Регулируемый источник тока и напряжения на LM317

Предлагаю схему регулируемого источника тока и напряжения на базе ИМС LM317.
Особенность данного варианта схемы заключается в повышенной точности регулировки стабилизации по току (практически от 1mA до 1А).
При необходимости пределы регулировок можно изменить.
Дальше будет приведена электрическая принципиальная схема устройства, рекомендации по настройке и пояснения. В качестве первоисточников использовались данные на радиоэлементы согласно спецификации производителей и базовые схемотехнические решения.
Существует и ряд решений получения аналогичных параметров от других авторов, но их схемы не отвечают в полной мере требованиям, предъявляемым мной к данному устройству:

• Малый коэффициент пульсаций
• Широкий диапазон регулировки напряжения и тока с малой (задаваемой) дискретностью
• Использование легкодоступных и недорогих компонентов, имеющих много аналогов
• Работа на импульсную нагрузку
• Возможность работы как с цифровыми так и стрелочными (электромеханическими) приборами измерения напряжения и тока
• Минимализация количества радиоэлементов электронной схемы
• Автоматический переход в режим стабилизации тока при аварийном снижении сопротивления нагрузки и обратно в режим стабилизации напряжения при нормализации
• Возможность использования только одной обмотки понижающего трансформатора для одного источника
• Гальваническая развязка между несколькими источниками (в случае применения нескольких стабилизаторов в одном устройстве без необходимости объединения питания отдельных модулей).
• Высокий коэффициент стабилизации как напряжения так и тока
• Легкая повторяемость
• Недопустимость импульсов напряжения на нагрузке выше установленных, при регулировке и коммутации напряжения и тока из-за переходных процессов в радиоэлементах регулировки и коммутации
• Исключение сбоев стабилизации тока и напряжения из-за импульсного характера нагрузки
• Снижение тепловых потерь в регулирующем элементе свойственных схемам с непрерывной стабилизацией (коммутированием диапазона регулировки по напряжению с целью снижения падения напряжения на регулирующем элементе)
• Зависимость линейности регулировок напряжения и тока только от характеристики регулирующего элемента - переменных резисторов регулировки группы А или Б)

С целью заполнения этого пробела, мной было разработано и изготовлено данное устройство.

Сокращения:
БП - блок питания
ОУ - операционный усилитель
ИМС - интегральная микросхема

Т1 - трансформатор
S1 - переключатель диапазона регулировки напряжения (0...7V и 6...12V - граничные значения подстраиваются R4, R14, R15)
S2 - кнопка с самовозвратом* (контроль ограничения по току)
D1-D4 - диодный мост (тип диодов или сборки определяется желаемым выходным током устройства)**
D5...D7 - любые выпрямительные диоды средней мощности (например, 1N4007)
D8 - АЛ107 (или любой другой светодиод, но желательно с малым падением напряжения в открытом состоянии
(около 1,6V при токе 2 mA))
DA1 - LM317 или аналогичная ИМС регулируемого стабилизатора напряжения
DA2 - LM7906 (или аналогичная ИМС стабилизатора напряжения на минус 6V)
DA3 - К140УД17 (любой маломощный прецезионный усилитель с напряжением смещения меньше милливольта и питанием 30V и более)
DA4 - К140УД7 (любой усилитель средней мощности (с током нагрузки до 2mA при выбранном диапазоне напряжений)
С1 - 4700...10000 мкф на 35V (возможно использование нескольких конденсаторов в параллельном включении :)
С2, С4, С11, С12, С14, С16, С17 - 0,1 мкф
С3, С9 - 100 мкф на 16V и 35V соответственно
С5 - 1,0 мкф (на любое напряжение)
С6, С7 - 0.1 мкф на напряжение выше чем между выводами 1 и 3 трансформатора T1 без нагрузки
С8 - 1000 мкф на 35V, С10 - 10 мкф на 10V
С12, С15 - 68...100 пикофарад. С13 - 1 мкф на 50V (и более)
R1 - 0,05...0,08R (медная проволока 0,6mm в эмалевой изоляции длиной около 60 сантиметров; сопротивление подбирается исходя из падения напряжения выше напряжения смещения DA3 при токе 1-2 mА (для DA3 К140УД17 это около 80...100μV)
R2 - 470R
R3 - 10 кОм (переменное)
R5 - 1 кОм (нагрузочный, необходим для получения тока нагрузки стабилизатора в 6 mA, согласно спецификации DA2)
R6 - 100 R, R7 - 26 kOm*, R8 - 68 kOm*, R9 - 51 kOm, R10 - 2 kOm, R11 - 1 МОм, R12 - 12 кОм*, R13 - 10 кОм (переменное)
R16 - 1...5R 5W (используется для удобства выбора установки граничного значения тока при нажатии на кнопку S2)
Цифровые вольтметры использованы для получения большей точности установки напряжения и тока, но их применение необязательно, и могут быть заменены стрелочными индикаторами с ухудшением точности измерения в последнем случае.
* - должны быть рассчитаны на коммутацию максимального тока
** - желательно использовать диоды или диодный мост с 50...100% запасом по граничному значению тока

Типичные осциллограммы пульсаций на нагрузке при максимальном токе:

Нагрузка резистивная 10mV / 5mS на деление

Нагрузка импульсная (электродвигатель) 20mV / 5mS на деление

Для удобства восприятия схема разделена на функциональные блоки.
Краткое описание назначения блоков:

• Выпрямитель - преобразование переменного напряжения снимаемого с двухсекционной обмотки трансформатора Т1 в постоянное не стабилизированное напряжение
• Стабилизатор, регулятор напряжения - стабилизация и регулировка выходного напряжения со встроенным датчиком тока (на сопротивлении R1)
• Источник −6V - стабилизированный источник отрицательного напряжения 6V для питания ОУ DA3, DA4 и обеспечения необходимого смещения для регулировки выходного напряжения от 0V
• Усилитель напряжения - инвертирующий усилитель напряжения, выделяемого на измерительном сопротивлении R1 при наличии тока нагрузки, которое пропорционально значению этого тока, для измерения электронным вольтметром и для работы регулятора тока
• Регулятор тока - сравнение напряжений, снимаемых с усилителя напряжения и резистора R13 - регулятора ограничения выходного тока устройства для управления ОУ DA1 в режиме стабилизации тока
• Цифровые вольтметры - отдельные устройства и их параметры на работу схемы влияния не оказывают; предъявляемые к ним требования зависят от желаемой точности контроля выходного тока и напряжения

Описание работы устройства и назначения элементов:

С вторичной обмотки понижающего трансформатора Т1 через первую группу контактов переключателя S1 переменное напряжение выбранной величины (9V и 16V соответственно без нагрузки) подается на диодный мост D1...D4, где преобразуется в нестабилизированное постоянное напряжение. Конденсаторы С6 и С7 снижают уровень импульсных помех, проникающих из электросети.
Далее это напряжение сглаживается конденсатором С1 и фильтруется С2, после чего подается на вход основного регулирующего элемента - DA1.
Для управления выходным напряжением DA1 используется источник отрицательного напряжения -6V, а также сопротивления R2...R4, R14, R15 и вторая группа контактов переключателя S1 для коммутации выбранного диапазона напряжений.
Назначение этих сопротивлений такое:
R2 - обратная связь по напряжению ОУ DA1, его значение выбирается из отношения к сумме сопротивлений R3,R4,R14,R5 и определяет значение выходного напряжения. Его значение выбрано вдвое больше обычного (240 Ом) с целью снижения выходного тока ОУ DA4 (в режиме стабилизации тока через светодиод индикации включения режима ограничения тока D8 ток составляет около 2mA при минимальном выходном токе источника питания).
R15 - отвечает за нулевое значение выходного напряжения БП при выбранном диапазоне регулировки выходного напряжения от 0 до 6...7V и выкрученном в минимум (в 0Ом) сопротивлении R3 регулировки выходного напряжения.
R4 - определяет максимальное выходное напряжение обоих диапазонов.
R14 - устанавливает минимальное напряжение для диапазона 6...12V.
Изменение этих сопротивление вызывает некоторое взаимное влияние на выходные значения напряжений и для полной калибровки процедуру подбора этих сопротивлений следует повторить несколько раз, используя подстроечные резисторы на момент калибровки.
Накопительный конденсатор С3 и фильтрующий С4 используются для снижения уровня выходных пульсаций БП.
Если заменить R1 и С5 перемычкой и исключить блоки усилителя напряжения и регулятора тока, получится обычный стабилизатор напряжения без регулировки и контроля выходного тока, для его регулировки и ограничения и введены данные элементы. *
Сопротивление R1 является токоизмерительным, выделяемое на нем напряжение пропорционально выходному току устройства. Конденсатор С5 служит для шунтирования переменной составляющей выделяемой на сопротивлении R1 в процессе регулирования напряжения при большом токе нагрузки и ее импульсном характере, поскольку источник опорного напряжения привязан к входу этого резистора, а не выходу, как предлагается делать в ряде решений других авторов. Такое включение выбрано из соображений получения минимума пульсаций выделяемых на R1 при работе стабилизатора DA1. В противном случае напряжения пульсаций на входе ОУ DA3 составит около 10 милливольт, что после усиления с выбранным коэффициентом усиления около 200-250 раз (подбирается R7 в зависимости от реального значения сопротивления R1 с целью получить 10V напряжения на выходе DA3 при выходном токе БП в 1A с последующим выводом на цифровой вольтметр) на выходе DA3 мы получим 2...2,5V пульсаций, что сказывается на точности измерений и позволяет осуществлять только грубую регулировку стабилизации тока. Даже шунтирование обратной связи через R7 конденсатором C13 и тем самым снижение коэффициента усиления DA3 по переменной составляющей до 1 раза оставляет эти пульсации на выходе DA3 и делает невозможным поддерживать точность измерения и регулировки выходного тока лучше чем с точностью определяемой уровнем этих пульсаций. **
Итак, соотношение сопротивлений R6 и R7 определяет коэффициент усиления инвертирующего ОУ DA2 по постоянному напряжению. Поскольку неизбежен разброс параметров сопротивления R1, то следует подобрать значение R7 согласно вышеуказанным соображениям. При этом, чем ниже будет сопротивление R1, тем меньшее влияние оно будет оказывать на стабильность выходного напряжения (на стабильность выходного напряжения в режиме стабилизации тока оно влияет еще в меньшей степени). Минимальное значение этого сопротивления определяется исходя из того, с какой точностью необходимо поддерживать и измерять минимальный выходной ток и в этом плане зависит от возможностей применяемого ОУ DA3, а именно - параметром минимального напряжения смещения нуля. Для выбранной ИМС оно составляет 75μV.
Далее усиленное напряжение подается на цифровой вольтметр и на делитель R8, R9 опорой которого служит источник -6V. Сопротивление R8 подбирается из цели получить нулевое напряжение на фильтрующем конденсаторе C16 при необходимом ограничении максимального тока (в данной схеме - это +10V на выходе DA3). ***
На DA4 собран регулятор тока, напряжение снимаемое с делителя R8, R9 сравнивается с опорным регулируемым посредством R13 напряжением и усиленная разность этих напряжений через светодиод D8 прикладывается к входу управления ОУ DA1 таким образом, что при увеличении выходного тока БП выше выбранного значения, напряжение на управляющем входе DA1 начинает снижаться, при этом начинает светиться светодиод D8, сигнализируя о переходе БП в режим стабилизации тока. Яркость его свечения обратно-пропорциональна выходному току БП.
R10 и R11 определяют коэффициент усиления ОУ DA4, при этом R11 подключен не к выходу DA4 а к управляющему входу DA1, чтобы уменьшить влияние падения напряжения на D8 на работу устройства, коэффициент усиления по переменной составляющей близок к единице благодаря наличию конденсатора C14. Светодиод D8 целесообразно подобрать с минимальным падением напряжения в открытом состоянии, в противном случае может потребоваться изменение напряжения источника -6VV до -7V и более, или заменить его обычным выпрямительным диодом, отказавшись от индикации режима стабилизации тока.
R12 служит для установки минимального тока нагрузки.
С12 и С15 устраняют самовозбуждение ОУ.
Источник -6V работает следующим образом:
Переменное напряжение с контакта 3 (противоположного от некоммутируемого 1) выпрямляется цепочкой С8•D6•D7, включенной по схеме умножителя напряжения, и заряжает конденсатор C9, на котором образуется около -32V нестабилизированного напряжения. Далее это нестабилизированное напряжение подается на вход ИМС стабилизатора отрицательного фиксированного напряжения -6V DA2 LM7906, на выходе которого формируется стабилизированное напряжение -6V. Для правильной работы DA2 требуется наличие нагрузки с током не менее 5mA согласно спецификации производителя, для этой цели установлен R5, кроме того необходимо наличие конденсаторов C11, C12 согласно все тех же рекомендаций производителя во избежание входа ИМС в режим самовозбуждения. Важно разместить эти конденсаторы как можно ближе к выводам DA2, иначе их применение окажется неэффективным.

Разумеется, необходимо установить DA1 и диодный мост на теплоотвод, выделяемая на них тепловая мощность зависит от выбранного напряжения нагрузки и, в худшем случае, составляет около 8...10 Ватт для данной схемы.
Как лучше всего соединять блоки и отдельные элементы показано на схеме, при несоблюдении этих рекомендаций возможно повышение уровня пульсаций.
Усилитель напряжения целесообразно экранировать в случае применения пластикового корпуса устройства, корпуса переменных резисторов нужно заземлить на вход R1 (общую точку всех токов устройства).

Примечания:
* Ток в этом случае будет определяться значением сопротивления нагрузки и максимально возможным значением тока для ОУ DA1, что составляет около 2 ампер при падении напряжения на DA1 не более 15V согласно рекомендациям производителя.
Таким образом, данная схема потенциально способна выдерживать и регулировать токи до 2 ампер, но значение в 1 ампер выбрано мной из соображений тепловыделения на регулирующем элементе, точностью поддержания выходного тока с разницей в 1...2mA и отсутствия необходимости в токах более 1А.
По моему убеждению, на бОльшие токи целесообразней применять импульсные стабилизаторы напряжения, а данное устройство призвано заменить гальванические элементы питания переносимых устройств на время их наладки.
** В случае применения цифрового вольтметра о наличии значительного уровня этих пульсаций будет говорить хаотичное "скакание" цифр в последних разрядах. Поэтому применение цифровых вольтметров целесообразно и для контроля за уровнем пульсаций как самого БП, так и вызванных работой питаемых устройств.
*** Применение этого делителя вызвано целью упростить схему, но имеет побочный эффект в виде снижения выходного напряжения при выкрученном регуляторе тока на минимальное его значение даже в отсутствие нагрузки. Но это не влияет на возможность регулировки тока, начиная с единиц миллиампер, и на точность поддержания этих значений. В противном случае, необходимо заменить этот делитель еще одним инвертирующим усилителем, что представляется нецелесообразным. А для тех, кому не требуется повышенная точность поддержания выходного тока на нагрузке БП, вообще можно исключить блок усилителя напряжения, оставив только регулятор тока на DA4, подключив его вход к R1 и увеличив сопротивление последнего, но данная статья направлена на противоположные цели.

Внешний и внутренний вид устройства в моём исполнении и вариант печатной платы:

В некоторых случаях может понадобится добавить в схему защиту от случайного пропадания напряжения в электросети. Поскольку конденсаторы питания ОУ и силовой части схемы разряжаются с разной скоростью, то на выходе устройства при отключении электроэнергии будут броски напряжения накопленного в конденсаторах С1 кратковременного характера.
Это может повредить чувствительные к повышению напряжения устройства.
С целью устранения этого недостатка была введена небольшая доработка:

Переменное напряжение, снимаемое с вторичной обмотки трансформатора Т1, выпрямляется диодами D9, D10 и частью диодного моста схемы (D3,D4) и заряжает накопительный конденсатор С18 (100...470мкФ на 25V), далее стабилизируется ИМС DA5, на выходе которой получается +12V постоянного напряжения.
Это напряжение используется для питания ОУ DA3, DA4, обеспечивая лучшую стабильность и меньший уровень пульсаций устройства в целом.
Роль защиты выполняет полевой транзистор VT1, который открыт напряжением снимаемым с делителя R14,R15 при нормальном режиме работы устройства.
Когда электроэнергия в сети пропадает, конденсатор C18 начинает быстро разряжаться, напряжение на затворе VT1 снижается и транзистор закрывается, отключая напряжение на выходе БП.
На печатной плате предусмотрено место для установки этих компонентов.

Ниже приведена схема модифицированного блока питания на ток в 1А и напряжение 25V.
Схему прислал Алексей.
В схему введен импульсный регулируемый стабилизатор DA1 и после него регулируемый стабилизатор DA2 непрерывного регулирования с целью снижения пульсация и облегчения теплового режима DA2.
Оба стабилизатора охвачены обратной связью через ОУ DA4.
Источником отрицательного напряжения служит ICL7660, что позволяет использовать на входе источника питания только одно нестабилизированное напряжение в 30V.
Схема мной лично не проверялась, но судя по всему является рабочей.

DA1 и DA2 могут обеспечить ток до 3А.