LM317과 LM7805: 가변 및 고정 전압 조정기의 심층 비교

I. 소개: 전압 조정기의 두 가지 핵심 형태

전자 회로에서 전원 공급 장치의 안정성은 장비의 올바른 작동을 보장하는 초석입니다. 전압 조정기는 전압 안정성을 유지하는 핵심 구성 요소로서 시스템의 신뢰성과 정밀도를 직접적으로 결정합니다. 구조가 간단하고 출력 리플이 낮은 선형 레귤레이터는 중저전력 시나리오에서 널리 사용됩니다.

LM317그리고LM7805는 선형 레귤레이터 중 고전적인 모델로서 "조정 가능한 출력"과 "고정 출력"이라는 두 가지 주요 기술 경로를 나타냅니다. LM317은 유연한 전압 조정 기능을 통해 다양한 요구 사항에 적응하여 광범위한 범위에 걸쳐 정밀한 조정이 가능합니다. 안정적인 5V 고정 출력과 저렴한 비용을 갖춘 LM7805는 디지털 회로 및 임베디드 시스템과 같은 표준화된 시나리오에서 선호되는 선택이 되었습니다. 이 기사에서는 기본 특성, 매개변수 사양, 응용 시나리오를 포함한 여러 차원의 심층 비교를 제공하여 엔지니어가 정보에 입각한 선택을 위해 둘 사이의 차이점과 적용 가능한 경계를 명확히 하는 데 도움을 줍니다.

II. 기본 특성LM317: 조정 가능한 레귤레이터에 대한 벤치마크

Texas Instruments(TI)에서 출시한 3단자 조정 가능 선형 조정기인 LM317은 1970년대 출시 이후 조정 가능한 전압 조정 분야의 업계 표준이 되어 왔습니다. 그 핵심적인 특징은 다음과 같습니다.

핵심 성능 매개변수

·조정 가능한 출력 전압: 외부 저항 네트워크를 통해 출력 전압은 최대 ±1%의 조절 정확도로 1.25V~37V 사이에서 지속적으로 조정될 수 있으며, 저전압 센서부터 중전압 모터까지 다양한 장치를 수용할 수 있습니다.

·전력 출력 성능: 적절한 방열을 통해 최대 출력 전류는 1.5A에 도달하고 피크 전류는 2.2A(단기간)로 중저전력 장비의 전력 요구를 충족합니다.

·높은 정밀도와 안정성: 전압 조정률은 0.01%/V(입력 변화에 따른 출력 변동 최소화), 부하 조정률은 0.1%(부하 전류 변화에 따른 안정적인 출력)로 높은 전압 정밀도가 요구되는 시나리오에 적합합니다.

·내장된 보호 메커니즘: 과전류 보호(출력을 2.2A 이하로 제한), 열 차단(접합 온도 >175°C에서 자동 차단) 및 안전 작동 영역 보호(전압/전류 스트레스로 인한 전력 트랜지스터 손상 방지)를 통합하여 회로 신뢰성을 향상시킵니다.

·유연한 포장 옵션: TO-220(플라스틱 패키지, 일반 방열에 적합), TO-3(금속 캔 패키지, 우수한 열 성능), SOT-223(표면 실장, 소형화 설계에 적합)으로 제공되며 다양한 공간 및 냉각 요구 사항에 적합합니다.

작동 원리

LM317은 기준 전압 소스, 오류 증폭기 및 전력 조정 트랜지스터로 구성된 "직렬 조정" 토폴로지를 기반으로 합니다.

1. 내부 기준 전압 소스는 안정적인 1.25V 기준을 제공합니다.

2. 오류 증폭기는 기준 전압을 샘플링된 출력 전압과 비교하여 오류 신호를 생성합니다.

3. 전력 조정 트랜지스터는 오류 신호를 기반으로 전도를 동적으로 조정하여 출력 전압을 설정 값으로 안정화합니다.

이 설계는 네거티브 피드백을 통해 고정밀 조정을 달성하여 입력 전압이나 부하 변동에도 안정적인 출력을 보장합니다.

III. 기본 특성LM7805: 고정 5V 출력을 위한 클래식 솔루션

78xx 시리즈의 3단자 고정 출력 선형 레귤레이터인 LM7805는 Fairchild Semiconductor에서 처음 출시되었으며 나중에 업계 표준이 되었습니다. 5V 전력 시나리오를 위해 특별히 설계된 핵심 특성은 다음과 같습니다.

핵심 성능 매개변수

·고정 출력 전압: 출력 오류가 ±5%(일반적으로 ±2%) 이하인 5V DC로 기본 설정되어 외부 조정 부품이 필요하지 않아 회로 설계가 단순화됩니다.

·전력 출력 성능: 표준 모델(예: LM7805CT)은 1.5A(냉각 포함)의 최대 출력 전류를 제공하는 반면, 향상된 버전(예: LM7805HVT)은 3A에 도달하여 기존 5V 장치의 요구 사항을 충족합니다.

·높은 신뢰성: 과전류 보호(출력을 3A 이하로 제한), 단락 보호(출력 단락 시 자동 전류 제한) 및 열 차단(접합 온도 >150°C에서 차단) 기능을 갖추고 있어 비정상적인 부하에 대한 신속한 대응을 보장하여 장치와 부하를 모두 보호합니다.

·낮은 리플 출력: 디지털 회로의 잡음 허용 오차보다 훨씬 낮은 출력 리플이 5mV(일반)만큼 낮은 잡음 억제 회로를 통합하여 마이크로컨트롤러 및 논리 칩과 같은 민감한 장치에 전원을 공급하는 데 적합합니다.

·저렴한 비용과 가용성: 반세기 넘게 생산된 성숙한 장치인 LM7805는 단가 $0.10~$0.50, 안정적인 공급망, 거의 모든 전자 부품 공급업체의 가용성 등 대규모 제조의 이점을 누리고 있습니다.

작동 원리

LM7805는 LM317과 유사하게 작동하지만 조정 가능한 구성 요소가 생략되어 있습니다.

1. 내부 기준 전압 소스는 5V로 고정되어 있습니다.

2. 오차 증폭기는 기준 전압을 출력 전압과 직접 비교하여 전력 조정 트랜지스터를 구동합니다.

3. 전력 조정 트랜지스터는 전도를 동적으로 조정하여 5V에서 출력을 안정화합니다.

이 설계는 주변 회로를 단순화하여 입력 및 출력에 필터 커패시터만 필요하므로 신속한 프로토타이핑이나 대량 생산에 이상적입니다.

IV. "LM" 및 "7805" 명명법 디코딩

"LM"의 의미

"LM"은 "Linear Monolithic"의 약자로 이러한 장치가 모놀리식 IC 기술을 사용하여 제조된 선형 집적 회로임을 나타냅니다. 이 접두사는 Texas Instruments(TI) 및 National Semiconductor(NS)와 같은 제조업체에서 선형 집적 회로의 이름을 지정하는 데 널리 사용됩니다. 예:

·LM358: 이중 연산 증폭기;

·LM555: 타이머 IC;

·LM339: 쿼드 전압 비교기.

"7805"의 의미

"7805"는 두 가지 구성 요소로 구성된 고정 출력 조정기의 표준화된 명명 규칙을 따릅니다.

·"78": 고정 양극 전압 조정기 시리즈의 멤버십을 나타냅니다(해당 "79" 시리즈는 고정 음극 전압 조정기용입니다. 예: LM7905는 -5V를 출력하고 LM7912는 -12V를 출력합니다).

·"05": 5V의 출력 전압을 나타냅니다. 이 시리즈의 다른 모델은 이 논리를 따릅니다(예: LM7809는 9V를 출력하고, LM7812는 12V를 출력하고, LM7824는 24V를 출력합니다).

이 명명 시스템은 장치의 기능과 매개변수를 직관적으로 반영하므로 엔지니어가 빠르게 식별하고 선택할 수 있습니다.

V. 주요 데이터시트 매개변수 비교: LM317 대 LM7805

참고: "드롭아웃 전압"은 올바른 레귤레이터 작동을 위해 입력과 출력 사이에 필요한 최소 전압 차이를 나타냅니다.

6. 특성차이에 대한 심층분석

1. 출력 유연성

LM317: 전압 조정은 Vout = 1.25V × (1 + R2/R1) 공식을 사용하여 외부 저항 R1과 R2의 비율을 변경하여 달성됩니다. 예를 들어:

·R1=240Ω 및 R2=0Ω일 때 1.25V 출력;

·R1=240Ω 및 R2=2.2kΩ에서 ~12V 출력;

·R1=240Ω 및 R2=7kΩ에서 ~37V 출력.
이러한 유연성 덕분에 다양한 전압에 맞게 회로를 재설계하지 않고도 여러 전압 요구 사항에 적응할 수 있습니다.

LM7805: 출력은 5V로 고정되어 있어 조정할 수 없습니다. 다른 전압의 경우 시리즈의 대체 모델(예: 9V용 LM7809, 12V용 LM7812)을 사용해야 하므로 설계 유연성이 제한됩니다.

2. 회로 복잡성

LM317: 최소 2개의 외부 저항이 필요합니다(R1은 일반적으로 240Ω 정밀 저항, R2는 조정 가능한 저항). 어떤 경우에는 10μF 전해 커패시터(저주파 리플 억제용)와 100nF 세라믹 커패시터(고주파 발진 방지용)가 추가되어 디버깅 중에 필요한 저항 매개변수 계산으로 회로가 약간 복잡해집니다.

LM7805: 외부 조정 부품이 필요하지 않습니다. 입력(입력 리플 필터링)에 100μF 전해 커패시터만 필요하고(출력 안정화를 위해) 출력에 10μF 전해 커패시터만 필요합니다. 회로는 매우 간단하여 초보자나 신속한 프로토타이핑에 이상적입니다.

3. 효율성과 전력소모

둘 다 선형 레귤레이터이며 전력 소모는 P = (Vin - Vout) × Iout으로 계산됩니다. 선형 레귤레이터의 고유한 특성인 입출력 전압 차이(Vin - Vout)가 증가하면 효율이 감소합니다. 그러나 주요 차이점은 다음과 같습니다.

·LM317: 출력전압을 조정하여 전압차를 줄일 수 있습니다. 예를 들어, 10V 입력의 경우 출력을 9V(1V 차이)로 설정하면 1V × Iout의 손실이 발생합니다.

·LM7805: 7V~35V 이내의 모든 입력에 대해 전압차는 Vin - 5V로 고정됩니다. 20V 입력의 경우 차이는 15V에 도달하여 15V × Iout의 손실로 이어집니다. 이는 LM317을 사용하여 조정 가능한 시나리오보다 훨씬 높습니다.

따라서 LM317은 입력 전압이 크거나 변동하는 시나리오에서 상당한 전력 소비 이점을 제공합니다.

4. 부하 적응성

·LM317: 전압 변동 0.5% 이하의 경부하(예: 10mA)에서도 안정적인 출력을 유지하므로 저전력 장치(예: 휴대용 센서, 배터리 구동 계측기)에 적합합니다.

·LM7805: 일부 모델은 50mA 미만의 부하 전류에서 ±2% 이상의 출력 전압 드리프트를 나타낼 수 있으므로 중-고부하 시나리오(예: 500mA~1.5A 마이크로컨트롤러 시스템, 소형 모터)에 더 적합합니다.

Ⅶ. 애플리케이션 시나리오 비교

LM317의 일반적인 응용 분야

·다중 전압 실험실 플랫폼: 실험실에서 다양한 전압을 갖는 장치(예: 3.3V 마이크로컨트롤러, 5V 논리 회로, 9V 센서, 12V 릴레이)에 전원을 공급하기 위해 조정 가능한 전원 공급 장치를 구축하여 전원 공급 장치 수를 줄입니다.

·배터리 충전기: 출력 전압 및 전류를 조정하여(정전류를 위한 외부 샘플링 저항 사용) 다양한 배터리(1.2V NiCd, 3.7V 리튬 이온, 6V 납산)를 충전하여 강력한 다양성을 제공합니다.

·정밀 기기용 전원: 오실로스코프, 신호 발생기 및 스펙트럼 분석기에 고정밀 조정 가능한 전압을 제공하여 측정 정확도를 보장합니다.

·LED 드라이버: 다양한 전압을 갖는 LED 어레이(예: 3V 적색 LED, 9V 백색 LED)에 안정적인 전류를 공급하기 위해 정전류 회로(예: 1.5A 전류에 대한 직렬 0.8Ω 저항기)를 설계하여 밝기 변동을 방지합니다.

LM7805의 일반적인 애플리케이션

·5V 디지털 회로: 마이크로 컨트롤러(Arduino, 8051, STM32), 74HC 시리즈 로직 칩 및 USB 인터페이스 회로에 표준 5V를 공급하여 디지털 시스템의 엄격한 전압 요구 사항을 충족합니다.

·소형가전: 라우터, 셋톱박스, 스마트 스피커 등의 5V 모듈에 전원을 공급하여 저비용, 높은 안정성을 활용하여 설계를 단순화하고 대량 생산 비용을 절감합니다.

·자동차 전자: 차량용 12V 입력을 USB 충전기용 5V로 변환하고 방열판을 사용해 고온 환경에 적응하며 휴대폰, 블랙박스 등에 전원을 공급합니다.

·비상 전원 공급 장치: 실외에서 Bluetooth 모듈, GPS 추적기 등에 전원을 공급하기 위한 임시 5V 회로를 신속하게 구축합니다. 디버깅이 필요하지 않고 배선이 간단합니다.

Ⅷ. 대체 구성요소 선택

LM317과 동등한 제품

·같은 시리즈:

·LM117: 군용 등급으로 -55°C ~ 150°C에서 작동하며 극한의 온도 환경에 적합합니다.

·LM217: -25°C ~ 150°C에서 작동하는 산업용 등급으로 산업 제어에 이상적입니다.

·고전류 대안:

·LM338: 최대 출력 5A, 고전력 장치(예: 소형 모터, 고전력 LED 어레이)에 적합합니다.

·LT1083(ADI): 더 높은 효율을 위해 낮은 드롭아웃(1.5V@5A)을 갖춘 5A 출력.

·저드롭아웃 대안:

·LM1117-ADJ: 1.2V 드롭아웃@1A로 조정 가능한 출력으로 배터리 구동 장치(예: 노트북 보조 전원)에 적합합니다.

LM7805에 해당하는 제품

·동일한 시리즈 업그레이드:

·LM7805CT: TO-220 패키지, 1.5A 출력, 일반 시나리오에 적합합니다.

·LM78M05: TO-252 패키지, 0.5A 출력, 소형 설계에 적합합니다.

·LM78L05: TO-92 패키지, 0.1A 출력, 마이크로 전력 시나리오(예: 센서 노드)에 이상적입니다.

·저드롭아웃 대안:

·LM1117-5.0: 출력 리플이 2mV 이하인 1.2V 드롭아웃@800mA, 저전력 5V 장치에 적합합니다.

·XC6206P502MR(Torex): 매우 낮은 드롭아웃(0.3V@300mA)으로 배터리 구동식 휴대용 장치에 적합합니다.

·향상된 보호 모델:

·LM2940-5.0(TI): 역전압 및 과전압 보호 기능, 1A 출력이 통합되어 있으며 자동차 및 산업 환경에 적합합니다.

Ⅸ. 우월성에 대한 논쟁: 절대적이지 않음