Wspólnie projektujemy: Prosty zasilacz z LM317

W ramach inicjatywy Wspólnie projektujemy warsztatowy zasilacz liniowy, za pomocą co najmniej siedmiu etapów – konkursów wspólnie zrealizujemy praktycznie użyteczny liniowy zasilacz warsztatowy. Wprowadzeniem do serii konkursów jest artykuł z ZE 12/2022: Projektowanie zasilacza liniowego. Rozważania wstępne.

W numerze ZE 12/2022 postawione było następujące zadanie konkursowe YK001:
Zaproponuj schemat podstawowej, możliwie prostej wersji zasilacza warsztatowego, najlepiej z układem LM317 lub podobnym.

Do udziału w zadaniu zapraszam doświadczonych, a także mniej zaawansowanych i początkujących.

(…) Proponuję, żeby teraz, w ramach zadania, zająć się tylko schematem, a działania praktyczne rozpocząć dopiero wtedy, gdy różne możliwości i nadesłane rozwiązania zostaną omówione w numerze 3/2023 czasopisma Zrozumieć Elektronikę.

Konkurs jest zamknięty, rozwiązania można było nadsyłać do 15 stycznia 2023 roku.

Oto dalsze informacje na temat tego zadania.

---

Ponieważ konkurs jest wieloetapowy, pierwsze zadanie konkursowe dotyczyło wyłącznie zaproponowania schematu minimalistycznej, niemniej już praktycznie użytecznej wersji zasilacza o regulowanym napięciu. Zakres regulacji miał wynosić co najmniej 3…12 V, ale lepiej, gdyby był choć trochę szerszy. Prąd wyjściowy: wystarczyło 0,3…1 A.

W pierwszym etapie należało zaproponować tylko schemat zasilacza ze stabilizatorem napięcia, bez obwodów stabilizacji prądu, bo tym będziemy zajmować się później.

Stabilizator o płynnie regulowanym napięciu można zrealizować dowolnie, jednak proponowałem zastosować stabilizator scalony, najlepiej nadal bardzo popularny LM317, ewentualnie jakąś wersję pokrewną o ulepszonych niektórych parametrach.

Proponowałem, żeby w ramach tego pierwszego konkursu YK001 zająć się tylko schematem, a działania praktyczne rozpocząć później.

LM317 z dodatkowym tranzystorem?

W ramach odzewu na zadanie konkursowe napłynęły różne propozycje.

Między innymi pomysł według rysunku 1, żeby do stosunkowo słabego, bo półtoraamperowego LM317 dodać duży tranzystor mocy. Propozycja nie jest błędna, ale nie pasuje do tego konkursu.

Dodanie zewnętrznego tranzystora czy tranzystorów to przestarzała koncepcja i ślepy zaułek.

Przede wszystkim stosując zewnętrzny tranzystor tracimy bardzo cenne zabezpieczenia: nadprądowe i termiczne. A to w warsztatowej praktyce jest bardzo ważna kwestia!

Do roli zasilacza warsztatowego zupełnie nie nadaje się też inny dość popularny w Internecie schemat według rysunku 2 – ten pochodzi z niewyczerpanej kopalni błędów, a mianowicie ze znanej już Czytelnikom ZE strony: www.homemade-circuits.com.

A już całkowicie błędny, przynajmniej w roli zasilacza warsztatowego, byłby pochodzący z tej samej strony układ z rysunku 3. Ten „udoskonalony”, „innowacyjny” układ jest zresztą wart głębszego zastanowienia, dlatego też trafił do konkursu Tropimy błędy w tym numerze ZE.

Błędny jest też pochodzący wprost z karty katalogowej TI schemat z rysunku 4, ponieważ TIP73 nie jest tranzystorem PNP.

Bezbłędny, ale niepraktyczny jest układ z rysunku 5, gdzie mamy bardzo starą propozycję wykorzystania trzech tranzystorów mocy LM195.

A tak na marginesie: warto sprawdzić, co to były za wynalazki – te „tranzystory” LM195 (LM395).

W każdym razie zastosowanie LM317 i dodatkowych tranzystorów zdecydowanie odrzucamy!

Jaki stabilizator?

LM317 to stabilizator, z którego możemy uzyskać prąd wyjściowy rzędu 1…1,5 ampera. Jeślibyśmy chcieli uzyskać stabilizator o większym prądzie, to mamy kilka możliwości nieporównanie lepszych niż stosowanie zewnętrznych tranzystorów.

Otóż bez problemu dostępne są stabilizatory o budowie jak LM317, tylko o większym prądzie maksymalnym. LM317 uznaje się za 1,5-amerowy. A są wersje 3- i 5-amperowe, a także 7,5- i 10-amperowe.

W ofercie TME od ręki możemy kupić dwa typy stabilizatorów 3-amperowych (rysunek 6).

A jeśli ktoś chciałby jeszcze większy prąd, to może kupić od ręki stabilizatory 5-amperowe (rysunek 7).

Inna sprawa, że niezależnie od prądu maksymalnego, w grę wejdzie bardzo poważny problem rezystancji termicznej i chłodzenia – tym ważnym aspektem też możemy się w przyszłości zająć na łamach ZE. Głównie dlatego nie polecam też przestarzałych dziś wersji 7,5- a w szczególności 10-amperowych, takich jak LM396 czy LT1038, które prawdopodobnie można gdzieś jeszcze kupić.

Moja wieloletnia praktyka pokazuje, że elektronikowi przede wszystkim potrzebny jest zasilacz stabilizowany o prądzie maksymalnym 0,2 A do 1 A. Dlatego możemy pozostać przy poczciwym LM317.

Napięcie maksymalne i transformator sieciowy

Teoretycznie stabilizator LM317 ma maksymalne napięcie wyjściowe 37 V, niektóre wersje trochę mniej. Dostępna jest też prawie 60-woltowa wersja LM317HV oraz 120-woltowy TL783. Ale w naszym przypadku nie ma żadnej potrzeby stosowania takich wysokonapięciowych wersji. Wystarczy, że projektowany zasilacz warsztatowy będzie miał maksymalne napięcie wyjściowe powiedzmy 20 V.

Ustalenie maksymalnego napięcia wyjściowego należy raczej zacząć niejako z drugiej strony i najlepiej w sposób praktyczny.

Otóż jeżeli budujemy zasilacz stabilizowany, to jak pokazuje rysunek 8, należałoby zacząć od wyboru transformatora sieciowego Tr, prostownika M i kondensatora filtrującego C_F, bo przecież od nich bardzo wiele zależy.

Możliwości wyboru transformatora jest mnóstwo. Jeżeli przykładowo nasz zasilacz miałby mieć prąd maksymalny 0,5 ampera i maksymalne napięcie 20 V, co daje 10 watów mocy wyjściowej, to prawdopodobnie wystarczyłby transformator sieciowy o mocy 12…15 watów, czy jak kto woli – woltoamperów. Czyli byłby to mały i dość lekki transformator!

O jakim napięciu uzwojenia wtórnego?

O, z tym jest pewien problem! Wiadomo, że dla transformatorów sieciowych podaje się wartości skuteczne napięć. Dla sinusoidy wartość szczytowa to 1,41 wartości skutecznej.

Jeżeli przykładowo transformator ma napięcie uzwojenia wtórnego (wartość skuteczna) 10 V, to wartość szczytowa wynosi 14,1 V i takie byłoby napięcie stałe po wyprostowaniu w idealnym prostowniku.

Zwykły mostek prostowniczy idealny nie jest i tracimy na nim 1,5 V do 2 V. Czyli z napięcia zmiennego 10 V, na kondensatorze filtrującym C_F zamiast 14 woltów uzyskamy około 12 woltów.

Gdy zasilacz nie będzie obciążony, to na kondensatorze filtrującym C_F uzyskamy „gładkie” napięcie, bez żadnych tętnień. Gdy zasilacz będzie obciążony, w napięciu na C_F pojawią się tętnienia. Tym mniejsze, im większa będzie pojemność tego kondensatora. Szczegóły są opisane w przeznaczonym dla zupełnie początkujących artykule Tajemnice klasycznego zasilacza (B030).

W naszym przypadku zasilacza warsztatowego o niewielkim prądzie, bez problemu możemy zastosować pojemność C_F na tyle dużą, by przy maksymalnym prądzie obciążenia tętnienia na kondensatorze nie były większe niż powiedzmy 2Vpp.

Wtedy „w dolinach tętnień” napięcie z wcześniej obliczonych 12 V może zmniejszać się do wartości 10 V. Do tego dojdzie nieunikniony spadek napięcia na stabilizatorze LM317 oznaczony V_DO (Drop Out), który wstępnie możemy przyjąć jako 2 V.

A to pozwoliłoby przy maksymalnym obciążeniu uzyskać na wyjściu naszego stabilizatora co najwyżej 8 V. Przy mniejszym prądzie wyjściowym trochę więcej.

Tyle teorii. W praktyce w grę wejdą też dodatkowe bardzo ważne szczegóły, w tym „miękkość” czy też „sztywność” użytego transformatora. Chodzi o to, że prąd obciążenia powoduje spadki napięć na wewnętrznych rezystancjach transformatora, a te rezystancje w poszczególnych transformatorach są różne. Najprościej biorąc, większe transformatory mają uzwojenia z grubszego drutu, o mniejszej rezystancji, więc są „sztywniejsze”.

W tych bardziej „miękkich” napięcie bez obciążenia jest znacznie wyższe niż katalogowe napięcie nominalne. W większych, „sztywnych” nie.

Głównie z tego względu nie ma prostej odpowiedzi na pytanie: jakie ma być napięcie z transformatora?

Na pewno nie ma tu jednej prostej recepty. Jednak na postawie przedstawionych rozważań w pierwszym, bardzo zgrubnym przybliżeniu możemy przyjąć, że mając transformator sieciowy dający napięcie wtórne X woltów napięcia zmiennego, na wyjściu stabilizatora najprawdopodobniej możemy uzyskać maksymalne napięcie stałe też mniej więcej X woltów DC.

Przykład z napięciem 10 V wskazuje, że nie zawsze tak będzie. Gdyby transformator sieciowy miał wyższe napięcie uzwojenia wtórnego, np. 20 V, to sytuacja będzie znacznie korzystniejsza.

A jeżeli tak, to do projektowanego zasilacza warsztatowego możemy wykorzystać niemal dowolny transformator, który ma (zmienne) napięcie wtórne od 12 do powiedzmy 24 woltów.

Tak jak wiele osób, prawdopodobnie i Ty już masz lub kupisz jakiś transformator o napięciu wtórnym 12…24 V (najlepiej około 20 V) i mocy kilkunastu do kilkudziesięciu woltoamperów (watów).

Oferta jest ogromna. W przypadku TME po wpisaniu w okienko wyszukiwania hasła transformator, otrzymamy prawie 5000 wyników, co trzeba zdecydowanie zawęzić do kategorii TRANSFORMATORY I RDZENIE. Można to zrobić różnie, najłatwiej szukając oddzielnie w trzech grupach asortymentowych: Transformatory do PCB (1820), Transformatory z mocowaniem (1130) oraz Transformatory toroidalne (585). Ja szukałem transformatorów o mocy 15 VA do 50 VA o napięciu wyjściowym od około 20 V do 24 V. Rysunek 9 oraz rysunek 10 pokazują wyniki w dwóch grupach. 40 typów transformatorów z mocowaniem i 17 toroidalnych. W grupie transformatorów zalewanych na płytkę kolejnych kilkadziesiąt propozycji.

Potencjometr regulacyjny

O wartości maksymalnego użytecznego napięcia wyjściowego naszego zasilacza warsztatowego zadecyduje zastosowany w nim transformator. Stosownie do tego trzeba dobrać potencjometr regulacyjny.

W karcie katalogowej LM317 znajdziemy zależność pokazaną na rysunku 11. Przy skręceniu potencjometru (R2) na zero, napięcie wyjściowe naszego zasilacza będzie najmniejsze – równe 1,25 V. Przy ustawieniu rezystancji potencjometru na maksimum napięcie wyjściowe będzie wyznaczone przez stosunek rezystancji R2 i R1 według podanego wzoru.

We wzorze tym występuje I_Adj – prąd wypływający z końcówki ADJ, który typowo wynosi 50 µA, maksymalnie 100 µA. Możemy pominąć, zaniedbać ten mały prąd, jeżeli przez potencjometr i rezystor R1 będzie płynął prąd kilkadziesiąt razy większy. Wartość tego prądu wyznaczona jest przez R1 według zależności I = 1,25 V / R1

Przy proponowanej wartości 240 omów prąd wyniósłby ponad 5 mA, ale nas interesują mniejsze wartości. Przykładowo przy R1 = 1 kΩ prąd ten wyniesie 1,25 mA, czyli 25 razy więcej niż typowa wartość I_Adj. Możemy przyjąć, że jeżeli wartość rezystora R1 nie przekroczy 1 kΩ, możemy zaniedbać wpływ prądu I_Adj. To jednak jest mało znaczący szczegół.

Dużo ważniejsze jest ograniczenie związane z potencjometrem (R2). Otóż dobierając wartości R1 i R2 musimy pamiętać, że popularne potencjometry mają wartości według szeregu E3, w praktyce albo 10, 22, 47, albo częściej 10, 20, 50, przy czym trzeba się liczyć z tolerancją do ±20%.

Kwestia niewielu dostępnych wartości i ich tolerancji to jedno. Drugie to obciążalność, czyli jak mówi się potocznie – moc potencjometru.

Otóż jak najbardziej dostępne są potencjometry o znacznej obciążalności (mocy) 1 W, 2 W i więcej, jednak liczne popularne i tanie potencjometry węglowe mają obciążalność tylko 0,05 wata albo 0,1 W. A to nie pozwoli na wykorzystanie potencjometrów o małej rezystancji.

Przewidując możliwość wykorzystania w zasilaczu popularnego i taniego potencjometru regulacyjnego o obciążalności 0,05 W, i zgrubnie zakładając maksymalne napięcie na tym potencjometrze równe 20 V, z przekształconego wzoru R = U² / P obliczymy minimalną rezystancje potencjometru regulacyjnego:

R2min = (20 V)² / 0,05 W = 8 kΩ

A to w praktyce oznacza, że w naszym zasilaczu trzeba zastosować potencjometr o najpopularniejszym nominale 10 kΩ.

Jeżeli byłby to delikatny węglowy o obciążalności 0,05 wata, to bez obawy przeciążenia może na nim wystąpić napięcie do 22,4 V, co daje maksymalne napięcie wyjściowe zasilacza do 23,5 V, czyli praktycznie do 24 woltów. Może być większe, gdy potencjometr będzie miał obciążalność większą niż 0,05 W.

Odnotujmy jeszcze, że przy napięciu na 10-kiloomowym potencjometrze równym 20 V, popłynie przezeń prąd 2 mA, wiec nie ma żadnego problemu z pominięciem prądu I_Adj.

A teraz praktyka: jeśli chcesz wykorzystać tanie, zwyczajne potencjometry węglowe jednoobrotowe, do czego nie zachęcam, choćby ze względu na trzaski, możesz dla zwiększenia wygody zastosować szeregowe połączenie dwóch, według rysunku 12.

Ale to półśrodek. Warto też pamiętać, że napięcie można zmieniać skokowo, dołączając nie potencjometr, tylko dobrane rezystory, czy to za pomocą przełącznika mechanicznego, czy elektronicznego. W najprostszym przypadku za pomocą zestawu tranzystorów według rysunku 13, sterowanych przełącznikiem lub mikroprocesorem.

Jeżeli chcesz zbudować dla siebie dobry zasilacz warsztatowy, to zdecydowanie zachęcam do zakupu dobrej jakości potencjometru wieloobrotowego. Potencjometry wieloobrotowe z reguły mają większa obciążalność niż 0,1 wata. A wyrób dobrej firmy, nie najtańszy „chińczyk”, będzie długo pracował bez żadnych trzasków.

W ofercie TME masz szeroki wybór. Jak pokazuje rysunek 14, od ręki dostępnych jest 16 typów 10-kiloomowych 10-obrotowych. Ceny tańszych zaczynają się od około 30 złotych, ale za prawdziwego Bournsa trzeba zapłacić trzykrotnie więcej – jakość i marka kosztują.

Nasz potencjometr regulacyjny R2 będzie miał rezystancję 10 kΩ, ale ze sporą tolerancją, może nawet ±20%. Aby wiec uzyskać potrzebną w Twoim przypadku wartość maksymalnego napięcia wyjściowego, trzeba odpowiednio dobrać rezystancję R1. Można ją obliczyć:

Będzie miała wartość kilkuset omów. Ponieważ jednak w grę wchodzi duża tolerancja potencjometru (R2), więc finalną wartość R1 należy raczej dobrać eksperymentalnie. Pewnie wystarczy zastosować rezystor z 5-procentowego szeregu E24, co zapewne da maksymalne napięcie wyjściowe albo trochę za małe, albo trochę za duże od zakładanego. Dokładność nie jest tu potrzebna. Jeżeli jednak chcesz dokładnie określić górną granicę regulacji, możesz według rysunku 15, zależnie od sytuacji, albo włączyć w szereg dobraną małą rezystancję, albo równolegle – dużą, a najlepiej wykorzystać potencjometr montażowy P_M włączony w szereg z rezystorem R1 – w ten sposób będziesz mógł zmieniać głównym potencjometrem R2 napięcie wyjściowe od 1,25 V do wartości Umax, ustalonej precyzyjnie potencjometrem montażowym P_M.

Minimalny prąd obciążenia

Dociekliwi Czytelnicy zapewne tu przypomną, że taki układ ma poważną wadę, ponieważ bez zewnętrznego obciążenia przez stabilizator będzie płynął prąd rzędu 2 miliamperów, a karta katalogowa wyraźnie mówi, że prawidłowa praca stabilizatora LM317 zagwarantowana jest przy większym prądzie obciążenia: typowo 3 mA, a w niektórych egzemplarzach i niektórych warunkach pracy – nawet 10 mA!

Słusznie! Zbyt mały prąd obciążenia może uniemożliwić prawidłową regulację. Dlatego w naszym zasilaczu trzeba dodać jakiś obwód wstępnego obciążenia. Możliwości jest mnóstwo. W najprostszym przypadku mógłby to być rezystor, ale to byłoby kiepskie rozwiązanie, bo prąd zależałby od ustawionego napięcia wyjściowego. Najlepiej gdyby to było źródło prądowe.

Spośród różnych możliwości realizacji źródła prądowego nieprzypadkowo proponuję na pozór dziwne rozwiązanie według rysunku 16.

W naszym przypadku jest ono znakomite. Otóż podczas normalnej pracy LM317 i wszystkie inne stabilizatory tego typu, otrzymują miedzy wyjściem OUT i końcówką ADJ napięcie odniesienia, równe 1,25 V. Możemy założyć, że napięcie U_BE tranzystora to 0,7 V, wiec niezależnie od ustawionego napięcia wyjściowego, na rezystorze R_E napięcie będzie zawsze wynosić około 0,55 V. Prąd płynący przez ten rezystor popłynie dalej przez kolektor tranzystora do masy jako prąd wstępnego obciążenia stabilizatora LM317.

Czy przez LM317 musi płynąć minimum 10 mA? Nie! Według katalogu wartość 10 mA dotyczy tylko nielicznych egzemplarzy, a typowa wartość to 3,5 mA i to tylko przy wystąpieniu napięcia 40 V między wejściem i wyjściem stabilizatora. U nas zapewne będzie ono niższe, bo niższe będzie całkowite napięcie zasilania.

W zasadzie można byłoby zrobić taki test praktyczny: bez obciążenia wyjścia i bez T1, R_E ustawić potencjometrem minimalne napięcie wyjściowe. Jeżeli będzie mieć 1,25 V, to obwód T1, R_E w ogóle nie jest potrzebny. Jeśli będzie większe od 1,25 V – należy dobrać możliwie dużą wartość R_E, żeby napięcie wyjściowe obniżyło się do 1,25 V.

Być może taki obwód wstępnego obciążenia nie będzie w ogóle potrzebny dla Twojego egzemplarza LM317, ale nawet wtedy nie rezygnuj z niego, bo później wykorzystamy go do innych celów.

Przez tranzystor T1 będzie płynął niezmienny prąd o wartości do kilku miliamperów, więc aż prosiłoby się wstawić w obwodzie kolektora kontrolkę LED. Niestety, przy najmniejszych napięciach wyjściowych nie będzie ona świecić.

Diodę LED można dołączyć, ale za pośrednictwem lustra prądowego T2, T2 według uproszczonego rysunku 17 (tranzystory T2, T3 powinny mieć jednakową temperaturę). Prąd tranzystorów wynosi niecałe 3 mA, napięcie kolektor-emiter T3 nie będzie większe od 30 V, więc moc strat tranzystorów nie przekroczy 100 mW, a dla BC547 maksymalnie wynosi 625 mW, więc jest duży zapas.

Inne możliwości

Oczywiście nie jest to jedyny sposób projektowania zasilacza warsztatowego. Jeżeli chcemy wykorzystać w nim kostkę LM317 lub pokrewną, to podstawowe rozważania mogą być właśnie takie.

Jeden z uczestników tego konkursu od razu zaproponował interesujące kompleksowe rozwiązanie i nadesłał odręczny schemat pokazany na rysunku 18.

Wśród rozwiązań zadań styczniowych znalazłem też pokazany na rysunku 19, pasujący tylko po części do naszego zadania schemat zasilacza wysokonapięciowego, pochodzący z książki „Sztuka elektroniki” Paula Horowitza i Winfielda Hilla.

Co dalej?

Zgodnie z zapowiedzią, w cyklu konkursowym Wspólnie projektujemy, będzie kilka zadań dotyczących prostego zasilacza. Pamiętaj bowiem, że zgodnie z wcześniejszą zapowiedzią, w kolejnych etapach zajmiemy się rozbudową i wzbogacaniem naszego zasilacza. W następnym, kwietniowym numerze ZE będzie zadanie konkursowe YK005, dotyczące właśnie obwodu ograniczania prądu w zasilaczu z kostką LM317.

Ja w niniejszym artykule omówiłem tylko podstawowy układ stabilizatora napięcia. Możesz praktycznie zrealizować i przetestować taką prostą wersję. Jeżeli jeszcze nie projektowałeś zasilacza – koniecznie zbuduj taką wstępną, prostą wersję. Na pewno ujawnią się jakieś „kwiatki” i dużo się nauczysz.

Taką prostą wersję zmontuj w sposób prowizoryczny. Finalna wersja będzie dużo bogatsza. W drugim etapie dodamy ogranicznik prądowy (stabilizator prądu), w trzecim układy do pomiaru napięcia i prądu wyjściowego, a następnie kolejne obwody. ©

Piotr Górecki