Mały liniowy zasilacz: Ogranicznik prądu
Oto szósty artykuł serii pokazującej, jak elektronik dla swej ogromnej satysfakcji może zaprojektować i zrealizować niewielki zasilacz liniowy do swojej pracowni. Omawiam obszernie najtrudniejszy w praktyce problem ograniczników prądu, ryzyko samowzbudzenia oraz nieuniknione kompromisy.
W poprzednich artykułach tej serii podałem wszystkie informacje, potrzebne do zaprojektowania i zrealizowania prostego liniowego zasilacza regulowanego z kostką LM317. Teraz, zgodnie z zapowiedzią, zajmiemy się kwestią ograniczania prądu, a potem problemem pomiaru napięcia i prądu.
Stabilizator – ogranicznik prądu
Scalony stabilizator LM317 (i pokrewne) ma wbudowany wewnętrzny ogranicznik prądu o charakterystykach zależnych od temperatury i różnicy napięcia UDO, jak pokazuje pochodzący z katalogu rysunek 1.
Rysunek 1
Jak widać na rysunku, ogranicza on prąd do wartości rzędu nawet dwóch amperów, zależnie od warunków pracy. Przy wzroście napięcia UDO na stabilizatorze (oznaczonym Vin –Vout), prąd maksymalny staje się mniejszy, co jest oczywiste ze względu na wzrost mocy strat cieplnych. Ale my na razie chcemy zbudować zasilacz o prądzie maksymalnym co najwyżej pół ampera. Ponadto nasz zasilacz będzie używany do rozmaitych eksperymentów, dlatego chcielibyśmy wyposażyć go w jakiś dodatkowy ogranicznik prądu, który ochroniłby w przypadku błędu nie stabilizator, tylko zasilane układy i zawarte w nich delikatne elementy.
Realizacja dobrego, dodatkowego ogranicznika dla stabilizatora LM317 nie jest łatwa. W tym cyklu artykułów projektujemy „mały” zasilacz, zrealizowany z najprostszych elementów i chcemy się jak najwięcej nauczyć. Dlatego celowo pomijam możliwość wykorzystania wzmacniacza operacyjnego (wrócimy do tego w cyklu o projektowaniu „dużego” zasilacza). A na razie chcemy zbadać rozwiązania najprostsze.
Nie nadaje się tu jednak rozwiązanie według najprostszej idei z rysunku 2, gdzie wzrost prądu powoduje przewodzenie tranzystora TS i zmniejszenie napięcia wyjściowego. Niestety, w taki sposób nie zmniejszymy napięcia wyjściowego LM317 do zera (a jedynie spalimy tranzystor), bowiem przy bardzo małych napięciach wyjściowych i przy zwarciu wyjścia (rezystancji RO) przez złącze baza – emiter tranzystora popłynie duży prąd wyznaczony przez wewnętrzny ogranicznik.
Rysunek 2
Wystarczy jednak nieco zmodyfikować taki układ, by był skuteczny. Na przykład według idei z rysunku 3, gdzie w obwodzie bazy warto byłoby jeszcze dodać rezystor ochronny.
Rysunek 3
Albo według rysunku 4 – wersja z rysunku 4 z rezystorami jest lepsza, bo rezystory chronią tranzystor.
Rysunek 4
We wszystkich wersjach chodzi o to, żeby tranzystor TS został otwarty dopiero przy wystąpieniu na rezystorze RS spadku napięcia powyżej 1,25 V, np. 1,5 V lub troszkę więcej (więcej z uwagi na napięcie nasycenia tranzystora). Właśnie z uwagi na duże napięcie nasycenia nie nadaje się wersja z „darlingtonem”, według rysunku 5.
Rysunek 5
Ten prosty sposób z rysunku 4 ze zwiększonym do około 1,5 V spadkiem napięcia na RS pozwoli zredukować napięcie wyjściowe (na RO) do zera, czyli zrealizować skuteczny ogranicznik prądu wyjściowego, jak pokazuje fotografia 6. Z RS = 5,1 Ω (cztery rezystory 20,5 Ω) i dobranym dzielnikiem (2 rezystory i potencjometr po 1 kΩ), przy zwarciu wyjścia amperomierzem prąd zostaje ograniczony do 300 mA.
Fotografia 6
Zwiększenie wymaganego spadku napięcia na RS do około 1,5 V oczywiście zwiększa moc strat w RS. Przy dużych prądach byłoby to niedopuszczalnie, ale przy niedużych prądach jest całkowicie akceptowalne. Przykładowo ogranicznik 0,5-amperowy wymaga rezystora RS o wartości około 3 omów i obciążalności co najmniej 0,75 wata. Nawet przy prądzie ograniczania 1 A jest to rozwiązanie do zaakceptowania, bowiem wymaga rezystora 1,5-omowego o obciążalności co najmniej 1,5 W.
Należy jednak mieć świadomość, że nie jest to ogranicznik precyzyjny – wartość prądu ograniczania zależy też od temperatury, ponieważ napięcie UBE tranzystora TS maleje ze wzrostem temperatury o około 2 miliwolty na stopień Celsjusza. To jednak jest jak najbardziej akceptowalne w tanim i nieskomplikowanym zasilaczu.
(…)
——– ciach! ——–
To jest tylko fragment artykułu, którego pełna wersja ukazała się we wrześniowym numerze czasopisma Zrozumieć Elektronikę (ZE 9/2025). Czasopismo aktualnie nie ma wersji drukowanej na papierze. Wydawane jest w postaci elektronicznej (plików PDF). Pełną wersję czasopisma znajdziesz na moim profilu Patronite, gdzie dostępna jest dla Patronów, którzy wspierają mnie kwotą co najmniej 10 zł miesięcznie. Natomiast niepełna, okrojona wersja, pozwalająca zapoznać się z zawartością numeru ZE 9/2025 znajduje się tutaj.
Piotr Górecki
Uwaga! Wskazówki, jak nabyć pełne wersje dowolnych numerów ZE znajdują się na stronie:
https://piotr-gorecki.pl/n11.
