LM317 vs. LM7805: comparação detalhada de reguladores de tensão ajustáveis ​​e fixos

I. Introdução: Duas formas principais de reguladores de tensão

Em circuitos eletrônicos, a estabilidade de uma fonte de alimentação é a base para garantir a operação adequada do equipamento. Como componentes principais que mantêm a estabilidade da tensão, os reguladores de tensão determinam diretamente a confiabilidade e a precisão de um sistema. Os reguladores lineares, com sua estrutura simples e baixa ondulação de saída, são amplamente utilizados em cenários de potência baixa a média.

LM317eLM7805, como modelos clássicos entre os reguladores lineares, representam duas rotas técnicas principais: “saída ajustável” e “saída fixa”. O LM317 adapta-se a diversas necessidades com sua capacidade flexível de regulação de tensão, permitindo ajuste preciso em uma ampla faixa. O LM7805, com sua saída fixa estável de 5V e baixo custo, tornou-se a escolha preferida para cenários padronizados, como circuitos digitais e sistemas embarcados. Este artigo fornece uma comparação detalhada de múltiplas dimensões, incluindo características básicas, especificações de parâmetros e cenários de aplicação, ajudando os engenheiros a esclarecer as diferenças e os limites aplicáveis ​​entre os dois para uma seleção informada.

II. Características Básicas deLM317: Uma referência para reguladores ajustáveis

O LM317, um regulador linear ajustável de três terminais introduzido pela Texas Instruments (TI), tem sido um padrão da indústria em regulação de tensão ajustável desde seu lançamento na década de 1970. Suas principais características são as seguintes:

Parâmetros principais de desempenho

·Tensão de saída ajustável: Através de uma rede de resistores externos, a tensão de saída pode ser ajustada continuamente entre 1,25V e 37V com uma precisão de regulação de até ±1%, acomodando dispositivos que vão desde sensores de baixa tensão até motores de média tensão.

·Capacidade de saída de energia: Com dissipação de calor adequada, a corrente máxima de saída chega a 1,5A, com corrente de pico de 2,2A (para curtos períodos), atendendo às necessidades de energia de equipamentos de baixa a média potência.

·Alta Precisão e Estabilidade: Taxa de regulação de tensão tão baixa quanto 0,01%/V (flutuação mínima de saída com alterações de entrada) e taxa de regulação de carga de apenas 0,1% (saída estável com variações de corrente de carga), adequada para cenários que exigem alta precisão de tensão.

·Mecanismos de proteção integrados: Integra proteção contra sobrecorrente (limitando a saída a ≤2,2A), desligamento térmico (desligamento automático em temperatura de junção >175°C) e proteção segura da área operacional (evitando danos ao transistor de potência devido ao estresse de tensão/corrente), aumentando a confiabilidade do circuito.

·Opções de embalagens flexíveis: Disponível em TO-220 (embalagem plástica, adequada para dissipação geral de calor), TO-3 (embalagem em lata metálica, excelente desempenho térmico) e SOT-223 (montagem em superfície, ideal para projetos miniaturizados), adaptando-se a diversos requisitos de espaço e refrigeração.

Princípio Operacional

O LM317 é baseado em uma topologia de "regulação em série", consistindo em uma fonte de tensão de referência, amplificador de erro e transistor de ajuste de potência:

1. A fonte de tensão de referência interna fornece uma referência estável de 1,25 V.

2. O amplificador de erro compara a tensão de referência com uma tensão de saída amostrada, gerando um sinal de erro.

3. O transistor de ajuste de potência ajusta dinamicamente sua condução com base no sinal de erro para estabilizar a tensão de saída no valor definido.

Este design alcança regulação de alta precisão por meio de feedback negativo, garantindo saída estável mesmo com tensão de entrada ou variações de carga.

III. Características Básicas deLM7805: Uma solução clássica para saída fixa de 5V

O LM7805, um regulador linear de saída fixa de três terminais da série 78xx, foi introduzido pela primeira vez pela Fairchild Semiconductor e mais tarde se tornou um padrão da indústria. Projetado especificamente para cenários de energia de 5 V, suas principais características são:

Parâmetros principais de desempenho

·Tensão de saída fixa: O padrão é 5 Vcc com um erro de saída de ≤±5% (normalmente ±2%), não exigindo componentes de ajuste externos, simplificando o projeto do circuito.

·Capacidade de saída de energia: Os modelos padrão (por exemplo, LM7805CT) fornecem uma corrente de saída máxima de 1,5A (com refrigeração), enquanto as versões aprimoradas (por exemplo, LM7805HVT) atingem 3A, atendendo às necessidades de dispositivos convencionais de 5V.

·Alta confiabilidade: Possui proteção contra sobrecorrente (limitando a saída a ≤3A), proteção contra curto-circuito (limitação automática de corrente durante curtos-circuitos de saída) e desligamento térmico (desligamento na temperatura da junção >150°C), garantindo resposta rápida a cargas anormais para proteger o dispositivo e a carga.

·Saída de baixa ondulação: Integra circuitos de supressão de ruído, com ondulação de saída tão baixa quanto 5mV (típico), bem abaixo da tolerância de ruído dos circuitos digitais, tornando-o adequado para alimentar dispositivos sensíveis como microcontroladores e chips lógicos.

·Baixo custo e disponibilidade: Como um dispositivo maduro em produção há mais de meio século, o LM7805 se beneficia da fabricação em larga escala, com um preço unitário de apenas US$ 0,10 a US$ 0,50, cadeias de suprimentos estáveis ​​e disponibilidade de quase todos os fornecedores de componentes eletrônicos.

Princípio Operacional

O LM7805 opera de forma semelhante ao LM317, mas omite o componente ajustável:

1. A fonte de tensão de referência interna é fixada em 5V.

2. O amplificador de erro compara diretamente a tensão de referência com a tensão de saída para acionar o transistor de ajuste de potência.

3. O transistor de ajuste de potência ajusta dinamicamente a condução para estabilizar a saída em 5V.

Este design simplifica os circuitos periféricos – apenas são necessários capacitores de filtro na entrada e na saída – tornando-o ideal para prototipagem rápida ou produção em massa.

4. Decodificando a nomenclatura "LM" e "7805"

Significado de "LM"

“LM” significa “Linear Monolithic”, indicando que esses dispositivos são circuitos integrados lineares fabricados com tecnologia IC monolítica. Este prefixo é amplamente utilizado na nomenclatura de circuitos integrados lineares por fabricantes como Texas Instruments (TI) e National Semiconductor (NS), por exemplo:

·LM358: Amplificador operacional duplo;

·LM555: Temporizador IC;

·LM339: Comparador de tensão quádrupla.

Significado de "7805"

"7805" segue uma convenção de nomenclatura padronizada para reguladores de saída fixa, com dois componentes:

·"78": Indica participação na série de reguladores de tensão positivos fixos (a série "79" correspondente é para reguladores de tensão negativos fixos, por exemplo, saídas LM7905 -5V, saídas LM7912 -12V).

·"05": Indica uma tensão de saída de 5V. Outros modelos da série seguem esta lógica (por exemplo, LM7809 emite 9V, LM7812 emite 12V, LM7824 emite 24V).

Este sistema de nomenclatura reflete intuitivamente a função e os parâmetros do dispositivo, facilitando a rápida identificação e seleção pelos engenheiros.

V. Comparação dos principais parâmetros da folha de dados: LM317 vs.

Nota: "Tensão de queda" refere-se à diferença mínima de tensão necessária entre a entrada e a saída para a operação adequada do regulador.

VI. Análise aprofundada de diferenças características

1. Flexibilidade de saída

LM317: O ajuste de tensão é obtido alterando a relação dos resistores externos R1 e R2, usando a fórmula Vout = 1,25V × (1 + R2/R1). Por exemplo:

·Saída de 1,25V com R1=240Ω e R2=0Ω;

·Saída de ~12V com R1=240Ω e R2=2,2kΩ;

·Saída de ~37V com R1=240Ω e R2=7kΩ.
Esta flexibilidade permite a adaptação a múltiplos requisitos de tensão sem redesenhar circuitos para diferentes tensões.

LM7805: A saída é fixada em 5V e não pode ser ajustada. Para outras tensões, devem ser utilizados modelos alternativos da série (ex.: LM7809 para 9V, LM7812 para 12V), limitando a flexibilidade de projeto.

2. Complexidade do Circuito

LM317: Requer pelo menos dois resistores externos (R1 normalmente é um resistor de precisão de 240Ω, R2 é um resistor ajustável). Em alguns casos, um capacitor eletrolítico de 10μF (para suprimir a ondulação de baixa frequência) e um capacitor cerâmico de 100nF (para evitar oscilação de alta frequência) são adicionados, tornando o circuito um pouco complexo com os cálculos dos parâmetros do resistor necessários durante a depuração.

LM7805: Não necessita de componentes de ajuste externos – apenas um capacitor eletrolítico de 100μF na entrada (para filtrar a ondulação de entrada) e um capacitor eletrolítico de 10μF na saída (para estabilizar a saída). O circuito é extremamente simples, ideal para iniciantes ou prototipagem rápida.

3. Eficiência e Dissipação de Energia

Ambos são reguladores lineares, com dissipação de potência calculada como P = (Vin - Vout) × Iout. A eficiência diminui à medida que a diferença de tensão de entrada-saída (Vin - Vout) aumenta – uma característica inerente aos reguladores lineares. No entanto, existem diferenças importantes:

·LM317: A diferença de tensão pode ser reduzida ajustando a tensão de saída. Por exemplo, com uma entrada de 10V, a saída pode ser configurada para 9V (diferença de 1V), resultando em dissipação de 1V × Iout.

·LM7805: A diferença de tensão é fixada em Vin - 5V para qualquer entrada entre 7V–35V. Para uma entrada de 20 V, a diferença chega a 15 V, levando à dissipação de 15 V × Iout – muito maior do que os cenários ajustáveis ​​com o LM317.

Assim, o LM317 oferece vantagens significativas de dissipação de energia em cenários com tensões de entrada grandes ou flutuantes.

4. Adaptabilidade de carga

·LM317: Mantém uma saída estável mesmo com cargas leves (por exemplo, 10mA) com flutuações de tensão ≤0,5%, adequado para dispositivos de baixa potência (por exemplo, sensores portáteis, instrumentos alimentados por bateria).

·LM7805: Alguns modelos podem apresentar desvio de tensão de saída de ±2% ou mais em correntes de carga abaixo de 50mA, tornando-os mais adequados para cenários de carga média a alta (por exemplo, sistemas microcontroladores de 500mA–1,5A, motores pequenos).

VII. Comparação de cenários de aplicativos

Aplicações típicas do LM317

·Plataformas de laboratório multivoltagem: Construção de fontes de alimentação ajustáveis ​​em laboratórios para alimentar dispositivos com tensões variadas (ex. microcontroladores de 3,3V, circuitos lógicos de 5V, sensores de 9V, relés de 12V), reduzindo o número de dispositivos de alimentação.

·Carregadores de bateria: Ajustando a tensão e a corrente de saída (usando resistores de amostragem externos para corrente constante) para carregar várias baterias (1,2 V NiCd, 3,7 V Li-ion, 6 V chumbo-ácido), oferecendo grande versatilidade.

·Potência para instrumentos de precisão: Fornece tensões ajustáveis ​​de alta precisão para osciloscópios, geradores de sinal e analisadores de espectro para garantir a precisão da medição.

·Drivers de LED: Projetar circuitos de corrente constante (por exemplo, resistores em série de 0,8Ω para corrente de 1,5A) para fornecer corrente estável a conjuntos de LED com tensões diferentes (por exemplo, LEDs vermelhos de 3V, LEDs brancos de 9V), evitando flutuações de brilho.

Aplicações típicas do LM7805

·Circuitos Digitais 5V: Fornece 5V padrão para microcontroladores (Arduino, 8051, STM32), chips lógicos da série 74HC e circuitos de interface USB, atendendo aos rígidos requisitos de tensão de sistemas digitais.

·Pequenos Eletrodomésticos: Alimentando módulos de 5 V em roteadores, decodificadores e alto-falantes inteligentes, aproveitando baixo custo e alta estabilidade para simplificar o design e reduzir os custos de produção em massa.

·Eletrônica Automotiva: Convertendo a entrada de carro de 12 V em 5 V para carregadores USB, usando dissipadores de calor para se adaptar a ambientes de alta temperatura e alimentar telefones celulares, câmeras de painel, etc.

·Fontes de alimentação de emergência: Construa rapidamente circuitos temporários de 5 V para alimentar módulos Bluetooth, rastreadores GPS, etc., em ambientes externos - simples de conectar, sem necessidade de depuração.

VIII. Seleção de componentes alternativos

Equivalentes para LM317

·Mesma série:

·LM117: Nível militar, operando de -55°C a 150°C, adequado para ambientes de temperaturas extremas.

·LM217: Classe industrial, operando de -25°C a 150°C, ideal para controle industrial.

·Alternativas de alta corrente:

·LM338: saída máxima de 5A, adequada para dispositivos de alta potência (por exemplo, motores pequenos, conjuntos de LED de alta potência).

·LT1083 (ADI): saída 5A com baixo dropout (1,5V@5A) para maior eficiência.

·Alternativas de baixo abandono:

·LM1117-ADJ: Saída ajustável com dropout de 1,2V@1A, adequada para dispositivos alimentados por bateria (por exemplo, alimentação auxiliar de laptop).

Equivalentes para LM7805

·Atualizações da mesma série:

·LM7805CT: Pacote TO-220, saída 1,5A, preferido para cenários gerais.

·LM78M05: pacote TO-252, saída 0,5A, adequado para projetos miniaturizados.

·LM78L05: Pacote TO-92, saída 0,1A, ideal para cenários de micropotência (por exemplo, nós sensores).

·Alternativas de baixo abandono:

·LM1117-5.0: dropout de 1,2 V @ 800 mA com ondulação de saída ≤ 2 mV, adequado para dispositivos de 5 V de baixa potência.

·XC6206P502MR (Torex): Dropout ultrabaixo (0,3V@300mA), perfeito para dispositivos portáteis alimentados por bateria.

·Modelos de proteção aprimorada:

·LM2940-5.0 (TI): Integra proteção contra tensão reversa e sobretensão, saída 1A, adequado para ambientes automotivos e industriais.

IX. Debatendo Superioridade: Não Absoluto