Калькулятор стабилизатора LM317

Стабилизатор LM317 / 78xx

Как LM317 задаёт выходное напряжение

LM317 — это не фиксированный стабилизатор, как 7805, а регулируемый: его выход настраивается всего двумя резисторами. Секрет в том, что микросхема ничего не «знает» про желаемое напряжение — она лишь удерживает между выводами OUT и ADJ постоянные опорные 1,25 В, что бы ни происходило на входе и в нагрузке. Эти 1,25 В приложены к резистору R1, поэтому через него течёт строго заданный ток. Дальше этот же ток идёт через R2 к земле и создаёт на нём дополнительное падение. Выход измеряется относительно земли, поэтому напряжение на нём равно сумме падений на R1 и на R2 — отсюда и берётся вся регулировка. По сути R1 и R2 образуют делитель напряжения, только «наоборот»: не делит выход, а задаёт его.

Uвых = 1,25 · (1 + R2/R1)    R2 = R1 · (Uвых/1,25 − 1)    I = 1,25/R1

Формула читается просто: при R2 = 0 выход минимален и равен опорным 1,25 В, а каждый лишний ом в R2 добавляет напряжение пропорционально току делителя. Чем больше отношение R2/R1, тем выше выход. Обратная форма пригодится, когда напряжение известно, а нужно найти нижний резистор: подставляете целевые вольты и сопротивление R1 — получаете расчётное R2. Именно так работает калькулятор выше: введите любые два из трёх значений, и он найдёт третье, а заодно покажет ток делителя и живую схему включения. Обратите внимание, что абсолютные значения резисторов в формулу входят только через своё отношение — пара 240 и 720 Ом даёт ровно тот же выход, что 480 и 1440 Ом. Выбор конкретных номиналов диктует не напряжение, а ток делителя, о котором ниже.

Зачем нужен R1 и ток делителя

Может показаться, что R1 можно взять любым — важно ведь только отношение R2/R1. Но у LM317 есть требование к минимальному току нагрузки: чтобы петля регулирования оставалась устойчивой, через выход должно течь не меньше примерно 3,5 мА. Если нагрузка потребляет мало или отключается, этот ток должен обеспечивать сам делитель. Ток через R1 равен 1,25/R1, поэтому классические 220–240 Ом дают около 5–5,7 мА — с запасом. При R1 = 240 Ом ток делителя составляет 1,25 / 240 ≈ 5,208 мА. Ставить R1 в единицы килоом опасно: ток падает ниже минимума, и без нагрузки выход «уплывает» вверх. Слишком маленький R1 (десятки ом) тоже плох — он гоняет лишний ток и греется без пользы. Калькулятор предупредит, если R1 выходит за разумные пределы. На практике 240 Ом стал негласным стандартом ещё и потому, что при нём удобные круглые R2 попадают близко к типовым напряжениям, а сам резистор рассеивает менее четверти ватта и не требует мощного корпуса.

Подбор R2 под нужное напряжение

Расчётное R2 почти никогда не совпадает с номиналом из стандартного ряда E24. На практике берут ближайший доступный резистор и принимают небольшую погрешность выхода в 1–2 %, либо составляют R2 из двух последовательных сопротивлений (см. соединение резисторов). В таблице ниже — типовые выходные напряжения при фиксированном R1 = 240 Ом: точное расчётное R2, ближайший номинал E24 и напряжение, которое реально получится с этим номиналом.

Если точность важна (например, для питания измерительной схемы), берите R2 из ряда E96 или подстроечный резистор. Для большинства бытовых задач разброс в пару процентов роли не играет.

Вход, тепло и границы применения

LM317 — линейный стабилизатор, то есть лишнее напряжение он гасит собственным сопротивлением, превращая разницу в тепло. Для нормальной работы вход должен быть выше выхода минимум на 2,5–3 В (напряжение выпадения, dropout) — иначе стабилизация срывается. Но и слишком большой запас вреден: вся разность (Uвх − Uвых) умножается на ток нагрузки и рассеивается на корпусе. При 12 В входа, 5 В выхода и токе 1 А микросхема должна отвести 7 Вт — без радиатора тут никак, а температуру кристалла обязательно надо проверять. Оценить, сколько энергии уйдёт в нагрев впустую, помогает расчёт КПД линейного стабилизатора: при большой разнице напряжений он падает до 30–40 %, и разумнее взять импульсный преобразователь. Максимум для LM317: выход до ~37 В, ток до 1,5 А (при хорошем охлаждении), разница вход-выход не более 40 В. Отдельно стоит помнить про защитные диоды: при выключении питания заряженный выходной конденсатор может подать на выход напряжение выше входного и повредить кристалл, поэтому в серьёзных схемах ставят обратный диод с выхода на вход, а параллельно ADJ — конденсатор для подавления пульсаций с ещё одним диодом для его безопасного разряда. Для маломощных применений этими тонкостями часто пренебрегают, но при токах в ампер и высоких напряжениях они становятся обязательными.

Где применяют — и где не годится

LM317 — рабочая лошадка лабораторных и встраиваемых блоков питания: регулируемые источники, зарядные устройства, локальные стабилизаторы для аналоговых узлов, где важен низкий шум. Тот же чип легко превращается в источник тока: если оставить один резистор между OUT и ADJ, ток будет равен 1,25/R и не зависит от нагрузки — так питают светодиоды и заряжают аккумуляторы. Обратную связь по напряжению из тех же соображений строят и в импульсных преобразователях — там роль делителя играет делитель обратной связи DC-DC. Не годится LM317 там, где нужен высокий КПД при большой разнице напряжений (берите buck-преобразователь), где ток превышает 1,5 А, или где важен минимальный dropout — для питания 3,3 В от 3,7 В аккумулятора нужен LDO. Для дробного и очень точного опорного напряжения чаще ставят TL431 или стабилитрон.

Пример

Возьмём значения по умолчанию: R1 = 240 Ом, R2 = 720 Ом. Считаем по формуле: Uвых = 1,25 · (1 + 720/240) = 1,25 · (1 + 3) = 1,25 · 4 = 5 В. Ток делителя I = 1,25 / 240 ≈ 5,208 мА — выше минимальных 3,5 мА, значит выход стабилен даже без внешней нагрузки. А чтобы получить 12 В при том же R1 = 240 Ом, из обратной формулы нужен R2 = 240 · (12/1,25 − 1) ≈ 2064 Ом; ближайший стандартный номинал 2 кОм даст реальные 11,67 В — погрешность около 3 %, при необходимости точнее её убирают подстроечником.

См. также: делитель напряжения · делитель ОС DC-DC · КПД линейного стабилизатора · температура кристалла · ряды E · источник тока · TL431 · все калькуляторы

Как рассчитать выходное напряжение LM317?

Uвых = 1,25·(1 + R2/R1), где 1,25 В — опорное напряжение между выводами OUT и ADJ. Резистор R1 обычно берут 240 Ом, а R2 задаёт выходное напряжение. Калькулятор считает любые два из {Uвых, R1, R2}.

Почему минимальное напряжение LM317 равно 1,25 В?

LM317 удерживает между выводами OUT и ADJ опорные 1,25 В. Даже при R2 = 0 на выходе будет это опорное напряжение, поэтому ниже 1,25 В стабилизатор выдать не может.