tu na szczególnie „wysoką notę”, a możliwość
zamknięcia w rozmaity sposób sprzężenia zwrotnego (nie
tylko ujemnego i nie tylko stabilnego) jest tu z pewnością
„dominującą” inspiracją. }
SERWIS ELEKTRONIKI