LM317 параметричен стабилизатор е интегрална схема, използвана за регулиране на изходното напрежение и поддържане на стабилен ток към натоварването. Той е особено подходящ за приложения, където е необходимо регулирано напрежение в диапазона от 1.25V до 37V с максимален ток до 1.5A. Основното предимство на LM317 е гъвкавостта му при настройване на изходното напрежение чрез външни резистори, които формират делител на напрежението.
Основни понятия
LM317 е пример за линейно напреженов стабилизатор, който използва обратна връзка за поддържане на постоянно изходно напрежение. Принципът на работа е базиран на стабилността на вътрешното напрежение на референтния извод (adjust) спрямо земя. Това напрежение е фиксирано на 1.25V. С помощта на външни резистори, може да се регулира напрежението, подавано на изхода, като се променя разликата между референтното напрежение и това на изходния извод (out).
Формула за пресмятане на делителя за изходно напрежение
За настройване на изходното напрежение се използват два резистора R1 и R2, свързани към изводите на LM317, създаващи делител на напрежението. Формулата за пресмятане на изходното напрежение Vout е:
Vout = Vref * ( 1 + ( R2 / R1 )) + Iadj * R2
където:
- Vref е референтното напрежение (обикновено 1.25V),
- R1 и R2 са външните резистори, формиращи делителя на напрежение,
- Iadj е токът през извод Adjust, който обикновено е незначителен (около 50µA) и може да бъде пренебрегнат в повечето случаи.
Пример: Ако се избере R1=240 Ω и R2=720 Ω, изходното напрежение ще бъде:
Vout = 1.25 * ( 1 + ( 720 / 240 )) = 1.25 * 4 = 5V
Енергийни загуби и охлаждане
Когато има голяма разлика между входящото и изходящото напрежение, LM317 и транзисторът, като 2N3055, разсейват тази разлика под формата на топлина. Това е основен недостатък на линейните стабилизатори, защото разликата между входното и изходното напрежение води до значителни енергийни загуби. Топлината, която се генерира, може да бъде изчислена с помощта на следната формула:
P = ( Vin – Vout ) * Iout
Където:
- P е мощността, която се разсейва като топлина (във ватове),
- Vin е входното напрежение,
- Vout е изходното напрежение,
- Iout е изходният ток.
Например, ако входното напрежение Vin е 15V, изходното напрежение Vout е 5V, а изходният ток Iout е 2A, мощността, която се разсейва като топлина, ще бъде:
P = ( 15v – 5v ) * 2A = 10v * 2A = 20W
В този случай, 20W мощност се разсейва като топлина. За да се предотврати прегряване на LM317 и транзистора 2N3055, е необходимо използването на охлаждащи радиатори. Тези радиатори увеличават повърхността, чрез която топлината може да се разсее в околната среда, като по този начин се предотвратява повреда на компонентите поради прегряване.
Охлаждането е от съществено значение, особено когато стабилизаторът работи с големи токове и има значителна разлика между входното и изходното напрежение. В противен случай, без подходящо охлаждане, LM317 и транзисторът могат да достигнат критични температури, което да доведе до отказ на системата.
Схема LM317 параметричен стабилизатор
Една стандартна схема с LM317 се състои от три основни извода:
- Input (входно напрежение),
- Adjust (регулиране на напрежението),
- Output (изходно напрежение).
Тази конфигурация може да се използва за стабилизиране на напрежение, като се сменят различни стойности на резисторите R1 и R2 позволява на потребителя да настройва изходното напрежение. В схемното решение сме сменили резистора R2 с потенциометър, за да можете да направите регулируемо изходното напрежение на LM317. Документацията на този стабилизатор мже да разгледате или свалите от тук.
LM317-LM317-Регулатор-на-напрежениеСхема с LM317 и транзистор за усилване на тока на изхода
LM317 е способен да осигури до 1.5A ток, но в някои случаи е необходимо по-голямо натоварване. За целта може да се използва външен транзистор за усилване на тока на изхода. Транзисторът поема натоварването и позволява на стабилизатора да поддържа стабилно напрежение дори при по-голям изходен ток.
Една от най-често използваните конфигурации включва мощен NPN транзистор като 2N3055. В този случай, LM317 регулира базата на транзистора, а той от своя страна доставя по-високия ток към натоварването. Тази схема е особено полезна, когато натоварването изисква повече от 1.5A.
LM317-Регулатор-на-напрежение-силов-транзисторСхема с LM317с транзистор за усилване на тока и регулируема защита от късо съединение
За осигуряване на защита срещу късо съединение, в схемата с LM317 и транзистор 2N3055 за усилване на тока може да се добави регулируема защита. Тази защита следи тока през резистор R2 и, ако токът превиши зададена граница, прекъсва подаването на ток, за да предотврати повреда на компонентите.
Компоненти на схемата:
- Транзистор за усилване на тока (Q1) – използва се NPN транзистор 2N3055, който поема натоварването.
- Шунтов резистор (R2) – резистор с ниско съпротивление (0.22Ω/10W), който следи тока. Когато токът през този резистор нарасне над допустимата стойност, напрежението върху него се увеличава и предизвиква задействане на защитата.
- Регулируем потенциометър (RV2) – чрез него може да се настрои границата на допустимия ток, след което защитата се активира.
- Транзистори за управление на защитата (Q2 и Q3) – тези NPN транзистори засилват реакцията на защитата при късо съединение. Когато напрежението върху шунтовия резистор R2 стане достатъчно високо, те се включват и прекъсват подаването на ток.
- Диод за защита (D2) – използват се за предотвратяване на обратни токове, които могат да повредят LM317 при внезапно изключване на натоварването.
- Предпазители (F1 и F2) – допълнителна защита чрез предпазители, които прекъсват веригата при твърде голям ток.
Принцип на работа:
LM317-Регулатор-на-напрежение-и-токКогато токът се повиши, пада на напрежение върху шунтовия резистор R2 се увеличава. Това напрежение активира транзисторите Q3 и Q2, които от своя страна изключват транзистора 2N3055 и прекъсват веригата. Регулируемият потенциометър RV2 позволява настройка на прага за задействане на защитата. Схемата е проста но ефективна. Тази схема сме реализирали в статията ни: Регулируем стабилизатор на напрежение и ток базиран на Atmega8 с Arduino UNO bootloader.
Заключение
LM317 параметричен стабилизатор е многофункционален и гъвкав стабилизатор, подходящ за различни приложения, където е необходимо регулиране на напрежение (и не само). С допълнителни компоненти като транзистори за усилване на тока и схеми за защита от късо съединение, неговата функционалност може значително да се разшири. Това го прави универсален и надежден избор за проекти, които изискват стабилизирано напрежение и висока производителност.