LM317_reg LM317/337 spanningsregelaars LM317_reg


Introductie

De LM317/337 serie spanningsregelaars kunnen gebruikt worden als upgrade voor de standaard 78xx/79xx regelaars die vaak in CD-spelers gevonden worden. De specificaties zijn zeker niet zo goed als van een speciaal ontworpen low-noise regulator, maar ze bieden goede rimpelonderdrukking, zijn eenvoudig te bouwen en erg goedkoop! Ze kunnen worden gebruikt om de voeding van het analoge uitgangsgedeelte te verbeteren, waar vaak opamps in worden toegepast die gevoed worden met een symmetrische +/-12V of +/-15V spanning. Meestal worden hier een 7812 en 7912 voor gebruikt. Deze kunnen worden vervangen door een LM317 en een LM337 regelaar, ingesteld op 12V. In het digitale gedeelte worden vaak n of twee 7805 regelaars gebruikt, die vervangen kunnen worden door een LM317 die op 5V wordt ingesteld.

Hoe moeilijk is dat?

De LM317/337 regelaars zijn eenvoudig toe te passen. Het zijn instelbare regelaars, die elke gewenste spanning tussen de 1,2 en 37V kunnen leveren. De LM317 en LM337 zijn niet 1:1 uitwisselbaar met de 78xx/79xx regelaars: er zijn twee externe weerstanden nodig om de uitgangsspanning in te stellen. De 78xx/79xx types zijn regelaars met een vaste uitgangsspanning waarbij deze weerstanden intern zijn aangebracht, op de silicium-chip van de regelaar. In plaats van de GND (massa) pen bij de 78xx/79xx, hebben de LM317/337 regelaars een ADJ (adjust) pen, waar deze weerstanden op moeten worden aangesloten. Een extra voordeel hiervan is, dat deze aansluiting nu extern kan worden ontkoppeld. Een extra condensator, aangesloten tussen deze pen en massa, zorgt o.a. voor een verbetering van de rimpelonderdrukking met 15dB.

LM317_reg.jpgLM337_reg.jpg
LM317 DIY regelaar                                                                   LM337 DIY regelaar

Om de regelaar en de extra componenten te huisvesten kan een kleine print worden gebruikt. Als deze wordt voorzien van een drie pens connector met dezelfde pinning als de 78xx/79xx, dan zijn de LM317/337 regelaar-printjes een directe vervanger voor deze regelaars.

LM317 beginselen
LM317_basic.gif
De werking van de LM317 is als volgt: de regelaar past zijn uitgangsspanning (Vout) zodanig aan, dat er een spanning gelijk aan de interne referentiespanning (Vref) over R1 valt. De referentiespanning kan gevonden worden in de datasheet: deze is 1,25V 4%. Dit is een constante, en daardoor is de stroom I1 die door R1 via R2 naar massa loopt ook constant. De stroom wordt bepaald door R1:
I1 = Vref
R1

De uitgangsspanning is gelijk aan de totale spanningsval over R1 en R2:
Vout = I1 (R1 + R2)

Nu I1 invullen:
Vout = Vref
 (R1 + R2)
R1

Hieruit volgt:
Vout Vref R1 + Vref R2
R1
  =>   Vout = Vref +
Vref R2
R1
  =>   Vout = Vref (1+ R2
)
R1

Er loopt een kleine stroom uit de ADJ-pin, ongeveer 50...100A. Deze stroom zorgt ook voor een kleine spanningsval over R2. Dit kan worden meegenomen in de uitgangsspanning door de term Iadj * R2 aan de formule toe te voegen:

Vout = Vref (1+ R2
) + Iadj R2
R1

Dit is de formule zoals die te zien is in de afbeelding. De uitgangsspanning heeft een afwijking van maximaal 5%, die veroorzaakt wordt door de afwijking in de referentiespanning en de tolerantie van de weerstanden. Indien een nauwkeuriger uitgangsspanning gewenst is, kan R2 worden vervangen door een trimmer, maar er kan ook een LM317A worden gebruikt. De A-versie heeft een kleinere afwijking in de referentiespanning.

Berekenen van de uitgangsspanning

LM317_schematic.gifDoor de variabelen in te vullen kan de uitgangsspanning worden ingesteld: kies de waarden voor R1 en R2 en vul Vref in om Vout te berekenen. De term Iadj*R2 wordt meestal weggelaten, omdat het maar een zeer kleine bijdrage levert aan de uitgangs- spanning. Maar over het algemeen is de uitgangsspanning juist een bekend gegeven. Om het berekenen te vergemakkelijken kan de formule herschreven worden:

R2 =  R1 (Vout - 1,25)
1,25

R1 bepaalt de stroom die door de weerstanden gaat lopen en daarom wordt deze als eerste gekozen. Voor een goede werking van de regelaar dient een minimum uitgangsstroom van ongeveer 10mA te worden afgenomen. Hieraan kan worden voldaan door voor R1 een waarde te kiezen die ligt tussen de 100...150Ω. Zoals hierboven is te zien, staat over R1 een vaste referentiespanning van 1,25V, en hierdoor loopt er een stroom tussen de 12,5 and 8,3mA als R1 in dit bereik ligt. Samen met de stroom door de belasting is dan meestal voldaan aan de 10mA eis.

Het is mogelijk een hogere waarde te nemen voor R1, maar dan moet de aangesloten belasting tenminste 10mA stroom trekken. Neem bijvoorbeeld een aantal extra LM317's die worden gebruikt om een aparte voeding te maken voor de DAC chip in een CD-speler, zoals de SM5872 DAC. De benodigde stroom voor de diverse voedingsaansluitingen kan worden opgezocht in de datasheet, zie de tabel hieronder. De stroom voor het digitale gedeelte (DVdd) is 15mA typical, dus hier zijn geen problemen te verwachten. Maar de andere twee spanningen vragen maar een aantal mA. Een LM317 met R1 = 220Ω kan dus instabiel worden. Dit kan worden opgelost door simpelweg een extra belasting in de vorm van een weerstand van 470Ω op de uitgang aan te sluiten, zodat er extra stroom gaat lopen. Maar een meer elegante oplossing is om R1 naar 120Ω te verlagen en een 360Ω weerstand te gebruiken voor R2. Dit komt mooi uit op 5V en voldoet aan de 10mA eis. Met deze waarden kunnen de regelaars in elk circuit worden toegepast, zonder dat over de minimum stroom hoeft worden nagedacht.

SM5872B_currents.gif

Extra onderdelen rond de regelaar

De extra condensator C2, die parallel aan R2 is geschakeld, verbetert de rimpelonderdrukking, het transint gedrag en de uitgangsimpedantie van de regelaar. Een aanrader! Een tantaal- of goede kwaliteit standaard-elco is voldoende. De waarde van de condensator is afhankelijk van die van R2, omdat C2 hiermee een hoogdoorlaat-filter vormt. Richtwaarden: gebruikt 100...220F bij een R2 van 360Ω (@ R1 = 120Ω, 5V uit) en 22...47F bij een R2 van 1k3 (@ R1 = 150Ω, 12V uit). Een nog grotere waarde zorgt niet voor verdere verbetering.

LM317_337_schematic.gifExtra in- en uitgangscondensators verbeteren de stabiliteit verder. Als de regelaar dicht bij de buffer-elco zit, is een ingangscondensator in principe niet nodig, maar het kan geen kwaad er wel een te gebruiken. Op deze manier wordt altijd voldaan aan de stabiliteits-eisen (zie datasheets voor meer info). De LM317 en 337 kunnen goed overweg met grote uitgangselco's, maar vermijd de types met een extreem lage ESR, zoals bijvoorbeeld Rubycon ZA of Sanyo OsCon.

De twee extra diodes D1 en D2 beschermen de regelaar tegen te grote ontlaad-stromen, veroorzaakt door C1 en C2 in het geval van een kortsluiting aan de ingang of de uitgang. Ze leiden de stroom veilig buitenom, zodat de regelaar niet wordt beschadigd. Een universeel type zoals de 1N4000 serie is prima geschikt.

Als een negatieve uitgangsspanning nodig is, kan de LM337 regelaar worden toegepast. Samen met de LM317 kan een symmetrische voeding worden gemaakt. De formule is hetzelfde, afgezien van een aantal mintekens. Een ander verschil is dat de ADJ-stroom de regelaar inloopt plaats van uit. En bij een LM337 is een uitgangscondensator van 1F verplicht, waar deze bij de LM317 optioneel is. Let op de polariteit van de condensators! Bij de negatieve versie moeten deze met de + aan de massa (GND) worden aangesloten.

Meer informatiebronnen

Op het internet kan veel informatie gevonden worden over deze regelaars.

  • On-line calculators vereenvoudigen het berekenen van de deelweerstanden.
  • Op Acoustica.org.uk staat een uitstekend stuk over het 'hoe' en 'waarom' van deze regelaars.
  • Op TNT Audio staat een "crash course on voltage regulators", inclusief de LM317
  • De LM317 heeft zelfs z'n eigen Wikipedia pagina!

Spanning in de praktijk