Добрый день, уважаемые радиолюбители.
Продолжая разговор о конструкциях для начинающих, сегодня мы поговорим с вами о десятой конструкции – стабилизаторе напряжения на LM317. Данная конструкция является последней конструкцией простой сложности из цикла конструкций для начинающих. В последующих статьях мы с вами перейдём к рассмотрению конструкций средней сложности.
Схема электрическая принципиальная описываемого стабилизатора напряжения, а также схема электрическая функциональная LM317 [1,2] представлены в подборке рисунков ниже. Рассмотрим принцип работы представленной схемы стабилизатора напряжения.
Итак, входное нестабилизированное напряжение через разъем Х1 поступает на вход (вывод In) интегрального стабилизатора, выполненного на микросхеме DA1 типа LM317. Выходное стабилизированное напряжение снимается с выхода стабилизатора (вывод Out) и поступает на разъём Х2. Вывод регулировки выходного напряжения (вывод Adj) подключен к средней точке делителя напряжения, реализованного на резисторах R1 и R2. Но как же происходит стабилизация выходного напряжения? – давайте разбираться. Для этого обратимся к схеме электрической функциональной микросхемы LM317 [1,2].
По схеме видно, что микросхема LM317 функционально состоит из операционного усилителя, источника опорного напряжения на 1.25 В; источника опорного тока Iadj; пары выходных транзисторов, включённых по схеме Дарлингтона; блока защиты от превышения температуры и выходного тока [3,4].
Напряжение на неинвертирующем входе операционного усилителя равно сумме напряжений, задаваемых внешним делителем R1-R2 и опорного источника напряжения в 1.25 Вольта. При этом ток через опорный источник напряжения задаётся встроенным источником тока Iadj.
Напряжение же на инвертирующем входе усилителя равно выходному напряжению т.к. инвертирующий вход соединён с выходом LM317 напрямую. Фактически операционный усилитель в совокупности с выходными транзисторами включены по схеме классического повторителя напряжения с глубокой отрицательной обратной связью (ООС). Транзисторы в данной схеме необходимы для увеличения выходного тока стабилизатора напряжения и включены по схеме с общим коллектором (по схеме эмиттерного повторителя – такой каскад усиливает ток, но не усиливает напряжение).
При уменьшении выходного напряжения стабилизатора уменьшается и напряжение на инвертирующем входе; выходное напряжение усилителя увеличивается (т.к. вход инвертирующий); увеличивается напряжение между базой и эмиттером выходного транзистора Дарлингтона; увеличивается ток базы выходного транзистора; выходной транзистор открывается сильнее; уменьшается внутреннее сопротивление коллектор-эмиттер транзистора, а значит и падение напряжения на нём – это приводит к увеличению выходного напряжения т.е. к компенсации исходного изменения.
При увеличении выходного напряжения происходит всё в обратном порядке т.е. увеличивается напряжение на инвертирующем входе усилителя; выходное напряжение усилителя уменьшается (т.к. вход инвертирующий); уменьшается падение напряжение между базой и эмиттером выходного транзистора Дарлингтона; уменьшается ток базы выходного транзистора; транзистор закрывается сильнее; увеличивается внутреннее сопротивление коллектор-эмиттер транзистора, а значит и падение напряжения на нём – это приводит к уменьшению напряжения на выходе т.е. к компенсации исходного изменения.
Но какое же напряжение повторяет описанный выше повторитель напряжения? Ответ на этот вопрос прост: напряжение, установленное на неинвертирующем входе операционного усилителя. Если измерить напряжение, задаваемое делителем напряжения на резисторах R1-R2, то оно будет ниже выходного напряжения ровно на величину встроенного опорного источника напряжения т.е. ниже на 1.25 вольта. Фактически представленная схема является классическим компенсационным стабилизатором напряжения. Компенсационным он называется из-за того, что автоматически за счёт глубокой отрицательной обратной связи (ООС) поддерживает постоянство заданного напряжения на выходе по описанному выше механизму [3,4].
Резистивный делитель R1-R2 подключён на выход стабилизатора напряжения с целью упрощения схемы и повышения коэффициента стабилизации схемы в целом т.к в этом случае отпадает необходимость в жёсткой стабилизации напряжения на выводе регулировки (Adj) и необходимых для этого дополнительных компонентах т.к. эту роль выполняет сам стабилизатор напряжения. Строго говоря, можно поступить и по-другому.
Во-первых, вывод Adj можно подключить не к делителю напряжения, а напрямую к общему проводу стабилизатора напряжения. В этом случае напряжение на неинвертирующем входе встроенного операционного усилителя будет равно напряжению встроенного опорного источника напряжения т.е. 1.25 вольта. Это же напряжение установится и на выходе стабилизатора напряжения. Но следует заметить, что в таком включении необходимо выполнить требование по минимальному току нагрузки на выходе стабилизатора напряжения, описанное в технической документации [1,2]. Такое включение может быть полезно, если необходимо от стабилизированного источника запитать, например, накалы стержневых ламп либо некоторых индикаторов.
Во-вторых, напряжение на вывод регулировки Adj можно подать с любого внешнего стабилизированного источника питания. В этом случае на неинвертирующем входе встроенного операционного усилителя установится напряжение, равное сумме внешнего источника плюс напряжение встроенного опорного источника напряжения в 1.25 вольта. Это же напряжение установится и на выходе описываемого стабилизатора напряжения.
Такое включение открывает широкие возможности по управлению стабилизатором напряжения и построению устройств с автоматическим регулированием. При этом необходимо помнить, что максимальное напряжение на выводе Adj не должно превышать разности между напряжением питания стабилизатора напряжения, напряжением встроенного опорного источника напряжения в 1.25 вольта и минимальным необходимым падением напряжения между входом и выходом микросхемы для её нормальной работы (согласно технической документации около 2.5-3 вольт).
Конденсаторы С1, С2 – дополнительный емкостной фильтр входного напряжения стабилизатора.
Конденсаторы С4, С5 – дополнительный емкостной фильтр выходного напряжения стабилизатора.
Светодиод HL1 с токоограничивающим резистором R3 – индикатор выходного напряжения стабилизатора.
Диод VD1 – защитный. Он необходим для предотвращения выхода из строя интегрального стабилизатора DA1 в ситуации, когда напряжение на выходе становится больше, чем на входе. Такая ситуация может возникать при выключении устройства, когда к входной цепи стабилизатора подключены дополнительные потребители – в этом случае конденсаторы С1-С2 разряжаются быстрее, чем конденсаторы С4-С5. Напряжение на аноде диода VD1 становится выше, чем на катоде – диод открывается и шунтирует микросхему DA1 своим низким сопротивлением в открытом состоянии. Таким образом происходит защита микросхемы DA1 от обратного напряжения. Другим примером появления обратного напряжения может служить коммутации нагрузки с ощутимой индуктивной составляющей либо короткое замыкание на входе стабилизатора [1-4].
Диод VD2 – защитный, но уже для цепи регулировки выходного напряжения при коротком замыкании на выходе стабилизатора.
Конденсатор С3 – дополнительный фильтр опорного напряжения.
Все использованные детали указаны на схеме.
В подборке фото ниже показан внешний вид печатной платы стабилизатора напряжения в процессе изготовления.
А в следующей подборке фото показан внешний вид собранного стабилизатора напряжения при проведении испытаний.
А на следующих рисунках представлен сборочный чертёж печатного узла описываемого стабилизатора напряжения (на первом рисунке – с проводящим рисунком, на втором и третьем рисунках указано только расположение компонентов схемы).
Тут следует отметить, что компоненты устанавливаются с обратной стороны от проводящего рисунка. При этом сборочный чертёж выполнен так, если бы мы смотрели на печатный узел как раз со стороны проводящего рисунка. Это необходимо учитывать при установке микросхемы, диодов, а также полярных конденсаторов. В архиве lm317-1.zip представлен сборочный чертеж печатного узла в формате Sprint Layout 6, а также схема в формате SPlan для возможности самостоятельного изготовления устройства.
Описанный стабилизатор напряжения способен отдавать в нагрузку ток до 1.5 ампер при соблюдении теплового режима работы микросхемы т.е. при использовании стабилизатора напряжения при больших тока нагрузки необходимо микросхему DA1 установить на теплоотвод (радиатор) достаточной площади.
А на этом на сегодня всё. С уважением, Андрей.
Список использованной литературы:
- LM317: Техническая документация
- LM317: техническая документация
- Хоровиц П., Хилл У. Искусство схемотехники: В 3-х томах/ Пер. с англ.: Б. Н. Бронина, И. И. Короткевич, А. И. Коротова и др. — Изд. 4-е, переработанное и дополненное. — М.: Мир, 1993
- Титце У., Шенк К. Полупроводниковая схемотехника: Справочное руководство / Перевод с нем. под ред. д-ра техн. наук А. Г. Алексенко. — М.: Мир, 1982. — 512 с.