Serwisy partnerskie:
Close icon
Serwisy partnerskie

Taki zwyczajny zasilacz... Część 10 – LM317 pod lupą (odpowiedzi impulsowe)

W poprzednim odcinku zbadaliśmy odpowiedzi impulsowe szeregu zasilaczy, przetwornic i stabilizatorów. Większość nie zachwyciła swoimi parametrami, a niektóre zaprezentowały się wręcz fatalnie. Bliska ideału wydała się odpowiedź stabilizatora LM317, pokazana na rysunku 1.
Article Image

Niestety, rysunek ten nie mówi całej prawdy o LM317. Stabilizator ten jest o wiele szybszy od wcześniej badanych zasilaczy. Przy długich impulsach o czasie trwania około pół sekundy oscyloskop nie potrafi wykryć i zobrazować krótkich zakłóceń. Dlatego trzeba zdecydowanie skrócić impulsy prądu i rozciągnąć obraz – wtedy zobaczymy, co tak naprawdę dzieje się na początku i końcu każdego stromego impulsu.

Rys.1 Stabilizator LM317 - odpowiedź impulsowa

LM317 pod lupą - odowiedzi impulsowe

Rysunek 2 pokazuje w innej skali czasu odpowiedź badanego stabilizatora LM317 o ustawionym napięciu wyjściowym 12V w wersji bez żadnego kondensatora wyjściowego na impuls prądu 1A. Czas trwania impulsu jest niewiele większy od 10 mikrosekund, co nie jest istotne, ale pozwala pokazać na jednym obrazku początek, i koniec impulsu. Widzimy, że nagłe pojawienie się prądu obciążenia 1A chwilowo zmniejsza napięcie wyjściowe aż o około 6V, czyli o –50% w stosunku do napicia spoczynkowego 12V!

Rys.2 Odpowiedź badanego stabilizatora LM317 w innej skali czasu

To obniżenie napięcia trwa co najmniej 2 mikrosekundy, a napięcie wyjściowe powraca do prawidłowej wartości po około 6 mikrosekundach. Z kolei po zakończeniu impulsu prądu napięcie wyjściowe powiększa się o około 3V (+25%) na czas też około 2 mikrosekund. Niedoskonałości te wynikają z opóźnień samego układu scalonego, czyli zawartych w nim tranzystorów. Zaburzenia są wprawdzie krótkie, rzędu 2 mikrosekund, ale za to duże.

Rys.3 Rysunek z karty katalogowej LM317

W karcie katalogowej (rysunek 3) znajdziemy informację, że kondensator wyjściowy Co nie jest konieczny, ale jego obecność poprawia odpowiedź impulsową. Stabilizator LM317 nie wzbudzi się bez kondensatora Co. Fotografia 4 pokazuje testowany przeze mnie stabilizator z kondensatorem wyjściowym 1uF.

Fot.4 Testowany stabilizator z kondensatorem wyjściowym 1uF

Rysunek 5 (na następnej stronie) przedstawia odpowiedź impulsową. Widać tu ten sam impuls o czasie trwania około 70 mikrosekund, tylko pokazany w różnej skali czasowej (200us/dz i 10us/dz).

Rys.5 Odpowiedź impulsowa, impuls o czasie trwania około 70 mikrosekund

Porównanie z rysunkiem 2 potwierdza, że dodanie kondensatora Co zmniejsza skoki napięcia. Na początku impulsu prądowego napięcie obniża się teraz mniej niż o 3V (mniej niż o –25%). Przy wyłączeniu prądu, skokowy wzrost napięcia też jest trochę mniejszy, około 2V, ale za to trwa znacznie dłużej. Tuż po wyłączeniu prądu stabilizator jest jeszcze otwarty, przez chwilę szybko ładuje pojemność wyjściową Co, a potem napięcie wyjściowe liniowo zmniejsza się, gdy pojemność wyjściowa Co jest rozładowywana przez niewielki prąd płynący przez dzielnik rezystorowy stabilizatora (bo prąd zewnętrznego obciążenia nie płynie).

Rys.6 Odpowiedź impulsowa, impuls o czasie trwania około 77 mikrosekund

Kolejny rysunek 6 prezentuje sytuację przy pojemności Co = 10uF. Znów oba przebiegi pokazują ten sam impuls (około 77us) przedstawiony w różnej skali czasu (200us/dz i 10us/dz). Obniżenie na początku impulsu ma teraz amplitudę około 1,3V (nieco więcej niż –10%) i czas trwania rzędu 10us.

Jeżeli zwiększymy Co do wartości 100uF, to przebiegi będą wyglądać jak na rysunku 7. Aby zobrazować szczegóły, czas impulsu prądowego zwiększyłem tu do około 170us. Na początku impulsu skok napięcia jest mniejszy niż na rysunkach 2, 5, 6 i wynosi teraz około 0,75V (–6,3%), ale trwa dużej.

Rys.7 Odpowiedź impulsowa, impuls o czasie trwania około 170 mikrosekund

Dalsze zwiększanie pojemności Co do 1000uF daje przebiegi pokazane na rysunku 8. Czas impulsu prądowego zwiększyłem do około 750us (0,75ms). Obniżenie napięcia na początku impulsu prądowego jest niewielkie, wynosi około 100mV, czyli około –0,8% napięcia wyjściowego 12V, ale trwa znacznie dłużej.

Rys.8 Odpowiedź impulsowa, impuls o czasie trwania około 750 mikrosekund

Nic dziwnego – kondensator Co podczas zmian prądu pełni rolę filtru napięcia wyjściowego. Im większą ma pojemność, tym bardziej zmniejsza skoki napięcia.

Rysunki 2 oraz 5...8 sugerują, że czym większa pojemność wyjściowa Co, tym lepiej, bo przecież mniejsze są skoki napięcia wyjściowego.

Nie można jednak zapomnieć, że wielkość skoków napięcia zależy też od wewnętrznych opóźnień scalonego stabilizatora, które według rysunku 2 dla LM317 wynoszą około 2 mikrosekund. Czym krótsze te opóźnienia, tym mniejsze będą skoki napięcia wyjściowego. W naszym „zwyczajnym zasilaczu” te opóźnienia mogą być większe niż w stabilizatorze LM317, zależnie od wzmacniacza operacyjnego, jaki zastosujemy oraz od metody kompensacji częstotliwościowej.

Ponadto wielkość i czas trwania skoku napięcia przy wyłączeniu impulsu prądu zewnętrznego obciążenia zależy też od tego, jakim prądem „wewnętrznym” obciążony jest wtedy sam stabilizator.

Już teraz trzeba też wspomnieć, że zwiększanie pojemności filtrującej wyjściowej Co może mieć i często ma też wady. W przypadku dość prostego układu scalonego LM317 nie grozi wprawdzie niczym złym, ale w innych stabilizatorach i zasilaczach zwiększanie pojemności Co może doprowadzić do samowzbudzenia. Samowzbudzenie zasilacza to bardzo poważne i trudne zagadnienie: zależy od szeregu różnych czynników. Będzie to też najpoważniejszy problem przy realizacji naszego „zwyczajnego zasilacza” i będziemy do tej kwestii podchodzić wielokrotnie z różnych stron.

Trzeźwiące wnioski - realizacja laboratoryjnego zasilacza o bliskich ideału parametrach

Nieprzypadkowo przetestowaliśmy szereg fabrycznych zasilaczy oraz stabilizator LM317. Widzimy, że realizacja laboratoryjnego zasilacza o bliskich ideału parametrach dynamicznych jest bardzo trudnym, niemal niewykonalnym, zadaniem. Widzimy też uzasadnienie, dlaczego laboratoryjne zasilacze najlepszych firm są takie drogie. W grę wchodzi bowiem wiele czynników, a finalny efekt jest wynikiem nieuchronnych kompromisów. Dlatego w naszym „zwyczajnym zasilaczu” będziemy testować różne rozwiązania i różne wartości elementów. I nie będziemy się spodziewać doskonałości...

Tematyka materiału: stabilizator, LM317
AUTOR
Źródło
Elektronika dla Wszystkich wrzesień 2020
Udostępnij
UK Logo