Линейный стабилизатор 78xx, 79xx и LM1117

Типовая схема 7805

Конденсаторы у 7805 нужны меньше, чем у большинства стабилизаторов:

• Входной Cвх 0,33 мкФ onsemi требует, если стабилизатор стоит на заметном расстоянии от конденсатора фильтра выпрямителя (MC7800/D, с. 1). Лучше тантал, плёнка или керамика с малым сопротивлением на высоких частотах, выводы — как можно короче. TI для LM7805 называет расстояние: входной конденсатор от 0,1 мкФ обязателен, если до фильтра больше 6 дюймов, около 15 см (SNOSBT0L, разд. 8.2.1.1 и 9).
• Выходной Cвых 0,1 мкФ для устойчивости не нужен, но улучшает реакцию на скачки тока нагрузки. Важная оговорка onsemi: выходная ёмкость меньше 0,1 мкФ может вызвать неустойчивость.

Точность выхода MC7805C — 4,8–5,2 В при 25 °C и 4,75–5,25 В во всём диапазоне входа 7–20 В и тока 5 мА…1 А (MC7800/D, с. 3). Это ±5 %: если от этого напряжения питается АЦП с опорой от питания, ошибка опоры переходит в результат измерения (см. делитель для АЦП).

Запас по входному напряжению

Падение напряжения на 7805 — 2,0 В при токе 1 А (MC7800/D, LM340). onsemi формулирует правило так: вход должен оставаться выше выхода на 2,0 В даже в нижней точке пульсаций. Если после выпрямителя с конденсатором на входе среднее 9 В при пульсациях 3 В от пика до пика, нижняя точка — 7,5 В, и 7805 ещё стабилизирует; при 8 В среднего и тех же пульсациях выход будет проваливаться с частотой пульсаций. У TI для LM7805 указано 7,5 В на входе для удержания стабилизации при токе до 1 А (SNOSBT0L, разд. 6.6).

Мощность и радиатор

Линейный стабилизатор рассеивает разницу напряжений, умноженную на ток, плюс собственный ток потребления IQ:

P = (U_вх − U_вых) · I_н + U_вх · I_Q.

Пример: 7805 от 12 В, нагрузка 0,5 А. P = (12 − 5) · 0,5 + 12 · 0,0065 = 3,58 Вт (6,5 мА — максимальный ток потребления MC7805C). Без радиатора у корпуса TO-220 тепловое сопротивление кристалл–воздух 65 °C/Вт: при 40 °C внутри прибора кристалл нагрелся бы до 40 + 3,58 · 65 ≈ 273 °C. Задолго до этого сработает встроенная тепловая защита, и выход начнёт отключаться. Кристалл MC7805C рассчитан на работу до 125 °C, отсюда радиатор:

$\theta_{SA} \le \frac{125 - 40}{3{,}58} - 5 - 0{,}5 \approx 18\ \text{°C/Вт},$

где 5 °C/Вт — кристалл–корпус по onsemi, 0,5 °C/Вт — термопаста. КПД такого источника — 5/12 ≈ 42 %; если тепло девать некуда, сравните с импульсным преобразователем в калькуляторе LDO или DC-DC.

Защитные диоды

На типовой схеме выше пунктиром показан диод VD1. Стабилизатор не умеет принимать ток с выхода. Опасны три ситуации:

1. Замыкание входа при большой выходной ёмкости. Вход быстро падает к нулю, а заряженный выходной конденсатор разряжается через внутренние цепи стабилизатора и может их сжечь. TI ставит для этого диод между выходом и входом (анод — к выходу) и пишет, что при ёмкости на выходе до 10 мкФ он обычно не нужен (SNOSBT0L, разд. 8.1.1). Для µA78xx TI добавляет условие: при выходном напряжении больше примерно 7 В может пробиться эмиттерный переход проходного транзистора — ставят 1N4001 (SLVS056P, разд. 9.2.2.2).
2. Выход выше входа. Если к выходу подключён другой источник — аккумулятор, второй блок питания, USB, — стабилизатор повреждается так же (SNOSBT0L, разд. 8.1.2). Тот же диод защищает и здесь, а при параллельной работе источников нужен диод последовательно с выходом.
3. Нагрузка, подключённая к напряжению другой полярности (ОУ с двуполярным питанием): при пуске или замыкании на выход 78xx может прийти отрицательное напряжение. TI ставит диод от общего провода к выходу (SLVS056P, разд. 9.2.2.1).

Ещё два предупреждения из того же даташита TI: если оборвётся общий вывод, выход поднимется почти до входного напряжения и может сжечь нагрузку (разд. 8.1.3), а выбросы выше предельного входного напряжения или больше 0,8 В ниже общего провода повреждают стабилизатор — их гасят конденсатором на входе, дросселем или TVS-диодом (разд. 8.1.4). Подробнее о защите входа питания — в разделе защита питания.

Отрицательный стабилизатор 7905

79xx — зеркальная пара 78xx, но с другой цоколёвкой: в корпусе TO-220 вывод 1 — общий, 2 — вход, 3 — выход, и фланец соединён со входом (MC7900/D, с. 1). У 7805 фланец — общий провод. Прикрутить 7805 и 7905 на один радиатор или на заземлённый корпус можно только через изолирующие прокладки и втулки, иначе радиатор замкнёт вход 7905 на землю.

Конденсаторы в типовой схеме onsemi — 0,33 мкФ на входе и 1,0 мкФ на выходе, причём выходной, в отличие от 78xx, указан как улучшающий устойчивость. Вход должен быть по модулю больше выхода на 2 В — тоже в худшей точке пульсаций.

LM1117 и стабилизаторы с малым падением

LM1117 (и совместимые AMS1117) работают при меньшей разнице напряжений: падение 1,1 В при 100 мА, 1,2 В типично и до 1,3 В при 800 мА во всём диапазоне температур (SNOS412Q, разд. 7.5). От 5 В до 3,3 В остаётся 1,7 В — с запасом.

Выходной конденсатор — главное отличие. TI требует на выходе не меньше 10 мкФ танталового конденсатора с ESR от 0,3 до 22 Ом; при конденсаторе на выводе ADJ у регулируемой версии — 22 мкФ (разд. 9.2.2.1.3). Керамический конденсатор на 10 мкФ имеет ESR намного ниже 0,3 Ом, и с ним стабилизатор может возбудиться. На входе TI рекомендует тоже 10 мкФ тантала.

Цоколёвка ещё одна: 1 — общий (или ADJ), 2 и фланец — выход, 3 — вход (табл. 6-1). Это не совпадает ни с 7805, ни с LM317, и замена «по корпусу» не работает — сверяйтесь с таблицей цоколёвок стабилизаторов.

Пример: LM1117-3.3 от 5 В, 0,5 А. P = (5 − 3,3) · 0,5 + 5 · 0,01 = 0,9 Вт. У корпуса SOT-223 тепловое сопротивление кристалл–воздух в типовой разводке JEDEC — 61,6 °C/Вт (разд. 7.4): нагрев около 55 °C над воздухом. На маленькой плате без медных полигонов будет больше. Предельное входное напряжение — 20 В, рекомендованное — до 15 В (разд. 7.1 и 7.3). Защитный диод выход–вход нужен только при очень большой выходной ёмкости — TI приводит пример 1000 мкФ: внутренний диод выдерживает импульсы 10–20 А длительностью в микросекунды (разд. 8.4.1).

Выходное напряжение LM1117-3.3 — 3,235–3,365 В во всём диапазоне температур, тока 0–800 мА и входа 4,75–10 В, ток потребления — до 10 мА. Подробно о параметрах — на странице AMS1117.

Повышение выходного напряжения резисторами

Если общий вывод 78xx подключить к земле не напрямую, а через резистор, выход поднимется на падение напряжения на этом резисторе. TI приводит формулу (SNOSBT0L, рис. 21; SLVS056P, рис. 7):

$U_{вых} = U_{xx} + \left(\frac{U_{xx}}{R_1} + I_Q\right) R_2,$

с условием для LM340 U_xx/R₁ > 3I_Q: ток через R1 должен заметно превышать собственный ток стабилизатора, который плохо нормирован.

Пример: 9 В из 7805. IQ LM7805 — до 8 мА, значит R₁ < 5/(3 · 0,008) = 208 Ом; берём 200 Ом, через него 25 мА. С типичным IQ MC7805C 3,2 мА: R₂ = (9 − 5)/(0,025 + 0,0032) = 142 Ом → 140 Ом, U_вых ≈ 8,95 В. Теперь разброс: выход 7805 во всём диапазоне входа и тока — 4,75–5,25 В и умножается на 1 + R₂/R₁ = 1,7, а IQ MC7805C — до 6,5 мА, и нижняя граница не нормирована. Итог — примерно от 4,75 · 1,7 = 8,1 В до 5,25 · 1,7 + 0,0065 · 140 = 9,8 В. Вдобавок IQ меняется с нагрузкой (у MC7805C до 0,8 мА), и стабильность выхода ухудшается.

Вывод: выход так поднять можно, но разброс получится около ±0,8 В — точного напряжения не будет. onsemi предлагает вариант с ОУ в цепи общего вывода на 7–20 В (MC7800/D, рис. 10), а проще всего взять готовый 7809 или регулируемый LM317.

Детали

Варианты

• Малый ток — маломощный 78L05 в корпусе TO-92.
• Регулируемое напряжение — LM317 с двумя резисторами; он же работает как источник тока.
• Малое падение и малый ток покоя — современные LDO, см. линейные стабилизаторы LDO.
• Большая разница напряжений или ток — понижающий импульсный преобразователь: понижающий DC-DC.

Почему не работает

• Стабилизатор горячий, выход периодически пропадает. Сработала тепловая защита: мощность (U_вх − U_вых) · I больше, чем отводит корпус. Посчитайте радиатор или снизьте входное напряжение.
• На выходе пульсации с частотой сети. Вход в нижней точке пульсаций опускается ниже U_вых + 2 В — увеличьте конденсатор фильтра или входное напряжение.
• LM1117 генерирует, выход «звенит». На выходе только керамика с очень малым ESR. Нужен тантал от 10 мкФ с ESR 0,3–22 Ом.
• Перепутаны выводы. Цоколёвки 78xx, 79xx, LM1117 и LM317 различаются — при замене одного типа другим проверьте назначение выводов по даташиту.
• 7905 замыкает питание через радиатор. Его фланец — вход; нужна изолирующая прокладка.
• Выход поднялся до входного напряжения. Оборван или плохо пропаян общий вывод.
• Стабилизатор умер после выключения. Большая выходная ёмкость или внешний источник на выходе при пропавшем входе — нужен диод выход–вход.