فهرست مطالب10 بخش
- قدم اول: سه عدد پروژه را بنویسید
- قدم دوم: افت ولتاژ (Dropout) را چک کنید
- قدم سوم: گرما را حساب کنید (مهم‌ترین قدم)
- مثال ۱: 12 به 5 ولت با 7805
- مثال ۲: 5 به 3.3 ولت با AMS1117
- مثال ۳: 12 به 5 ولت با 2 آمپر
- قدم چهارم: ولتاژ ثابت یا قابل تنظیم؟
- قدم پنجم: آیسی بخرم یا ماژول آماده؟
- وقتی خروجی باید از ورودی بیشتر باشد
- جدول سریع انتخاب بر اساس سناریو
- اشتباهات رایج
- جمع‌بندی
- پرسش‌های متداول
در مقاله‌ی رگولاتور ولتاژ چیست؟ انواع رگولاتور را معرفی کرده‌ایم و در مقایسه‌ی رگولاتور خطی و سوئیچینگ تفاوت این دو خانواده را توضیح داده‌ایم. این مقاله یک قدم جلوتر است. با چند محاسبه‌ی ساده و اعداد دیتاشیت‌های رسمی، بین مدل‌های پرفروش دسته‌ی رگولاتور ایکانو یکی را انتخاب می‌کنیم.
قدم اول: سه عدد پروژه را بنویسید
قبل از نگاه کردن به هر قطعه‌ای، این سه عدد را روی کاغذ بنویسید:
- ولتاژ ورودی (Vin): کمترین و بیشترین مقدار آن. باتری لیتیومی هنگام تخلیه افت میکند و ولتاژ آداپتور بی‌بار ممکن است از عدد روی برچسب بیشتر باشد.
- ولتاژ خروجی (Vout): ولتاژی که مدار شما لازم دارد، مثلاً 5 ولت برای میکروکنترلرهای AVR یا 3.3 ولت برای ESP32.
- جریان بار (Iout): جمع جریان همه‌ی قطعات در بدترین حالت. مثلاً دیتاشیت اسپرسیف برای ماژول ESP32-WROOM-32D منبعی با حداقل 0.5 آمپر جریان توصیه میکند.
اگر Vout بیشتر از Vin است، رگولاتور خطی و مبدل کاهنده هیچ‌کدام کار نمی‌کنند. در این حالت مستقیم به بخش مبدل افزاینده بروید.
قدم دوم: افت ولتاژ (Dropout) را چک کنید
هر رگولاتور خطی برای کار کردن به مقداری اختلاف بین ورودی و خروجی نیاز دارد که به آن Dropout می‌گویند. اگر ورودی از Vout + Dropout کمتر شود، خروجی دیگر تنظیم نمی‌شود و همراه ورودی پایین می‌آید.
| قطعه | نوع | افت ولتاژ / محدوده‌ی ورودی | جریان | منبع |
|---|---|---|---|---|
| L7805CV | خطی، 5 ولت ثابت | Dropout معمول 2V؛ حداکثر ورودی 35V | تا 1.5A | دیتاشیت ST |
| AMS1117-3.3 | خطی LDO، 3.3 ولت ثابت | Dropout معمول 1.1V و حداکثر 1.3V در 0.8A؛ حداکثر ورودی 15V | تا 1A | دیتاشیت AMS |
| LM317D2T | خطی، قابل تنظیم 1.2 تا 37 ولت | حداکثر اختلاف ورودی و خروجی 40V | حداقل 1.5A | دیتاشیت ST |
| LM2596S-ADJ | سوئیچینگ کاهنده، 150kHz | ورودی کاری 4.5 تا 40V | 3A | دیتاشیت TI |
مثال: برای گرفتن 5 ولت با 7805 ورودی باید دست‌کم حدود 7 ولت باشد (5 + 2). پس 7805 با یک باتری 6 ولتی خروجی پایداری نمی‌دهد. AMS1117-3.3 با Dropout حداکثر 1.3 ولت از یک منبع 5 ولتی به‌خوبی 3.3 ولت می‌سازد، چون 5 − 3.3 = 1.7 ولت از 1.3 بیشتر است. برای 3.3 ولت از دو باتری قلمی (حدود 3 ولت) هیچ‌کدام کافی نیستند.
قدم سوم: گرما را حساب کنید (مهم‌ترین قدم)
رگولاتور خطی اختلاف ولتاژ را به گرما تبدیل میکند. توان تلف‌شده از این رابطه به دست می‌آید:
P = (Vin − Vout) × Iout
افزایش دمای تراشه نسبت به محیط، بدون هیت‌سینک، تقریباً برابر P × θJA است. θJA مقاومت حرارتی پیوند تا محیط است و در دیتاشیت آمده. حداکثر دمای پیوند در دیتاشیت این قطعات 125 درجه است، پس دمای محیط بهاضافهی این افزایش باید با حاشیه از 125 کمتر بماند.
مثال ۱: 12 به 5 ولت با 7805
- جریان 0.1 آمپر: P = 7 × 0.1 = 0.7 وات. با RthJA = 50 °C/W برای پکیج TO-220 (دیتاشیت ST)، دما حدود 35 درجه بالا می‌رود. بدون هیت‌سینک قابل قبول است.
- جریان 0.5 آمپر: P = 7 × 0.5 = 3.5 وات و افزایش دما حدود 175 درجه است. این عدد از حد مجاز بیشتر است. یا هیت‌سینک بزرگ لازم است یا مبدل سوئیچینگ. هیت‌سینک‌ها را در دسته‌ی فن و المان سردکننده ببینید.
مثال ۲: 5 به 3.3 ولت با AMS1117
با جریان 0.5 آمپر: P = 1.7 × 0.5 = 0.85 وات. با θJA = 90 °C/W برای پکیج SOT-223 (دیتاشیت AMS)، افزایش دما حدود 77 درجه است و در دمای اتاق 25 درجه، دمای تراشه به حدود 100 درجه می‌رسد. این مقدار زیر 125 است، ولی حاشیه‌ی زیادی ندارد. اگر جعبه‌ی دستگاه گرم است، مس بیشتری زیر زبانه‌ی قطعه روی PCB بگذارید یا جریان را کم کنید.
مثال ۳: 12 به 5 ولت با 2 آمپر
یک رگولاتور خطی در این حالت 7 × 2 = 14 وات گرما تولید میکند. این عدد برای پروژه‌های معمولی غیرعملی است. مبدل سوئیچینگ به‌جای سوزاندن اختلاف ولتاژ، انرژی را با سلف جابه‌جا میکند. توان خروجی 10 وات است. اگر بازده را 73٪ فرض کنیم، یعنی عدد معمولی که دیتاشیت TI برای LM2596 در شرایط آزمون خودش ذکر کرده، تلفات حدود 3.7 وات می‌شود (10 ÷ 0.73 − 10). این تلفات بین تراشه، دیود و سلف پخش می‌شود. بازده واقعی به ولتاژها، جریان و قطعات جانبی بستگی دارد.
قدم چهارم: ولتاژ ثابت یا قابل تنظیم؟
اگر خروجی یکی از ولتاژهای استاندارد است، نسخه‌ی ثابت ساده‌تر است و قطعه‌ی کمتری می‌خواهد. نمونه‌ها: 7805 برای 5 ولت، AMS1117-3.3 برای 3.3 ولت و 78L05 برای 5 ولت با جریان کم در پکیج کوچک TO-92. برای ولتاژهای غیراستاندارد، نسخه‌ی قابل تنظیم را با دو مقاومت تنظیم کنید:
- LM317: طبق دیتاشیت ST، VO = 1.25 × (1 + R2/R1) + IADJ × R2. جمله‌ی IADJ (معمول 50 میکروآمپر) معمولاً قابل صرف‌نظر است. همین دیتاشیت حداقل جریان بار تا 10 میلی‌آمپر را ذکر میکند، پس مقاومت‌های تقسیم ولتاژ نباید خیلی بزرگ باشند.
- LM2596-ADJ: طبق دیتاشیت TI، VOUT = 1.23 × (1 + R2/R1). مثلاً با R1 = 1 کیلواهم، برای 5 ولت R2 حدود 3.07 کیلواهم لازم است.
مقاومت‌های مورد نیاز را از دسته‌ی مقاومت و برای تنظیم دقیق، ولوم مولتی‌ترن را از مولتی‌ترن‌ها تهیه کنید.
قدم پنجم: آیسی بخرم یا ماژول آماده؟
LM2596S-ADJ خود آیسی است. برای ساخت مبدل باید سلف، دیود شاتکی و خازنها را طبق دیتاشیت روی PCB بگذارید. ماژول LM2596S همه‌ی این قطعات و پتانسیومتر تنظیم را آماده دارد. برای نمونهسازی سریع ماژول مناسب‌تر است و برای طراحی برد نهایی، آیسی. ماژول‌های آمادهی دیگر هم هستند: Mini-360 (MP2307) با ابعاد کوچک، MP1584EN و برای جریان‌های بالاتر ماژول XL4015 پنج آمپری. اگر آیسی سوئیچینگ را خودتان روی برد می‌بندید، سلف را از دسته‌ی سلف و دیود شاتکی مثل 1N5819 را از دسته‌ی دیود بردارید.
وقتی خروجی باید از ورودی بیشتر باشد
برای ساختن 12 ولت از یک باتری لیتیومی یا 5 ولت USB، به مبدل افزاینده (Boost) نیاز دارید. XL6009E1 یک آیسی افزاینده در پکیج TO-263 است. MC34063A آیسی همه‌کاره‌ای است که طبق دیتاشیت می‌تواند در آرایش کاهنده، افزاینده و معکوس‌کننده بسته شود. جزئیات آن را در صفحه‌ی محصول آورده‌ایم.
جدول سریع انتخاب بر اساس سناریو
| سناریو | پیشنهاد | دلیل |
|---|---|---|
| 5V از USB به 3.3V برای ESP32 یا سنسور | AMS1117-3.3 | اختلاف 1.7V بیشتر از Dropout حداکثر 1.3V است و تا چند صد میلی‌آمپر گرمای قابل کنترلی دارد |
| 9 یا 12V به 5V، جریان کم (تا حدود 100mA) | 7805 یا 78L05 | ساده، بدون نویز سوئیچینگ و گرمای کم |
| 12 یا 24V به 5V، یک تا چند آمپر | ماژول LM2596 یا Mini-360 | رگولاتور خطی ده‌ها وات گرما تولید میکند |
| ولتاژ دلخواه و بدون نویز سوئیچینگ (مثلاً منبع آزمایشگاهی ساده) | LM317 | خروجی 1.2 تا 37V با دو مقاومت |
| خروجی بیشتر از ورودی | XL6009E1 یا MC34063A | فقط مبدل افزاینده این کار را میکند |
اشتباهات رایج
- حذف خازن‌های ورودی و خروجی: شرایط آزمون دیتاشیت 7805 خازن 0.33µF در ورودی و 0.1µF در خروجی است. در AMS1117 خازن خروجی بخشی از پایداری حلقه است و دیتاشیت 22µF تانتالیوم را برای تضمین پایداری ذکر میکند. خازنها را از دسته‌ی خازن تهیه کنید.
- نگاه کردن فقط به جریان نامی: «1.5 آمپر» یعنی توانایی آیسی، نه اینکه بدون هیت‌سینک و با هر ولتاژ ورودی این جریان را می‌دهد. همیشه محاسبه‌ی قدم سوم را انجام دهید.
- اشتباه در ترتیب پایه‌ها: ترتیب پایه‌ها در 7805، LM317 و AMS1117 یکسان نیست. قبل از لحیم کردن جدول پایه‌ها را در دیتاشیت ببینید. روش خواندن دیتاشیت را در راهنمای خواندن دیتاشیت توضیح داده‌ایم. جدول پایه‌های 7805، 7905، LM317 و AMS1117 را در مقاله‌ی پین‌اوت رگولاتورها ببینید.
- نادیده گرفتن ولتاژ بی‌بار آداپتور: ورودی AMS1117 حداکثر 15 ولت است. آداپتوری که روی برچسبش 12 ولت نوشته شده، بی‌بار ممکن است ولتاژ بیشتری بدهد. با مولتی‌متر اندازه بگیرید.
برای انتخاب خود منبع تغذیه (باتری، پاوربانک یا آداپتور) مقاله‌ی انتخاب منبع تغذیه‌ی مناسب را بخوانید.
جمع‌بندی
اول Vin، Vout و Iout را بنویسید. بعد Dropout را چک کنید و توان تلف‌شده را حساب کنید. اگر عدد گرما با حاشیه زیر حد مجاز است، رگولاتور خطی ساده‌ترین و کم‌نویزترین انتخاب است. اگر نیست، مبدل سوئیچینگ بگیرید. اگر خروجی بیشتر از ورودی است، مبدل افزاینده تنها گزینه است. همه‌ی مدل‌ها را در دسته‌ی رگولاتور ایکانو ببینید.
