LM317 vs. LM7805: confronto approfondito tra regolatori di tensione regolabili e fissi

I. Introduzione: due forme principali di regolatori di tensione

Nei circuiti elettronici, la stabilità di un alimentatore è la pietra angolare per garantire il corretto funzionamento delle apparecchiature. Essendo i componenti principali che mantengono la stabilità della tensione, i regolatori di tensione determinano direttamente l'affidabilità e la precisione di un sistema. I regolatori lineari, con la loro struttura semplice e il basso ripple di uscita, sono ampiamente utilizzati in scenari di potenza medio-bassa.

LM317ELM7805, come modelli classici tra i regolatori lineari, rappresentano due principali percorsi tecnici: "uscita regolabile" e "uscita fissa". L'LM317 si adatta a diverse esigenze con la sua capacità flessibile di regolazione della tensione, consentendo una regolazione precisa su un ampio intervallo. L'LM7805, con la sua uscita fissa stabile a 5 V e il basso costo, è diventato la scelta preferita per scenari standardizzati come circuiti digitali e sistemi embedded. Questo articolo fornisce un confronto approfondito tra più dimensioni, tra cui caratteristiche di base, specifiche dei parametri e scenari applicativi, aiutando gli ingegneri a chiarire le differenze e i limiti applicabili tra i due per una selezione informata.

II. Caratteristiche di base diLM317: Un punto di riferimento per i regolatori regolabili

L'LM317, un regolatore lineare regolabile a tre terminali introdotto da Texas Instruments (TI), è stato uno standard industriale nella regolazione della tensione regolabile sin dal suo lancio negli anni '70. Le sue caratteristiche principali sono le seguenti:

Parametri prestazionali fondamentali

·Tensione di uscita regolabile: Attraverso una rete di resistori esterni, la tensione di uscita può essere regolata continuamente tra 1,25 V e 37 V con una precisione di regolazione fino a ±1%, adattando dispositivi che vanno dai sensori a bassa tensione ai motori a media tensione.

·Capacità di uscita di potenza: Con un'adeguata dissipazione del calore, la corrente di uscita massima raggiunge 1,5 A, con una corrente di picco di 2,2 A (per brevi periodi), soddisfacendo le esigenze di alimentazione delle apparecchiature di potenza medio-bassa.

·Alta precisione e stabilità: Tasso di regolazione della tensione fino a 0,01%/V (fluttuazione minima dell'uscita con variazioni di ingresso) e tasso di regolazione del carico di solo 0,1% (uscita stabile con variazioni della corrente di carico), adatto per scenari che richiedono precisione ad alta tensione.

·Meccanismi di protezione integrati: Integra protezione da sovracorrente (limitazione dell'uscita a ≤2,2 A), arresto termico (spegnimento automatico a temperatura di giunzione >175°C) e protezione sicura dell'area operativa (prevenzione di danni ai transistor di potenza dovuti a stress di tensione/corrente), migliorando l'affidabilità del circuito.

·Opzioni di imballaggio flessibili: Disponibile in TO-220 (contenitore in plastica, adatto per la dissipazione del calore generale), TO-3 (contenitore in metallo, eccellenti prestazioni termiche) e SOT-223 (montaggio superficiale, ideale per progetti miniaturizzati), adattandosi a diversi requisiti di spazio e raffreddamento.

Principio di funzionamento

L'LM317 si basa su una topologia di "regolazione in serie", costituita da una sorgente di tensione di riferimento, un amplificatore di errore e un transistor di regolazione della potenza:

1. La sorgente di tensione di riferimento interna fornisce un riferimento stabile di 1,25 V.

2. L'amplificatore di errore confronta la tensione di riferimento con una tensione di uscita campionata, generando un segnale di errore.

3. Il transistor di regolazione della potenza regola dinamicamente la sua conduzione in base al segnale di errore per stabilizzare la tensione di uscita al valore impostato.

Questo design consente una regolazione di alta precisione tramite feedback negativo, garantendo un'uscita stabile anche con variazioni di tensione di ingresso o di carico.

III. Caratteristiche di base diLM7805: Una soluzione classica per uscita fissa a 5 V

L'LM7805, un regolatore lineare a tre terminali con uscita fissa della serie 78xx, è stato introdotto per la prima volta da Fairchild Semiconductor e in seguito è diventato uno standard del settore. Progettato specificamente per scenari di alimentazione a 5 V, le sue caratteristiche principali sono:

Parametri prestazionali fondamentali

·Tensione di uscita fissa: Il valore predefinito è 5 V CC con un errore di uscita di ≤±5% (tipicamente ±2%), che non richiede componenti di regolazione esterni, semplificando la progettazione del circuito.

·Capacità di uscita di potenza: I modelli standard (ad esempio LM7805CT) forniscono una corrente di uscita massima di 1,5 A (con raffreddamento), mentre le versioni migliorate (ad esempio LM7805HVT) raggiungono 3 A, soddisfacendo le esigenze dei dispositivi convenzionali da 5 V.

·Alta affidabilità: Dispone di protezione da sovracorrente (limitazione dell'uscita a ≤3 A), protezione da cortocircuito (limitazione automatica della corrente durante i cortocircuiti in uscita) e arresto termico (spegnimento alla temperatura di giunzione >150°C), garantendo una risposta rapida a carichi anomali per proteggere sia il dispositivo che il carico.

·Uscita a bassa ondulazione: Integra circuiti di soppressione del rumore, con ondulazione di uscita di soli 5 mV (tipica), ben al di sotto della tolleranza al rumore dei circuiti digitali, rendendolo adatto per alimentare dispositivi sensibili come microcontrollori e chip logici.

·Basso costo e disponibilità: Essendo un dispositivo maturo in produzione da oltre mezzo secolo, l'LM7805 beneficia di una produzione su larga scala, con un prezzo unitario di soli $ 0,10–$ 0,50, catene di fornitura stabili e disponibilità da quasi tutti i fornitori di componenti elettronici.

Principio di funzionamento

L'LM7805 funziona in modo simile all'LM317 ma omette il componente regolabile:

1. La sorgente di tensione di riferimento interna è fissa a 5 V.

2. L'amplificatore di errore confronta direttamente la tensione di riferimento con la tensione di uscita per pilotare il transistor di regolazione della potenza.

3. Il transistor di regolazione della potenza regola dinamicamente la conduzione per stabilizzare l'uscita a 5 V.

Questo design semplifica i circuiti periferici: sono necessari solo condensatori di filtro in ingresso e in uscita, rendendolo ideale per la prototipazione rapida o la produzione di massa.

IV. Decodifica della nomenclatura "LM" e "7805".

Significato di "LM"

"LM" sta per "Linear Monlytic", a indicare che questi dispositivi sono circuiti integrati lineari realizzati utilizzando la tecnologia IC monolitica. Questo prefisso è ampiamente utilizzato nella denominazione dei circuiti integrati lineari da produttori come Texas Instruments (TI) e National Semiconductor (NS), ad esempio:

·LM358: doppio amplificatore operazionale;

·LM555: CI temporizzatore;

·LM339: comparatore di tensione quadruplo.

Significato di "7805"

"7805" segue una convenzione di denominazione standardizzata per i regolatori a uscita fissa, con due componenti:

·"78": indica l'appartenenza alla serie di regolatori di tensione positiva fissa (la serie corrispondente "79" è per regolatori di tensione negativa fissa, ad esempio, uscite LM7905 -5 V, uscite LM7912 -12 V).

·"05": indica una tensione di uscita di 5 V. Altri modelli della serie seguono questa logica (ad esempio, LM7809 emette 9 V, LM7812 emette 12 V, LM7824 emette 24 V).

Questo sistema di denominazione riflette in modo intuitivo la funzione e i parametri del dispositivo, facilitando la rapida identificazione e selezione da parte degli ingegneri.

V. Confronto dei parametri chiave della scheda tecnica: LM317 rispetto a LM7805

Nota: la "tensione di caduta" si riferisce alla differenza di tensione minima richiesta tra ingresso e uscita per il corretto funzionamento del regolatore.

VI. Analisi approfondita delle differenze caratteristiche

1. Flessibilità dell'output

LM317: La regolazione della tensione si ottiene modificando il rapporto tra i resistori esterni R1 e R2, utilizzando la formula Vout = 1,25 V × (1 + R2/R1). Per esempio:

·Uscita 1,25V con R1=240Ω e R2=0Ω;

·Uscita ~12V con R1=240Ω e R2=2,2kΩ;

·Uscita ~37V con R1=240Ω e R2=7kΩ.
Questa flessibilità consente l'adattamento a molteplici requisiti di tensione senza riprogettare i circuiti per tensioni diverse.

LM7805: L'uscita è fissa a 5 V e non può essere regolata. Per altre tensioni, è necessario utilizzare modelli alternativi della serie (ad esempio, LM7809 per 9 V, LM7812 per 12 V), limitando la flessibilità di progettazione.

2. Complessità del circuito

LM317: Richiede almeno due resistori esterni (R1 è in genere un resistore di precisione da 240 Ω, R2 è un resistore regolabile). In alcuni casi, vengono aggiunti un condensatore elettrolitico da 10μF (per sopprimere l'ondulazione a bassa frequenza) e un condensatore ceramico da 100nF (per prevenire l'oscillazione ad alta frequenza), rendendo il circuito leggermente complesso con i calcoli dei parametri del resistore necessari durante il debug.

LM7805: Non necessita di componenti di regolazione esterni: sono necessari solo un condensatore elettrolitico da 100μF all'ingresso (per filtrare l'ondulazione in ingresso) e un condensatore elettrolitico da 10μF all'uscita (per stabilizzare l'uscita). Il circuito è estremamente semplice, ideale per principianti o per la prototipazione rapida.

3. Efficienza e dissipazione di potenza

Entrambi sono regolatori lineari, con dissipazione di potenza calcolata come P = (Vin - Vout) × Iout. L'efficienza diminuisce all'aumentare della differenza di tensione ingresso-uscita (Vin - Vout), una caratteristica intrinseca dei regolatori lineari. Tuttavia, esistono differenze fondamentali:

·LM317: La differenza di tensione può essere ridotta regolando la tensione di uscita. Ad esempio, con un ingresso da 10 V, l'uscita può essere impostata su 9 V (differenza di 1 V), con conseguente dissipazione di 1 V × Iout.

·LM7805: La differenza di tensione è fissata su Vin - 5 V per qualsiasi ingresso compreso tra 7 V e 35 V. Per un ingresso da 20 V, la differenza raggiunge i 15 V, portando a una dissipazione di 15 V × Iout, molto più elevata rispetto agli scenari regolabili con l'LM317.

Pertanto, l'LM317 offre vantaggi significativi in ​​termini di dissipazione di potenza in scenari con tensioni di ingresso elevate o fluttuanti.

4. Adattabilità del carico

·LM317: Mantiene un'uscita stabile anche con carichi leggeri (ad esempio 10 mA) con fluttuazioni di tensione ≤0,5%, adatto per dispositivi a bassa potenza (ad esempio sensori portatili, strumenti alimentati a batteria).

·LM7805: Alcuni modelli possono presentare una deriva della tensione di uscita di ±2% o più con correnti di carico inferiori a 50 mA, rendendoli più adatti per scenari di carico medio-alto (ad esempio, sistemi con microcontrollore da 500 mA–1,5 A, piccoli motori).

VII. Confronto degli scenari applicativi

Applicazioni tipiche di LM317

·Piattaforme da laboratorio multitensione: Costruire alimentatori regolabili nei laboratori per alimentare dispositivi con tensioni variabili (ad esempio, microcontrollori da 3,3 V, circuiti logici da 5 V, sensori da 9 V, relè da 12 V), riducendo il numero di dispositivi di alimentazione.

·Caricabatterie: Regolazione della tensione e della corrente di uscita (utilizzando resistori di campionamento esterni per corrente costante) per caricare varie batterie (NiCd da 1,2 V, ioni di litio da 3,7 V, acido al piombo da 6 V), offrendo una forte versatilità.

·Potenza per strumenti di precisione: Fornisce tensioni regolabili ad alta precisione per oscilloscopi, generatori di segnali e analizzatori di spettro per garantire l'accuratezza della misurazione.

·Driver LED: Progettazione di circuiti a corrente costante (ad esempio, resistori in serie da 0,8 Ω per corrente da 1,5 A) per fornire corrente stabile a serie di LED con tensioni diverse (ad esempio, LED rossi da 3 V, LED bianchi da 9 V), evitando fluttuazioni di luminosità.

Applicazioni tipiche di LM7805

·Circuiti digitali da 5 V: Fornisce 5 V standard a microcontrollori (Arduino, 8051, STM32), chip logici della serie 74HC e circuiti di interfaccia USB, soddisfacendo i severi requisiti di tensione dei sistemi digitali.

·Piccoli elettrodomestici: Alimenta moduli da 5 V in router, set-top box e altoparlanti intelligenti, sfruttando il basso costo e l'elevata stabilità per semplificare la progettazione e ridurre i costi di produzione di massa.

·Elettronica automobilistica: Conversione dell'ingresso dell'auto da 12 V a 5 V per caricabatterie USB, utilizzando dissipatori di calore per adattarsi ad ambienti ad alta temperatura e alimentare telefoni cellulari, dashcam, ecc.

·Alimentatori di emergenza: Creazione rapida di circuiti temporanei da 5 V per alimentare moduli Bluetooth, localizzatori GPS, ecc., all'aperto: semplice da cablare senza necessità di debug.

VIII. Selezione dei componenti alternativi

Equivalenti per LM317

·Stessa serie:

·LM117: di livello militare, funzionante a temperature comprese tra -55°C e 150°C, adatto per ambienti con temperature estreme.

·LM217: di livello industriale, funzionante a temperature comprese tra -25°C e 150°C, ideale per il controllo industriale.

·Alternative ad alta corrente:

·LM338: uscita massima 5 A, adatta per dispositivi ad alta potenza (ad es. piccoli motori, array di LED ad alta potenza).

·LT1083 (ADI): uscita da 5 A con bassa caduta di tensione (1,5 V a 5 A) per una maggiore efficienza.

·Alternative a basso abbandono:

·LM1117-ADJ: uscita regolabile con dropout da 1,2 V a 1 A, adatta per dispositivi alimentati a batteria (ad esempio, alimentazione ausiliaria per laptop).

Equivalenti per LM7805

·Stessi aggiornamenti della serie:

·LM7805CT: pacchetto TO-220, uscita da 1,5 A, preferito per scenari generali.

·LM78M05: contenitore TO-252, uscita da 0,5 A, adatto per progetti miniaturizzati.

·LM78L05: contenitore TO-92, uscita da 0,1 A, ideale per scenari di microalimentazione (ad esempio, nodi sensore).

·Alternative a basso abbandono:

·LM1117-5.0: dropout da 1,2 V a 800 mA con ondulazione in uscita ≤2 mV, adatto per dispositivi a bassa potenza da 5 V.

·XC6206P502MR (Torex): dropout ultrabasso (0,3 V a 300 mA), perfetto per dispositivi portatili alimentati a batteria.

·Modelli di protezione rafforzata:

·LM2940-5.0 (TI): integra protezione da tensione inversa e sovratensione, uscita 1 A, adatto per ambienti automobilistici e industriali.

IX. Discutere sulla superiorità: no assoluto