Spannungsstabilisierung mit IC LM317

Spannungsstabilisierung mit IC LM317
Spannungsstabilisierung mit IC LM317
Problemstellung:
Aus der Eingangsspannung UE soll mit dem IC LM317 eine stabilisierte Ausgangsspannung
UA erzeugt werden. UA soll mit R1 zwischen ihrem kleinstmöglichen Wert und UA,max
einstellbar sein.
In
Out
IA
LM317
Adj.
Uref
R2a
R2b
UE
C2
C1
UA
R1
IT
Allgemeines
Dieser IC benötigt zum Betrieb keine zusätzliche Spannungsversorgung, er versorgt sich aus
der Potentialdifferenz zwischen seinem „In“ – Anschluss und seinem „Out“ – Anschluss und
dem durch ihn fließenden Strom. Die Potentialdifferenz darf nicht kleiner als 3 V sein, d.h.
UE ≥ UA + 3 V, und der Strom darf 5 mA nicht unterschreiten. Damit die Schaltung auch dann
richtig arbeitet, wenn keine externe Last angeschlossen ist, werden wir den Teiler R1 – R2 so
dimensionieren, dass der Teilerstrom IT zwar so klein wie möglich, aber nicht kleiner als
5 mA ist.
Der IC stellt immer jene Ausgangsspannung UA ein, bei der sich zufolge des Teilers R1 – R2
eine Spannung von 1,25 V (Referenzspannung Uref) zwischen seinen Anschlüssen „Out“ und
„Adj.“ ergibt. Der Strom in den Anschluss „Adj.“ ist klein und für unsere Rechnung
vernachlässigbar.
Die Kondensatoren C1 und C2 verbessern das Regelverhalten und sind für die
gegenständliche Dimensionierung ohne Bedeutung.
Dimensionierung
Wir wollen nun die Dimensionierung anhand eines Beispiels besprechen:
In
+ 14 V
Out
LM317
Adj.
+ 1,25 V ... 9 V
R2a
C1
R2b
C2
R1
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Spannungsstabilisierung mit IC LM317
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Verwenden Sie für Festwiderstände Widerstandswerte der Reihe E12:
10, 12, 15, 18, 22, 27, 33, 39, 47, 56, 68, 82, 100 ....
Verwenden Sie für Potentiometer Widerstandswerte der Folge 1 – 2 – 5 – 10 ...
Falls nötig, verwenden Sie für R2 eine Parallelschaltung zweier Widerstände
R1:
Stellen wir R1 auf seinen Maximalwert, wird an ihm die Spannung
UA,max - Uref = 9 V - 1,25 V = 7,75 V
abfallen. Dabei soll ein Strom von zumindest 5 mA durch ihn fließen. Für R1 ergibt sich
daher:
R1 ≤ (UA,max - Uref) / 5 mA = 7,75 V / 5 mA = 1,55 kΩ
Da Potentiometer üblicherweise mit Werten entsprechend einer 1-2-5-10 – Folge erhältlich
sind, wählen wir R1 = 1 kΩ.
R2:
Stellen wir R1 auf seinen Maximalwert, dann gilt
R2 / R1 = Uref / (UA,max – Uref)
oder
R2 = R1· Uref / (UA,max – Uref) = 1 kΩ· 1,25 V / (9 V – 1,25 V) = 161,3 Ω.
Diesen Sollwert von R2 (R2,soll) können wir durch die folgenden Parallelschaltungen von E12–
Widerständen gut annähern:
180 Ω || 1k5 = 160,7 Ω << gewählt
180 Ω || 1k8 = 163,6 Ω
Da es in der Praxis meist günstig ist, die maximal einstellbare Ausgangsspannung etwas
größer als die geforderte Maxmalspannung zu machen, wählen wir für R2 den kleineren
Wert.
IT:
Da der IC die Ausgangsspannung UA immer so einstellt, dass sich an R2 eine Spannung von
1,25 V (= Uref) ergibt, erhalten wir für IT:
IT = Uref / (R2a || R2b) = 1,25 V / (180 Ω || 1k5) = 1,25 V / 160,7 Ω = 7,78 mA
IA,max:
Die Maximale Ausgangsspannung UA,max ergibt sich als
UA,max = IT · R1 + Uref = 7,78 mA · 1 kΩ + 1,25 V = 9,03 V.
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Verlustleistung des IC:
Die Verlustleistung des IC ergibt sich aus der an ihm abfallenden Spannung mal dem durch
ihn fließenden Strom. Wenn wir z.B. eine Ausgangsspannung UA = 6 V einstellen und eine
externe Last einen Strom IA = 300 mA entnimmt, dann ergibt sich die Verlustleistung zu:
P = (UE – UA) · (IA + IT) = (14 V – 6 V) · (300 mA + 7,78 mA) = 2,46 W
Schließt man die externe Last ab, dann verringert sich die Verlustleistung auf:
P = (UE – UA) · IT = (14 V – 6 V) · 7,78 mA = 62 mW
Zusammenstellung der Resultate:
Größe
R1
R2,Soll
R2a
R2b
R2 = (R2a || R2b)
IT
UA, max.
Wert
1 kΩ
161,3 Ω
180 Ω
1k5
160,7 Ω
7,78 mA
9,03 V
Nur Übung macht den Meister!
Aufgabe:
Dimensionieren Sie die Schaltung
für den angegebenen Bereich der
Ausgangsspannung. Der Strom IT
durch den Widerstandsteiler
R1 – R2 soll so klein wie möglich,
aber nicht kleiner als 5 mA sein.
Größe
PLM317 (UA = 6 V, IA = 300 mA)
PLM317 (UA = 6 V, IA = 0 mA)
In
+ 10 V
Wert
2,46 W
62 mW
Out
LM317
Adj.
+ 1,25 V ... 6 V
R2a
C1
R2b
C2
R1
IT
0V
0V
Wie groß ist die Verlustleistung des IC, wenn Sie mit R1 eine Ausgangsspannung von 4 V
einstellen und eine Last anschließen, die einen Strom von 100 mA aufnimmt?
Wie groß ist die Verlustleistung des IC bei selber Ausgangsspannung wie oben, aber ohne
externe Last?
Hinweise:
• Die interne Referenzspannung des IC beträgt 1,25 V
• Verwenden Sie für Festwiderstände Widerstandswerte der Reihe E12:
10, 12, 15, 18, 22, 27, 33, 39, 47, 56, 68, 82, 100 ....
• Verwenden Sie für Potentiometer Widerstandswerte der Folge 1 – 2 – 5 – 10 ...
• Falls nötig, verwenden Sie für R2 eine Parallelschaltung zweier Widerstände
• C1 und C2 dienen zur Verhinderung von Regelschwingungen und sind für die
gegenständliche Dimensionierung ohne Bedeutung.
Geben Sie für Ihren Entwurf folgende Werte an:
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Größe
R1
R2,Soll
R2a
R2b
R2 = (R2a || R2b)
IT
UA, max.
Wert
Größe
PLM317 (UA = 4 V, IA = 100 mA)
PLM317 (UA = 4 V, IA = 0 mA)
Wert
Wert
500 Ω
131,6 Ω
150 Ω
1k
130,4 Ω
9,58 mA
6,04 V
Größe
PLM317 (UA = 4 V, IA = 100 mA)
PLM317 (UA = 4 V, IA = 0 mA)
Wert
658 mW
58 mW
Lösung:
Größe
R1
R2,Soll
R2a
R2b
R2 = (R2a || R2b)
IT
UA, max.
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