رگولاتور سری LM317

مقدمه:

 LM317T یک تنظیم‌کننده ولتاژ مثبت 3 ترمینال قابل تنظیم است که می‌تواند خروجی‌های ولتاژ DC مختلف به‌غیراز منبع تغذیه ولتاژ ثابت +5 یا +12 ولت را تامین کند، یا به‌عنوان یک ولتاژ خروجی متغیر از چند ولت تا مقداری حداکثر جریان حدود 1.5 آمپر با کمک کمی مدار اضافی اضافه‌شده به خروجی PSU، می‌توانیم یک منبع تغذیه پایه باقابلیت طیف وسیعی از ولتاژهای ثابت یا متغیر مثبت یا منفی داشته باشیم.

درواقع این ساده‌تر از چیزی است که فکر می‌کنید، زیرا ترانسفورماتور، یکسوسازی و صاف کردن قبلاً توسط PSU انجام‌شده است، تنها کاری که باید انجام دهیم این است که مدار اضافی خود را به خروجی سیم زرد +12 ولت وصل کنیم؛ اما در ابتدا، اجازه دهید یک خروجی ولتاژ ثابت را در نظر بگیریم.در این سری از مقالات اسکای تک به بررسی رگولاتور سری LM317 می پردازیم .

منبع تغذیه 9 ولت ثابت:

طیف گسترده‌ای از رگلاتورهای ولتاژ 3 ترمینال در بسته بندی استاندارد TO-220 موجود است که محبوب‌ترین رگولاتور ولتاژ ثابت رگلاتورهای مثبت سری 78xx است که از رگلاتورهای بسیار رایج 7805، + 5 ولت تا 7824، + تنظیم‌کننده ولتاژ ثابت 24 ولت است .

همچنین یک سری 79xx از تنظیم‌کننده‌های ولتاژ منفی ثابت وجود دارد که ولتاژ منفی مکمل را از 5- تا 24- ولت تولید می‌کند اما در این آموزش ما فقط از انواع مثبت 78xx استفاده می‌کنیم. تنظیم‌کننده 3 ترمینال ثابت در کاربردهایی مفید است که خروجی قابل تنظیم موردنیاز نیست و منبع تغذیه خروجی را ساده می‌کند، اما بسیار انعطاف‌پذیر است زیرا ولتاژ خروجی آن فقط به تنظیم‌کننده انتخاب‌شده بستگی دارد.

آن‌ها رگلاتورهای ولتاژ 3 ترمینال نامیده می‌شوند زیرا فقط سه ترمینال برای اتصال دارند که به ترتیب ورودی، مشترک و خروجی هستند. ولتاژ ورودی به رگولاتور سیم زرد +12v از PSU (منبع تغذیه جداگانه ترانسفورماتور) خواهد بود و بین ورودی و پایانه های مشترک متصل می‌شود. 9+ ولت تثبیت‌شده در سرتاسر خروجی گرفته می‌شود و همان‌طور که نشان داده‌شده رایج است.

مدار رگولاتور ثابت منبع تغذیه ولتاژ متغیر:

بنابراین فرض کنید که ما ولتاژ خروجی 9+ ولت را از منبع تغذیه میز PSU خود می‌خواهیم، سپس تنها کاری که باید انجام دهیم این است که یک تنظیم‌کننده ولتاژ +9v را به سیم زرد +12 ولت وصل کنیم. همان‌طور که PSU قبلاً یکسوسازی و صاف کردن خروجی +12v را انجام داده است، تنها اجزای اضافی موردنیاز یک خازن در ورودی و دیگری در سراسر خروجی است.

این خازن‌های اضافی به پایداری رگولاتور کمک می‌کنند و می‌توانند بین 100nF تا 330nF باشند. خازن خروجی 100uF اضافی به صاف کردن محتوای موج‌دار کمک می‌کند و پاسخ گذرا خوبی به آن می‌دهد. این خازن باارزش بزرگ که در سرتاسر خروجی مدار منبع تغذیه قرار می‌گیرد، معمولاً “خازن صاف کننده” نامیده می‌شود.

ین رگلاتورهای سری 78xx حداکثر جریان خروجی حدود 1.5 آمپر را در ولتاژهای ثابت 5، 6، 8، 9، 12، 15، 18 و 24 ولت می‌دهند؛ اما اگر ما ولتاژ خروجی 9 ولت بخواهیم اما فقط یک رگولاتور 7805 + 5 ولت داشته باشیم چه؟ خروجی +5V 7805 به ترمینال “زمین، Gnd” یا “0v” ارجاع داده می‌شود.

اگر ولتاژ پایانه پین-2 را از 0 ولت به 4 ولت افزایش دهیم، خروجی نیز 4 ولت اضافی افزایش می‌یابد، مشروط بر اینکه ولتاژ ورودی کافی وجود داشته باشد. سپس با قرار دادن یک دیود زنر کوچک 4 ولتی (نزدیک‌ترین مقدار ترجیحی 4.3 ولت) بین پین-2 رگولاتور و زمین، می‌توانیم کاری کنیم که رگولاتور 5 ولتی 7805 ولتاژ خروجی 9+ ولت تولید کند.

افزایش ولتاژ خروجی:

پس چگونه کار می‌کند. دیود زنر 4.3 ولت به جریان بایاس معکوس در حدود 5 میلی‌آمپر نیاز دارد تا خروجی را با تنظیم‌کننده حدود 0.5 میلی‌آمپر حفظ کند. این جریان کل 5.5 میلی‌آمپر از طریق مقاومت “R1” از پایه خروجی 3 تامین می‌شود؛ بنابراین مقدار مقاومت موردنیاز برای یک رگولاتور 7805 R = 5V/5.5mA = 910 Ohm خواهد بود.

دیود فیدبک، D1 متصل به پایانه های ورودی به خروجی، برای محافظت است و از بایاس معکوس رگولاتور در زمانی که ولتاژ تغذیه ورودی خاموش است درحالی‌که منبع تغذیه خروجی برای مدت کوتاهی به دلیل القایی بزرگ روشن یا فعال می‌ماند، جلوگیری می‌کند.

بار مانند شیر برقی یا موتور. سپس می‌توانیم از تنظیم‌کننده‌های ولتاژ 3 ترمینال و یک دیود زنر مناسب برای تولید انواع ولتاژهای خروجی ثابت از منبع تغذیه میز قبلی خود از 5+ تا 12+ ولت استفاده کنیم؛ اما می‌توانیم با جایگزین کردن رگولاتور ولتاژ ثابت با یک تنظیم‌کننده ولتاژ متغیر مانند LM317T، این طراحی را بهبود بخشیم.

منبع تغذیه ولتاژ متغیر:

LM317T یک رگولاتور ولتاژ مثبت 3 ترمینالی کاملاً قابل تنظیم است که قادر به تامین 1.5 آمپر با ولتاژ خروجی از حدود 1.25 ولت تاکمی بیش از 30 ولت است. با استفاده از نسبت دو مقاومت، یکی از یک مقدار ثابت و دیگری متغیر (هر دو ثابت)، می‌توانیم ولتاژ خروجی را به سطح دلخواه با ولتاژ ورودی مربوطه بین 3 تا 40 ولت تنظیم کنیم.

تنظیم‌کننده ولتاژ متغیر LM317T همچنین دارای قابلیت‌های محدودکننده جریان و خاموش شدن حرارتی است که آن را در برابر اتصال کوتاه مقاوم می‌کند و برای هر منبع تغذیه ولتاژ پایین یا میز برقی خانگی ایده آل است. ولتاژ خروجی LM317T با نسبت دو مقاومت فیدبک R1 و R2 تعیین می‌شود که یک شبکه تقسیم کننده بالقوه را در سراسر ترمینال خروجی تشکیل می دهند که در زیر نشان داده شده است.

مدار منبع تغذیه ولتاژ متغیر:

ما می‌توانیم مدار اصلی تنظیم‌کننده ولتاژ خود را با اتصال آمپرمتر و ولت متر به پایانه های خروجی کمی بیشتر بهبود ببخشیم. این ابزارها یک نشانه بصری از جریان و ولتاژ خروجی از تنظیم‌کننده ولتاژ متغیر را نشان می‌دهند. در صورت تمایل می‌توان یک فیوز سریع الاثر را نیز در طراحی گنجاند تا حفاظت از اتصال کوتاه اضافی را همان‌طور که نشان داده‌شده است، ارائه دهد.

تنظیم‌کننده ولتاژ متغیر LM317T:

 ولتاژ در مقاومت فیدبک R1 یک ولتاژ مرجع 1.25 ولتی است که Vref بین ترمینال خروجی و تنظیم تولید می‌شود. جریان ترمینال تنظیم یک جریان ثابت 100uA است. ازآنجایی‌که ولتاژ مرجع در مقاومت R1 ثابت است، یک جریان ثابت i از مقاومت R2 دیگر عبور می‌کند که منجر به ولتاژ خروجی می‌شود:

سپس هر جریانی که از مقاومت R1 عبور می‌کند از مقاومت R2 نیز عبور می‌کند (بدون توجه به جریان ترمینال تنظیم بسیار کوچک)، با مجموع افت ولتاژ در R1 و R2 برابر با ولتاژ خروجی Vout است. بدیهی است که ولتاژ ورودی Vin باید حداقل 2.5 ولت بیشتر از ولتاژ خروجی موردنیاز برای تغذیه رگولاتور باشد.

همچنین، LM317T دارای تنظیم بار بسیار خوبی است به شرطی که حداقل جریان بار بیشتر از 10 میلی‌آمپر باشد؛ بنابراین برای حفظ ولتاژ مرجع ثابت 1.25 ولت، حداقل مقدار مقاومت فیدبک R1 باید 1.25 ولت / 10 میلی‌آمپر = 120 اهم باشد و این مقدار می‌تواند از 120 اهم تا 1000 اهم باشد و مقادیر معمول R1 حدود 220 Ω تا 240 اهم باشد.

برای ثبات خوب اگر مقدار ولتاژ خروجی موردنیاز Vout و مقاومت فیدبک R1 را 240 اهم بدانیم، می‌توانیم مقدار مقاومت R2 را از معادله بالا محاسبه کنیم. به‌عنوان مثال، ولتاژ خروجی اصلی ما 9 ولت یک مقدار مقاومتی برای R2 به دست می‌دهد:

R1.((Vout/1.25)-1) = 240.((9/1.25)-1) = 1,488 Ohms

یا 1500 اهم (1k5Ω) به نزدیک‌ترین مقدار ترجیحی. البته در عمل، مقاومت‌های R1 و R2 معمولاً با یک پتانسیومتر جایگزین می‌شوند تا یک منبع تغذیه ولتاژ متغیر تولید کنند، یا در صورت نیاز به چندین ولتاژ خروجی ثابت، با چندین مقاومت از پیش تنظیم‌شده سوئیچ شده جایگزین می‌شوند؛ اما به منظور کاهش محاسبات ریاضی موردنیاز در محاسبه مقدار مقاومت R2 هر بار که ولتاژ خاصی را می‌خواهیم، می‌توانیم از جداول مقاومت استاندارد استفاده کنیم که ولتاژ خروجی تنظیم‌کننده را برای نسبت‌های مختلف مقاومت‌های R1 و R2 با استفاده از مقادیر مقاومت E24 به ما می‌دهد. 

معایب LM317T:

یکی از معایب اصلی استفاده از LM317T به‌عنوان بخشی از مدار منبع تغذیه با ولتاژ متغیر برای تنظیم ولتاژ این است که 2.5 ولت به‌عنوان گرما در سراسر رگولاتور افت می‌کند یا از دست می‌رود. به‌عنوان مثال، اگر قرار است ولتاژ خروجی موردنیاز 9+ ولت باشد، اگر قرار است ولتاژ خروجی در شرایط حداکثر بار ثابت بماند، ولتاژ ورودی باید 12 ولت یا بیشتر باشد. این افت ولتاژ در سراسر رگولاتور “dropout” نامیده می‌شود.

همچنین به دلیل این ولتاژ افت، نوعی هیت سینک برای خنک نگه‌داشتن رگولاتور موردنیاز است. خوشبختانه رگلاتورهای ولتاژ متغیر افت کم مانند رگولاتور ولتاژ متغیر نیمه‌هادی ملی “LM2941T” در دسترس هستند که ولتاژ افت پایین فقط 0.9 ولت در حداکثر بار دارد. این افت کم‌هزینه دارد زیرا این دستگاه تنها قادر به ارائه 1.0 آمپر با خروجی ولتاژ متغیر از 5 تا 20 ولت است.

بااین‌حال، ما می‌توانیم از این دستگاه برای دادن ولتاژ خروجی در حدود 11.1 ولت، فقط کمی کمتر از ولتاژ ورودی استفاده کنیم؛ بنابراین به‌طور خلاصه، منبع تغذیه نیمکت ما که در آموزش قبلی از یک منبع تغذیه رایانه شخصی قدیمی ساخته‌ایم، می‌تواند با استفاده از LM317T برای تنظیم ولتاژ، به یک منبع تغذیه با ولتاژ متغیر تبدیل شود.

بااتصال ورودی این دستگاه به سیم خروجی زرد +12 ولت PSU می‌توانیم ولتاژ خروجی 5+، +12 ولت ثابت و ولتاژ خروجی متغیر از حدود 2 تا 10 ولت در حداکثر جریان خروجی 1.5 آمپر داشته باشیم.

مزایای رگولاتورLM317:

رگولاتور سری LM317 یکی از محبوب‌ترین رگولاتورهای ولتاژ قابل تنظیم است و دارای مزایای متعددی است. در زیر به برخی از این مزایا اشاره می‌کنم:

1. تنظیم ولتاژ: LM317 قابلیت تنظیم ولتاژ خروجی را دارد. با تغییر مقاومت‌های متصل به پایندهای تنظیم ولتاژ و جریان، می‌توان ولتاژ خروجی را تنظیم کرد. این ویژگی به شما امکان می‌دهد تا ولتاژ خروجی را به طور دقیق به مقدار دلخواه خود تنظیم کنید.
2. پایداری در ولتاژ: رگولاتور LM317 دقت و پایداری خوبی در تأمین ولتاژ خروجی دارد. با توجه به طراحی دقیق داخلی آن و استفاده از بازخورد مناسب، ولتاژ خروجی آن تحت تأثیر تغییرات در ورودی، دما و بار نسبتاً پایدار خواهد بود.
3. حفاظت حرارتی: LM317 با داشتن مکانیزم حفاظت حرارتی، می‌تواند خود را در برابر افزایش دما و جلوگیری از خرابی به دلیل افزایش جریان خروجی محافظت کند. در صورت افزایش دما به حدی خطرناک، رگولاتور خودکاراً خاموش می‌شود و از خرابی جلوگیری می‌کند.
4. عملکرد خطی: LM317 عملکرد خطی خوبی دارد و تا حدودی تأثیر نویز و تداخلات الکترومغناطیسی را کاهش می‌دهد. این ویژگی مهم است برای کاربردهایی که نیاز به ولتاژ پایدار و بدون نویز دارند، مانند درایورهای دقیق و تقویت‌کننده‌های صوتی.
5. آسان برای استفاده: LM317 یک قطعه الکترونیکی پرکاربرد است و استفاده از آن بسیار آسان است. دارای سه پایه است که به ترتیب ورودی، خروجی و مشترک (مرجع) هستند. پایه‌های دیگری همچون تغذیه داخلی و خروجی قابل تنظیم نیز در دسترس هستند.
6. ولتاژ ورودی گسترده: LM317 قادر است با ولتاژ ورودی تا 40 ولت کار کند، که این ویژگی آن را برای استفاده در برخی از سیستم‌ها با ولتاژ ورودی بالا مناسب می‌سازد.
7. جریان خروجی بالا: LM317 قادر است جریان خروجی تا 1.5 آمپر را تأمین کند، که این ویژگی آن را برای استفاده در بارهایی با مصرف جریان بالا مناسب می‌سازد.
8. امکان استفاده به عنوان منبع جریان ثابت: با استفاده از تنظیمات خاص، LM317 می‌تواند به عنوان یک منبع جریان ثابت نیز عمل کند. این ویژگی برای برخی از کاربردها مانند شارژ باتری و تغذیه دقیق از آنالوگ‌ها مفید است.
9. دسترسی آسان: LM317 یک قطعه استاندارد و گسترده‌ای است که به راحتی در بازار الکترونیکی قابل یافتن است. همچنین، برنامه‌ها و نمونه‌های طراحی شده با استفاده از LM317 در اینترنت و منابع الکترونیکی فراوانی موجود است.

استفاده از رگولاتور خطی LM317 به‌عنوان کنترل‌کننده جریان:

از رگولاتورLM317  بیشتر جهت ایجاد ولتاژهای متغیر و مرجع و یا ساخت منابع تغذیه با ولتاژ متغیر استفاده می‌شود؛ اما یکی دیگر از کاربردهای این رگولاتور، استفاده ازآن‌جهت کنترل جریان می‌باشد. در مدار زیر نحوه اتصال این المان الکترونیکی برای کنترل جریان، تنها با استفاده از یک مقاومت می‌توان جریان خروجی را کنترل کرد.  البته در صورتی که جریان موردنیاز در حد میلی‌آمپر باشد می‌توان از ولوم و یا پتانسیومتر استفاده کرد؛ که با تغییرات ولوم می‌توان جریان خروجی را کنترل کرد.

نتیجه گیری :

به طور کلی، رگولاتور LM317 یک ابزار قدرتمند برای تأمین ولتاژ قابل تنظیم با پایداری و دقت بالا است. با استفاده از این رگولاتور، می‌توانید به طور دقیق و مطمئن ولتاژ مورد نیاز برای مدارها و قطعات الکترونیکی خود را تأمین کنید.