LM317 ile Sabit Akım Kaynağı Devresi

27.01.2022 • 7 dk okuma
LM317 ile Sabit Akım Kaynağı

Bu yazımızda, LM317 kullanarak sabit akım kaynağı devresi yapıyoruz. Endüstriyel otomasyondan güç elektroniğine, batarya şarj ünitelerinden hassas akım sürücülerine kadar birçok analog tasarımda sabit ve kararlı bir akım akışına ihtiyaç duyulur. Bu yazımızda, yarı-iletken sektörünün en popüler lineer gerilim regülatörlerinden biri olan LM317 (veya askeri sınıf muadili LM117) kullanarak son derece kararlı, hassas ve az bileşenli bir sabit akım kaynağı (Constant Current Source) devresinin tasarımını gerçekleştireceğiz.

Devrenin en büyük avantajı, sadece bir adet regülatör entegresi ve tek bir akım belirleme direnci (R_1) ile kurulabilmesidir. Ayrıca, giriş ve çıkış hatlarında uygun değerlerde dekuplaj kondansatörleri kullanılması, yüksek frekanslı gürültüleri filtrelemek ve devrenin kararlılığını artırmak açısından olumlu sonuçlar sunacaktır.

Sabit Akım Kaynağına Neden İhtiyaç Duyulur?

Devremizde değişken karakteristiğe sahip bir yükümüz olduğunu varsayalım. Bu yükün üzerine uygulanan gerilimi V_k, yükün anlık direncini ise R_L olarak adlandıralım. Standart bir gerilim kaynağı kullanıldığında, yük üzerinden akacak olan akım Ohm Kanunu’na göre I = V_k / R_L olacaktır. Yükün direnci kararlı kalmadığında (örneğin sıcaklıkla direnci değişen bir Termistör, ısındıkça iç direnci düşen yüksek güçlü bir LED veya şarj oldukça iç direnci artan bir lityum pil durumunda), yük üzerinden geçen akım sürekli olarak dalgalanacaktır.

Direncin yarıya düştüğü (0.5 R_L) bir senaryoda akım iki katına fırlayacak; direncin iki katına çıktığı (2 R_L) durumda ise akım yarıya inecektir. İşte bu tür kararsızlıkların önüne geçmek, yükün direnç değişimlerinden bağımsız olarak üzerinden sürekli sabit bir akım akmasını sağlamak amacıyla sabit akım kaynakları kullanılır. Sabit akım kaynakları, yükün direnci değiştiğinde kendi uçlarındaki gerilim düşümünü dinamik olarak ayarlayarak (gerilim uyum limitleri dahilinde) akımı sabit tutar.

Reklam Alanı — Click for AD Place

LM317 Sabit Akım Kaynağı Çalışma Prensibi ve Matematiksel Modeli

LM317 entegresi temelde üç bacaklı ayarlanabilir bir pozitif gerilim regülatörüdür. Entegrenin temel çalışma prensibi, Çıkış (OUT) pini ile Ayar (ADJ) pini arasında son derece kararlı ve hassas bir iç referans gerilimi (V_{ref}) sürdürmektir. Veri sayfasında (datasheet) belirtildiği üzere bu referans gerilimi tipik olarak şöyledir:

    \[V_{ref} = V_{OUT} - V_{ADJ} \approx 1.25\text{ V}\]

Aşağıda, LM317/LM117 entegresinin sabit akım kaynağı olarak yapılandırıldığı standart uygulama şeması yer almaktadır:

LM317/LM117 Entegresi Sabit Akım Kaynağı Devre Şeması
LM117/LM317 Akım Sınırlayıcı Uygulama Şeması (Orijinal Datasheet Görseli)

Yukarıdaki şemada görüldüğü üzere, OUT pini ile ADJ pini arasına bağlanan R_1 direnci üzerinde 1.25\text{V}‘luk sabit bir gerilim düşümü meydana gelmeye zorlanır. Bu durum, R_1 direnci üzerinden akan akımın kararlı bir şekilde sabitlenmesini sağlar:

    \[I_{R1} = \frac{V_{ref}}{R_1} = \frac{1.25\text{ V}}{R_1}\]

ADJ pininden dışarıya akan ayar akımı (I_{ADJ}) son derece küçüktür (tipik olarak 50\,\mu\text{A} ile 100\,\mu\text{A} arasında) ve yük akımına kıyasla ihmal edilebilir düzeydedir. Dolayısıyla, çıkış terminalinden (Load / Yük) akan nihai akım formülü şu şekilde türetilir:

    \[I_{OUT} = I_{R1} + I_{ADJ} \approx \frac{1.25\text{ V}}{R_1}\]

Bu formülün bize gösterdiği üzere, çıkış akımı sadece R_1 direncinin değerine bağlıdır ve yükün (R_L) değerinden tamamen bağımsızdır.

Hassas Direnç Limitleri ve Güç Hesaplaması

Bu devrenin uzun ömürlü ve kararlı çalışabilmesi için kullanılan R_1 direncinin elektriksel sınırları içerisinde kalması gerekir. Regülatörün minimum kararlı çalışabilmesi için yük akımının en az 10\text{mA} olması önerilir. LM317’nin maksimum akım sınırı ise 1.5\text{A}‘dir.

Örnek Hesaplama: Devremizden 100\text{mA} (0.1\text{A}) sabit akım akmasını istiyorsak, gerekli R_1 direnci Ohm Kanunu hesaplaması ile şu şekilde bulunur:

    \[R_1 = \frac{V_{ref}}{I_{OUT}} = \frac{1.25\text{ V}}{0.1\text{ A}} = 12.5\text{ }\Omega\]

Direnç üzerinde harcanan güç (P_{R1}) ise şu şekildedir:

    \[P_{R1} = I_{OUT}^2 \cdot R_1 = (0.1\text{ A})^2 \cdot 12.5\text{ }\Omega = 0.125\text{ W} = 125\text{ mW}\]

Bu güç seviyesi için standart 1/4\text{W} (0.25\text{W}) bir direnç yeterlidir. Ancak hedeflenen akım 1\text{A} olsaydı, direnç değeri 1.25\text{ }\Omega ve direnç üzerinde harcanan güç 1.25\text{W} olacaktı. Bu durumda mutlaka en az 2\text{W} veya 5\text{W} gücünde taş dirençler kullanılması gerekirdi.

Uyum Gerilimi (Compliance Voltage) ve Termal Soğutma İhtiyacı

LM317 doğrusal (lineer) bir regülatördür ve çalışabilmesi için giriş ile çıkış terminalleri arasında minimum bir gerilim farkına ihtiyaç duyar. Bu gerilime regülatör düşüm gerilimi (dropout voltage – V_{DO}) denir ve LM317 için bu değer tipik olarak 2\text{V} civarındadır. Dolayısıyla, devrenin sabit akım verebilmesi için giriş geriliminin (V_{IN}) şu şartı sağlaması gerekir:

    \[V_{IN(min)} \ge I_{OUT} \cdot R_L + V_{ref} + V_{DO} \approx I_{OUT} \cdot R_L + 3.25\text{ V}\]

Örneğin, 100\text{mA}‘lik bir akım ile 50\text{ }\Omega‘luk bir yükü sürmek istiyorsak, yük üzerindeki gerilim 5\text{V} olacaktır. Giriş gerilimimiz en az 5\text{V} + 3.25\text{V} = 8.25\text{V} olmalıdır. Giriş geriliminin gereğinden çok daha yüksek seçilmesi (örneğin 24\text{V} verilmesi) durumunda, aradaki devasa gerilim farkı (24\text{V} - 6.25\text{V} = 17.75\text{V}) regülatör entegresi üzerinde ısı olarak harcanacaktır:

    \[P_D = (V_{IN} - V_{OUT}) \cdot I_{OUT}\]

Bu senaryoda regülatör üzerinde 17.75\text{V} \cdot 0.1\text{A} = 1.775\text{W}‘lık bir ısı açığa çıkacaktır. Bu ısıl yük entegrenin hızla ısınmasına ve aşırı sıcaklık korumasının (thermal shutdown) devreye girerek akımı kesmesine yol açar. Bu nedenle, uzun ömürlü ve sürekli kullanımlar için regülatör üzerinde mutlaka uygun boyutlarda alüminyum soğutucu blok (heatsink) kullanılmalıdır.

Yararlı Kaynaklar ve İlgili Tasarımlar

Sonuç olarak; LM317 ile tasarlanan sabit akım kaynağı, minimum bileşen sayısı ile yüksek kararlılık sunan son derece ekonomik bir analog donanım çözümüdür. Doğru güç dağılımı hesabı ve yeterli soğutma önlemleri ile endüstriyel standartlarda güvenilir devreler elde edebilirsiniz.

Yorum yapma özelliği, forum tarafından gelen istek sebebiyle kapatılmıştır. Lütfen tartışmalar ve sorularınız için topluluk forumumuza katılın.

İlgili Yazılar