Lm317 voltage regulator

LM317 Spannungsregler: Ein umfassender Leitfaden

Einleitung

Der LM317 ist ein beliebter einstellbarer Spannungsregler, der in verschiedenen Anwendungen der Elektronik eingesetzt wird. Er ermöglicht die Regelung der Ausgangsspannung in einem Bereich von 1,25V bis 37V und kann einen Ausgangsstrom von bis zu 1,5A liefern. Der LM317 ist für seine einfache Anwendung, Zuverlässigkeit und Flexibilität bekannt und wird häufig in Netzteilen, Ladegeräten, LED-Treiber-Schaltungen und anderen elektronischen Geräten verwendet.

In diesem Artikel gehen wir auf die Funktionsweise des LM317 ein, erklären seine Schaltungsanwendungen, die Berechnung der Ausgangsspannung und zeigen, wie man ihn richtig dimensioniert und verwendet.

Grundlagen des LM317 Spannungsreglers

1. Aufbau und Funktionsweise

Der LM317 ist ein linearer Spannungsregler, der eine einstellbare Ausgangsspannung basierend auf der gewählten Widerstands-Konfiguration ermöglicht. Der Regler hat drei Anschlüsse:

• IN (Eingang): Hier wird die Eingangsspannung angelegt.
• OUT (Ausgang): Hier wird die geregelte Ausgangsspannung entnommen.
• ADJ (Adjust/Anpassung): Dieser Pin wird verwendet, um die Ausgangsspannung durch den Einsatz eines Spannungsteiler-Netzwerks zu regulieren.

2. Einstellbare Ausgangsspannung

Die Ausgangsspannung VOUTV_{OUT}VOUT​ des LM317 kann durch eine einfache Formel berechnet werden:

VOUT=VREF(1+R2R1)+IADJ⋅R2V_{OUT} = V_{REF} \left(1 + \frac{R_2}{R_1}\right) + I_{ADJ} \cdot R_2VOUT​=VREF​(1+R1​R2​​)+IADJ​⋅R2​

Hierbei ist:

• VREF=1,25VV_{REF} = 1,25VVREF​=1,25V (die interne Referenzspannung des LM317)
• R1R_1R1​ und R2R_2R2​ sind die Widerstände des Spannungsteilers
• IADJI_{ADJ}IADJ​ ist der Strom, der durch den ADJ-Pin fließt (normalerweise sehr klein, etwa 50 µA)

In den meisten praktischen Anwendungen kann der Term IADJ⋅R2I_{ADJ} \cdot R_2IADJ​⋅R2​ vernachlässigt werden, da er sehr klein ist. Die vereinfachte Formel lautet dann:

VOUT≈1,25V(1+R2R1)V_{OUT} \approx 1,25V \left(1 + \frac{R_2}{R_1}\right)VOUT​≈1,25V(1+R1​R2​​)

3. Typische Schaltungskonfiguration

Eine typische Schaltung für den LM317 beinhaltet:

• Einen Eingangskondensator (typischerweise 0,1µF), um Eingangsstörungen zu filtern.
• Einen Ausgangskondensator (typischerweise 1µF oder mehr), um die Ausgangsspannung zu stabilisieren.
• Zwei Widerstände R1R_1R1​ und R2R_2R2​, die den Spannungsteiler für die Einstellung der Ausgangsspannung bilden.

Die Widerstände R1R_1R1​ und R2R_2R2​ können so gewählt werden, dass die gewünschte Ausgangsspannung erreicht wird. Üblicherweise wird R1R_1R1​ auf einen festen Wert von 240 Ohm gesetzt, und R2R_2R2​ wird entsprechend berechnet.

Berechnung der Ausgangsspannung

Angenommen, wir möchten eine Ausgangsspannung von 5V erreichen:

1. Setzen Sie R1=240 ΩR_1 = 240 \, \OmegaR1​=240Ω.
2. Verwenden Sie die Formel:

5V=1,25V(1+R2240 Ω)5V = 1,25V \left(1 + \frac{R_2}{240 \, \Omega}\right)5V=1,25V(1+240ΩR2​​)

3. Umstellen und R2R_2R2​ berechnen:

R2240 Ω=5V1,25V−1=3\frac{R_2}{240 \, \Omega} = \frac{5V}{1,25V} - 1 = 3240ΩR2​​=1,25V5V​−1=3 R2=3⋅240 Ω=720 ΩR_2 = 3 \cdot 240 \, \Omega = 720 \, \OmegaR2​=3⋅240Ω=720Ω

Daher sollte R2R_2R2​ auf 720 Ohm eingestellt werden, um eine Ausgangsspannung von 5V zu erreichen.

Anwendungen des LM317

1. Regelbares Netzteil

Der LM317 wird häufig in regelbaren Netzteilen eingesetzt, da er eine stabile Ausgangsspannung liefern kann, die je nach Bedarf angepasst werden kann. Dies ist ideal für Werkstätten oder Labore, in denen verschiedene Spannungen für unterschiedliche Schaltungen benötigt werden.

2. Batterieladegeräte

Der LM317 kann auch als konstanter Stromversorger konfiguriert werden, was ihn ideal für den Einsatz in Batterieladegeräten macht. Durch die Steuerung des Ausgangsstroms kann er Batterien sicher und effizient laden, ohne sie zu überladen.

3. LED-Treiber

Als LED-Treiber kann der LM317 so konfiguriert werden, dass er einen konstanten Strom liefert, was ideal für das Betreiben von Hochleistungs-LEDs ist. LEDs benötigen eine präzise Stromregelung, um eine lange Lebensdauer und konstante Helligkeit zu gewährleisten.

Wichtige Designüberlegungen

1. Wärmeableitung

Der LM317 ist ein linearer Spannungsregler, was bedeutet, dass überschüssige Energie als Wärme abgeleitet wird. Daher ist die Wärmeableitung ein wichtiger Aspekt, besonders wenn der Spannungsabfall groß und der Strom hoch ist. Ein geeigneter Kühlkörper sollte verwendet werden, um eine Überhitzung zu vermeiden.

2. Maximale Eingangsspannung

Die maximale Eingangsspannung für den LM317 beträgt 40V. Es ist wichtig, sicherzustellen, dass die Eingangsspannung diesen Wert nicht überschreitet, da dies zu Schäden am Regler führen könnte.

3. Strombegrenzung

Der LM317 hat eine eingebaute Strombegrenzung und thermische Abschaltung, was bedeutet, dass er automatisch den Ausgangsstrom reduziert oder abschaltet, wenn eine Überlastung oder Überhitzung erkannt wird. Dies schützt sowohl den Regler als auch die angeschlossene Last.

4. Ausgangskondensatoren

Die Wahl des Ausgangskondensators ist entscheidend für die Stabilität des Reglers. Ein zu kleiner Kondensator kann zu Oszillationen führen, während ein zu großer die Reaktionszeit auf Laständerungen beeinträchtigen kann. Ein Wert von 1µF bis 100µF wird allgemein empfohlen, abhängig von der spezifischen Anwendung.

Fazit

Der LM317 Spannungsregler ist ein vielseitiger und zuverlässiger Bestandteil vieler elektronischer Schaltungen. Mit seiner Fähigkeit, eine breite Palette von Ausgangsspannungen zu liefern, und seinen integrierten Schutzfunktionen ist er eine ausgezeichnete Wahl für zahlreiche Anwendungen, von Netzteilen bis hin zu LED-Treibern. Durch das Verständnis seiner Funktionsweise und der korrekten Implementierung können Ingenieure und Bastler stabile und zuverlässige Spannungsregelungen in ihren Projekten erreichen.