LM7805, L7812CV и серия 78xx: характеристики, распиновка и схемы включения

Серия 78xx объединяет линейные стабилизаторы положительного напряжения с фиксированным выходом. Две последние цифры обычно обозначают номинальное выходное напряжение: 7805 выдает 5 В, 7809 – 9 В, 7812 – 12 В.

Стабилизатор принимает более высокое постоянное напряжение и поддерживает на выходе заданный уровень. Лишнее напряжение не преобразуется с высокой эффективностью, а рассеивается в виде тепла. Поэтому 78xx подходят для схем с умеренным током и небольшим перепадом между входом и выходом.

Префикс зависит от производителя. Встречаются обозначения LM7805, L7805, UA7805, MC7805 и другие. Их назначение похоже, но допустимый ток, точность, температурный диапазон, корпуса и требования к обвязке могут различаться.

Суффиксы также нельзя расшифровывать одинаково для всех производителей. Например, в номенклатуре STMicroelectronics обозначение L7812CV относится к версии L7812C в корпусе TO-220. У другой компании буквы после 7812 могут иметь другое значение.

LM7805 – линейный стабилизатор положительного напряжения с фиксированным выходом 5 В. Он используется для питания микроконтроллерных плат, датчиков, логических схем и других маломощных устройств, которым требуется стабильное напряжение.

Для нормальной работы входное напряжение должно быть выше выходного. При значительном токе нагрузки классическому LM7805 обычно требуется около 7-7,5 В на входе. Если напряжение опустится ниже этого уровня, стабилизатор перестанет поддерживать точные 5 В.

У распространенного LM7805 в корпусе TO-220 три вывода. Если смотреть на сторону с маркировкой, а выводы направлены вниз, расположение обычно следующее:

Металлическая пластина корпуса TO-220 у распространенных версий LM7805 электрически соединена с GND. Это необходимо учитывать при установке микросхемы на общий радиатор или металлический корпус.

Для некоторых LM7805 производитель указывает выходной ток до 1,5 А, но это значение возможно только при достаточном охлаждении. Реальный непрерывный ток зависит от входного напряжения, мощности потерь, температуры воздуха, корпуса и радиатора.

Например, при преобразовании 12 В в 5 В и токе 500 мА стабилизатор рассеивает 3,5 Вт. Без радиатора корпус быстро нагреется, после чего может сработать тепловая защита.

L7812CV – линейный стабилизатор серии L78 с фиксированным выходным напряжением 12 В. Обозначение CV у STMicroelectronics указывает на версию серии L7812C в корпусе TO-220.

Микросхема применяется для питания маломощных реле, аналоговых схем, датчиков, операционных усилителей и другой электроники, которой требуется стабилизированное напряжение 12 В.

Для нормальной стабилизации входное напряжение должно быть выше 12 В примерно на величину падения напряжения. При значительном токе нагрузки обычно требуется около 14,5-15 В на входе.

Если смотреть на сторону корпуса с маркировкой, а выводы направлены вниз, распиновка L7812CV выглядит следующим образом:

Металлическая пластина корпуса TO-220 соединена с выводом GND. При установке нескольких компонентов на общий радиатор необходимо учитывать потенциал металлических пластин остальных деталей.

L7812CV может отдавать ток до 1,5 А только при подходящем тепловом режиме. Например, при входном напряжении 24 В и токе нагрузки 500 мА стабилизатор должен рассеивать 6 Вт:

P = (24 - 12) × 0,5 = 6 Вт

Для такой мощности потребуется эффективный радиатор, а использование линейного стабилизатора становится невыгодным. В подобных условиях обычно практичнее применить понижающий DC-DC преобразователь.

L7812CV не стоит автоматически выбирать для двигателей, насосов и светодиодных лент. Такие нагрузки могут иметь высокий постоянный или пусковой ток, из-за которого стабилизатор перегреется или перейдет в защиту.

LM7805 используется для получения стабилизированных 5 В, а L7812CV – для получения 12 В. Принцип работы и типовая распиновка у них одинаковы, но требования к входному напряжению и тепловой режим отличаются.

Указанные 35 В нельзя воспринимать как рекомендуемое постоянное рабочее напряжение. Это абсолютный предел для соответствующих версий ST, приближение к которому резко увеличивает нагрев и снижает запас надежности.

Например, при преобразовании 24 В в 5 В даже нагрузка 100 мА заставит LM7805 рассеивать около 1,9 Вт. При токе 500 мА мощность потерь достигнет 9,5 Вт, что для обычного корпуса TO-220 без серьезного охлаждения непрактично.

L7812CV также не следует автоматически использовать для питания двигателей или светодиодных лент. Такие нагрузки могут потреблять большой пусковой или постоянный ток, а стабилизатор быстро перегреется.

Для нормальной стабилизации входное напряжение должно быть выше выходного как минимум на величину падения напряжения стабилизатора. У классических 78xx она составляет около 2 В при значительном токе нагрузки.

Для LM7805 обычно требуется не менее 7-7,5 В, а для L7812CV – около 14,5-15 В. Дополнительный запас нужен, если источник имеет пульсации, длинные провода или просаживается под нагрузкой.

Например, после диодного моста напряжение постоянно изменяется между максимумами зарядки фильтрующего конденсатора. В нижней точке пульсаций вход LM7805 все равно должен оставаться выше уровня, необходимого для стабилизации. Иначе выход начнет повторять провалы входного напряжения.

Максимальное входное напряжение из раздела Absolute Maximum Ratings не является обычным рабочим диапазоном. Оно показывает границу, выше которой возможно повреждение микросхемы, но не гарантирует нормальную работу непосредственно возле этого значения.

При выборе источника практичнее использовать минимально достаточное напряжение с запасом на пульсации и просадку, а не подавать на стабилизатор максимально возможное напряжение.

Для некоторых LM7805 и L78xx производители указывают выходной ток до 1,5 А. Это не означает, что любой стабилизатор в корпусе TO-220 сможет постоянно отдавать 1,5 А без радиатора.

Реальный ток ограничивается несколькими условиями:

• входным и выходным напряжением;
• рассеиваемой мощностью;
• температурой воздуха;
• тепловым сопротивлением корпуса;
• площадью радиатора;
• конкретной версией микросхемы;
• допустимой температурой кристалла.

Texas Instruments относит LM7805 к стабилизаторам с током до 1,5 А при достаточном теплоотводе. STMicroelectronics также указывает для серии L78 ток до 1,5 А, но отдельно отмечает необходимость подходящего охлаждения. У MC7800 производства onsemi серия вообще классифицируется как 1 А.

Встроенное ограничение тока защищает микросхему при перегрузке, но не превращает ее в стабильный источник заявленного максимального тока. При перегреве выходное напряжение может падать или периодически исчезать из-за тепловой защиты.

В типовой схеме STMicroelectronics возле входа L78 установлен конденсатор 0,33 мкФ, а возле выхода – 0,1 мкФ. Их подключают между соответствующим выводом и GND, размещая как можно ближе к микросхеме.

Требования зависят от производителя. Например, Texas Instruments указывает, что выходной конденсатор для стабильности LM7805 не обязателен, хотя улучшает реакцию на изменение нагрузки. Входной байпас требуется прежде всего тогда, когда стабилизатор расположен далеко от фильтрующего конденсатора источника.

Поэтому утверждение «без двух конденсаторов любой 7805 обязательно самовозбудится» неверно. Но установка локальных керамических конденсаторов остается правильной практикой, особенно при неизвестном производителе микросхемы, длинных проводах и импульсной нагрузке.

Конденсаторы должны иметь допустимое напряжение выше максимального напряжения в своей части схемы. Электролитические модели подключаются с соблюдением полярности.

Линейный стабилизатор рассеивает разницу между входной и выходной мощностью в виде тепла. Приближенный расчет выполняется по формуле:

P = (Uвх - Uвых) × I

Например, LM7805 получает 12 В и питает нагрузку 500 мА:

P = (12 - 5) × 0,5 = 3,5 Вт

Это значительный нагрев. Без радиатора температура корпуса быстро повысится, а микросхема может перейти в тепловую защиту.

Точная температура зависит от теплового сопротивления корпуса и радиатора. Для L78 в TO-220 компания ST указывает типичное тепловое сопротивление переход-среда около 50 °C/Вт без дополнительного радиатора. Это означает, что даже несколько ватт могут поднять температуру кристалла на десятки или более чем на 100 градусов относительно окружающего воздуха.

Эффективность линейного стабилизатора приблизительно равна отношению выходного напряжения к входному. При преобразовании 12 В в 5 В теоретическая эффективность составляет около 42%, а остальная энергия превращается в тепло.

LM7805 можно использовать для питания 5-вольтовой логики, Arduino, датчиков и других маломощных узлов. Но точка подключения зависит от конкретной платы.

Если стабилизированные 5 В подаются на вывод 5V платы Arduino, штатный линейный регулятор обычно обходится. В таком случае внешнее напряжение должно быть точным, а одновременное подключение USB необходимо оценивать по схеме питания конкретной платы.

Подавать 5 В от LM7805 на вывод VIN или разъем питания Arduino Uno обычно бессмысленно: после встроенного стабилизатора напряжение окажется ниже необходимого уровня.

С ESP32 необходимо различать микросхему, модуль и готовую отладочную плату:

Отладочная плата ESP32 часто содержит собственный стабилизатор 3,3 В и может получать 5 В через USB или отдельный вход. В этом случае LM7805 подключается к входу 5V или VIN, а не напрямую к выводу 3V3.

Для устройств с Wi-Fi нужно учитывать кратковременные пики потребления. Помимо LM7805, возле платы может потребоваться накопительный конденсатор, а сам стабилизатор должен сохранять выходное напряжение при импульсной нагрузке.

Внутри 78xx обычно предусмотрены ограничение тока, тепловая защита и защита выходного транзистора по безопасной области работы. Эти функции снижают вероятность мгновенного повреждения, но не заменяют правильную схему питания.

Распространенные ошибки:

• перепутаны IN и OUT;
• отсутствует общий провод между источником, стабилизатором и нагрузкой;
• на вход подано переменное напряжение без выпрямителя;
• превышено абсолютное входное напряжение;
• стабилизатор установлен без радиатора при большой мощности потерь;
• нагрузка подключена непосредственно к выходу без проверки пускового тока;
• выход 5 В подан на вывод 3V3 или GPIO ESP32;
• металлическая пластина корпуса замкнута на чужой потенциал;
• заявленный ток 1,5 А воспринимается как гарантированный в любых условиях.

Для защиты от переполюсовки на входе можно использовать последовательный диод или MOSFET-схему. При питании индуктивной нагрузки, например реле, защитный диод устанавливается возле катушки нагрузки. Он защищает ключ и линию питания от выброса напряжения, но не заменяет входную защиту самого стабилизатора.

LM7805, L7805CV, UA7805 и MC7805 выполняют одну основную функцию – формируют фиксированные 5 В. Многие версии в корпусе TO-220 имеют одинаковую распиновку IN-GND-OUT, но считать их безусловно идентичными нельзя.

Перед заменой сравнивают:

• распиновку;
• максимальное входное напряжение;
• допустимый ток;
• точность выхода;
• падение напряжения;
• температурный диапазон;
• тепловое сопротивление;
• требования к конденсаторам;
• корпус и соединение металлической пластины.

Подробно различия между названиями разобраны в статье LM7805 и L7805CV – в чем разница.

КР142ЕН5А иногда называют советским аналогом 7805, но перед заменой необходимо отдельно проверить исполнение корпуса и расположение выводов. Автоматически переносить цоколевку современного LM7805 на любую микросхему серии КРЕН нельзя.

Основные преимущества 78xx – простая схема, невысокий уровень высокочастотных помех и доступность. Основной недостаток – низкая эффективность при большом перепаде напряжения.

Понижающий DC-DC преобразователь обычно лучше подходит, если:

• входное напряжение значительно выше выходного;
• нагрузка потребляет сотни миллиампер или больше;
• устройство работает от аккумулятора;
• нагрев необходимо свести к минимуму;
• требуется высокий КПД;
• нет места для крупного радиатора.

В некоторых устройствах применяют оба решения: DC-DC сначала эффективно понижает высокое напряжение, а линейный стабилизатор затем уменьшает остаточные пульсации для чувствительной аналоговой части.

Отдельная микросхема 78xx подходит для установки на собственную печатную плату. Разработчик самостоятельно выбирает конденсаторы, защиту, радиатор, разъемы и расположение компонентов.

Готовый модуль LM7805 удобнее для прототипа, ремонта или быстрого подключения. В зависимости от модели на плате уже могут быть установлены конденсаторы, диодный мост, индикатор и винтовые клеммники.

Наличие клеммников и крупной платы не увеличивает допустимую мощность самой микросхемы. Если на модуле нет достаточного радиатора, установленный LM7805 будет иметь те же тепловые ограничения, что и отдельный компонент.

Для небольшой нагрузки и умеренного входного напряжения серия 78xx остается простым и надежным решением. При большом перепаде напряжения или высоком токе практичнее использовать DC-DC преобразователь.

Параметры стабилизаторов с одинаковыми последними цифрами могут отличаться в зависимости от производителя и полного обозначения. Для точного расчета нужно использовать документацию на компонент, установленный в конкретной схеме.

• LM340 и LM7805 Family – Texas Instruments
• L78 – STMicroelectronics
• MC7800 – onsemi