sobota, 12 marca 2011

Regulator napięcia jako źródło prądowe


Autor: Dondu

Artykuł ten jest częścią cyklu: Regulatory napięcia

Regulator napięcia jako źródło prądowe.
W projektach różnych urządzeń czasami są nam potrzebne źródła o stałej wartości prądu. Takimi przypadkami są na przykład proste ładowarki akumulatorów, czy sterowniki diod LED.

W tym celu można budować mniej lub bardziej skomplikowane układy lub wykorzystać dostępne i tanie regulatory napięcia (stabilizatory), które przy odpowiednim podłączeniu świetnie nadają się do takich celów, a przy tym kosztują niewiele.

Podstawową funkcjonalnością regulatora napięcia jest jak sama nazwa wskazuje utrzymywanie na jego wyjściu stabilnej wartości napięcia niezależnie od wartości pobieranego z niego prądu. W przypadku źródła prądowego regulator zmienia swoją funkcjonalność i dba o to, by dostarczać jednakową ustaloną wartość prądu do podłączonego do niego odbiornika.

Zobaczmy jak łatwo można wykorzystać niektóre z nich.


Regulator napięcia LM317 jako źródło prądowe

LM317, to bardzo popularny i tani regulator napięcia. Tani, bo jego wersja o prądzie maksymalnym do 100mA kosztuje zaledwie 0,60zł, a wersja 1,5A około 0,80zł (ceny koniec 2013r.). W rodzinie tej znajdują się także regulatory LM117 i LM217.

Można także użyć popularnych z serii 78xx np. L78xx lub µA7800, itp.

W dokumentacji LM317 znajdujemy w jaki sposób utworzyć z niego źródło prądowe o stałej wartości prądu:


Regulator napięcia LM317 jako źródło prądowe - schemat i wzory.


W przypadku innych regulatorów także w ich datasheet znajdziesz odpowiednie schematy, wzory i informacje.

Jak widać na schemacie, aby utworzyć takie źródło wystarczy nam zaledwie jeden dodatkowy rezystor.

Na schemacie mamy także podane wzory pokazujące zależności panujące w takim źródle prądowym oraz zakres prądów jakie możemy w ten sposób uzyskać. Po przekształceniu wzoru możemy więc ustalić wartość rezystora dla oczekiwanego przez nas prądu:

Regulator napięcia LM317 wzory.

Co to za napięcie, to 1,25V?

To napięcie referencyjne oznaczone jako Vref, które jest utrzymywane przez regulator pomiędzy wyjściem Vout, a pinem Adjust i pokazane jest w dokumentacji na innym schemacie:


Regulator napięcia LM317 - napięcie referencyjne.


W przypadku naszego schematu źródła prądowego ponieważ rezystor R1 jest podłączony pomiędzy w/w pinami oznacza to, że napięcie Vref to jest nic innego jak spadek napięcia na rezystorze R1:


Regulator napięcia LM317 - schemat źródła prądowego.


Zadaniem LM317 jest utrzymanie za wszelką cenę napięcia Vref na poziomie 1,25V zgodnie z datasheet:


Regulator napięcia LM317 - zasada działania źródła prądowego.


możemy więc wywnioskować, że:

Skoro regulator dąży do tego, aby na rezystorze R1 zawsze występował spadek napięcia równy 1,25V, a rezystor ma jakąś stałą wartość rezystancji, to oznacza, że prąd wyjściowy także będzie stały.

co wynika bezpośrednio z Prawa Ohma:

Prawo Ohma.

czyli w naszym przypadku:

Prawo Ohma dla źródła prądowego LM317.

to zależność tę (nasz wniosek) opiszemy tak:

Prąd źródła prądowego jest stały.


Pomijamy zmiany rezystancji rezystora pod wpływem ciepła.

Ot i cała zasada wykorzystania regulatora napięcia pracującego jako źródło prądowe, o stałej wartości prądu :-)

Pozostaje nam ustalić, czy Vref zawsze wynosi 1,25V. Zerkamy więc do tabel LM317, gdzie okazuje się, że:


Regulator napięcia LM317 - zakres wartości napięcia referencyjnego Vref.

może ono wynosić pomiędzy 1,2V, a 1,3V.


R1 vs prąd

Aby nie było tak cudownie należy wziąć pod uwagę, że cały prąd uzyskany z takiego źródła płynie przez rezystor R1. Należy więc obliczyć, jaka moc na nim zostanie wydzielona (w postaci ciepła), by zastosować odpowiedni rezystor. W przeciwnym wypadku rezystor może ulec uszkodzeniu.

Moc liczymy oczywiście za pomocą wzoru:

Wzór na obliczenie mocy.

co w naszym przypadku oznaczać będzie:


Wzór na obliczenie mocy rezystora R1 w źródle prądowym LM317.


Przykład

Załóżmy, że z wykorzystaniem regulatora LM317 chcemy uzyskać źródło prądowe o stałym prądzie wyjściowym wynoszącym 230mA. Obliczamy wartość rezystora:


Przykład obliczeń źródła prądowego na LM317.


nasz układ wyglądać będzie więc następująco:


Schemat źródła prądowego uzyskanego z regulatora napięcia LM317.


Obliczamy moc, która wydzieli się na rezystorze:


Obliczenie mocy rezystora R1 w układzie źródła prądowego LM317.

w związku z czym musimy zastosować rezystor o mocy 1/2W (500mW), ponieważ rezystor 1/4W (250mW) będzie zbyt słaby. Możesz także połączyć równolegle dwa rezystory o mocy 1/4W i rezystancji dwa razy większej, czyli 10,8Ω - to często stosowany sposób zwiększania mocy rezystora.

Rezystor o wartości 5,4Ω nie występuje w żadnym z szeregów wartości, stąd:
  • należałoby zastosować potencjometr, 
  • lub wykorzystać połączone szeregowo rezystory, 
  • lub zastosować zbliżoną wartość, która występuje w szeregach. Są nimi np. 5,42Ω lub 5,36Ω, o ile znajdziesz taki o odpowiedniej mocy. W tym przypadku prąd oczywiście będzie się nieznacznie różnił od zakładanego, co możesz obliczyć z powyższych wzorów.



Zasady dot. płytki PCB

Ponieważ rezystor R1 pełni tutaj rolę czujnika prądu i jest "obserwowany" przez regulator LM317, stąd jak w większości tego typu przypadków, powinien on znajdować się możliwie najbliżej pinów regulatora, o czym wspomina producent:

Regulator napięcia - zasady umieszczenia rezystora R1 na płytce PCB.



Symbole

Na koniec warto jeszcze poznać symbole źródeł prądowych, które możesz spotkać na schematach:

Symbole źródła prądowego.
Źródło Wikipedia.


16 komentarzy:

  1. Dziekuje Dondu (Jarku jak dobrze pamiętam) za świetny artykuł.

    OdpowiedzUsuń
  2. haha, chyba Jacek :)

    OdpowiedzUsuń
  3. Skoro poprzednim artykułem był wprowadzający w temat LED, a teraz omawiasz źródła prądowe, to zapewne następny będzie o sterowaniu LEDami? :)

    OdpowiedzUsuń
  4. Jak do takiego źródła dodać kompensację temperaturową aby niezależnie od temperatury LM podawał taki sam prąd?

    OdpowiedzUsuń
    Odpowiedzi
    1. W dokumentacji znajdziesz parametr pokazujący stabilność napięcia wyjściowego względem temperatury - Temperature Stability. Parametr ten jest określany na 0,7%Vo (napięcia wyjściowego) przy pełnym zakresie temperatur czyli np. od 0 do 125°C. Oznacza to, że np. dla 5V jest on w stanie utrzymać napięcie z dokładnością 5V * 0,7% = 0,035V. Jak to się przekłada na zmianę prądu (przy stałym rezystorze R1) możesz już policzyć we własnym zakresie. Na tej podstawie okaże się zapewne, że nie ma to znaczenia dla większości projektów.

      Usuń
  5. A czy przy prądach rzędu 350mA taki stabilizator będzie się mocno grzał?

    OdpowiedzUsuń
  6. Wielkie podziękowania dla autora. Wreszcie zrozumiałem jak to działa. Hejka!

    OdpowiedzUsuń
  7. Dzięki wielkie, bardzo pomocny artykuł, wszystko juz jasne. Biorę się za lutownicę.

    OdpowiedzUsuń
  8. Niestety w takim układzie LM317 potrafi się wzbudzać, szczególnie gdy zasilany jest z przetwornicy ,a nie zasilacza liniowego. Lepiej sprawdza się LM 1084 adj.

    OdpowiedzUsuń
  9. Witam.
    Mam pytanie.
    Czy jeśli steruje napięciem źródła zasilania napięcie na oporniku R1 powinno się zmieniać? Czy powinno równać się napięciu referencyjnemu. U mnie zmienia się "liniowo" w zależności od napięcia źródła zasilania.

    OdpowiedzUsuń
    Odpowiedzi
    1. Witam.

      cyt. "Zadaniem LM317 jest utrzymanie za wszelką cenę napięcia Vref na poziomie 1,25V ..."

      Innymi słowy, jego rola polega na utrzymaniu napięcia na poziomie 1,25V pomiędzy Vout i ADJ (czyli na rezystorze R1), co przy stałej rezystancji R1 oznacza, że prąd jest także stały, czyli źródło prądowe pracuje prawidłowo utrzymując stały prąd.

      Nie może więc się zmieniać jak to jest u Ciebie.
      1. W jakim zakresie się zmienia?
      2. Jakie napięcia wejściowe testujesz?

      Być może przekraczasz minimalne i maksymalne napięcie wejściowe.

      Usuń
  10. Witam,

    Czy można zaprezentowany w artykule układ uzupełniając jakimiś elementami zewnętrznymi, zwiększyć zakres dopuszczalnych napięć i prądów? A może jakiś odpowiednik tego układu, który sprostałby wyższym wymaganiom w tym zakresie?

    Niestety nie jestem zbyt biegły w analogu, stąd może dla wielu banalne pytania, ale akurat mam potrzebę znalezienia rozwiązania, które pozwoliłoby mi uzyskać z kondensatora (10mF/80V) naładowanego do napięcia 70V stałą wartość prądu na poziomie 2-3A i napięciu 60-65V, w dość krótkim czasie 2-3 sek. Kluczową w tym rozwiązaniu jest właśnie dla mnie wartość prądu, która musi być możliwie stała i niezależna (w rozsądnych granicach) od rezystancji podłączonego układu rozładowującego. Z góry dziękuję za wszelkie podpowiedzi :)

    Przy okazji dziękuję za fajnie napisany artykuł i bardzo ciekawie prowadzonego bloga :)

    OdpowiedzUsuń
  11. Co się stanie jak na regulator napięcia LM7812 na wejściu zostanie podane napięcie poniżej 12V? Pytam ponieważ chce wysterować czymś cewkę przekaźnika, a moim źródłem zasilania jest ściemniacz 0V-12V. Chciałbym znaleźć element, który przepuści prąd po osiągnięciu odpowiedniego napięcia.

    OdpowiedzUsuń