Wspólnie projektujemy: Ogranicznik prądowy do LM317

W cyklu konkursowym Wspólnie projektujemy realizujemy zasilacz warsztatowy. Wprowadzeniem był artykuł: Projektowanie zasilacza liniowego. Rozważania wstępne. Dalsze informacje znajdują się tutaj. A poniżej przedstawione jest rozwiązanie konkursu YK005 dotyczącego ogranicznika prądu.

Zaprojektowanie nawet prostego zasilacza wcale nie jest łatwym zadaniem. Dlatego projektowanie praktycznie użytecznego zasilacza warsztatowego rozłożyliśmy na kilka etapów. Rozwiązany już konkurs YK001 dotyczył podstawowego schematu stabilizatora napięcia. W tej kwestii mamy więc już jasność, a zgodnie z zapowiedzią, w następnej kolejności chcemy dodać też obwód ogranicznika, a może raczej stabilizacji prądu.

Przedstawione w kwietniowym numerze czasopisma zadanie konkursowe oznaczone YK005 brzmiało: Zaproponuj obwody ogranicznika prądowego czyli stabilizatora prądu dla zasilacza warsztatowego z układem LM317.

Konkurs jest zamknięty, rozwiązania można było nadsyłać do końca kwietnia 2023 roku. Oto dalsze informacje na temat tego zadania.

Stabilizacja prądu

Otóż oczywiście LM317 ma wbudowane w strukturę półprzewodnikową obwody ograniczania prądu, ale nie jest to ogranicznik prądu, jaki jest potrzebny w zasilaczu warsztatowym. Wbudowany obwód ogranicznika ma głównie chronić układ scalony przed uszkodzeniem. Maksymalny prąd stabilizatora zależy od temperatury, ale przede wszystkim od różnicy napięć między wejściem i wyjściem.

Ogólnie biorąc, próg ograniczania prądowego leży powyżej 1,5 ampera. Jednak przy dużej różnicy napięć między wejściem a wyjściem, próg ograniczania jest niższy. Nie sposób tego kontrolować, a jeżeli to ma być praktycznie użyteczny zasilacz warsztatowy, to powinien mieć bardziej sensowne obwody ogranicznika prądu. Zwykle ogranicznik prądu może też pełnić rolę stabilizatora prądu. A to cenna właściwość, bo mamy od razu i zasilacz napięciowy, i zasilacz prądowy.

Dlatego w zasilaczu z kostką LM317, który stopniowo wspólnie projektujemy, chcemy zrealizować regulowany ogranicznik – stabilizator prądu.

Jedna sprawa to podstawowa idea realizacji takiej funkcji. Druga to kłopoty z jej praktyczną realizacją.

Jeżeli chodzi o podstawową ideę realizacji ogranicznika prądowego w prostym i tanim zasilaczu zawierającym kostkę LM317, na pewno należy odrzucić skomplikowane i kosztowne rozwiązania i pozostać przy nieoptymalnej, ale najprostszej idei pokazanej na rysunku 1.

Normalnie układ utrzymuje między punktami oznaczonymi X, Y napięcie ustawione za pomocą potencjometru REG. Gdy jednak prąd obciążenia, czyli też spadek napięcia na Rs wzrośnie powyżej 0,6…0,7V, zacznie się otwierać tranzystor Ts i jego kolektor obniży napięcie w punkcie Z, a tym samym zmniejszy napięcie i prąd wyjściowy.

Uzyskamy ogranicznik o prądzie zadziałania I = (0,6…0,7V) / R. Wszystko dobrze, tylko nie zmniejszy on napięcia wyjściowego do zera. Nie wchodząc w szczegóły: taki ogranicznik nie spełni swojej funkcji w przypadku zwarcia wyjścia. W wersji z rysunku 1 przy zwarciu wyjścia zapewne zostanie spalone złącze baza-emiter tranzystora Ts jeśli będzie to element małej mocy.

Spaleniu małego tranzystora można zapobiec wstawiając dodatkowy rezystor np. w obwodzie bazy, ale jest to półśrodek.

Problemu nie będzie, gdy także w warunkach zwarcia, ogranicznik zdoła prawidłowo zmniejszyć napięcie wyjściowe U_OUT do zera. Na rysunku 2 pokazany jest idealizowany przypadek w stanie zwarcia wyjścia zasilacza. W układzie z rysunku 1 ograniczanie następowało, gdy napięcie na rezystorze Rs wzrosło do 0,6…0,7V, a w układzie z rysunku 2 nastąpi to dopiero przy wzroście napięcia na Rs do 1,25V. Uzyskujemy to przez dodanie w obwodzie bazy (hipotetycznej) diody Zenera o napięciu tak dobranym, żeby otwieranie tranzystora Ts następowało przy napięciu 1,25V.

To idealny przypadek – z kilku względów napięcie to powinno być nieco większe od 1,25V. Wtedy nie będzie problemu i układ będzie prawidłowo pełnił funkcję ogranicznika nawet przy zwarciu wyjścia.

To jest proste ale nieekonomiczne rozwiązanie. W przypadku zasilacza 10-amperowego byłoby nie do przyjęcia, bo w rezystorze Rs przy prądzie 10A wydzieliłoby się ponad 12,5 wata mocy strat.

Jednak można to dopuścić w tanim zasilaczu o prądzie co najwyżej 1 A, bo wtedy straty mocy w Rs będą akceptowalne, co najwyżej rzędu 1,25 wata.

Wracamy do rysunku 2. Najprościej biorąc, należałoby zastosować tranzystor Ts o napięciu progowym V_BE = 1,25V, co od razu kieruje uwagę na układ Darlingtona.

Trzeba jednak podkreślić, że w takim ograniczniku, zgodnie z rysunkiem 3, nie można zastosować ani układu Darlingtona, ani układu scalonego TL431 w wersji 1,25V, który zachowuje się jak tranzystor o napięciu V_BE dokładnie 1,25V. Nie można z uwagi na duże napięcie nasycenia. W ograniczniku tranzystor Ts musi mieć znikomo małe napięcie nasycenia.

A to prowadzi do rozwiązania według rysunku 4. Dwa oddzielne tranzystory w układzie podobnym do Darlingtona mają napięcie progowe V_BE nieco powyżej 1 wolta, ale mniej niż w tym wypadku potrzeba. Potrzebny dodatkowy spadek napięcia można uzyskać różnie. Na przykład za pomocą dodatkowej diody Schottky Ds. Trzeba też ograniczyć prąd tranzystora Tp, co można zrealizować różnie. Kolektor Tp można byłoby dołączyć do punktu oznaczonego jako masa wyjściowa, ale są lepsze wersje. Zamiast diody Ds można byłoby włączyć rezystor między emiterem Tp i bazą Ts, co miałoby i zalety, i wady.

Warto, a nawet trzeba, przeanalizować i wypróbować różne rozwiązania, ponieważ układ ogranicznika prądu może sprawiać różne kłopoty.

Otóż bardzo często zdarza się, że zasilacz pięknie stabilizuje napięcie, natomiast po przejściu w tryb stabilizacji prądu zaczyna się wzbudzać. Dokładne wyjaśnienie przyczyn wymagałoby kilku artykułów. Najprościej biorąc, przyczyną są opóźnienia związane z obecnością w układzie pojemności (obwodów opóźniających RC). Stabilizator to układ z ujemnym sprzężeniem zwrotnym i w pewnych warunkach wspomniane opóźnienia zmieniają charakterystykę fazową, przez co sprzężenie zwrotne z ujemnego staje się dodatnie. Dodatnie sprzężenie zwrotne powoduje, że układ staje się generatorem.

Wiele zależy od wspomnianych pojemności zawartych w układzie, ale też od wzmocnienia.

Czym większe wzmocnienie (w pętli sprzężenia), tym większy może być problem z samowzbudzeniem, czyli z zamianą stabilizatora w generator.

W układach z rysunku 2, 4 mamy dwie oddzielne pętle sprzężenia zwrotnego: jedną do stabilizacji napięcia, głównie wewnątrz kostki LM317, i drugą, która ujawnia się dopiero przy zadziałaniu ogranicznika prądu. I właśnie wtedy w systemie daje o sobie znać duże wzmocnienie tranzystora Ts (Ts + Tp), które może doprowadzić do wzbudzenia oscylacji.

To bardzo trudny temat i nie sposób podać krótkiej recepty na uniknięcie drgań. Jeden kierunek to zmniejszenie wzmocnienia tranzystora, drugi to zmiana charakterystyki fazowej przez zastosowanie odpowiednio ulokowanego dodatkowego kondensatora lub obwodu RC.

W każdym razie doświadczenie uczy, że nawet prosty obwód ogranicznika prądowego najprawdopodobniej spowoduje kłopoty z samowzbudzeniem, które trzeba będzie pokonać.

W zasadzie tyle informacji wstępnych wystarczyłoby w kwestii ogranicznika. Ale wiążą się z tym także liczne inne szczegóły.

Wstępna koncepcja układowa

Przygotowując się do tego cyklu o projektowaniu prostego zasilacza warsztatowego zrobiłem niezbyt staranny szkic, pokazany na rysunku 5. Mamy tu układ z rysunku 4 z elementami D3, T2, T3. Obok, czy może zamiast diody D3 być może trzeba będzie dodać rezystor R4 oraz kondensator C4, albo opóźniający działanie ogranicznika, czyli włączony jak na rysunku, albo może równolegle do R4, by walczyć z samowzbudzeniem. Do walki z samowzbudzeniem być może potrzebny będzie kondensator C3, który też polepsza stabilizację napięcia.

Do walki z samowzbudzeniem może być potrzebny rezystor w emiterze T3. W układzie przewidziałem przełączanie zakresów ogranicznika prądowego za pomocą MOSFET-ów włączających dodatkowe rezystory R_S1, R_S2.

Na tej samej zasadzie MOSFET-y mogą służyć do programowania kilku wartości napięcia wyjściowego – ich źródła będą dołączone nie do ujemnej szyny zasilania, tylko „za rezystancją Rs, do masy wyjściowej układu.

Tranzystor T1 to wstępne obciążenie stabilizatora, absolutnie konieczne z uwagi na dużą wartość PR1+R1. Typowo LM317 do prawidłowej pracy wymaga obciążenia prądem 3,5mA, a niektóre egzemplarze w najgorszych warunkach pracy nawet 10mA.

T1 wraz z R2 i R3 to źródło prądowe. W kolektor T1 nie można włączyć kontrolki LED, bo gasłaby ona przy najniższych napięciach wyjściowych.

Jednak kontrolkę warto mieć i jest to dioda LED oznaczona CV (Constant Voltage). Zasilana jest z jednej strony za pośrednictwem lustra prądowego T4, T5, a z drugiej strony z pomocniczego stabilizatora 7812 lub 7809.

W układzie jest też druga kontrolka CC (Constant Current, która sygnalizuje, że zasilacz stabilizuje prąd, a nie napięcie. Kontrolka CC świeci, gdy działa ogranicznik prądu.

Na rysunku 5 kontrolki CV, CC są włączone w bodaj najprostszy sposób. Jednak łatwo można tak zmodyfikować układ, żeby nie świeciły razem, tylko na przemian. Ogólnie biorąc, prąd zasilania obydwu diod LED powinien płynąc przez wspólny rezystor i zaświecenie CC powinno wygaszać CV. Dioda CC ma zabierać prąd, jaki normalnie płynie przez diodę CV. Wtedy trzeba też dopracować próg przełączania – przede wszystkim włączając między emiter T2 i minus zasilania rezystor, ustalający ostrzejszy próg działania ogranicznika i diody CC.

Oczywiście jest to tylko wstępna koncepcja, którą trzeba dopracować. Schemat z rysunku 5 oraz pewne dodatkowe informacje już wcześniej otrzymał ode mnie Tadeusz Susfał z Warszawy, który nadesłał materiał przedstawiony dalej w artykule.

Piotr Górecki

Uwagi do zasilacza po wstępnych testach

1. W załączeniu (na rysunku 6) jest schemat z naniesionymi czerwonymi poprawkami dotyczącymi elementów jak i ich wartości, co jest omówione dalej.

2. Jak pamiętam, w pierwotnej wersji układu [rysunek 5], kondensator równoległy do potencjometru 10 kΩ był ze znakiem „?”. I ja go pierwotnie pominąłem. To okazało się błędem. Układ bez tego kondensatora zachowywał się jak generator (sinus) i na wyjściu oprócz napięcia DC był przebieg zmienny AC (ładny sinus). Dotyczy to pracy z ograniczeniem prądowym bez włączonego w układ miernika panelowego. W tym trybie pojawiał się przebieg zmienny. Ten sinus zwiększał swoją amplitudę wraz ze wzrostem wartości rezystancji potencjometru. Dodanie kondensatora 10uF zlikwidowało ten problem.

3. Istniał problem zaświecania się diod LED we właściwym momencie, w zależności od działania ograniczenia prądowego. Czerwona zaświecała się za wcześnie, a zielona nawet nie gasła w całym zakresie regulacji. Proponowana zmiana rezystancji rezystora R2 niewiele zmieniała w zakresie zaświecania i gaśnięcia diod. W układzie został użyty rezystor R2 o wartości 68 Ω gdyż taki posiadałem. Ze względu na założone wypadkowe wstępne obciążenie LM317 prądem ok. 10mA został dobrany rezystor o tej wartości. Dopiero zmiana diody Zenera na diodę o napięciu 8,2V radykalnie rozwiązała problem gaśnięcia zielonej diody LED. Na tę okoliczność został również zmieniony rezystor Ry na wartość 360–365 Ω. Dioda zielona LED w tym ustawieniu gasła po osiągnięciu nominalnej wartości prądu ograniczenia. Przy dalszym zwiększaniu wartości rezystancji potencjometru pozostaje wygaszona.

Dioda czerwona LED nadal zaświecała się za wcześnie. Rozwiązaniem tego problemu okazało się dołączenie równolegle do czerwonej diody LED rezystora Rz o wartości 1,5k. Rezystor dobrałem doświadczalnie. Dioda czerwona LED zaświeca się przy wyższej wartości prądu, bliższej wartości prądu ograniczenia. Przy tej wartości zaczyna słabo świecić, ale po osiągnięciu wartości prądu ograniczenia świeci wyraźnie.

W tabeli 1 zebrałem wyniki pomiarów dla lepszego zilustrowania końcowych efektów dla dwóch wartości rezystora Ry.

Są to wartości prądu, przy którym zaświeca się dioda czerwona i gaśnie dioda zielona dla dwóch wartości rezystora Ry i trzech wartości prądu ograniczenia. Nominalne wartości rezystorów zastosowane w ograniczniku 1,24 Ω, 3 Ω, 5,1 Ω.

Na tym etapie robiłem próby dla wyżej przedstawionych wartości prądu ograniczenia. Ma to charakter poglądowy, na potrzeby prób, celem zaobserwowania zachowania się układu.

Fotografia 7 przedstawia testowany układ. Docelowo zostaną dobrane wartości rezystorów dla prądów 50 mA, 200 mA, 1 A i dla nich sprawdzę progi świecenia diod LED. Podłączenie miernika panelowego wymagać będzie uwzględnienie poboru prądu pobieranego na potrzeby jego zasilania. O czym pisałem na okoliczność badania mierników panelowych i o ile zostanie wybrany ten wariant zasilania. (…)

W zasilaczu chcemy zastosować miernik panelowy 4-cyfrowy z przetwornikiem MCP4321. Znane mi są dwa typy tych mierników: jednozakresowy i dwuzakresowy. Oba typy mają identyczne maksymalne wartości pomiaru napięć i prądów (33 V, 3 A) oraz napięcia zasilania (3,5–28 V). Z przeprowadzonych prób dokładności mierników wynika, że dla małych prądów (pojedyncze mA) dokładniejszy jest miernik dwuzakresowy. Miernik dwuzakresowy ma możliwość kompensacji. I taki zostanie zastosowany w projektowanym zasilaczu.

Po tych próbach będę się starał umieścić układ w docelowej obudowie, z większym radiatorem dla LM317, dobrać jak najdokładniej wartości rezystorów ogranicznika i ponownie badać całość.

Tadeusz Susfał