Regulator napięcia jako źródło prądowe

Autor: Dondu

Artykuł ten jest częścią cyklu: Regulatory napięcia

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:

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:

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:

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:

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

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:

czyli w naszym przypadku:

to zależność tę (nasz wniosek) opiszemy tak:

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:

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:

co w naszym przypadku oznaczać będzie:

Przykład

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

nasz układ wyglądać będzie więc następująco:

Obliczamy moc, która wydzieli się na rezystorze:

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:

Symbole

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

Źródło Wikipedia.