Lineárny regulátor LM317 je medzi konštruktérmi aj napriek svojmu veku stále veľmi obľúbený pre svoju jednoduchosť, spoľahlivosť a schopnosť nastavenia výstupného napätia v rozsahu 1,25 V až 37 V. Tento regulátor si našiel široké uplatnenie v napájacích zdrojoch, laboratórnych zdrojoch, batériových nabíjačkách, osvetlení či v rôznych priemyselných zariadeniach. Vďaka integrovanej ochrane proti prehriatiu a prúdovému preťaženiu je LM317 vhodný aj pre menej skúsených používateľov, pretože poskytuje vysokú mieru bezpečnosti bez nutnosti zložitej vonkajšej ochrany.

Jeho nevýhodou v niektorých aplikáciách môže byť obmedzenie výstupného prúdu na hodnotu okolo 1,5 A, a to aj za predpokladu adekvátneho chladenia chladičom. Pri prúdoch vyšších než táto hranica môže dôjsť k zníženiu výstupného napätia, tepelnému vypnutiu alebo trvalému poškodeniu obvodu. V prípade potreby vyššieho výstupného prúdu – napríklad pri napájaní výkonnejších záťaží, motorov alebo LED panelov – je možné LM317 doplniť o externý výkonový tranzistor. Týmto spôsobom sa hlavná záťaž presúva z regulátora na tranzistor, ktorý preberá väčšinu prúdového zaťaženia. LM317 pritom naďalej riadi výstupné napätie, čím sa zachováva jeho funkcia stabilizátora. Toto riešenie umožňuje jednoducho rozšíriť prúdovú kapacitu napájacieho zdroja bez nutnosti použitia komplikovanejších stabilizačných obvodov alebo drahších súčiastok.

Okrem bežnej konfigurácie s NPN tranzistorom existuje aj alternatívna možnosť prúdového posilnenia pomocou PNP tranzistora. V tomto článku sa preto zameriame výhradne na variant s NPN tranzistorom, ktorý je jednoduchší, overený a vhodný pre väčšinu praktických aplikácií.

LM317 v základnom zapojení

Základný princíp prúdového posilnenia

LM317 v základnom zapojení reguluje napätie tak, že udržiava konštantný rozdiel medzi svojím výstupným pinom a pinom "adjust" (typicky 1,25 V). Pri bežných aplikáciách ide celý prúd do záťaže priamo cez regulátor. Ak je záťaž príliš náročná a vyžaduje väčší prúd, ako je schopný LM317 poskytnúť (viac ako cca 1,5 A), môže to spôsobiť prehrievanie a zničenie regulátora.

Preto sa zavádza do zapojenia externý tranzistor, ktorý bude paralelne so výstupom LM317. Tento tranzistor sa riadi malým prúdom z výstupu regulátora cez bázový odpor. Akonáhle sa výstupný prúd zvýši nad kapacitu LM317, výstupné napätie sa mierne zvýši, čo otvorí tranzistor. Ten začne viesť väčšinu prúdu priamo zo vstupného napätia do záťaže.

Tento princíp je jednoduchý, pretože zachováva regulačnú funkciu LM317 (ten stále kontroluje napätie) a pritom podstatne zväčšuje maximálny dostupný prúd pomocou robustného tranzistora, ktorý je navrhnutý na vysoké prúdy.

Externý tranzistor prevzáva časť prúdu, ktorý by inak musel prechádzať cez samotný LM317. Regulátor tak naďalej zabezpečuje stabilizáciu napätia, zatiaľ čo tranzistor zabezpečuje prídavok prúdu pre záťaž.

Praktické zapojenie – analýza schémy

Na priloženej schéme je znázornené praktické zapojenie prúdovo posilneného regulátora na báze LM317 a výkonového tranzistora 2N3055. V tejto časti popíšeme jednotlivé časti zapojenia. V tejto konkrétnej schéme je funkcia bázového odporu R_b realizovaná pevným odporom R_b, ktorý je umiestnený medzi výstupom regulátora LM317 a bázou výkonového tranzistora 2N3055. Ak chceme z tejto schémy dostať 5 A, R_b by mal byť bližšie k 36–39 Ω (a výkonový, min. 5 W) a samozrejme netreba zabúdať na adekvátny chladič.

Zapojenie prúdovo posilneného regulátora na báze LM317 a výkonového tranzistora 2N3055

Vstupná časť:

• Vstupné napätie V_in je filtrované veľkým elektrolytickým kondenzátorom 1000 µF, ktorý stabilizuje napájacie napätie a znižuje zvlnenie.

Regulátor LM317:

• Integrovaný obvod LM317 je zapojený v klasickej konfigurácii so spätnou väzbou cez nastaviteľný delič tvorený odporom R_b a 5 kΩ potenciometrom. Týmto sa nastavuje výstupné napätie podľa vzťahu:

  V_out = 1.25 × (1 + R₂ / R₁) + I_adj × R₂

  kde I_adj je zanedbateľný (typ. 50 µA), preto zjednodušene platí len prvá časť vzorca.

• Medzi pinom ADJ a zemou je pripojený 10 µF kondenzátor, ktorý zlepšuje potlačenie šumu a zvyšuje stabilitu.

• Dióda 1N4007 medzi výstupom a ADJ pinom slúži ako ochrana proti spätnému prúdu pri náhlych zmenách záťaže alebo vypnutí zdroja.

Prúdové posilnenie pomocou 2N3055:

• Výstup LM317 je pripojený na bázu tranzistora 2N3055 cez odpor R_b, ktorý v tejto schéme v sérii s bázou. Tento odpor obmedzuje bázový prúd a tým aj kontroluje otváranie tranzistora.
• Kolektor 2N3055 je pripojený priamo na vstupné napätie, zatiaľ čo emitor je prepojený s výstupom záťaže.
• Keď LM317 nedokáže dodať dostatočný prúd (napr. pri väčšej záťaži), začne sa zvyšovať výstupné napätie a tým sa otvorí tranzistor 2N3055, ktorý zabezpečí dodatočný prúd zo vstupu priamo do výstupu. LM317 stále zabezpečuje riadenie výstupného napätia.

Výstupná časť:

• Na výstupe sú použité dva kondenzátory: 1000 µF elektrolytický na filtrovanie jednosmerného napätia a 100 nF keramický na potlačenie vysokofrekvenčného šumu.
• 10 kΩ záťažový odpor reprezentuje záťaž alebo môže byť použitý ako minimálna záťaž na zaistenie stabilnej činnosti regulátora.

Popis zapojenia:

• LM317 je zapojený klasicky s odporovým deličom medzi výstupom a pinom "adjust".
• NPN tranzistor (napr. 2N3055) má kolektor pripojený na vstupné napätie (rovnaké ako vstup LM317).
• Emitor je pripojený na výstup (k záťaži).
• Báza tranzistora je spojená s výstupom LM317 cez bázový odpor (napr. 1 – x Ω). Tento odpor slúži na obmedzenie prúdu do bázy tranzistora a tým aj na reguláciu jeho vodivosti. Presná hodnota R_b závisí od požadovaného výstupného prúdu a zvoleného tranzistora. Vo všeobecnosti platí, že čím väčší prúd má tranzistor viesť, tým viac prúdu potrebuje do bázy. Napríklad pri zosilňovacích činiteľoch h_FE okolo 20–50 je potrebné zabezpečiť dostatočný bázový prúd I_b = I_c/hFE. Preto sa odporúča použiť výkonový odpor s hodnotou prispôsobenou konkrétnej aplikácii, zvyčajne v rozsahu 1–10 Ω s minimálnym výkonom 1 W.

Funkčnosť:

• Pri malom prúde ide celý prúd cez LM317.
• Keď záťaž žiada väčší prúd, LM317 "nevládze" a jeho výstupné napätie mierne stúpne.
• Tým sa otvorí NPN tranzistor, ktorý začne prispievať k výstupnému prúdu.

Dimenzovanie bázového odporu (R_b)

Bázový odpor R_b hrá kľúčovú úlohu v správnej funkcii tranzistora pri prúdovom posilnení. Jeho úlohou je zabezpečiť potrebný bázový prúd I_b, ktorý otvorí tranzistor natoľko, aby vedel viesť kolektorový prúd I_c požadovaný záťažou.

Výpočet odporu R_b

Základná rovnica vychádza z definície zosilňovacieho činiteľa tranzistora h_FE:

I_b = I_c / h_FE

Pretože bázový prúd tečie cez odpor R_b z výstupu LM317, vieme použiť Ohmov zákon na výpočet odporu:

R_b = (V_out - V_be) / I_b

Kde:

• V_out je výstupné napätie z LM317 (napr. 12 V)

• V_be je prahové napätie báza-emitor (pre kremíkový NPN typicky ~0.7 V)

• I_b je požadovaný bázový prúd

Príklad:

Chceme dodávať výstupný prúd I_c = 5 A pomocou tranzistora s h_FE = 40:

• I_b = 5 A / 40 = 0.125 A

• R_b = (12 V - 0.7 V) / 0.125 A ≈ 90.4 Ω

Tento výpočet je však veľmi teoretický. V praxi sa odpor R_b voľí menší, aby sa tranzistor dostatočne „presýtil“ (prevádzka v saturačnom režime). Preto sa často násobí výsledný bázový prúd koeficientom istoty (napr. ×2 až ×5):

• I_{b_real} = 0.25 A

• R_{b_real} ≈ 11.3 Ω

Zaokrúhlene sa teda odpor R_b zvolí napr. 10 Ω.

Výkonová záťaž na odpore R_b

Výkon, ktorý sa stratí na odpore, vypočítame:

P = (I_b)^2 × R_b

V našom prípade:

• P = (0.25)^2 × 10 = 0.625 W

Z dôvodu rezervy odporúčame použiť výkonový odpor minimálne 1 W alebo viac (napr. keramický, drôtový).

Záver:

• R_b musí byť dimenzovaný podľa požiadaviek na prúd.
• Odpor má byť nízky, ale nie nulový, kvôli ochrane bázy.
• Vždy použiť výkonový odpor s rezervou voči stratovému výkonu.

1. Chladenie: Tranzistor (napr. 2N3055) musí byť osadený na chladič, pretože môže viesť aj desiatky wattov strát.
2. Ochrana: Medzi výstup a vstup LM317 je vhodné zapojiť blokovaciu díodu (napr. 1N4001, 4007), aby sa predišlo zničeniu pri možných zmenách výkonu.
3. Stabilita: Na vstupe a výstupe by mali byť filtračné kondenzátory (napr. 0,1 µF keramický a 100 µF elektrolytický).
4. Obmedzenie prúdu: Pre dodatočnú ochranu možno použiť snímací odpor v emitorovom vodiči s pomocným tranzistorom.

Online kalkulačka

Výpočet vyššie, môžete po dosadení potrebných godnôt vykonať jednoducho aj pomocou kalkulačky nižšie. Zadajte očakívaný výstupný prúd Výstupný prúd Ic (A) údaj o zosilnení tranzistora Zosilnenie hFE a samozrejme požadované napätie na výstupe Výstupné napätie Vout (V) a stlačte tlačidlo pre vykonanie výpočtu Výsledok pre R_b bude prezentovaný pod kalkulačkou spolu s ďalšími parametrami pre použitý rezistor.

Zhrnutie

Použitie externého tranzistora na prúdové posilnenie LM317 je jednoduchý a úcinny spôsob, ako dosiahnuť väčší výstupný prúd bez zložitých spätnoväzbových regulácií. LM317 si zachováva kontrolu nad výstupným napätím, zatiaľ čo tranzistor „pomáha“ s dodávkou energie pre záťaž. Pri vhodnom návrhu je možné dosiahnuť aj niekoľko ampérov bez straty stabilizácie.

Referencie

[1]: LM317 Datasheet
[2]: 2N3055 Datahseet