Источник стабильного тока на LM317

Схема для светодиодов

Выводы LM317 в корпусах TO-220, TO-263 и SOT-223 одинаковые: 1 — ADJ, 2 и фланец — OUT, 3 — IN (TI SLVS044Z, разд. 5). Фланец под напряжением выхода, поэтому радиатор изолируют от корпуса прибора. Входной конденсатор 0,1 мкФ ставят у выводов, если LM317 далеко от конденсатора фильтра. Конденсатор на выходе источника тока не нужен: нагрузку питает ток, а не напряжение.

Расчёт

Пусть нужен ток 350 мА через цепочку светодиодов, у которой по даташиту при этом токе максимальное суммарное прямое напряжение 9,6 В (подставьте значение для своих светодиодов).

1. Резистор. R = 1,25/0,35 = 3,57 Ом. Берём ближайший больший номинал 3,6 Ом, чтобы не превысить ток: I = 1,25/3,6 + 0,05 мА = 347 мА.
2. Разброс. Опорное напряжение гарантировано в пределах 1,2–1,3 В, ток ADJ — до 100 мкА (SLVS044Z, разд. 6.6). Ток будет в пределах 1,2/3,6 = 333 мА … 1,3/3,6 + 0,1 мА = 361 мА, около ±4 %, плюс допуск резистора.
3. Мощность резистора. TI требует номинал больше (1,25 В)²/R (разд. 7.3.3): 1,25²/3,6 = 0,43 Вт, с опорным 1,3 В — 0,47 Вт. Ставим резистор на 1 Вт.
4. Входное напряжение. LM317 нужен запас 3 В между входом и выходом (разд. 7.3.1 и 6.3), а выход на 1,25 В выше нагрузки: U_вх ≥ 9,6 + 1,25 + 3 = 13,85 В. Берём 15 В.
5. Мощность LM317. P = (15 − 1,25 − 9,6) · 0,35 = 1,45 Вт. Без радиатора у TO-220 65 °C/Вт: при 40 °C в корпусе прибора кристалл нагреется до 40 + 1,45 · 65 = 134 °C, а рабочий диапазон — до 125 °C. Радиатор нужен: θ_SA ≤ (125 − 40)/1,45 − 5 − 0,5 ≈ 53 °C/Вт — небольшая пластина. Если прямое напряжение светодиодов меньше максимального, мощность на LM317 больше — считайте по минимальному. Точный расчёт — в калькуляторе радиатора.

Калькулятор в режиме источника тока подбирает резистор и минимальное входное напряжение:

Ограничения

Минимальный ток — 10 мА. LM317 отдаёт ток собственных цепей на выход и держит стабилизацию только при нагрузке не меньше 3,5 мА типично и 10 мА в худшем случае (SLVS044Z, разд. 6.6 и 7.4.3). onsemi указывает для схемы источника тока диапазон 10 мА…1,5 А (LM317/D, рис. 26). Для тока в единицы миллиампер LM317 не подходит.

Точность при малом токе хуже. Ток вывода ADJ (50 мкА типично, до 100 мкА, и меняется до 5 мкА с нагрузкой и входом) течёт в нагрузку вместе с током резистора. При 350 мА это 0,03 %, при 10 мА — до 1 %.

Запас по напряжению. Нагрузка может иметь напряжение до U_вх − 1,25 − 3 В. При меньшем запасе LM317 выходит из стабилизации, и ток падает (разд. 7.4.2).

Замыкание нагрузки. Источник тока замыкания не боится — ток останется прежним, — но мощность на LM317 вырастет до (U_вх − 1,25) · I: в примере 13,75 · 0,35 = 4,8 Вт. Радиатор на 53 °C/Вт её не отведёт, и сработает тепловая защита: LM317 снизит ток или будет включаться и выключаться, пока замыкание не устранят (разд. 7.4.4). Перепад вход–выход не должен превышать 40 В (разд. 6.1).

Ток не больше 1,5 А. Ограничение тока LM317 — не меньше 1,5 А (типично 2,2 А) при перепаде до 15 В и всего не меньше 0,15 А (типично 0,4 А) при перепаде 40 В (разд. 6.6): при большом входном напряжении большой ток не получить.

Зарядка аккумулятора

TI приводит схему зарядки стабильным током 50 мА: резистор 24 Ом, ток 1,25/24 = 52 мА, входное напряжение больше напряжения аккумулятора на 4,25 В — 1,25 В опорного и 3 В запаса (SLVS044Z, разд. 8.3.7). Эта схема не следит за окончанием заряда: ток течёт, пока есть входное напряжение. Её используют для слаботочного заряда тех аккумуляторов, которым это разрешено по даташиту, а ток и время берут из того же даташита. Литий-ионным ячейкам нужен заряд с переходом на стабильное напряжение и отключением — см. раздел аккумуляторы.

Другой вариант из того же даташита (разд. 8.3.6, рис. 8-11) — LM317 в режиме стабилизатора напряжения с резистором RS = 0,2 Ом в цепи нагрузки. Выходное сопротивление такого источника — R_S(1 + R₂/R₁): при R1 = 240 Ом и R2 = 2,4 кОм это 2,2 Ом, и с ростом тока заряда напряжение на аккумуляторе снижается.

LM317 как стабилизатор напряжения

Для сравнения — обычное включение со стабилизацией напряжения (SLVS044Z, рис. 8-1): U_вых = 1,25 · (1 + R₂/R₁) + I_ADJR₂. R1 = 240 Ом даёт ток 5,2 мА — больше типичного минимального тока нагрузки 3,5 мА; если без нагрузки выход должен оставаться точным в худшем случае (10 мА), берут R1 = 120 Ом. Ci 0,1 или 1 мкФ, CO 1 мкФ необязателен для устойчивости, но улучшает реакцию на нагрузку. onsemi рекомендует защитные диоды при выходе выше 25 В и при больших ёмкостях: D1 (выход–вход) — при CO больше 25 мкФ, D2 (ADJ–выход) — при CAdj больше 10 мкФ (LM317/D, Applications Information). На схеме показан только D1. Подобрать R2 — в калькуляторе LM317, параметры и аналоги — на странице LM317 и LM337.

Детали

Варианты

• Источник тока на 7805 (MC7800/D, рис. 9): I = 5 В/R + I_B, где ток потребления I_B около 3,2 мА. На резисторе падает 5 В вместо 1,25 В, поэтому для тока 1 А нужен резистор 5 Ом на 10 Вт, а нагрузка может иметь напряжение только до U_вх − 7 В. LM317 здесь выгоднее — подробнее о 78xx на странице линейный стабилизатор.
• Ограничитель тока. Та же схема, включённая последовательно с нагрузкой, ограничивает ток в цепи на уровне 1,2 В/R (TI SLVS044Z, разд. 8.3.3).
• Светодиоды от вывода микроконтроллера — резистор и ключ: см. подключение светодиода.

Почему не работает

• Ток отличается от расчётного на несколько процентов. Это разброс опорного напряжения 1,2–1,3 В и допуск резистора. Если ток нужен точнее, подберите резистор по амперметру.
• Ток не стабилизируется. Проверьте включение: резистор — между OUT и ADJ, нагрузка — от ADJ на общий провод, как на схеме.
• Ток падает при прогреве или при низком входном напряжении. Не хватает запаса: на LM317 меньше 3 В. Поднимите вход или уменьшите число светодиодов в цепочке.
• Источник отключается через несколько секунд или минут. Сработала тепловая защита — пересчитайте мощность и радиатор, особенно при напряжении светодиодов ниже максимального.
• При токе в несколько миллиампер ток «плывёт». Ниже 10 мА LM317 не гарантирует стабилизацию.
• Резистор перегревается. Его номинальная мощность меньше требуемой: TI требует номинал больше (1,25 В)²/R.
• Радиатор замкнул питание. Фланец LM317 соединён с выходом; без изолирующей прокладки радиатор на корпусе прибора замыкает выход на землю.