Einstellbare Stromquelle mit dem LM317

Februar 2021

Für eins meiner Patenkinder habe ich ein Activity Board gebaut, also ein Brett mit einer Menge Möglichkeiten, Feinmotorik und funktionale Zusammenhänge zu lernen. Da das Activity Board (so dachte ich) ins Schlafzimmer des Kindes sollte, wollte ich eine Art Nachtlicht einbauen. Hierzu gab die Bastelkiste eine 10W (350mA, ~10V) LED her. Diese LED musste nun weit unterhalb ihrer Spezifikation betrieben werden, damit ein kleiner Lichtschimmer erzeugt werden kann. Da ich nicht sicher genug einschätzen konnte, wie hell das Nachtlicht scheinen soll, sollte es regelbar sein. Und damit fingen die Probleme an...

Ich wusste, dass der LM317 als einstellbarer Spannungsregler die Möglichkeit bietet, auch als einstellbare Stromquelle zu dienen. Dazu muss ein Shunt so gewählt werden, dass darüber bei Nennstrom 1,25V abfallen. Der LM317 regelt dann die Ausgangsspannung so, dass der Nennstrom eingehalten wird. Das folgende Bild zeigt diese einfache Schaltungsvariante, welche sich auch in den meisten LM317 Datenblättern findet. Dort gilt dann R_shunt = R1 = 1,25V / I_soll

Wenn der Strom für die LED einstellbar sein soll, bräuchte man einen einstellbaren Shunt. Ein Poti mit hoher Belastbarkeit mit entsprechendem Widerstandswert hatte ich aber gerade nicht da, also habe ich mich nach Alternativen umgeschaut. Da hab ich hier den Schaltungsvorschlag für eine einstellbare Stromquelle gefunden. Um die folgende Diskussion zu vereinfachen, gebe ich hier die Schaltung wieder:

Mir war das Funktionsprinzip ehrlich gesagt nicht sofort klar, aber da angegeben war, dass der minimale Strom gegeben ist durch I_min = 1,25V / R1 (genau wie die Konstantstromvariante oben) und dass der Maximalstrom gegeben ist durch I_max = [1+ (R3/R2)] * I_min, konnte ich die Widerstände entsprechend dimensioneren. Im Bild oben sind die Werte des Originals angegeben, ca 125 bis 400mA.

Ich hatte in kleinen Vorstudien einen Strom von maximal 20mA bestimmt. Bei 20mA war schon eine Helligkeit erreicht, die bei indirekter Beleuchtung über die Zimmerwand mehr als genug Helligkeit für das dunkel-adaptierte Auge erzeugt.

Der erste Versuch schlug dann auch grandios fehl. Bei I_min = 2mA und I_max = 20mA kommt man auf R_1 = 680R, R2 hatte ich dann auf 12R und R3 auf 100R gewählt, um einen Faktor I_max / I_min von ca 9 zu erreichen. Das funktionierte überhaupt nicht.Die erste Erkenntnis war dann, dass R1 viel kleiner sein muss als R2 und R3. R1 ist als Shunt ja wie eine Art Innenwiderstand der Spannungsquelle U_R1. Nur wenn die Spannungsquelle U_R1 nicht nennenswert belastet wird, passt das Modell I_out = U_R1 / R1. Wenn R2 und R3 in die Größenordnung von R1 kommen, wird U_R1 stärker belastet und die Werte verschieben sich. Man kann auch sagen, der gewünschte Laststrom I_out fliesst dann nicht mehr nur durch R1, sondern auch durch R2 und R3, was unerwünscht ist und in den Formeln nicht vorgesehen ist.

Also wählte ich R3 = 50k und R2 = 5,5k. Das funktionierte auch nicht wirklich. Die zweite Erkenntnis war dann, dass der Strom in den LM317 über den ADJ Pin (bis 100uA) berücksichtigt werden musste. Bei 50% Potistellung erzeugen 100uA einen Spannungsabfall von 2,5V am unteren Teil von R3! Das kann natürlich auch nicht sein, denn soviel Spannung steht garnicht zur Verfügung.

Simulieren liess sich das Problem leider auch nicht wirklich, denn das mir zur Verfügung stehende LTSpice Modell vom LM317 (von hier) modellierte den Strom in den Pin ADJ mit nur ca 3uA. Also habe ich empirisch (mit dem Lötkolben und dem Widerstandssortiment) grob passende Werte bestimmt. Nach einer Reihe von Versuchen erschien mir R1 = 440R, R2 = 71R (200R||220R||220R) und R3 = 4k7 als halbwegs passend. Aus ihnen resultiert I_min = 6,8mA und I_max = 24,8mA.

Man erkennt allgemein gesagt, dass man sich bei so kleinen Stromwerten in einem Zielkonflikt befindet. Auf der einen Seite müssen R2 und R3 groß sein, damit sie die Spannungsquelle R1 nicht so stark belasten, zum anderen dürfen R2 und R3 allerdings nicht zu groß werden, sonst wirkt sich der Strom I_adj zu stark aus.

Schlussendlich habe ich eingesehen, dass das nicht das richtige Vorgehen ist, und dass man hervorragend mit einem normalen Poti als Shunt arbeiten kann, da die Ströme so gering sind. R2 und R3 werden weggelassen. R1 besteht aus einem fixen Teil von R1a = 100R und einem einstellbaren Teil von R1b = 500R. R1 = R1a + R1b. Damit erreiche ich einen Strombereich von 2mA bis 12mA, was zum einen vollkommen ausreicht und zum anderen das Poti nicht über Gebühr belastet. Man kann sich gedanklich ein bisschen im Kreis drehen, wenn man versucht, die am Poti abfallende Leistung P_R1b zu berechnen. Am einfachsten geht es so:

Die Leistung über R1b wird ausschliesslich verändert über den Strom I_out. Also ist P_R1b maximal, wenn I_out = I_max. Bei I_max ist die Leistung über den gesamten R1 bestimmt durch P_R1 = R1 * I_max^2 = 0,0144W. Dieser Wert ist absolut unproblematisch für ein normales Poti. Selbst günstige Potentiometer sind für 100mW ausgelegt. Diese Leistung teilt sich auf R1a und R1b auf. Nun ist bei I_max R1b = 0, die Leistung fällt also komplett an R1a ab. Wenn R1b vergrößert wird, steigt zwar relativ gesehen die Leistung, die an R1b verbraten wird, absolut gesehen verringert sich die Gesamtleistung jedoch, so dass auch dann keine Gefahr droht.

Das Activity Board von Vorne...	...und von oben