Плавный пуск питания на LM317 — напряжение растёт медленно, а не скачком

Плавный пуск на LM317 получают двумя деталями: конденсатором C1 на выводе регулировки и p-n-p транзистором 2N2905. По схеме из даташита TI («Slow Turn-On 15-V Regulator», рис. 8-13) выход стартует с напряжения около 1,9 В и растёт, пока C1 заряжается через R3.

Постоянная времени R3 · C1 = 50 кОм · 25 мкФ ≈ 1,25 с, но полное нарастание до 15 В занимает дольше: по расчёту порядка 7–26 с.

Схема годится для слабых нагрузок до полутора ампер, усилителей и светодиодных лент, но не для мощных блоков.

Резкое включение питания — источник бед: бросок тока через заряжающиеся конденсаторы, щелчок в усилителе, «клик» в звуковых цепях. LM317 умеет включаться плавно, если добавить одну ёмкость.

Ниже — принцип работы, расчёт времени нарастания, условия применения, тепло и ошибки.

Принцип

Выходное напряжение LM317 определяется током, вытекающим из вывода регулировки, и делителем R1, R2. По даташиту на LM317 опорное напряжение между выходом и выводом регулировки — около 1,25 В, а плавный пуск обеспечивают конденсатор C1 и p-n-p транзистор 2N2905, эмиттер которого подключён к выводу ADJ.

В момент включения C1 не заряжен, и транзистор, открываясь, удерживает ADJ на уровне «напряжение на C1 плюс падение на переходе база — эмиттер». Поэтому выход стартует с напряжения около 1,9 В (по даташиту: 0 + 0,65 + 1,25 В), а затем растёт с той же скоростью, с какой заряжается C1.

Когда выход доходит до значения, заданного R1 и R2 (около 15 В), транзистор закрывается и дальше работает обычный регулятор. Диод D1 при отключении питания разряжает C1 на выход, чтобы следующий пуск снова был плавным.

Расчёт времени нарастания

Итоговое напряжение: Uвых = 1,25 · (1 + R2 / R1) + Iadj · R2 = 1,25 · (1 + 2700 / 240) + 50 мкА · 2700 ≈ 15,3 + 0,14 ≈ 15,4 В.

Постоянная времени цепи зарядки R3 · C1 = 50 000 · 25 · 10⁻⁶ = 1,25 с. Но это не время пуска: C1 заряжается через R3 от вывода ADJ, где напряжение выше напряжения на C1 всего на падение база — эмиттер 0,65 В.

Ток зарядки (без учёта тока базы) 0,65 В / 50 кОм = 13 мкА. Скорость нарастания напряжения на C1 равна 13 мкА / 25 мкФ ≈ 0,52 В/с. Это верхняя оценка времени пуска: (15,4 − 1,9) / 0,52 ≈ 26 с.

Ток базы транзистора тоже заряжает C1 и ускоряет пуск. Численный расчёт по схеме даёт примерно 7 с при коэффициенте передачи тока 50, 11 с при 100 и 15 с при 200. Эти числа — оценка по схеме, а не данные даташита (в нём время не приводится).

Время примерно пропорционально C1: вдвое больше C1 — вдвое медленнее. Подберите C1 по месту, измерив время пуска осциллографом или мультиметром.

Условия

Схема работает при выполнении четырёх условий.

• 
  Запас по входу.Вход выше выхода минимум на 3 В — по даташиту столько нужно для стабилизации (для 15 В берут 18–20 В); максимальная разница между входом и выходом — 40 В.
• 
  Напряжение.Uвых = 1,25 · (1 + R2 / R1) + Iadj · R2, где Iadj — ток вывода регулировки, не больше 100 мкА.
• 
  Минимальная нагрузка.3,5 мА типично, до 10 мА в худшем случае; делитель R1 даёт 1,25 / 240 ≈ 5,2 мА. Без нагрузки выход может уплыть вверх.
• 
  Ток.Даташит допускает до 1,5 А при хорошем радиаторе.

Все четыре условия проверяются расчётом до сборки.

Тепло

При входе 19 В и выходе 15,4 В на LM317 рассеивается P = (19 − 15,4) · I. На токе 1 А это 3,6 Вт, и без радиатора корпус TO-220 перегреется.

Без радиатора допустимо около (125 − 40) / 37,9 ≈ 2,2 Вт, то есть ток около 0,6 А при перепаде 3,6 В (TO-220 KCT, RθJA 37,9 °C/Вт по даташиту, Tокр = 40 °C). Подробнее — в статье «Почему стабилизатор греется».

Типовые ошибки

Где пригодится сегодня

Плавный пуск полезен для питания усилителей и ламп подсветки — чтобы не щёлкали при включении. Мощные нагрузки сейчас включают через готовые модули «софт-старт», но для слабых цепей эта схема — одна из самых дешёвых.

Что в итоге

Подходит: слабые нагрузки до полутора ампер, звуковые цепи, светодиодные ленты. Не подходит: мощные блоки — там нужен либо NTC-термистор, либо специальный контроллер.

Общую картину вариантов питания даёт обзор «Какой блок питания собрать». С этой схемой связаны линейный блок питания на LM317 и лабораторный блок питания с защитой от КЗ.

Частые вопросы

Как быстро нарастает напряжение в этой схеме?

Постоянная времени R3 · C1 = 1,25 с, но весь подъём от 1,9 В до 15 В занимает дольше: по расчёту примерно 7–26 с в зависимости от коэффициента передачи тока транзистора.

В даташите TI время не приводится, поэтому измерьте его на своей сборке.

Зачем нужен плавный пуск?

Чтобы убрать бросок тока в заряжающиеся конденсаторы нагрузки и щелчок в звуковых цепях при включении.

Скорость нарастания напряжения в схеме задаёт цепь R3 · C1.

Как замедлить или ускорить пуск?

Меняйте C1 или R3: время пропорционально их произведению. Увеличение C1 вдвое замедляет пуск вдвое.

Слишком большое значение даёт нарастание, при котором нагрузка не успевает запуститься.

Чем заменить транзистор 2N2905?

Нужен p-n-p транзистор, рассчитанный на ток около 5 мА и напряжение до 20 В: через него идёт ток делителя R1.

Проверьте параметры по его даташиту. В российских магазинах радиодеталей 2N2905 и аналоги продаются, но коэффициент передачи тока у них разный, а от него зависит время пуска.

Нужен ли радиатор на LM317 в этой схеме?

Да при заметном токе. При входе 19 В и выходе 15,4 В на 1 А выделяется около 3,6 Вт, а без радиатора допустимо около 2,2 Вт.

Рассчитайте радиатор по калькулятору.

Полезно при расчёте

• 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