LM317 to popularny regulowany stabilizator liniowy, który pozwala uzyskać napięcie wyjściowe od około 1,25 V do 37 V i prąd do około 1,5 A. Proste podłączenie oraz regulacja za pomocą zewnętrznego dzielnika rezystorowego sprawiają, że układ dobrze nadaje się do budowy zasilaczy regulowanych, stabilizatorów napięcia i źródeł prądowych.
Czym jest LM317?
LM317 jest trójkońcówkowym stabilizatorem liniowym z regulowanym napięciem wyjściowym. W przeciwieństwie do stabilizatorów z serii 78xx, takich jak 7805 lub 7812, umożliwia ustawienie napięcia za pomocą dwóch zewnętrznych rezystorów.
Standardowy zakres napięcia wyjściowego LM317 wynosi około 1,25–37 V, pod warunkiem zapewnienia odpowiedniego napięcia wejściowego i prawidłowego doboru elementów. Typowy spadek napięcia między wejściem a wyjściem, określany jako dropout, wynosi około 2–3 V. W praktyce warto przyjąć bezpieczny zapas około 3 V.
W strukturze LM317 znajdują się najważniejsze elementy odpowiedzialne za regulację i ochronę układu:
- wzmacniacz błędu porównujący napięcie odniesienia z napięciem wyjściowym,
- tranzystor regulacyjny, na którym odkłada się nadmiar napięcia,
- wewnętrzne ograniczenie prądu,
- zabezpieczenie termiczne.
Wbudowane zabezpieczenia chronią stabilizator przed skutkami przeciążenia i przegrzania, ale nie zastępują prawidłowego doboru radiatora ani parametrów zasilania.
Wyprowadzenia LM317
LM317 ma trzy wyprowadzenia o następujących funkcjach:
- IN – wejście napięcia zasilającego;
- OUT – wyjście stabilizowanego napięcia;
- ADJ – wejście regulacyjne przeznaczone do podłączenia dzielnika rezystorowego.
W typowej obudowie TO-220, na przykład w wersji LM317T, kolejność wyprowadzeń widzianych od strony napisu, przy nóżkach skierowanych w dół, to ADJ, OUT, IN.
Przed montażem należy sprawdzić dokumentację konkretnego wariantu LM317, ponieważ układy w innych obudowach mogą mieć odmienny rozkład wyprowadzeń.
Zasada działania stabilizatora LM317
LM317 steruje wewnętrznym tranzystorem tak, aby utrzymywać zadane napięcie na wyjściu. Układ zachowuje różnicę około 1,25 V pomiędzy wyprowadzeniami OUT i ADJ.
W typowej konfiguracji rezystor R1 znajduje się między wyprowadzeniami OUT i ADJ, natomiast rezystor R2 jest podłączony między ADJ a masą. Prąd wypływający z wyprowadzenia ADJ, oznaczany jako IADJ, jest niewielki, dlatego w uproszczonych obliczeniach często można go pominąć.
Napięcie wyjściowe LM317 opisuje wzór:
VOUT = 1,25 × (1 + R2/R1) + IADJ × R2
W większości prostych zastosowań wystarcza wzór uproszczony:
VOUT ≈ 1,25 × (1 + R2/R1)
Uproszczenie ułatwia dobór elementów. W projektach wymagających większej dokładności trzeba jednak uwzględnić prąd IADJ, tolerancję rezystorów, tolerancję napięcia odniesienia oraz zmiany parametrów wraz z temperaturą.
Typowy schemat podłączenia LM317
Podstawowy układ regulacji napięcia
W podstawowym układzie stabilizatora wyprowadzenia należy podłączyć w następujący sposób:
- IN – do źródła napięcia stałego, na przykład prostownika z kondensatorem filtrującym;
- OUT – do odbiornika i kondensatora wyjściowego;
- ADJ – do punktu łączącego rezystory R1 i R2.
Dzielnik regulacyjny składa się z rezystora R1 umieszczonego między OUT i ADJ oraz rezystora lub potencjometru R2 podłączonego między ADJ a masą.
Typowa wartość R1 wynosi 240 Ω. Zapewnia ona odpowiedni prąd płynący przez dzielnik i ułatwia zachowanie prawidłowej stabilizacji. R2 może być potencjometrem o wartości od kilku do kilkunastu kiloomów, zależnie od wymaganego zakresu napięcia.
Popularny zestaw elementów to rezystor R1 o wartości 240 Ω oraz potencjometr R2 o wartości 5–10 kΩ. Aby ograniczyć maksymalne napięcie wyjściowe, z potencjometrem można połączyć dodatkowy rezystor stały.
Kondensatory w typowym układzie
Kondensatory poprawiają stabilność regulatora, ograniczają tętnienia i tłumią zakłócenia o wysokiej częstotliwości. Powinny znajdować się możliwie blisko odpowiednich wyprowadzeń LM317.
Kondensatory na wejściu
Na wejściu można zastosować kondensator elektrolityczny, na przykład 100 µF, oraz kondensator ceramiczny 100 nF umieszczony blisko wyprowadzenia IN.
Kondensatory na wyjściu
Po stronie wyjściowej warto zastosować następujące elementy:
- kondensator elektrolityczny o pojemności 10–100 µF,
- kondensator ceramiczny 100 nF umieszczony blisko wyprowadzenia OUT,
- opcjonalny kondensator około 10 µF między ADJ a masą, poprawiający tłumienie tętnień.
Przy stosowaniu kondensatorów o większej pojemności należy sprawdzić w dokumentacji producenta zalecenia dotyczące diod zabezpieczających. Chronią one LM317 przed przepływem prądu wstecznego podczas zwarcia wejścia lub szybkiego zaniku napięcia zasilającego.
Dobór napięcia wejściowego i chłodzenia
Aby LM317 prawidłowo stabilizował napięcie, napięcie wejściowe musi być odpowiednio wyższe od wyjściowego. W praktyce warto przyjąć zapas około 3 V, uwzględniając również tętnienia i spadki napięcia pod obciążeniem.
Jeżeli wymagane napięcie wyjściowe wynosi 12 V, napięcie na wejściu stabilizatora powinno osiągać co najmniej około 15 V w najgorszych warunkach pracy. W układzie z prostownikiem należy uwzględnić spadek napięcia na diodach, tętnienia oraz obniżenie napięcia transformatora pod obciążeniem.
LM317 może dostarczać prąd do około 1,5 A, ale osiągnięcie tej wartości zależy od wersji układu, różnicy napięć, temperatury oraz skuteczności chłodzenia.
Moc wydzielaną w stabilizatorze można obliczyć ze wzoru:
P = (VIN − VOUT) × IOUT
Przy napięciu wejściowym 18 V, napięciu wyjściowym 5 V i prądzie 1 A na stabilizatorze wydzieli się około 13 W ciepła. Taka moc wymaga dużego radiatora, a w praktyce może być trudna do bezpiecznego rozproszenia.
Im większa różnica między napięciem wejściowym a wyjściowym oraz im wyższy prąd obciążenia, tym większe są straty mocy i wymagania dotyczące chłodzenia. Zabezpieczenie termiczne może ograniczyć prąd lub czasowo wyłączyć stabilizator, ale nie zastępuje prawidłowo zaprojektowanego radiatora.
Obliczanie napięcia wyjściowego
Załóżmy zastosowanie rezystora R1 o wartości 240 Ω oraz potencjometru R2 o maksymalnej wartości 5 kΩ. Zakres regulacji będzie wyglądał następująco:
Przy R2 zbliżonym do 0 Ω minimalne napięcie wyjściowe wyniesie około 1,25 V. Dla R2 równego 5 kΩ teoretyczne napięcie maksymalne wyniesie około 27,3 V.
Obliczenie maksymalnej wartości wygląda następująco:
VOUT ≈ 1,25 × (1 + 5000/240) ≈ 27,3 V
Rzeczywiste maksymalne napięcie będzie ograniczone przez napięcie wejściowe, wymagany zapas dla stabilizatora, dopuszczalną różnicę napięć oraz maksymalne parametry konkretnej wersji LM317.
Jeśli celem jest zasilacz regulowany w zakresie około 1,25–12 V, można zastosować R1 o wartości 240 Ω oraz R2 o wartości około 2 kΩ. Potencjometr 2,2 kΩ zapewni nieco szerszy zakres, który można ograniczyć dodatkowym rezystorem.
LM317 jako zasilacz regulowany
Prosty zasilacz regulowany z LM317 może zawierać następujące elementy:
- transformator sieciowy, na przykład 12 V AC,
- mostek prostowniczy,
- kondensator filtrujący, na przykład 2200 µF,
- stabilizator LM317 z odpowiednim radiatorem,
- rezystor R1 i potencjometr R2,
- kondensatory wejściowe i wyjściowe,
- bezpiecznik oraz wymagane elementy zabezpieczające.
Przy zasilaniu z transformatora 12 V AC napięcie po prostowaniu i filtracji może bez obciążenia osiągnąć około 15–16 V DC. Pod obciążeniem będzie niższe i pojawią się na nim tętnienia.
Z tego powodu uzyskanie stabilnych 12 V na wyjściu LM317 nie zawsze będzie możliwe w całym zakresie obciążenia. Pewny zakres regulacji może kończyć się w okolicy 10–11 V, zależnie od parametrów transformatora, prostownika i kondensatora filtrującego.
Układy podłączone do sieci energetycznej wymagają zachowania szczególnych zasad bezpieczeństwa. Należy zapewnić właściwą izolację, bezpieczniki, ochronę przeciwporażeniową oraz obudowę uniemożliwiającą dotknięcie elementów znajdujących się pod niebezpiecznym napięciem.
Regulacja napięcia w praktyce
Regulacja odbywa się przez zmianę rezystancji R2. Zwiększenie wartości R2 podnosi napięcie wyjściowe, natomiast jej zmniejszenie obniża napięcie do około 1,25 V.
Podczas pierwszego uruchomienia warto podłączyć multimetr między wyjściem OUT a masą i sprawdzić cały zakres regulacji przed dołączeniem właściwego odbiornika.
Dodatkowym zabezpieczeniem może być rezystor ograniczający maksymalną wartość R2. Dzięki niemu skrajne ustawienie lub uszkodzenie potencjometru nie spowoduje przekroczenia dopuszczalnego napięcia wyjściowego.
LM317 jako źródło prądowe
LM317 może pracować również jako prosty stabilizator prądu, przydatny między innymi do zasilania diod LED dużej mocy. W takiej konfiguracji rezystor pomiarowy podłącza się między wyprowadzeniami OUT i ADJ, a obciążenie między ADJ a masą.
Układ utrzymuje na rezystorze pomiarowym spadek około 1,25 V. Prąd wyjściowy można obliczyć ze wzoru:
IOUT ≈ 1,25/R
Dla rezystora o wartości 12,5 Ω prąd wyniesie około 0,1 A, czyli 100 mA.
Moc wydzielaną na rezystorze oblicza się według wzoru:
PR = 1,25²/R
Dla rezystora 12,5 Ω będzie to około 0,125 W. W praktyce warto zastosować element z zapasem mocy, na przykład 0,25 W lub 0,5 W. Należy również uwzględnić moc wydzielaną w LM317 i zapewnić odpowiednio wysokie napięcie wejściowe.
Ograniczenie prądowe z LM317
LM317 można wykorzystać jako element ograniczający prąd w regulowanym zasilaczu. Jeden stabilizator może pracować jako źródło prądowe, a drugi jako stabilizator napięcia. Takie połączenie pozwala uzyskać zasilacz z regulacją napięcia i ograniczeniem prądowym.
Rozwiązanie z dwoma stabilizatorami powoduje jednak dodatkowy spadek napięcia i zwiększa straty mocy. Podczas projektowania trzeba uwzględnić zapas napięcia dla obu układów oraz dobrać odpowiednie radiatory.
Regulacja od 0 V
Standardowy LM317 nie pozwala obniżyć napięcia wyjściowego poniżej około 1,25 V, ponieważ taka jest wartość napięcia odniesienia między wyprowadzeniami OUT i ADJ.
Regulację rozpoczynającą się od 0 V można uzyskać przez odpowiednie rozszerzenie układu:
- zastosowanie niewielkiego ujemnego napięcia pomocniczego dla obwodu ADJ,
- dodanie wzmacniacza operacyjnego i odpowiedniego układu sprzężenia zwrotnego,
- wykorzystanie bardziej rozbudowanego stopnia tranzystorowego.
Takie rozwiązania są bardziej złożone i wymagają prawidłowego zaprojektowania sprzężenia zwrotnego. Stosuje się je między innymi w zasilaczach laboratoryjnych, w których potrzebna jest regulacja napięcia od 0 V.
Porównanie LM317 ze stabilizatorami 78xx
Stabilizatory z serii 78xx, takie jak 7805 lub 7812, zapewniają określone napięcie wyjściowe bez stosowania dzielnika regulacyjnego. LM317 umożliwia natomiast ustawienie napięcia za pomocą dwóch rezystorów.
Najważniejsze zalety LM317 obejmują:
- płynną regulację napięcia wyjściowego,
- szeroki zakres dostępnych napięć,
- możliwość pracy jako źródło prądowe,
- wbudowane ograniczenie prądu i zabezpieczenie termiczne.
W porównaniu ze stabilizatorami 78xx LM317 wymaga dodatkowych rezystorów, a w niektórych konfiguracjach także diod zabezpieczających. Oba rozwiązania są stabilizatorami liniowymi, dlatego przy dużej różnicy napięć i wysokim prądzie mogą wydzielać znaczną ilość ciepła.
Typowe błędy i dobre praktyki
Najczęstsze błędy popełniane podczas stosowania LM317 to:
- Zbyt niskie napięcie wejściowe – brak odpowiedniego zapasu powoduje utratę stabilizacji napięcia wyjściowego;
- Brak kondensatorów odsprzęgających – może prowadzić do zwiększenia tętnień, niestabilnej pracy lub wzbudzania układu;
- Błędne podłączenie wyprowadzeń – zamiana ADJ, OUT i IN może uniemożliwić regulację lub uszkodzić stabilizator;
- Zbyt mały radiator – przegrzewanie powoduje zadziałanie zabezpieczenia termicznego i ograniczenie prądu;
- Nieprawidłowe podłączenie dzielnika – R1 powinien znajdować się między OUT i ADJ, a R2 między ADJ a masą;
- Brak kontroli mocy strat – duża różnica napięć przy wysokim prądzie może szybko doprowadzić do przegrzania układu.
Podczas projektowania i uruchamiania układu warto przestrzegać następujących zasad:
- stosować R1 o wartości zbliżonej do 240 Ω,
- umieszczać LM317, kondensatory i dzielnik możliwie blisko siebie,
- prowadzić krótkie ścieżki w obwodzie regulacyjnym,
- stosować potencjometr wieloobrotowy, gdy potrzebna jest precyzyjna regulacja,
- sprawdzać napięcie wyjściowe przed podłączeniem odbiornika,
- obliczać moc strat i prawidłowo dobierać radiator,
- sprawdzać dokumentację producenta konkretnego wariantu LM317.
