LM317 и LM7805: углубленное сравнение регулируемых и фиксированных стабилизаторов напряжения

I. Введение: две основные формы регуляторов напряжения

В электронных схемах стабильность источника питания является краеугольным камнем обеспечения правильной работы оборудования. Являясь основными компонентами, обеспечивающими стабильность напряжения, регуляторы напряжения напрямую определяют надежность и точность системы. Линейные регуляторы с их простой конструкцией и низкими пульсациями на выходе широко используются в сценариях с низкой и средней мощностью.

ЛМ317иLM7805, как классические модели линейных регуляторов, представляют собой два основных технических направления: «регулируемый выход» и «фиксированный выход». LM317 адаптируется к разнообразным потребностям благодаря гибкой регулировке напряжения, обеспечивающей точную настройку в широком диапазоне. LM7805, благодаря стабильному фиксированному выходному напряжению 5 В и низкой стоимости, стал предпочтительным выбором для стандартизированных сценариев, таких как цифровые схемы и встроенные системы. В этой статье представлено углубленное сравнение по нескольким параметрам, включая основные характеристики, спецификации параметров и сценарии применения, что помогает инженерам прояснить различия и применимые границы между ними для осознанного выбора.

II. Основные характеристикиЛМ317: Эталон для регулируемых регуляторов

LM317, трехконтактный регулируемый линейный стабилизатор, представленный компанией Texas Instruments (TI), является отраслевым стандартом в области регулируемого регулирования напряжения с момента его запуска в 1970-х годах. Его основные характеристики заключаются в следующем:

Основные параметры производительности

·Регулируемое выходное напряжение: С помощью внешней резисторной сети выходное напряжение можно плавно регулировать в диапазоне от 1,25 В до 37 В с точностью регулирования до ± 1%, что позволяет использовать самые разные устройства, от датчиков низкого напряжения до двигателей среднего напряжения.

·Выходная мощность: При правильном рассеивании тепла максимальный выходной ток достигает 1,5 А при пиковом токе 2,2 А (на короткое время), что соответствует потребностям в мощности оборудования малой и средней мощности.

·Высокая точность и стабильность: Скорость регулирования напряжения всего 0,01%/В (минимальные колебания выходного сигнала при изменениях входного сигнала) и скорость регулирования нагрузки всего 0,1% (стабильный выходной сигнал при изменениях тока нагрузки), что подходит для сценариев, требующих высокой точности напряжения.

·Встроенные механизмы защиты: Включает защиту от перегрузки по току (ограничение выходного сигнала до уровня ≤2,2 А), термическое отключение (автоматическое отключение при температуре перехода >175°C) и защиту безопасной рабочей зоны (предотвращение повреждения силового транзистора из-за перенапряжения/тока), повышая надежность схемы.

·Гибкие варианты упаковки: Доступен в исполнениях TO-220 (пластиковая упаковка, подходит для общего отвода тепла), TO-3 (металлическая упаковка, отличные тепловые характеристики) и SOT-223 (для поверхностного монтажа, идеально подходит для миниатюрных конструкций), адаптируясь к разнообразным требованиям к пространству и охлаждению.

Принцип работы

LM317 основан на топологии «последовательного регулирования», состоящей из источника опорного напряжения, усилителя ошибки и транзистора регулировки мощности:

1. Внутренний источник опорного напряжения обеспечивает стабильное опорное напряжение 1,25 В.

2. Усилитель ошибки сравнивает опорное напряжение с дискретным выходным напряжением, генерируя сигнал ошибки.

3. Транзистор регулировки мощности динамически регулирует свою проводимость на основе сигнала ошибки, чтобы стабилизировать выходное напряжение на заданном значении.

Такая конструкция обеспечивает высокоточное регулирование за счет отрицательной обратной связи, обеспечивая стабильный выходной сигнал даже при изменениях входного напряжения или нагрузки.

III. Основные характеристикиLM7805: Классическое решение для фиксированного выхода 5 В.

LM7805, трехвыводной линейный стабилизатор с фиксированным выходом серии 78xx, был впервые представлен компанией Fairchild Semiconductor и позже стал отраслевым стандартом. Разработанный специально для сценариев питания 5 В, его основные характеристики:

Основные параметры производительности

·Фиксированное выходное напряжение: По умолчанию 5 В постоянного тока с погрешностью на выходе ≤±5% (обычно ±2%), не требует внешних компонентов регулировки, что упрощает проектирование схемы.

·Выходная мощность: Стандартные модели (например, LM7805CT) обеспечивают максимальный выходной ток 1,5 А (с охлаждением), а расширенные версии (например, LM7805HVT) достигают 3 А, что соответствует потребностям обычных устройств с напряжением 5 В.

·Высокая надежность: Имеет защиту от перегрузки по току (ограничение выходного тока до ≤3 А), защиту от короткого замыкания (автоматическое ограничение тока при коротком замыкании на выходе) и термическое отключение (отключение при температуре перехода >150°C), обеспечивая быстрое реагирование на аномальные нагрузки для защиты как устройства, так и нагрузки.

·Низкий уровень пульсаций на выходе: Включает схему подавления шума, пульсации выходного сигнала составляют всего 5 мВ (типично), что значительно ниже допустимого уровня шума цифровых схем, что делает его пригодным для питания чувствительных устройств, таких как микроконтроллеры и логические микросхемы.

·Низкая стоимость и доступность: Будучи зрелым устройством, которое производится уже более полувека, LM7805 выигрывает от крупномасштабного производства, цены за единицу всего 0,10–0,50 доллара США, стабильных цепочек поставок и доступности практически от всех поставщиков электронных компонентов.

Принцип работы

LM7805 работает аналогично LM317, но в нем отсутствует регулируемый компонент:

1. Внутренний источник опорного напряжения имеет фиксированное значение 5 В.

2. Усилитель ошибки напрямую сравнивает опорное напряжение с выходным напряжением для управления транзистором регулировки мощности.

3. Транзистор регулировки мощности динамически регулирует проводимость для стабилизации выходного напряжения на уровне 5 В.

Такая конструкция упрощает периферийные схемы — требуются только фильтрующие конденсаторы на входе и выходе — что делает ее идеальной для быстрого прототипирования или массового производства.

IV. Расшифровка номенклатуры «LM» и «7805»

Значение слова «ЛМ»

«LM» означает «линейный монолитный», что указывает на то, что эти устройства представляют собой линейные интегральные схемы, изготовленные с использованием монолитной технологии IC. Этот префикс широко используется для обозначения линейных интегральных схем такими производителями, как Texas Instruments (TI) и National Semiconductor (NS), например:

·LM358: двойной операционный усилитель;

·LM555: микросхема таймера;

·LM339: Счетверенный компаратор напряжения.

Значение «7805»

«7805» соответствует стандартизированному соглашению об именах регуляторов с фиксированным выходом и состоит из двух компонентов:

·«78»: указывает на принадлежность к серии стабилизаторов с фиксированным положительным напряжением (соответствующая серия «79» предназначена для стабилизаторов с фиксированным отрицательным напряжением, например, LM7905 выводит -5 В, LM7912 выводит -12 В).

·«05»: Обозначает выходное напряжение 5 В. Другие модели этой серии следуют этой логике (например, LM7809 выдает 9 В, LM7812 выдает 12 В, LM7824 выдает 24 В).

Эта система именования интуитивно отражает функции и параметры устройства, облегчая быструю идентификацию и выбор инженерами.

V. Сравнение основных параметров таблицы: LM317 и LM7805

Примечание. «Падение напряжения» означает минимальную разницу напряжений, необходимую между входом и выходом для правильной работы регулятора.

VI. Углубленный анализ характерных различий

1. Гибкость вывода

ЛМ317: Регулировка напряжения достигается изменением соотношения внешних резисторов R1 и R2 по формуле Vвых = 1,25В × (1 + R2/R1). Например:

·Выход 1,25 В с R1=240 Ом и R2=0 Ом;

·Выход ~12 В с R1=240 Ом и R2=2,2 ​​кОм;

·Выход ~37 В с R1 = 240 Ом и R2 = 7 кОм.
Такая гибкость позволяет адаптироваться к различным требованиям к напряжению без перепроектирования схем для разных напряжений.

LM7805: Выход зафиксирован на уровне 5 В и не может быть отрегулирован. Для других напряжений необходимо использовать альтернативные модели этой серии (например, LM7809 для 9 В, LM7812 для 12 В), что ограничивает гибкость конструкции.

2. Сложность схемы

ЛМ317: Требуется как минимум два внешних резистора (R1 обычно представляет собой прецизионный резистор сопротивлением 240 Ом, R2 — регулируемый резистор). В некоторых случаях добавляются электролитический конденсатор емкостью 10 мкФ (для подавления низкочастотных пульсаций) и керамический конденсатор емкостью 100 нФ (для предотвращения высокочастотных колебаний), что немного усложняет схему расчетами параметров резисторов, необходимыми во время отладки.

LM7805: Не требует внешних компонентов регулировки — требуются только электролитический конденсатор емкостью 100 мкФ на входе (для фильтрации входных пульсаций) и электролитический конденсатор емкостью 10 мкФ на выходе (для стабилизации выходного сигнала). Схема чрезвычайно проста и идеально подходит для начинающих или быстрого прототипирования.

3. Эффективность и рассеиваемая мощность

Оба являются линейными регуляторами, рассеиваемая мощность которых рассчитывается как P = (Vin - Vout) × Iout. КПД снижается по мере увеличения разницы входного и выходного напряжения (Vin – Vout) – это неотъемлемая характеристика линейных регуляторов. Однако существуют ключевые различия:

·ЛМ317: Разницу напряжений можно уменьшить, отрегулировав выходное напряжение. Например, при входном напряжении 10 В выходное напряжение можно установить на 9 В (разница 1 В), что приведет к рассеиванию 1 В × Iout.

·LM7805: Разность напряжений фиксируется на уровне Vin - 5 В для любого входа в диапазоне 7–35 В. Для входного напряжения 20 В разница достигает 15 В, что приводит к рассеиванию 15 В × Iout, что намного выше, чем в регулируемых сценариях с LM317.

Таким образом, LM317 обеспечивает значительные преимущества в рассеивании мощности в сценариях с большими или нестабильными входными напряжениями.

4. Адаптивность нагрузки

·ЛМ317: Поддерживает стабильный выход даже при небольших нагрузках (например, 10 мА) с колебаниями напряжения ≤0,5%, подходит для устройств с низким энергопотреблением (например, портативных датчиков, приборов с батарейным питанием).

·LM7805: Некоторые модели могут иметь дрейф выходного напряжения ±2% или более при токах нагрузки ниже 50 мА, что делает их более подходящими для сценариев со средней и высокой нагрузкой (например, микроконтроллерные системы 500–1,5 А, небольшие двигатели).

VII. Сравнение сценариев применения

Типичные применения LM317

·Многовольтные лабораторные платформы: Создание в лабораториях регулируемых источников питания для питания устройств с различным напряжением (например, микроконтроллеров 3,3 В, логических схем 5 В, датчиков 9 В, реле 12 В), сокращая количество устройств питания.

·Зарядные устройства для аккумуляторов: регулировка выходного напряжения и тока (с использованием внешних выборочных резисторов для обеспечения постоянного тока) для зарядки различных аккумуляторов (никель-кадмиевые 1,2 В, литий-ионные 3,7 В, свинцово-кислотные 6 В), что обеспечивает высокую универсальность.

·Мощность для прецизионных инструментов: Обеспечение высокоточных регулируемых напряжений для осциллографов, генераторов сигналов и анализаторов спектра для обеспечения точности измерений.

·Светодиодные драйверы: Разработка цепей постоянного тока (например, последовательных резисторов 0,8 Ом для тока 1,5 А) для подачи стабильного тока на светодиодные матрицы с различным напряжением (например, красные светодиоды 3 В, белые светодиоды 9 В), избегая колебаний яркости.

Типичные применения LM7805

·Цифровые схемы 5 В: Подача стандартного напряжения 5 В на микроконтроллеры (Arduino, 8051, STM32), логические микросхемы серии 74HC и схемы интерфейса USB, соответствующие строгим требованиям к напряжению цифровых систем.

·Мелкая бытовая техника: питание модулей 5 В в маршрутизаторах, телевизионных приставках и интеллектуальных динамиках, использование низкой стоимости и высокой стабильности для упрощения конструкции и снижения затрат на массовое производство.

·Автомобильная электроника: Преобразование автомобильного напряжения 12 В в напряжение 5 В для зарядных устройств USB с использованием радиаторов для адаптации к высокотемпературным средам и питания мобильных телефонов, видеорегистраторов и т. д.

·Аварийные источники питания: Быстрое создание временных 5-вольтовых цепей для питания модулей Bluetooth, GPS-трекеров и т. д. на открытом воздухе — простое подключение без необходимости отладки.

VIII. Альтернативный выбор компонентов

Эквиваленты для LM317

·Та же серия:

·LM117: Военный класс, работает при температуре от -55°C до 150°C, подходит для экстремальных температур.

·LM217: Промышленного класса, работает при температуре от -25°C до 150°C, идеально подходит для промышленного управления.

·Сильноточные альтернативы:

·LM338: максимальный выходной ток 5 А, подходит для устройств высокой мощности (например, небольших двигателей, мощных светодиодных матриц).

·LT1083 (ADI): выход 5 А с низким падением напряжения (1,5 В при 5 А) для более высокой эффективности.

·Альтернативы с низким уровнем отсева:

·LM1117-ADJ: Регулируемый выход с падением напряжения 1,2 В при 1 А, подходит для устройств с батарейным питанием (например, вспомогательного источника питания ноутбука).

Эквиваленты для LM7805

·Обновления той же серии:

·LM7805CT: корпус TO-220, выход 1,5 А, предпочтителен для общих сценариев.

·LM78M05: корпус TO-252, выход 0,5 А, подходит для миниатюрных конструкций.

·LM78L05: корпус TO-92, выход 0,1 А, идеально подходит для сценариев микромощности (например, сенсорных узлов).

·Альтернативы с низким уровнем отсева:

·LM1117-5.0: падение напряжения 1,2 В при 800 мА с выходной пульсацией ≤2 мВ, подходит для маломощных устройств с напряжением 5 В.

·XC6206P502MR (Torex): сверхнизкое падение напряжения (0,3 В при 300 мА), идеально подходит для портативных устройств с батарейным питанием.

·Модели повышенной защиты:

·LM2940-5.0 (TI): включает защиту от обратного напряжения и перенапряжения, выходной ток 1 А, подходит для автомобильной и промышленной среды.

IX. Дебаты о превосходстве: нет Абсолюта