mylms.cz

... web o elektronice


Proudový zdroj - princip a zapojení stabilizátoru LM317

Co je to proudový zdroj? Dává proudový zdroj i nějaké napětí? Jak to tedy vlastně je?
Tento článek by měl pokud možno co nejsrozumitelnějším způsobem popsat funkci proudového zdroje a jeho použití. Protože proudové zdroje nejsou běžnou výbavou kutilů (nebo o tom možná ani sami nevědí), panují o nich různé dohady a spousta lidí vlastně ani neví o co jde. Přitom proudový zdroj je nenahraditelný při nabíjení některých akumulátorů, nebo při napájení LED.

 

proudovy-zdroj-2-7



 

 

Rozdíl napěťový vs. proudový zdroj

Co se zdrojů týče, můžeme se v podstatě setkat se dvěma typy. S napěťovým a proudovým. Oba zdroje samozřejmě dodávají jak napětí, tak proud. Rozdíl je v jejich regulaci. Běžný napěťový zdroj by mohla být třeba obyčejná baterie. Na baterii je přítomno nějaké napětí – třeba 1,5 V. Podle připojené zátěže se mění odebíraný proud z baterie – dochází ke změně odebíraného proudu, ale napětí zůstává (v ideální případě – pomineme vybíjení baterie a vnitřní odpor) konstantní. Regulace probíhá pouze podle připojené zátěže. Čím menší je odpor připojené zátěže, tím větší je odebíraný proud ze zdroje. Reálný napěťový zdroj je však limitován maximálním odběrem (vnitřním odporem zdroje) – při přetížení nebude dávat nekonečný proud. V případě zkratování tužkové baterie bude tato dodávat proud maximálně několik málo ampér.

Ideální napěťový zdroj má tedy konstantní výstupní napětí a proud se řídí podle zátěže. Reálný napěťový zdroj má maximální proud omezen vlastnostmi zdroje (nemůže dávat nekonečný proud) a se zvyšujícím odebíraným proudem klesá jeho napětí.

Napěťový zdroj má udané jmenovité napětí a maximální výstupní proud.

 

proudovy-zdroj-2-5  

 

Příklad připojení rezistoru ke zdroji napětí.

  • Baterie (zdroj napětí) 1,5 V, maximální výstupní proud 2 A
  • Výstupní napětí (U) je konstantní!
  • Připojený rezistor 10 Ω. Odebíraný proud I = U / R = 1,5 / 10 = 0,15 A
  • Připojený rezistor 5 Ω. Odebíraný proud I = U / R = 1,5 / 5 = 0,3 A
  • Připojený rezistor 1 Ω. Odebíraný proud I = U / R = 1,5 / 1 = 1,5 A
  • Připojený rezistor 0,01 Ω. Odebíraný proud I = U / R = 1,5 / 0,01 = 150 A. Tento proud však baterie nedodá a klesne její napětí (je ve zkratu)

 

 

U proudového zdroje je funkce podobná, ale opačná. Nenastavuje se napětí, ale proud. Podle připojené zátěže se mění napětí tak, aby byl výstupní proud stále konstantní. Maximální výstupní napětí je samozřejmě limitováno konstrukcí zdroje, podobně jako maximální odebíraný proud u napěťového zdroje. Rozpojený proudový zdroj nebude dodávat nekonečné napětí.

Proudový zdroj má udaný přesný výstupní proud a maximální napětí.

 

proudovy-zdroj-2-4

 

Příklad připojení rezistoru ke zdroji proudu

  • Zdroj proudu 15 A, Maximální výstupní napětí zdroje 100 V
  • Výstupní proud (I) je konstantní!
  • Připojený rezistor 10 Ω. Napětí na zdroji U = R * I = 10 * 15 = 150 V. Toto napětí už zdroj neposkytne. Na svorkách zdroje může být maximálně 100 V. 15 A by bylo možné dodat na rezistor max. R = U / I = 100 / 15 = 6,66 Ω
  • Připojený rezistor 5 Ω. Napětí na zdroji U = R * I = 5 * 15 = 75 V
  • Připojený rezistor 1 Ω. Napětí na zdroji U = R * I = 1 * 15 = 15 V
  • Připojený rezistor 0,01 Ω. Napětí na zdroji U = R * I = 0,01 * 15 = 0,15 V

 

 

Použití proudového zdroje

Běžný jedinec se přímo s proudovým zdrojem víceméně nesetká. Respektive setká, ale neví o tom… Proudový zdroj je základní stavební prvek operačních zesilovačů, nabíječek akumulátorů, nebo asi nejviditelněji jako napájecí zdroj pro LED a lasery. Pokud má někdo laboratorní zdroj a lze na něm nastavit jak napětí, tak proud většinou se jedná i o proudový stroj – zdroj lze provozovat jak v režimu konstantního napětí (CV), tak konstantního proudu (CC).

V průmyslu je velmi časté použití zdroje proudu v podobě proudové smyčky 0–20, nebo 4–20 mA. Ta se používá pro přenos signálů na velkou vzdálenost, případně ve velmi zarušených prostředích. Princip vychází z toho, že proud je v celém obvodu stejný – vysílač je tvořen zdrojem proudu, přijímač rezistorem, na kterém se měří úroveň procházejícího proudu. Délku vedení (jeho odpor) lze téměř zanedbat díky regulaci proudu (pokud se má vysílat např. 10 mA a odpor linky je vysoký, zdroj přidá napětí tak, aby byl proud 10 mA). Odpor smyčky je omezen maximálním výstupním napětím proudového zdroje – obvykle 24 V. Maximální odpor smyčky je tedy R = U / I = 24 / 0,02 = 1200 Ω.

 

proudovy-zdroj-2-6

Zapojení proudové smyčky

 

 

Napájení LED proudovým zdrojem

Pro napájení LEDky je nejvhodnější použít právě zdroj proudu. Vezměme si např. obyčejnou bílou supersvítivou LEDku WW05A3SWT4-B1 . V datasheetu lze najít její charakteristiky, limitní a provozní hodnoty. Z charakteristiky diody je patrné, že má strmý nárůst proudu při určitém napětí. I malá změna napětí potom vyvolá velkou změnu procházejícího proudu. Úbytek napětí na diodě je navíc závislý na teplotě – narůstající teplotou se snižuje úbytek napětí. Takže při použití pouze předřadného odporu a zvyšování teploty diody se bude zvyšovat i procházející proud. U diod je tedy vždy přesně definován procházející proud a rozsah napájecího napětí (úbytku napětí na diodě) – viz červeně orámované části datasheetu níže.

 

proudovy-zdroj-2-1

Provozní a limitní hodnoty LEDky

 

Na grafu níže (Forward Voltage vs. Forvard Current) je jasně vidět změna proudu při změně napájecího napětí. Pozor, proudová stupnice má logaritmický průběh. Pokud bude dioda napájena napětím 3,0 V bude procházející proud okolo 1,5 mA. Při zvýšení napětí na 3,5 V (tedy pouze 0,5 V) se procházející proud zvýší na cca 20 mA (dojde tedy k 13× nárůstu proudu). Při zvýšení o dalšího 0,5 V bude diodou procházet proud cca 45 mA a dojde k jejímu zničení. 

Z grafu Duty Ratio vs Allowable Fofward Current lze vyčíst, že pokud je třeba svítit s diodou trvale, je její maximální povolený proud 20 mA. Při zvyšování se doba svitu úměrně zkracuje. Lze tedy s diodou svítit i s větším proudem, ale budou to spíše záblesky. V tabulce Absolute Maximum Ratings je uvedeno 0,1 ms široký puls při proudu 100 mA. Doba odpočinku diody musí poté být alespoň desetinásobek doby svitu. V tomto režimu provozu je však nutné dávat pozor na další překročení maximálních hodnot, jinak dojde k nevratnému poškození diody. 

 

proudovy-zdroj-2-2

Různé charakteristiky LEDky

 

Z datasheetu této diody je definován maximální trvalý procházející proud 20 mA. Napětí diody je sice definováno, ale v poměrně velkém rozsahu. Pokud by byla dioda napájená ze zdroje 12 V přes předřadný odpor mohl by mít hodnoty mezi 430 a 460 Ω:

  • RMIN = (UN – UDmax) / IF = (12 – 3,4) / 0,02 = 430 Ω
  • RMAX = (UN – UDmin) / IF = (12 – 2,8) / 0,02 = 460 Ω

 

Při zvolení rezistoru 430 Ω by hrozilo přetížení při zvýšení teploty diody – klesl by úbytek a dioda by byla napájena větším napětím a tedy i proudem. Při použití rezistoru 460 Ω by zase nemusel být svit diody při poklesu teploty maximální. Se změnou teploty by tedy docházelo k přetěžování, nebo změně intenzity svitu (i když ne moc výrazně).

Ideální je tedy diodu napájet proudovým zdrojem. Ten udrží proud procházející diodou vždy na optimální hodnotě a podle úbytku na diodě upraví své výstupní napětí. Pokud bude docházet třeba k zahřívání LEDky a klesat její úbytek napětí, bude i zdroj automaticky snižovat napětí tak, aby vždy procházel stejný proud. Navíc, pokud je potřeba použít více diod lze je zapojit sériově. Tím bude dodržen u všech diod jejich maximální proud (proud je v sériovém obvodu všude stejný) a napětí na diodách se rozloží podle úbytků, které nemusejí být na všech diodách stejné.

 

Proudový zdroj s použitím stabilizátoru LM317

LM317 je levný lineární stabilizátor napětí (napěťový zdroj), který lze vhodným zapojením použít jako zdroj proudu. Má vestavěnou tepelnou ochranu a ochranu proti přetížení. Stabilizátor nemá udávané maximální vstupní napětí ale musí se dodržet minimální a maximální napětí mezi vstupním a výstupním pinem. Obvod má tyto parametry (mohou se lišit v závislosti na výrobci a podtypu):

  • Hraniční napětí mezi piny IN a OUT (VI – VO): 40 V (nikdy nepřekračovat!)
  • Rozdíl mezi piny IN a OUT: 3 … 40 V (tímto napětím je obvod napájen)
  • Výstupní napětí (VO): 1,25 … 37 V
  • Výstupní proud (IO): 0,01 … 1,5 A (u proudů překračujících cca 1/10 maximálního proudu je nutné použít odpovídající chladič)
  • Provozní teplota (TJ): 0 … 125 °C

 

Z udaných parametrů je jasné, že minimální rozdíl napětí mezi vstupem a výstupem musí být alespoň 3 V, protože je obvod tímto rozdílovým napětím napájen (obvod není podobně jako např. 7805 připojen přímo ke GND). Zároveň se však nesmí překročit maximální rozdílové napětí 40 V. Bude-li tedy obvod napájen 24 V může být výstupní napětí 1,25 (minimální výstupní napětí) až 21 V (vstupní napětí mínus 3 V pro napájení obvodu). Pokud bude napájecí napětí 100 V může být výstupní napětí v rozsahu 60 (maximální rozdíl UIN a UOUT je 40 V) až 97 V (minimální rozdíl napětí UIN a UOUT je 3V). Nutné je také dodržet minimální odebíraný proud 10 mA.

Základní myšlenka obvodu je taková, že obvod reguluje své výstupní napětí tak, aby bylo na pinu ADJ (adjust, nastavení) napětí vždy 1,25 V. Pokud se tedy za obvod přidá prostý odporový dělič, bude obvod regulovat napětí tak, aby bylo na středu děliče (na vstupu ADJ) právě 1,25 V. Tímto lze vytvořit jednoduchý regulovaný napěťový zdroj.

Jak ale vytvořit zdroj proudový? Odpověď je opět jednoduchá – na výstup se sériově připojí rezistor, na kterém se bude měřit úbytek napětí. Pokud úbytek dosáhne právě 1,25 V zdroj reguluje. Výpočet odporu vychází z Ohmova zákonu R = U / I. Napětí je pevně dáno konstrukcí stabilizátoru (1,25 V) a proud je požadovaný a odpor lze vypočítat. K výpočtu rezistoru lze použít kalkulačku z těchto stránek. Pro proudový zdroj 0,5 A by vycházela hodnota rezistoru:

  • Sériový rezistor pro zdroj proudu s LM317
  • Napětí na rezistoru je pevně daných 1,25 V
  • R = U / I = R = 1,25 / 0,5 = 2,5 Ω [Ω; V, A]

 

Protože rezistorem prochází všechen výstupní proud je nutné ho patřičně dimenzovat. Většinou tedy nelze použít pro nastavení obyčejný uhlíkový potenciometr, ale spíše výkonový rezistor.

  • Minimální ztrátový výkon nastavovacího rezistoru pro zdroj proudu s LM317
  • Napětí na rezistoru je pevně daných 1,25 V (na tuto hodnotu reguluje zdroj)
  • P = U * I = P = 1,25 * 0,5 = 0,625 W [W, V, A]

 

Vstupní napětí musí být alespoň UIN = ULED (výstupní napětí celého proudového zdroje) + 1,25 (referenční napětí na rezistoru) + 3 (napájecí napětí obvodu). 

Na vstup a výstup stabilizátoru je vhodné, stejně jako u ostatních lineárních stabilizátorů, připojit vstupní a výstupní blokovací kondenzátory o hodnotě cca 100 nF. Tyto kondenzátory (zvláště vstupní) zajišťují stabilitu obvodu při proudových špičkách. Pokud je použit výstupní kondenzátor je doporučeno připojit vybíjecí diodu paralelně ke stabilizátoru (anodu diody na OUT, katodu na IN), aby nedocházelo k vybíjení kondenzátoru přes vnitřní obvody LM317. 

 

proudovy-zdroj-2-3

Napětí a proudy u proudového zdroje s LM317

 

Při napájení více stejných LED vždy platí, že je lepší je zapojit sériově. Proud je v celém obvodu za regulátorem stejný, takže když se k němu připojí více LEDek, stoupne jeho výstupní napětí tak, aby byl dodržen nastavený proud. Napájecí zdroj (zdroj před proudovým zdrojem) je samozřejmě nutné použít takový, aby byl schopný všechny diody napájet. Při poškození (zkratu) jedné diody zůstane výstupní proud stejný, takže ostatní diody budou svítit dál a nedojde k jejich přetěžování.



Napsal Petan před osmi měsíci v kategorii Elektronika. Připojeno 0 komentářů.
Přečteno 2534x.

Na programy zde poskytované není žádná záruka na funkčnost. Jednotlivé články, stejně jako celý obsah stránek není návodem a slouží pouze k studijním účelům. Zapojení výše mají pouze informativní charakter! Vždy se řiďte originálním návodem k použití! Na elektrickém (vyhrazeném) zařízení smí pracovat pouze osoba s příslušnou kvalifikací dle vyhlášky 50/78 Sb! Vše tedy děláte na vlastní nebezpečí! Autor stránek nebere žádnou zodpovědnost za případné újmy na zdraví, životě, majetku a jiné!

I když jsou články psány s co největší pečlivostí, mohou obsahovat chyby. Vše tedy bez záruky!

Jakékoliv části webu je zakázáno bez svolení autora a uvedení zdroje publikovat! Některé části článků mohou obsahovat texty, případně obrázky ze stránek Wikipedia a Wikimedia Commons. Tyto části jsou dostupné pod původní licencí Creative Commons.



Doposud nebyl připojen žádný komentář. Buďte první!

Připojte váš komentář!

Hvězdičkou jsou označena povinná pole.
E-mailovou adresu k příspěvku přidávat nemusíte. Autor stránek odpovídá vždy do komentáře, ne na přiložený e-mail!
Kvůli zachování kompletnosti komentáře budou vložené odkazy na obrázky vloženy do komentáře přímo jako obrázek. Původní soubor bude zkopírován na tuto stránku.