Лабораторный блок питания своими руками — с регулировкой и защитой от КЗ

Лабораторный блок на LM317 с ограничением тока работает так. Микросхема держит напряжение по формуле Uвых = 1,25 · (1 + R/R1) + Iadj · R. Транзистор VT1 уменьшает его, когда падение на шунте Rs показывает, что ток достиг предела 0,1, 0,5 или 1 А.

С номиналами из перечня деталей напряжение регулируется примерно от 3,7 до 15 В.

Ограничитель удерживает ток, пока на нагрузке остаётся не меньше 0,8 В.

При полном коротком замыкании ток вырастает примерно до 1,4 В / Rs, то есть в 2,3 раза выше предела. Поэтому на макетке выбирайте предел 0,1 А.

Ниже — как устроен блок, данные даташита, расчёт напряжения и предела тока, поведение при замыкании, тепло на микросхеме, сборка, наладка и ошибки.

Зачем нужен предел тока

Простейший блок на LM317 регулирует напряжение, но тока не ограничивает. У микросхемы есть собственная защита, однако до её срабатывания на выходе может побывать ток, при котором на макетке сгорает дорожка или вывод.

Лабораторному блоку нужна регулировка тока: поставил предел 0,1 А — и ошибка в схеме не уничтожит деталь за секунду.

Что в нём внутри

Схема из двух частей. Первая — обычная для LM317: делитель R1, R2 и переменный RP1 задаёт напряжение, как описано в даташите производителя.

Вторая — ограничитель тока на одном транзисторе VT1: ток нагрузки возвращается в минус через маленький резистор Rs. Когда падение на нём достигает порога открывания транзистора, тот подтягивает вывод регулировки LM317 к общему минусу, и выходное напряжение падает.

Падение на токовом резисторе складывается с напряжением на нагрузке. Поэтому минус нагрузки приподнят над общим проводом на величину до 0,6 В.

Для питания макетных схем это терпимо; для измерительных задач напряжение мерьте прямо на клеммах.

Данные из даташита

Данные из даташита LM317 производителя Texas Instruments (ti.com/lit/ds/symlink/lm317.pdf, SLVS044Z):

Параметр	Значение
Выходное напряжение	1,25–37 В
Опорное напряжение между выходом и ADJ	1,2–1,25–1,3 В
Перепад вход–выход	от 3 до 40 В
Выходной ток	0,01–1,5 А
Минимальный ток нагрузки	3,5 мА типично, до 10 мА
Ток вывода ADJ	50 мкА типично, до 100 мкА
Ограничение тока при перепаде не более 15 В	1,5–2,2 А
Ограничение тока при перепаде 40 В (25 °C)	0,15–0,4 А

Кроме того, у микросхемы есть тепловая защита и защита по области безопасной работы.

Расчёт напряжения

Формула из даташита: Uвых = Vref · (1 + R / R1) + Iadj · R, где R — сумма R2 и RP1, Vref = 1,25 В, Iadj — ток вывода ADJ.

Верхний предел при R1 = 240 Ом, R2 = 470 Ом и RP1 = 2,2 кОм (R = 2670 Ом) равен 1,25 · (1 + 2670 / 240) ≈ 15,2 В.

Слагаемое Iadj · R при 50 мкА добавляет 0,13 В, итого около 15,3 В. С учётом разброса Vref (1,2…1,3 В) получается от 14,7 до 15,9 В.

Нижний предел определяется последовательным резистором R2. При RP1 = 0 остаётся R = 470 Ом, поэтому Uвых = 1,25 · (1 + 470 / 240) ≈ 3,7 В.

Чтобы получить 1,25 В, резистор R2 нужно убрать из цепи, но тогда верхний предел изменится.

Расчёт предела тока

Транзистор открывается при падении примерно 0,6 В на токовом резисторе (точное значение зависит от экземпляра и температуры). Поэтому Rs ≈ 0,6 В / Iпредел.

• 
  Предел 0,1 А.Rs = 0,6 / 0,1 = 6 Ом, мощность 0,6 · 0,1 = 0,06 Вт.
• 
  Предел 0,5 А.Rs = 0,6 / 0,5 = 1,2 Ом, мощность 0,3 Вт.
• 
  Предел 1 А.Rs = 0,6 / 1 = 0,6 Ом (два по 1,2 Ом параллельно), мощность 0,6 Вт.
• 
  Запас.Резисторы берут с запасом вдвое по мощности.

Точное значение предела всё равно придётся откалибровать по амперметру.

Что происходит при коротком замыкании

Проверим схему рассуждением. Ограничитель работает, пока вывод ADJ можно притянуть к общему минусу. Но выход LM317 не может быть ниже опорных 1,25 В над ADJ, а ADJ не опускается ниже примерно 0,1–0,2 В над общим минусом (транзистор не уходит в минус).

Значит, напряжение на выходе относительно общего минуса не бывает ниже примерно 1,4 В. Оно складывается из напряжения на нагрузке и 0,6 В на Rs.

Поэтому ограничитель удерживает ток, пока на нагрузке не меньше примерно 0,8 В.

При полном коротком замыкании нагрузка равна нулю, и ток определяется оставшимся напряжением: I ≈ 1,4 В / Rs. Это оценка по схеме, а не данные даташита.

Предел	Rs	Ток при полном КЗ (оценка)
0,1 А	6 Ом	около 0,23 А
0,5 А	1,2 Ом	около 1,2 А
1 А	0,6 Ом	около 2,3 А, ограничит микросхема (1,5–2,2 А по даташиту)

Вывод: ограничитель защищает от перегрузки при рабочем напряжении, но при полном замыкании ток может быть в 2,3 раза выше предела. При отладке на макетке ставьте предел 0,1 А.

Тепло на микросхеме

Мощность на LM317 P = (Uвх − Uвых) × I. Трансформатор 15 В даёт после моста и конденсатора около 15 · 1,41 − 1,4 ≈ 19,8 В на холостом ходу.

При выходе 3,7 В и токе 1 А микросхема рассеивает около (19 − 3,7) · 1 ≈ 15 Вт. Даташит задаёт условия для рассеиваемой мощности до 20 Вт, и без хорошего радиатора микросхема уйдёт в тепловую защиту.

Радиатор подбирайте нашим калькулятором радиатора, а подробнее о тепле — в статье о нагреве стабилизатора.

Сборка

Собирайте поэтапно.

1. 1
   Выпрямитель.Соберите T1 → VD1 → C1, включите без LM317 и измерьте напряжение на C1: порядка 19–21 В. Если нет, разбирайтесь здесь.
2. 2
   Радиатор.Закрепите DA1 на радиатор через изолирующую прокладку. Корпус TO-220 у LM317 связан с выходом, поэтому радиатор нельзя замыкать на корпус блока.
3. 3
   Делитель и защита.Установите R1, R2, RP1, C2, C3, C4 и диоды: D1 катодом на вход, анодом на выход; D2 катодом на выход, анодом на вывод ADJ.
4. 4
   Ограничитель.Добавьте VT1, R3, Rs и SA1; резисторы Rs подпаяйте к переключателю короткими проводами.

Перед первым включением проверьте монтаж мультиметром.

Наладка

Первое включение — без нагрузки. Мультиметром проверьте диапазон: вращайте RP1, напряжение должно меняться плавно примерно от 3,7 до 15 В.

Предел тока калибруйте на резисторе, а не замыканием выхода. Установите выход около 15 В. Подключите резистор, на котором при токе предела падает 2–5 В.

Для 0,1 А это 47 Ом (мощность не менее 1 Вт), для 0,5 А — 10 Ом (не менее 5 Вт).

Выберите предел и проверьте ток амперметром в разрыве: он должен упереться в предел, а напряжение на резисторе упасть. Если предел «уплыл», подберите Rs. Предел 1 А проверяйте кратковременно на резисторе 4,7 Ом (10 Вт).

Типовые ошибки

Что в итоге

Блок подходит тем, кто собирает и проверяет схемы на макетке и хочет не бояться ошибки в монтаже. Для токов больше 1 А или для питания чувствительной аналоговой схемы нужен другой подход: мощный линейный блок или импульсный модуль.

Сравнение подходов — в статье DC-DC модуль или линейный стабилизатор.

Частые вопросы

В каких пределах регулируется напряжение этого блока?

С номиналами из перечня деталей — примерно от 3,7 до 15,3 В. Верхний предел даёт формула с суммой R2 и RP1 = 2670 Ом, нижний — один R2 = 470 Ом.

Чтобы получить 1,25 В, нужно убрать R2 из цепи делителя.

Как рассчитать выходное напряжение LM317?

По формуле из даташита TI: Uвых = 1,25 · (1 + R / R1) + Iadj · R. Ток Iadj до 100 мкА добавляет к результату доли вольта.

Для расчёта удобен калькулятор LM317.

Защищает ли такой блок от короткого замыкания?

Частично. Пока на нагрузке не меньше 0,8 В, ограничитель держит ток на пределе. При полном КЗ ток примерно в 2,3 раза выше предела по оценке схемы.

Для макетки ставьте предел 0,1 А, тогда при замыкании будет около 0,23 А.

Какой трансформатор взять в России?

Подойдёт трансформатор с вторичной обмоткой около 15 В на ток от 1,5 А и мощностью от 20 ВА, как в перечне деталей. Такие трансформаторы продаются в магазинах радиодеталей.

Сетевую часть собирайте в корпусе, при работе вынимайте вилку.

Нужен ли радиатор?

Да. При токе 1 А и выходе 3,7 В на LM317 около 15 Вт. Подберите радиатор по калькулятору.

Корпус TO-220 связан с выходом, поэтому используйте изолирующую прокладку.

Калькуляторы для питания

• LM317 / LM338Выходное напряжение по резисторам, подбор R2, режим источника тока
• Радиатор для транзистора и стабилизатораНужное тепловое сопротивление радиатора и нужен ли он вообще
• Закон Ома и мощностьПо любым двум из четырёх величин U, I, R, P — две остальные