plik pdf - Serwis Elektroniki

Co ciekawego kryje stabilizator LM317?
Co ciekawego kryje stabilizator LM317? (cz.1)
Karol Świerc
Czy w ogóle można coś ciekawego odnaleźć w pracy liniowego stabilizatora napięcia? LM317, to element
stosowany nader szeroko w sprzęcie RTV. Co za dziwny
element? Stabilizator, 3 nóżki, i żadna nie podłączona
do masy? Jak on w takim razie stabilizuje napięcie wyjściowe? Mimo (jedynie) trzech nóżek i braku odniesienia
napięcia względem masy, parametry stabilizacji bardzo
przyzwoite? Ponadto, prosta aplikacja „wyłączania” napięcia przezeń wytwarzanego. To z uwagi na tę cechę,
LM317 jest chętnie stosowany przez konstruktorów zasilaczy w stopniu pozwalającym przełączać urządzenie
między trybem ON i standby.
LM317 (oraz jego mutacje, np. LM350, LM337) to
element bardzo ciekawy i niech w tym miejscu nie myli
skromna obudowa. W punkcie pierwszym artykułu chcemy przybliżyć budowę i działanie tego stabilizatora, w
kolejnym zaś przedstawimy szereg „sztuczek” układowych z wykorzystaniem tego elementu. Jako opracowanie
„teoretyczne” skierowane jest bardziej na pogłębienie
wiedzy, aniżeli na zastosowanie praktyczne prezentowanej teorii. W tym przypadku jednak, wnioski praktyczne
mogą okazać się niebagatelne. Z uwagi na specyfikę
obwodu sprzężenia zwrotnego, LM317 reaguje nietypowo
i odmiennie na elementy mające wpływ na charakterystykę feedback-u aniżeli typowe stabilizatory. Garść uwag
dotyczących tej kwestii podamy w kolejnych punktach,
tymczasem zaczynamy od opisu działania stabilizatora
LM317. Wcześniej jednak powiedzmy jak działa „normalny” 3-nóżkowy stabilizator napięcia.
1. Jak działa LM78XX
Stabilizatory te działają w oparciu o ideę pokazaną na
rysunku 1. W typowy sposób zamknięta pętla ujemnego
sprzężenia zwrotnego. Stabilizacja odbywa się poprzez
kontrolę przewodzenia elementu szeregowego, którym
jest tu tranzystor npn. Układy typu 78XX są ponadto
wzbogacone o zabezpieczenie nadprądowe, termiczne
oraz tzw. SOA tranzystora wykonawczego (Safe Operating Area – obszar bezpiecznej pracy; na charakterystyce
prądowo-napięciowej).
IN
OUT
“COMMON”
Rys.1. Konstrukcja stabilizatorów serii 78xx
2. 4-nóżkowy stabilizator regulowany
Zewnętrzna aplikacja Układu LM317 jest bardzo podobna do aplikacji stabilizatorów czteronóżkowych (jak
np. Micrel´a MIC29502, MIC29512, MIC29152, 29302
itp.). Schemat tej aplikacji pokazuje rysunek 2.
WE
MIC29512
GND
ADJ
WY
R1
U WY = 1.24V × 1 +
R1
R2
R2
Rys.2. Typowa aplikacja stabilizatora 4-nóżkowego
Także, wartość napięcia wyjściowego wyrażona jest
podobnym wzorem UWY = 1.24V × (1 + R1/R2). Zauważmy, iż we wzorze tym zamieniony jest stosunek rezystorów (R1/R2, nie R2/R1). Ta zmiana jest zrozumiała, gdyż
wzmacniacz błędu z napięciem referencyjnym odniesiony
jest względem spadku napięcia na oporze R2 nie, jak
w LM317 na R1 (patrz rys. 3b w p.3). Istotniejsza jest
natomiast inna różnica. MIC29502 (i podobne) ma wyprowadzenie podłączone do masy, LM317 zaś takiego
wyprowadzenie nie ma. Ta różnica jest na tyle istotna, iż
sugerowane podobieństwo jest złudne. Tak w układach
elektronicznych bywa, istnieje większe podobieństwo
między układem stabilizatora pokazanym na powyższym
rysunku i stabilizatorami 3-nóżkowymi serii LM78XX,
aniżeli względem LM317. Skoro tak, przechodzimy do
opisu budowy i działania stabilizatora będącego tematem artykułu, LM317 (i jego mutacji LM150, LM138 czy
odpowiednika „komplementarnego” LM337).
3. Budowa i działanie układu scalonego
LM317
Uproszczony schemat struktury stabilizatora pokazuje
rysunek 3a, podstawową aplikację zaś rys.3b.
Schemat ten wydaje się bardzo prosty. Źródło prądowe, napięciowe („zenerka” 1.2V), wzmacniacz operacyjny
i tranzystor Darlingtona jako regulator szeregowy. Prostota ta jest jednak też pozorna. Zauważmy, iż potencjał
wejścia odwracającego wzmacniacza operacyjnego jest
na poziomie dolnego napięcia zasilania. Rzadko który wzmacniacz operacyjny potrafi pracować w takich
warunkach. Musi to być wzmacniacz operacyjny typu
rail-to-rail. Takie wzmacniacze operacyjne obecnie są
produkowane. Należy jednak rozróżnić rail-to-rail wejścia i rail-to-rail wyjścia, zwykle określenie to dotyczy
wyjścia, które potrafi podchodzić bardzo blisko napięć
zasilania nie tracąc własności układu wzmacniającego,
SERWISELEKTRONIKI
Co ciekawego kryje stabilizator LM317?
VIN
IQ
50µA
1.2V
Pr¹d
spoczynkowy
OPAMP
AMP
OP
IQ
500
OBWODY
ZABEZPIECZEÑ
0.2
ADJUSTMENT
OUTPUT
Rys.3a. Schemat funkcjonalny stabilizatora LM317
LM317
VIN
C2
0.1µF
VIN
VOUT
ADJ
R1
240
C3
1µF
R2
Rys.3b. Najprostsza aplikacja układu scalonego LM317
aktywnego. Tutaj, wymagania dotyczą wejścia i choć tylko
„jednego rail” wymagają konstrukcji bardzo finezyjnej.
Inne cechy - utrudnienia także nie wynikają „na pierwszy
rzut oka” na schemat blokowy, rys.3a. Są one zawarte
w wartości źródła prądowego I1, także jego stabilności,
oraz podobnych parametrów źródła napięciowego 1.2V.
Ukryta jest tu „sprzeczność interesów” między wartością
źródła I1 i „osiągami” stabilizatora. Wybrano wartość
50µA. Zapewniono także dużą impedancję wejścia nieodwracającego, natomiast cały prąd polaryzacji struktury
układu scalonego „skierowano” do wyjścia. Ta cecha konstrukcji zaważyła tym samym na wymaganiu określonego
minimalnego poboru prądu czerpanego z wyjścia LM317.
Musi on być na poziomie 5mA (to wartość typowa, „przypadek najgorszy” wyspecyfikowany jest przez katalog na
poziomie 10mA). W razie nie spełnienia warunku IWY-MIN
stabilizator początkowo traci gwarantowane parametry,
a poniżej określonego progu traci własności stabilizacji.
Choć ograniczenie to nie jest trudne do spełnienia, należy o nim pamiętać, by nie „dziwić się”, dlaczego układ
scalony nie pracuje poprawnie.
Idea pracy układu polega na tym, iż podnosi on prąd
płynący z wyjścia OUT tak długo, aż uzyska między
wyprowadzeniami OUT i ADJ żądane napięcie ok. 1.2V.
Takie rozwiązanie pozwala „zamykać” sprzężenie zwrotne
na bardzo „wymyślne” sposoby, co skutkuje mnogością
aplikacji. Dla aplikacji „podstawowej”, tj. gdy do układu
podłączymy dwa rezystory, jeden między wyprowadzenia
OUT i ADJ, drugi między ADJ i masę, oraz zaniedbamy
(resztkowy) prąd płynący z wyprowadzenia ADJ, napięcie
wyjściowe (tj. na wyprowadzeniu OUT) zostanie wyrażone jedynie wartościami tych rezystorów. Napięcie to
wyznaczone będzie zależnością UWY = 1.2V × (1 + R2/
R1). Pewien błąd wprowadza tutaj prąd wyprowadzenia
ADJ stabilizatora, który choć niewielki, jednak płynie.
Typowa wartość IADJ wynosi 50µA. Do oszacowanej
(pokazaną wyżej zależnością) wartości napięcia wyjściowego należy dodać iloczyn IADJ i rezystancji R2. Dla
napięcia wyjściowego 12V (i typowej wartości R1 = 240
omów) składnik ten stanowi 0.1V, co daje błąd ok. 1% (i
faktycznie, odpowiada on stosunkowi prądów źródła 50µA
i spoczynkowego prądu czerpanego z wyjścia na poziomie 5mA). Ale, czy to na pewno jest błąd? Skoro prąd
wyprowadzenia ADJ jest stały i jest stabilny względem
napięcia wejściowego (czy raczej różnicowego napięcia
wejście-wyjście), stały względem obciążenia (czyli prądu czerpanego z wyjścia), względem temperatury (oraz
wszelkich innych czynników), „błąd” ten jest dodatkowym
składnikiem-poprawką, którą należy uwzględnić obliczając wymagane wartości rezystorów „programujących”
napięcie, a nie błędem. Zatem, faktyczny błąd stanowi
rezystancja dynamiczna źródła prądowego uwidocznionego na rysunku 3a, oraz termiczna czy długoterminowa
niestałość tego źródła, która jest wielokrotnie mniejsza od
50µA. To właśnie dzięki zoptymalizowaniu parametrów
tego źródła prądowego i napięcia referencyjnego 1.2V,
LM317 osiąga lepszą stabilność napięcia wyjściowego
(zarówno względem napięcia wejściowego, jak i prądu
obciążenia) niż (wydawałoby się) wzorcowa konstrukcja w
oparciu o którą pracują typowe 3-nóżkowe nieregulowane
stabilizatory. Stabilność line regulation można poprawić
przez podwieszenie kondensatora na wyprowadzeniu
ADJ (względem masy), co jest przez katalog zalecane. W
układzie maksymalnie uproszczonym (bez kondensatora)
tętnienia napięcia wejściowego przedostają się przez
dzielnik rezystancji dynamicznej źródła napięciowego
(mała, idealnie – zerowa) i rezystancji dynamicznej źródła
prądowego (duża, idealnie – nieskończona). Jakkolwiek
w rzeczywistym układzie obie rezystancje są skończone,
tętnienia z „określonym” podziałem (stłumieniem) przedostają się na potencjał końcówki ADJUST. Z uwagi na charakter pracy układu, tętnienia te przenoszą się na wyjście
ze wzmocnieniem odpowiadającym stosunkowi napięcia
wyjściowego do referencyjnego 1.2V. Wzmocnienie to jest
nieuniknione i przy znacznej wartości napięcia na wyjściu,
może wykazywać spore wartości. Tłumienie tych tętnień
kondensatorem wyjściowym jest mało efektywne. Można
natomiast wydajnie zmniejszyć impedancję dynamiczną
widzianą z wyprowadzenia programującego (ADJ) przez
kondensator podwieszony na tej nóżce. Ponieważ, najczęściej chodzi o stłumienie tętnień sieci 100Hz (za prostownikiem Graetza), ową impedancję dynamiczną należy
odnieść do tej częstotliwości. Dla kondensatora 10µF (co
zaleca katalog) będzie to 160 omów (teraz już R2ZAST/R1
jest mniejsze od 1, a więc pasożytnicze wzmocnienie
tętnień <2). Performance układu w tym zakresie można
także poprawić stosując mniejsze wartości rezystorów R1
i R2. Nie jest to na ogół konieczne ani wymagane. Wręcz
przeciwnie. Dzielnik rezystancyjny R2-R1 odniesiony jest
względem zalecanej wartości R1 = 240 omw z uwagi na
SERWISELEKTRONIKI
Co ciekawego kryje stabilizator LM317?
minimalny (wymagany) pobór prądu z wyjścia. Rezystor
R1 o wartości 240 omów „bierze na siebie” cały IWY-MIN =
5mA. Jeśli aplikacja zapewnia, iż prąd czerpany przez
obciążenie stabilizatora nie spada nigdy do zera, opory
R1 i R2 można zastosować większej wartości. (Dla dociekliwych: powyższe oszacowanie tętnień wnoszonych
przez skończone rezystancje dynamiczne referencyjnych
źródeł wewnętrznych LM317, napięciowego i prądowego, jest przybliżone i obarczone kolejnym błędem;
ciekawym „treningiem” w zakresie elektrotechniki, jest
dokładne obliczenie tego błędu). Na koniec powiedzmy,
jaki performance w zakresie tłumienia tętnień jest przez
LM317 osiągany. Katalog specyfikuje go na poziomie
65dB bez kondensatora (na nóżce ADJ) oraz ok. 80 dB z
kondensatorem tym o wartości 10µF. Równocześnie dane
katalogowe sugerują, iż stosowanie owej pojemności o
wartości większej aniżeli 10µF nie daje już zauważalnej
czy istotnej poprawy tego parametru, a może się wiązać
z innymi kłopotami, o których krótko w punkcie 4.
Powtórzmy na koniec punktu opisującego działanie
LM317, co jest ważne, najistotniejsze w tym zakresie. Istotne jest zrozumienie, iż to układ regulacji który
żąda między wyprowadzeniami ADJ i OUT napięcia
1.2V (1.24V). Jeśli otrzyma napięcie mniejszej wartości,
zmniejsza rezystancję między IN i OUT. Jeśli otrzyma
napięcie wyższe, zwiększa tę rezystancję. I właśnie to, i
tylko to jest tu istotne. W oparciu o znajomość tej zasady
można budować nie tylko stabilizatory napięcia czy prądu,
lecz także bardzo pomysłowe układy, co krótko pokazano
w punkcie 5. Można także wykonać stabilizator napięcia
znacznie wyższego, aniżeli specyfikowany przez katalog
parametr 40V. LM317 to stabilizator „pływający”, nie ma
bezpośredniego odniesienia względem potencjału masy.
Jeśli więc zadbamy, aby napięcie między wejściem a
wyjściem nie przekroczyło tej dopuszczalnej wartości,
napięcie na wyjściu może być znacznie wyższe (przykład w punkcie 5.6 pokazuje rozwiązanie stabilizatora
+160V). To właśnie brak końcówki masy, czyni LM317
tak elastycznym i uniwersalnym elementem. Jedyną
cechą i trudnością jest baczna analiza pętli sprzężenia
zwrotnego. LM317 jest generalnie stabilny. Nie ma na
ogół problemów gdy tor feedbacku jest pasywny. Co
więcej, kondensator na wyprowadzeniu ADJUST nie
wnosi opóźnienia fazy (jak zwykle w takich sytuacjach)
lecz jej „przyspieszenie”. Problemy mogą się pojawić w
aplikacjach innych aniżeli stabilizacja napięcia. W tym
także w układach stabilizacji prądu, gdy tor sprzężenia
zwrotnego musi zawierać elementy aktywne. Zwiększa to
na ogół wzmocnienie w otwartej pętli, a już sam LM317
wykazuje ten parametr bardzo dużej wartości (z drugiej
strony, to właśnie on, obok parametrów źródeł 50µA i 1.2V,
decyduje o „osiągach” układu w aplikacji typowej; mimo
to autorowi artykułu w żadnych materiałach katalogowych
nie udało się odnaleźć „ile to dB”).
LM317 wyposażony jest w obwody zabezpieczeń,
które sprawiają iż trudno go uszkodzić, o ile oczywiście
nie zostanie popełniony jeden z kardynalnych błędów o
których mowa w p.4 niniejszego artykułu. Zabezpieczenie
nadprądowe, to nie prosta funkcja ograniczenia prądowego. Powyżej określonego poziomu napięcia wejście-
wyjście zamienia się ona w funkcję ograniczenia mocy.
Graniczna charakterystyka prąd-napięcie wykazuje kształt
zbliżony do hiperboli, dla której iloczyn współrzędnych obu
osi jest constans (stały). Mimo to, nad bezpieczną pracą
układu czuwa zabezpieczenie termiczne na poziomie
170°C. W odróżnieniu od konkurencyjnych stabilizatorów
scalonych, w których także ograniczenie prądowe jest
funkcją napięcia na wejściu, kształt hiperboli nie spada
(jak u „konkurencji”) do zera, dzięki czemu układ jest
zwykle odporny na problemy ze startem w warunkach
podwyższonej temperatury czy znacznej wartości napięcia wejściowego. Do istotnych cech należy także zaliczyć
fakt, iż układy protection pozostają aktywne nawet w
warunkach odłączenia końcówki ADJ stabilizatora.
4. Uwagi odnośnie montażu oraz elementy zabezpieczające poprawną
pracę stabilizatora
Niezależnie od czynników wewnętrznej konstrukcji
stabilizatora, znacznie większe błędy można spowodować
przez nieumiejętny (w serwisie, należałoby raczej powiedzieć – niedbały) montaż elementów mimo, że ich ilość
można zliczyć „na palcach jednej ręki”. Błędy należałoby
podzielić na statyczne i dynamiczne. Błędy dynamiczne
wraz z problemem stabilności poruszymy w punkcie
poświęconym aplikacjom. Wśród błędów statycznych,
najistotniejsza jest degradacja impedancji wyjściowej
stabilizatora (która, jak dla każdego źródła o charakterze
napięciowym powinna być bardzo mała; teoretycznie
zerowa) spowodowana rezystancją ścieżek w obwodzie
wyjściowym. Popatrzmy na rys.4.1. Rezystancja ścieżek
RS doda się w oczywisty sposób do ROUT. Jest to zwykle
wartość na poziomie miliohmów, a więc nie stanowi problemu. Jeśli jednak RS znajdzie się „przed” rezystorem
R1, wartość ta zostanie „paskudnie” wzmocniona (o jaki
czynnik?) przez pętlę sprzężenia zwrotnego.
LM317
Rs *
WE
IN
OUT
WY
GND
R1
R2
ta rezystancja zostanie zwielokrotniona
* : Rs – przez
pêtlê sprzê¿enia zwrotnego
Rys.4.1. Pasożytnicza rezystancja w obwodzie wyjścia
stabilizatora
Należy więc zwrócić szczególną uwagę na montaż
rezystorów R1-R2. R1 najlepiej montować osobnym
przewodem (lub ścieżką) wprost do wyprowadzenia
OUT stabilizatora, a osobnym przewodem (lub ścieżką)
prowadzić prąd wyjściowy. Zalecenia montażu oporu R2
są podobne. R2 należy odnieść bezpośrednio do punktu
masy obciążenia. Są to tzw. zalecenia „masy jednopunktowej”, lub bardzo ogólnie „połączenia Kelvina”. Poprzez
niedbały montaż, można dużo „spaprać” w tym zakresie.
Aczkolwiek na ogół, niezbyt wiele da się popsuć w zakre-
SERWISELEKTRONIKI
Odpowiadamy na listy Czytelników
sie parametrów stałoprądowych, gorzej jest z dynamiką
pętli, o czym parę słów dalej.
4.1. Kondensatory na wyprowadzeniach układu LM317
Układ LM317 może z powodzeniem pracować bez
kondensatorów. C = 10µF na wyprowadzeniu ADJ jest
zalecany dla poprawy współczynnika tłumienia tętnień z
wejścia stabilizatora. Pojemność na wejściu (i to nie dużej
wartości, 0.1µF) jest zalecana gdy LM317 ulokowany jest
w układzie w odległości większej aniżeli 15cm (długość
przewodu lub ścieżki) od kondensatora elektrolitycznego filtru za transformatorem sieciowym lub zasilaczem
wstępnym. Kondensator na wyjściu, także stosuje się
dla poprawy parametrów stabilizacji. Aczkolwiek, jak
powiedziano w punkcie 3, układ stabilizatora wykonanego na bazie układu LM317 jest generalnie stabilny,
pewien zakres obciążeń pojemnościowych zbliża układ
niebezpiecznie do granicy stabilności. Materiały źródłowe
podają, iż ma to miejsce dla pojemności w zakresie 500pF
do 5nF. Wtedy charakterystyka dynamiczna wykazuje
(w wielu aplikacjach trudnoakceptowalne) „dzwonienie”
(odpowiedź na skok obciążenia wykazuje spore oscylacje,
mimo że tłumione). Te same materiały zalecają pojemność
1µF kondensatora tantalowego lub 25µF kondensatora
elektrolitycznego aluminiowego dla stłumienia tej dolegliwości.
4.2. Diody zabezpieczające
Diody pokazane na rysunku 4.2 są zalecane dla
zabezpieczenia układu w sytuacji zwarcia wejścia lub
wyjścia (do masy), gdy podwieszono na wyprowadzeniu
ADJ i na wyjściu kondensatory. W takich sytuacjach
(awaryjnych) i braku zabezpieczenia kondensator (C2
przy zwarciu wyjścia lub C1 przy zwarciu wejścia) zostałby rozładowany przez niskoimpedancyjny obwód złącza
tranzystora wyjściowego (wykonawczego) układu LM317.
I choć powierzchnia złącza czyni go odpornym na udary
do 15A, kondensator zaledwie 10µF jest w stanie dać prąd
20A, a energii jest zwykle wystarczająco do uszkodzenia
struktury układu scalonego. Zatem, nie zawsze muszą
być stosowane obie diody uwidocznione na rysunku 4.2.
Zalecenia zależą od stosowanych pojemności i ryzyka
zwarcia (wyjścia lub wejścia).
o
D1
IN
WE
OUT
WY
LM317
ADJ
C1
R2
D2
R1
C2
C3
R1
C1
C2
C3
– zalecany 240R
– wystarczy 0.1µF
– zalecany 10µF
25µF
Rys.4.2. Układ stabilizatora z kondensatorami i diodami
„zabezpieczającymi” }
Ciąg dalszy w następnym numerze
SERWISELEKTRONIKI