LM338 против LM317: комплексный сравнительный анализ высокой производительности и точности

1. Введение: основная роль регулируемых регуляторов напряжения.

В электронном схемотехнике стабильность источника питания напрямую определяет точность работы и надежность оборудования. Регулируемые стабилизаторы напряжения, являющиеся «основным концентратором» для поддержания стабильности напряжения, динамически регулируют выходное напряжение в соответствии с требованиями нагрузки, находя широкое применение в энергосистемах, приборостроении, промышленном управлении и бытовой электронике.

LM338 и LM317, два классических трехконтактных регулируемых стабилизатора напряжения, представленные компанией Texas Instruments (TI), занимают значительные позиции в отрасли благодаря своей отработанной технологии и стабильной работе. Хотя оба они принадлежат к семейству регулируемых стабилизаторов напряжения, их конструктивные особенности существенно различаются: LM338 отличается высокой выходной мощностью, а LM317 известен своей точностью регулирования. В этой статье представлено углубленное сравнение таких параметров, как характеристические параметры, функции выводов, внутренняя структура и сценарии применения, а также предлагаются систематические ссылки для принятия инженерами решений по выбору.

2. Знакомство с LM338: идеальный выбор для приложений высокой мощности.

LM338 — это регулируемый стабилизатор напряжения с тремя выводами, специально разработанный для сценариев средней и высокой мощности, основная цель которого — достижение высокого выходного тока при обеспечении стабильности. Его ключевые особенности включают в себя:

·Высокая выходная мощность тока: При использовании устройств принудительного охлаждения (таких как большие радиаторы или вентиляторы) максимальный выходной ток может достигать 5 А, что намного превышает обычные устройства регулятора напряжения, удовлетворяя потребности в электропитании двигателей, мощных инверторов и другого оборудования.

·Широкий диапазон регулирования напряжения: Выходное напряжение можно плавно регулировать в диапазоне от 1,2 В до 32 В, что соответствует стандартам напряжения большинства промышленного оборудования и бытовой техники, обеспечивая высокую адаптивность.

·Улучшенная конструкция рассеивания тепла: Доступен в вариантах ТО-220 (пластиковая упаковка) и ТО-3 (упаковка металлической банки). Металлический корпус корпуса TO-3 может быть напрямую подключен к радиаторам, его тепловое сопротивление составляет всего 1,5°C/Вт, что обеспечивает быстрый отвод тепла.

·Комплексные механизмы защиты:

·Защита от перегрузки по току: автоматически ограничивает выходной ток, когда выходной ток превышает пороговое значение, предотвращая перегорание устройства из-за коротких замыканий нагрузки.

·Отключение при перегреве: автоматически отключает выход, когда температура перехода превышает 175°C, и возобновляет работу, когда температура падает до безопасного диапазона.

·Защита безопасной рабочей зоны: Предотвращает повреждение силовых транзисторов, вызванное напряжением или током, превышающим безопасную рабочую зону.

LM338 фокусируется на расширении возможностей управления мощностью, что делает его превосходным в сценариях, требующих непрерывного сильноточного выхода, таких как:

·Системы привода промышленных двигателей (например, источники питания для небольших двигателей постоянного тока и шаговых двигателей);

·Блок питания для мощных светодиодных матриц (например, освещения сцены, уличных дисплеев);

·Оборудование для быстрой зарядки свинцово-кислотных аккумуляторов (зарядка уровня 5 А для аккумуляторов 12 В/24 В).

3. Знакомство с LM317: классическое решение для точного регулирования.

LM317, «эталонный продукт» среди трехконтактных регулируемых стабилизаторов напряжения, с момента своего запуска установил отраслевой стандарт благодаря превосходной точности регулирования и универсальности. Его ключевые особенности включают в себя:

·Средняя выходная мощность: При надлежащих условиях рассеивания тепла типичный выходной ток составляет 1,5 А с пиковым значением 2,2 А (для кратковременных периодов), что подходит для устройств средней и малой мощности.

·Высокоточный контроль напряжения:

·Диапазон выходного напряжения: от 1,25 В до 37 В, точность регулирования до ±1%.

·Скорость регулирования сверхнизкого напряжения: 0,01%/В (минимальные колебания выходного напряжения при изменении входного напряжения).

·Низкая скорость регулирования нагрузки: всего 0,1% (отличная стабильность выходного сигнала при изменении тока нагрузки).

·Гибкие варианты пакетов: Доступен в вариантах TO-220 (пластиковая упаковка), TO-3 (металлическая упаковка), SOT-223 (для поверхностного монтажа) и других формах, адаптирующихся к различным требованиям к пространству и рассеиванию тепла.

·Конструкция с низким энергопотреблением: Ток покоя составляет всего 5 мА, что намного ниже, чем у аналогичных устройств, что делает его пригодным для портативного оборудования с батарейным питанием (например, портативных инструментов, устройств полевого мониторинга).

Основное преимущество LM317 заключается в «точном регулировании», что позволяет найти широкое применение в сценариях со строгими требованиями к стабильности напряжения:

·Прецизионные лабораторные источники питания (обеспечивающие регулируемое напряжение уровня 1 мВ);

·Системы питания датчиков (например, стабильное рабочее напряжение для датчиков температуры и давления);

·Электронные устройства малой мощности (например, платы разработки микроконтроллеров, небольшие приборы).

4. Сравнение функций LM338 и LM317.

5. Определения контактов и функциональные описания.

5.1 Распиновка

Распиновка LM338

Распиновка LM317

Назначение контактов обоих устройств идентично (на примере корпуса ТО-220):

·Контакт 1: терминал регулировки (ADJ, регулировка)

·Контакт 2: Выходной терминал (OUT, Выход)

·Контакт 3: Входной разъем (IN, вход)

Такая согласованность позволяет осуществлять прямую замену при проектировании схемы (требуется внимание к согласованию мощности). Например, если в схеме, изначально использующей LM317, необходимо увеличить выходной ток до 5 А, ее можно напрямую заменить на LM338, не изменяя разводку печатной платы.

5.2 Описание функций контактов

·Входной терминал (ВХ): подключается к нерегулируемому источнику питания постоянного тока (например, выпрямленной и фильтрованной сети, аккумуляторным блокам). Входное напряжение должно превышать выходное как минимум на 2В (2,5В для LM338); в противном случае может возникнуть нестабильность выходного сигнала из-за «недостаточного падения напряжения».

·Выходной терминал (ВЫХОД): Обеспечивает стабильное регулируемое напряжение постоянного тока, напрямую подключаясь к цепи нагрузки (например, двигателям, датчикам, микросхемам).

·Терминал регулировки (ADJ): Устанавливает выходное напряжение через сеть внешних резисторов. Принцип заключается в том, что между клеммами ADJ и OUT существует стабильное опорное напряжение (1,2 В для LM338, 1,25 В для LM317). Выходное напряжение можно регулировать, изменяя соотношение выборочных резисторов (формула: Vout = Vref × (1 + R2/R1) + Iadj×R2, где Iadj — ток утечки клеммы ADJ, обычно незначительный).

6. Сравнение внутренних блок-схем

6.1 Внутренняя структура LM338

Внутренняя блок-схема LM338 состоит из четырех основных модулей:

·Источник опорного напряжения: Обеспечивает опорное напряжение 1,2 В, служащее «эталонным стандартом» для регулирования выходного сигнала.

·Усилитель ошибок: Сравнивает разницу между опорным напряжением и выходным напряжением выборки для управления транзистором регулировки мощности.

·Транзистор регулировки мощности: используется силовой NPN-транзистор большого размера, способный выдерживать ток 5 А и высокое энергопотребление (максимум 70 Вт).

·Схема защиты: Включает обнаружение перегрузки по току (контроль тока регулировочного транзистора), обнаружение перегрева (контроль температуры перехода) и контроль безопасной рабочей зоны (ограничение напряжения/токовой нагрузки).

В его конструкции основное внимание уделяется усилению цепи питания: транзистор регулировки мощности имеет чрезвычайно низкое сопротивление в открытом состоянии, а подложка для рассеивания тепла напрямую соединена с металлическим корпусом, что обеспечивает термическую стабильность при высоких токах.

6.2 Внутренняя структура LM317

Внутренняя блок-схема LM317 аналогична схеме LM338, но с другими направлениями оптимизации:

·Источник опорного напряжения: Обеспечивает высокоточный опорный сигнал 1,25 В с температурным коэффициентом всего 10 ppm/°C (опорное напряжение изменяется всего на 0,001 % при изменении температуры на 1 °C).

·Усилитель ошибок: более высокий коэффициент усиления (до 80 дБ), позволяющий более чувствительно улавливать колебания напряжения и обеспечивать точность выходного сигнала.

·Транзистор регулировки мощности: Меньший размер, подходит для сценариев тока 1,5 А.

·Схема защиты: более низкий порог перегрузки по току (адаптация к выходному току 1,5 А) и более высокая скорость срабатывания, подходят для быстрой защиты оборудования средней и малой мощности.

Сходства и различия

·Общие черты: Оба используют топологию «последовательной регулировки» (силовой транзистор включен последовательно с нагрузкой) и стабилизируют выходное напряжение посредством отрицательной обратной связи по одному и тому же принципу.

·Различия: LM338 ориентирован на «силовой подшипник» (крупногабаритный силовой транзистор + улучшенный отвод тепла), а LM317 ориентирован на «точное управление» (высокоточное задание + усилитель с высоким коэффициентом усиления).

7. Типовые схемы применения

7.1 Типичные применения LM338

(1) Регулируемый регулятор напряжения 5 А

·Состав схемы: LM338 + R1 (1,2 Ом/1 Вт) + R2 (регулируемый резистор 10 кОм) + радиатор (≥200 см²).

·Диапазон выходного напряжения: 1,2–32 В, формула: Vout = 1,2×(1 + R2/R1).

·Конструкция ключа: R1 должен быть металлопленочным резистором мощностью 1 Вт (во избежание перегрева); к входной клемме необходимо подключить параллельно электролитический конденсатор емкостью 100 мкФ (для фильтрации входных пульсаций); К выходной клемме необходимо подключить параллельно керамический конденсатор емкостью 1 мкФ (для подавления высокочастотных колебаний).

(2) Зарядное устройство для свинцово-кислотных аккумуляторов

·Особенности схемы: Устанавливает постоянное значение тока (5 А) через резистор, автоматически переключаясь на непрерывную зарядку, когда напряжение батареи достигает порогового значения (например, 14,4 В для батарей 12 В).

·Сценарии применения: Быстрая зарядка электрических трехколесных велосипедов и аккумуляторов ИБП.

7.2 Типичные применения LM317

(1) Прецизионный регулируемый источник питания

·Состав схемы: LM317 + R1 (прецизионный резистор 240 Ом/0,25 Вт) + R2 (многооборотный регулируемый резистор 5 кОм) + компенсационный конденсатор 0,1 мкФ.

·Диапазон выходного напряжения: 1,25–37 В, точность регулирования до ±0,1 В.

·Конструкция ключа: в R1 используется высокоточный металлопленочный резистор (погрешность ±0,1%), а в R2 — многооборотный регулируемый резистор (для обеспечения плавного регулирования).

(2) Светодиодный драйвер постоянного тока 1,5 А

·Состав схемы: LM317 + R1 (0,8 Ом/2 Вт), выходной ток: Iout = 1,25 В/R1 (например, Iout≈1,56 А при R1=0,8 Ом).

·Сценарии применения: светодиодные матрицы мощностью 10 Вт (3 последовательных и 3 параллельных, напряжение 9–12 В).

Краткое описание различий в схемах

·Резистор выборки (R1) LM338 имеет более высокую номинальную мощность (≥1 Вт), чтобы выдерживать энергопотребление при высоком токе.

·Выборочный резистор LM317 имеет более высокую точность (≤±0,1%), что обеспечивает точность регулирования выходного напряжения.

·LM338 должен быть оснащен большим радиатором, а LM317 может отсутствовать радиатор (корпус TO-220) при выходном токе ниже 1 А.

8. Подробное сравнение характеристик

9. Краткое изложение ключевых отличий

Фундаментальная разница в уровне мощности
LM338 — это высокомощное устройство уровня 5А, подходящее для привода двигателей и мощных нагрузок; LM317 — это устройство средней и низкой мощности с током 1,5 А, подходящее для прецизионных сценариев с низким энергопотреблением. Это основная разница между ними.

Значительный разрыв в точности
Скорость регулирования напряжения LM317 (0,01 %/В) составляет 1/5 от показателя LM338 (0,05 %/В), а его температурная стабильность (10 ppm/°C) составляет 1/3 от показателя LM338 (30 ppm/°C), что делает его более подходящим для оборудования, требующего высокой точности напряжения (например, датчиков, контрольно-измерительных приборов).

<пролет ячменя