LM317 ve LM7805: Ayarlanabilir ve Sabit Voltaj Regülatörlerinin Derinlemesine Karşılaştırması

I. Giriş: Gerilim Regülatörlerinin İki Temel Formu

Elektronik devrelerde güç kaynağının kararlılığı, ekipmanın düzgün çalışmasını sağlamanın temel taşıdır. Gerilim kararlılığını koruyan temel bileşenler olan gerilim regülatörleri, bir sistemin güvenilirliğini ve hassasiyetini doğrudan belirler. Basit yapısı ve düşük çıkış dalgalanması ile doğrusal regülatörler, düşük ila orta güç senaryolarında yaygın olarak kullanılmaktadır.

LM317VeLM7805Lineer regülatörler arasında klasik modeller olarak iki ana teknik yolu temsil eder: "ayarlanabilir çıkış" ve "sabit çıkış." LM317, esnek voltaj düzenleme özelliğiyle farklı ihtiyaçlara uyum sağlayarak geniş bir aralıkta hassas ayarlamaya olanak tanır. Kararlı 5V sabit çıkışı ve düşük maliyetiyle LM7805, dijital devreler ve gömülü sistemler gibi standartlaştırılmış senaryolar için tercih edilen seçenek haline geldi. Bu makale, temel özellikler, parametre spesifikasyonları ve uygulama senaryoları dahil olmak üzere birçok boyuttan derinlemesine bir karşılaştırma sağlayarak mühendislerin bilinçli seçim için ikisi arasındaki farkları ve uygulanabilir sınırları netleştirmesine yardımcı olur.

II. Temel ÖzellikleriLM317: Ayarlanabilir Regülatörler için Bir Karşılaştırma Ölçütü

Texas Instruments (TI) tarafından tanıtılan üç terminalli ayarlanabilir doğrusal regülatör olan LM317, 1970'lerde piyasaya sürülmesinden bu yana ayarlanabilir voltaj regülasyonunda bir endüstri standardı olmuştur. Temel özellikleri aşağıdaki gibidir:

Temel Performans Parametreleri

·Ayarlanabilir Çıkış Gerilimi: Harici bir direnç ağı aracılığıyla çıkış voltajı, alçak gerilim sensörlerinden orta gerilim motorlarına kadar çeşitli cihazlara uyum sağlayacak şekilde ±%1'e varan regülasyon doğruluğu ile 1,25V ile 37V arasında sürekli olarak ayarlanabilir.

·Güç Çıkışı Yeteneği: Uygun ısı dağıtımıyla maksimum çıkış akımı, 2,2A tepe akımıyla (kısa süreler için) 1,5A'ya ulaşır ve düşük ila orta güçlü ekipmanların güç ihtiyaçlarını karşılar.

·Yüksek Hassasiyet ve Kararlılık: %0,01/V kadar düşük voltaj regülasyon oranı (giriş değişiklikleriyle minimum çıkış dalgalanması) ve yalnızca %0,1'lik yük regülasyon oranı (yük akımı değişimleriyle stabil çıkış), yüksek voltaj hassasiyeti gerektiren senaryolar için uygundur.

·Dahili Koruma Mekanizmaları: Aşırı akım korumasını (çıkış ≤2,2A ile sınırlandırılır), termal kapatmayı (>175°C bağlantı sıcaklığında otomatik kapatma) ve güvenli çalışma alanı korumasını (gerilim/akım stresinden kaynaklanan güç transistörünün zarar görmesini önleyerek) entegre ederek devre güvenilirliğini artırır.

·Esnek Paketleme Seçenekleri: TO-220 (plastik ambalaj, genel ısı dağıtımına uygun), TO-3 (metal kutu ambalaj, mükemmel termal performans) ve SOT-223 (yüzeye montaj, minyatür tasarımlar için ideal) seçenekleri mevcuttur ve çeşitli alan ve soğutma gereksinimlerine uyum sağlar.

Çalışma Prensibi

LM317, bir referans voltaj kaynağı, hata amplifikatörü ve güç ayarlama transistöründen oluşan bir "seri düzenleme" topolojisine dayanmaktadır:

1. Dahili referans voltaj kaynağı, kararlı bir 1,25V referans sağlar.

2. Hata amplifikatörü, referans voltajını örneklenmiş bir çıkış voltajıyla karşılaştırarak bir hata sinyali üretir.

3. Güç ayarlama transistörü, çıkış voltajını ayarlanan değerde sabitlemek için hata sinyaline göre iletimini dinamik olarak ayarlar.

Bu tasarım, negatif geri besleme yoluyla yüksek hassasiyetli düzenleme sağlar ve giriş voltajı veya yük değişimlerinde bile kararlı çıkış sağlar.

III. Temel ÖzellikleriLM7805: Sabit 5V Çıkış için Klasik Bir Çözüm

78xx serisindeki üç terminalli sabit çıkışlı bir doğrusal regülatör olan LM7805, ilk olarak Fairchild Semiconductor tarafından tanıtıldı ve daha sonra bir endüstri standardı haline geldi. Özellikle 5V güç senaryoları için tasarlanan temel özellikleri şunlardır:

Temel Performans Parametreleri

·Sabit Çıkış Gerilimi: Varsayılan olarak ≤±%5 (tipik olarak ±%2) çıkış hatasıyla 5V DC'ye ayarlanır, harici ayar bileşeni gerektirmez, devre tasarımını basitleştirir.

·Güç Çıkışı Yeteneği: Standart modeller (örn. LM7805CT) maksimum 1,5A çıkış akımı sağlar (soğutmayla birlikte), geliştirilmiş versiyonlar (örn. LM7805HVT) 3A'ya ulaşarak geleneksel 5V cihazların ihtiyaçlarını karşılar.

·Yüksek Güvenilirlik: Aşırı akım koruması (çıkış ≤3A ile sınırlandırılır), kısa devre koruması (çıkış kısa devreleri sırasında otomatik akım sınırlama) ve termal kapatma (>150°C bağlantı sıcaklığında kapatma) özelliklerine sahiptir ve hem cihazı hem de yükü korumak için anormal yüklere hızlı tepki verilmesini sağlar.

·Düşük Dalgalanma Çıkışı: Dijital devrelerin gürültü toleransının çok altında, 5 mV (tipik) kadar düşük çıkış dalgalanmasıyla gürültü bastırma devresini entegre ederek mikro denetleyiciler ve mantık çipleri gibi hassas cihazlara güç sağlamak için uygun hale getirir.

·Düşük Maliyet ve Kullanılabilirlik: Yarım yüzyılı aşkın bir süredir üretimde olan olgun bir cihaz olan LM7805, yalnızca 0,10 ila 0,50 ABD Doları birim fiyatı, istikrarlı tedarik zincirleri ve neredeyse tüm elektronik bileşen tedarikçilerinden temin edilebilirliğiyle büyük ölçekli üretimden yararlanır.

Çalışma Prensibi

LM7805, LM317'ye benzer şekilde çalışır ancak ayarlanabilir bileşeni içermez:

1. Dahili referans voltaj kaynağı 5V'a sabitlenmiştir.

2. Hata amplifikatörü, güç ayarlama transistörünü çalıştırmak için referans voltajını doğrudan çıkış voltajıyla karşılaştırır.

3. Güç ayarlama transistörü, çıkışı 5V'ta stabilize etmek için iletimi dinamik olarak ayarlar.

Bu tasarım çevresel devreleri basitleştirir; yalnızca giriş ve çıkışta filtre kapasitörlerine ihtiyaç duyulur; bu da onu hızlı prototipleme veya seri üretim için ideal kılar.

IV. "LM" ve "7805" Adlandırmasının Kodunu Çözme

"LM"nin anlamı

"LM", "Doğrusal Monolitik" anlamına gelir ve bu cihazların monolitik IC teknolojisi kullanılarak üretilen doğrusal entegre devreler olduğunu belirtir. Bu önek, Texas Instruments (TI) ve National Semiconductor (NS) gibi üreticiler tarafından doğrusal entegre devrelerin adlandırılmasında yaygın olarak kullanılmaktadır, örneğin:

·LM358: Çift işlemsel yükselteç;

·LM555: Zamanlayıcı IC;

·LM339: Dörtlü voltaj karşılaştırıcısı.

"7805"in Anlamı

"7805", iki bileşenli, sabit çıkışlı regülatörler için standartlaştırılmış bir adlandırma kuralını takip eder:

·"78": Sabit pozitif voltaj regülatör serisine üyeliği belirtir (karşılık gelen "79" serisi, sabit negatif voltaj regülatörleri içindir, örneğin LM7905 çıkışları -5V, LM7912 çıkışları -12V).

·"05": 5V çıkış voltajını belirtir. Serideki diğer modeller bu mantığı takip etmektedir (örn. LM7809 çıkış 9V, LM7812 çıkış 12V, LM7824 çıkış 24V).

Bu adlandırma sistemi, cihazın işlevini ve parametrelerini sezgisel olarak yansıtarak mühendislerin hızlı tanımlamasını ve seçmesini kolaylaştırır.

V. Anahtar Veri Sayfası Parametre Karşılaştırması: LM317 ve LM7805

Not: "Bırakma voltajı", regülatörün düzgün çalışması için giriş ve çıkış arasında gereken minimum voltaj farkını ifade eder.

VI. Karakteristik Farklılıkların Derinlemesine Analizi

1. Çıktı Esnekliği

LM317: Gerilim ayarı, Vout = 1,25V × (1 + R2/R1) formülü kullanılarak R1 ve R2 harici dirençlerinin oranı değiştirilerek gerçekleştirilir. Örneğin:

·R1=240Ω ve R2=0Ω ile 1,25V çıkış;

·~12V çıkış, R1=240Ω ve R2=2,2kΩ;

·~37V çıkış, R1=240Ω ve R2=7kΩ.
Bu esneklik, devreleri farklı voltajlar için yeniden tasarlamaya gerek kalmadan birden fazla voltaj gereksinimine uyum sağlamaya olanak tanır.

LM7805: Çıkış 5V'a sabitlenmiştir ve ayarlanamaz. Diğer voltajlar için serideki alternatif modellerin kullanılması gerekir (örneğin, 9V için LM7809, 12V için LM7812), bu da tasarım esnekliğini sınırlar.

2. Devre Karmaşıklığı

LM317: En az iki harici direnç gerektirir (R1 tipik olarak 240Ω'luk hassas bir dirençtir, R2 ayarlanabilir bir dirençtir). Bazı durumlarda, 10μF'lik bir elektrolitik kapasitör (düşük frekanslı dalgalanmayı bastırmak için) ve 100nF'lik bir seramik kapasitör (yüksek frekanslı salınımı önlemek için) eklenir ve hata ayıklama sırasında gereken direnç parametresi hesaplamaları nedeniyle devreyi biraz karmaşık hale getirir.

LM7805: Harici ayarlama bileşenlerine ihtiyaç duymaz; yalnızca girişte (giriş dalgalanmasını filtrelemek için) 100μF elektrolitik kapasitör ve çıkışta (çıkış stabilize etmek için) 10μF elektrolitik kapasitör gereklidir. Devre son derece basittir, yeni başlayanlar veya hızlı prototipleme için idealdir.

3. Verimlilik ve Güç Tüketimi

Her ikisi de doğrusal regülatörlerdir ve güç kaybı P = (Vin - Vout) × Iout olarak hesaplanır. Doğrusal regülatörlerin doğal bir özelliği olan giriş-çıkış voltaj farkı (Vin - Vout) arttıkça verimlilik azalır. Ancak temel farklılıklar mevcuttur:

·LM317: Çıkış voltajı ayarlanarak voltaj farkı azaltılabilir. Örneğin, 10V'luk bir girişle çıkış 9V'a (1V fark) ayarlanabilir, bu da 1V × Iout dağılımına neden olur.

·LM7805: 7V–35V aralığındaki herhangi bir giriş için voltaj farkı Vin - 5V'ye sabitlenir. 20V giriş için fark 15V'a ulaşır ve bu da 15V × Iout dağılımına yol açar; bu, LM317 ile ayarlanabilir senaryolardan çok daha yüksektir.

Böylece LM317, büyük veya dalgalı giriş voltajlarının olduğu senaryolarda önemli güç dağıtımı avantajları sunar.

4. Yük Uyarlanabilirliği

·LM317: Düşük güçlü cihazlar (örn. taşınabilir sensörler, pille çalışan cihazlar) için uygun, ≤%0,5 voltaj dalgalanmalarıyla hafif yüklerde (örn. 10mA) bile kararlı çıkışı korur.

·LM7805: Bazı modeller, 50 mA'nin altındaki yük akımlarında ±%2 veya daha fazla çıkış voltajı sapması sergileyebilir, bu da onları orta ila yüksek yük senaryoları için daha uygun hale getirir (örneğin, 500 mA–1,5A mikrokontrolör sistemleri, küçük motorlar).

VII. Uygulama Senaryosu Karşılaştırması

LM317'nin Tipik Uygulamaları

·Çok Gerilimli Laboratuvar Platformları: Laboratuarlarda değişen voltajlara sahip cihazlara (örn. 3,3V mikrokontrolörler, 5V mantık devreleri, 9V sensörler, 12V röleler) güç sağlamak için ayarlanabilir güç kaynakları oluşturmak ve güç kaynağı cihazlarının sayısını azaltmak.

·Pil Şarj Cihazları: Çeşitli pilleri (1,2V NiCd, 3,7V Li-ion, 6V kurşun-asit) şarj etmek için çıkış voltajını ve akımını ayarlama (sabit akım için harici örnekleme dirençleri kullanarak), güçlü çok yönlülük sunar.

·Hassas Aletler için Güç: Ölçüm doğruluğunu sağlamak amacıyla osiloskoplar, sinyal üreteçleri ve spektrum analizörleri için yüksek hassasiyette ayarlanabilir voltajlar sağlar.

·LED Sürücüler: Farklı voltajlara sahip LED dizilerine (örn. 3V kırmızı LED'ler, 9V beyaz LED'ler) kararlı akım sağlamak ve parlaklık dalgalanmalarını önlemek için sabit akım devreleri (örn. 1.5A akım için seri 0.8Ω dirençler) tasarlamak.

LM7805'in Tipik Uygulamaları

·5V Dijital Devreler: Mikrodenetleyicilere (Arduino, 8051, STM32), 74HC serisi mantık çiplerine ve USB arayüz devrelerine standart 5V besleme sağlayarak dijital sistemlerin sıkı voltaj gereksinimlerini karşılar.

·Küçük Ev Aletleri: Yönlendiricilerdeki, set üstü kutulardaki ve akıllı hoparlörlerdeki 5V modüllere güç vererek, tasarımı basitleştirmek ve seri üretim maliyetlerini azaltmak için düşük maliyet ve yüksek kararlılıktan yararlanır.

·Otomotiv Elektroniği: USB şarj cihazları için 12V araç girişini 5V'a dönüştürme, yüksek sıcaklıktaki ortamlara uyum sağlamak için ısı emiciler kullanma ve cep telefonlarına, araç kameralarına vb. güç verme.

·Acil Durum Güç Kaynakları: Açık havada Bluetooth modüllerine, GPS takip cihazlarına vb. güç sağlamak için hızlı bir şekilde geçici 5V devreler oluşturun; hata ayıklama gerektirmeden kablolaması kolaydır.

VIII. Alternatif Bileşen Seçimi

LM317 eşdeğerleri

·Aynı Seri:

·LM117: Askeri düzeyde, -55°C ile 150°C arasında çalışır, aşırı sıcaklık ortamlarına uygundur.

·LM217: Endüstriyel kalitede, -25°C ile 150°C arasında çalışır, endüstriyel kontrol için idealdir.

·Yüksek Akım Alternatifleri:

·LM338: 5A maksimum çıkış, yüksek güçlü cihazlar (örn. küçük motorlar, yüksek güçlü LED dizileri) için uygundur.

·LT1083 (ADI): Daha yüksek verimlilik için düşük kayıplı (1,5V@5A) 5A çıkış.

·Düşük Kayıp Alternatifleri:

·LM1117-ADJ: Pille çalışan cihazlara (örneğin, dizüstü bilgisayar yardımcı gücü) uygun, 1,2V düşüş @1A ile ayarlanabilir çıkış.

LM7805'in eşdeğerleri

·Aynı Seri Yükseltmeleri:

·LM7805CT: TO-220 paketi, 1,5A çıkış, genel senaryolar için tercih edilir.

·LM78M05: TO-252 paketi, 0,5A çıkış, minyatür tasarımlara uygundur.

·LM78L05: TO-92 paketi, 0,1A çıkış, mikro güç senaryoları (örn. sensör düğümleri) için idealdir.

·Düşük Kayıp Alternatifleri:

·LM1117-5.0: ≤2mV çıkış dalgalanmasına sahip 800mA'de 1,2V düşüş, düşük güçlü 5V cihazlar için uygundur.

·XC6206P502MR (Torex): Ultra düşük kayıp (0,3V@300mA), pille çalışan taşınabilir cihazlar için mükemmeldir.

·Gelişmiş Koruma Modelleri:

·LM2940-5.0 (TI): Otomotiv ve endüstriyel ortamlara uygun, ters voltaj ve aşırı voltaj korumasını, 1A çıkışını entegre eder.

IX. Üstünlüğü Tartışmak: Kesinlikle Yok