LM338 مقابل LM317: تحليل مقارن شامل للأداء العالي والدقة

1. المقدمة: الدور الأساسي لمنظمات الجهد القابل للتعديل

في تصميم الدوائر الإلكترونية، يحدد استقرار مصدر الطاقة بشكل مباشر الدقة التشغيلية وموثوقية المعدات. تعمل منظمات الجهد القابلة للتعديل، باعتبارها "المحور الأساسي" للحفاظ على استقرار الجهد، على ضبط جهد الخرج ديناميكيًا وفقًا لمتطلبات الحمل، وإيجاد تطبيقات واسعة في أنظمة الطاقة، والأجهزة، والتحكم الصناعي، والإلكترونيات الاستهلاكية.

LM338 وLM317، وهما منظمان جهد كلاسيكيان قابلان للتعديل بثلاثة أطراف قدمتهما شركة Texas Instruments (TI)، يحتلان مكانة مهمة في الصناعة نظرًا لتقنيتهما الناضجة وأدائهما المستقر. على الرغم من أن كلاهما ينتمي إلى عائلة منظمات الجهد الكهربي القابلة للتعديل، إلا أن توجهات تصميمهما تختلف اختلافًا كبيرًا: يتفوق LM338 في خرج الطاقة العالية، بينما يشتهر LM317 بأداء التنظيم الدقيق. توفر هذه المقالة مقارنة متعمقة من أبعاد مثل المعلمات المميزة، ووظائف الدبوس، والبنية الداخلية، وسيناريوهات التطبيق، مما يوفر مراجع منهجية لقرارات اختيار المهندسين.

2. مقدمة إلى LM338: خيار مثالي لتطبيقات الطاقة العالية

LM338 هو منظم جهد كهربائي قابل للتعديل ثلاثي الأطراف مصمم خصيصًا لسيناريوهات الطاقة المتوسطة إلى العالية، مع هدف التصميم الأساسي المتمثل في تحقيق خرج تيار عالٍ مع ضمان الاستقرار. وتشمل ميزاته الرئيسية ما يلي:

·قدرة إخراج تيار عالية: مع أجهزة التبريد القسرية (مثل أحواض الحرارة الكبيرة أو المراوح)، يمكن أن يصل الحد الأقصى لتيار الإخراج إلى 5 أمبير، وهو ما يتجاوز بكثير أجهزة تنظيم الجهد العادي، ويلبي احتياجات إمداد الطاقة للمحركات، ومحولات الطاقة العالية، وغيرها من المعدات.

·نطاق تنظيم الجهد الواسع: يمكن تعديل جهد الخرج بشكل مستمر بين 1.2 فولت و32 فولت، مما يغطي معايير الجهد لمعظم المعدات الصناعية والأجهزة المنزلية، مما يضمن قدرة قوية على التكيف.

·تصميم معزز لتبديد الحرارة: متوفر في TO-220 (عبوة بلاستيكية) وTO-3 (عبوة معدنية). يمكن توصيل الغلاف المعدني لحزمة TO-3 مباشرة بالمشتتات الحرارية، مع مقاومة حرارية منخفضة تصل إلى 1.5 درجة مئوية/وات، مما يتيح تبديد الحرارة بسرعة.

·آليات الحماية الشاملة:

·حماية التيار الزائد: يحد تلقائيًا من إخراج التيار عندما يتجاوز تيار الإخراج العتبة، مما يمنع احتراق الجهاز بسبب تحميل الدوائر القصيرة.

·إيقاف التشغيل بسبب الحرارة الزائدة: يقطع الإخراج تلقائيًا عندما تتجاوز درجة حرارة الوصلة 175 درجة مئوية، ويستأنف التشغيل عندما تنخفض درجة الحرارة إلى نطاق آمن.

·حماية منطقة التشغيل الآمنة: تمنع ترانزستورات الطاقة من التلف الناتج عن الجهد أو الضغط الحالي الذي يتجاوز منطقة التشغيل الآمنة.

يركز LM338 على تعزيز قدرات التعامل مع الطاقة، مما يجعله متميزًا في السيناريوهات التي تتطلب خرج تيار عالي مستمر، مثل:

·أنظمة قيادة المحركات الصناعية (على سبيل المثال، إمدادات الطاقة لمحركات التيار المستمر الصغيرة والمحركات السائر)؛

·مصدر الطاقة لمصفوفات LED عالية الطاقة (على سبيل المثال، إضاءة المسرح، وشاشات العرض الخارجية)؛

·معدات الشحن السريع لبطاريات الرصاص الحمضية (شحن بمستوى 5A لبطاريات 12 فولت/24 فولت).

3. مقدمة إلى LM317: الحل الكلاسيكي للتنظيم الدقيق

لقد وضع LM317، وهو "منتج معياري" بين منظمات الجهد الكهربي القابلة للتعديل ثلاثية الأطراف، معيارًا صناعيًا بفضل دقة التنظيم الممتازة وتعدد الاستخدامات منذ إطلاقه. وتشمل ميزاته الرئيسية ما يلي:

·انتاج طاقة متوسط: في ظل ظروف تبديد الحرارة المناسبة، يكون تيار الخرج النموذجي 1.5 أمبير، مع قيمة ذروة تبلغ 2.2 أمبير (لفترات قصيرة)، وهو مناسب للأجهزة ذات الطاقة المتوسطة إلى المنخفضة.

·التحكم في الجهد العالي الدقة:

·نطاق جهد الخرج: 1.25 فولت إلى 37 فولت، مع دقة تنظيم تصل إلى ±1%.

·معدل تنظيم الجهد المنخفض للغاية: 0.01%/فولت (الحد الأدنى من تقلب جهد الإخراج عندما يتغير جهد الإدخال).

·معدل تنظيم الحمل المنخفض: 0.1% فقط (استقرار إخراج ممتاز عند تغير تيار الحمل).

·خيارات الحزمة المرنة: متوفر في TO-220 (عبوة بلاستيكية)، TO-3 (عبوة علب معدنية)، SOT-223 (مثبت على السطح)، وأشكال أخرى، تتكيف مع متطلبات المساحة وتبديد الحرارة المختلفة.

·تصميم منخفض استهلاك الطاقة: التيار الهادئ يبلغ 5 مللي أمبير فقط، وهو أقل بكثير من الأجهزة المماثلة، مما يجعله مناسبًا للمعدات المحمولة التي تعمل بالبطارية (مثل الأجهزة المحمولة وأجهزة المراقبة الميدانية).

تكمن الميزة الأساسية لـ LM317 في "التنظيم الدقيق"، وبالتالي العثور على تطبيق واسع في السيناريوهات ذات المتطلبات الصارمة لاستقرار الجهد:

·إمدادات الطاقة المختبرية الدقيقة (توفير جهد قابل للتعديل بمستوى 1 مللي فولت) ؛

·أنظمة إمداد طاقة الاستشعار (على سبيل المثال، جهد التشغيل المستقر لأجهزة استشعار درجة الحرارة والضغط)؛

·الأجهزة الإلكترونية منخفضة الطاقة (على سبيل المثال، لوحات تطوير المتحكمات الدقيقة، والأجهزة الصغيرة).

4. مقارنة الميزات بين LM338 وLM317

5. تعريفات الدبوس والأوصاف الوظيفية

5.1 بينوت

LM338 بينوت

LM317 بينوت

تعريفات الدبوس لكلا الجهازين متطابقة (مع أخذ حزمة TO-220 كمثال):

·الدبوس 1: طرف التعديل (ADJ، ضبط)

·الدبوس 2: محطة الإخراج (خارج، إخراج)

·الدبوس 3: محطة الإدخال (IN، الإدخال)

يسمح هذا الاتساق بالاستبدال المباشر في تصميم الدوائر (مطلوب الاهتمام بمطابقة الطاقة). على سبيل المثال، إذا كانت الدائرة التي تستخدم LM317 في الأصل بحاجة إلى زيادة تيار الخرج إلى 5 أمبير، فيمكن استبدالها مباشرة بـ LM338 دون تعديل تخطيط PCB.

5.2 أوصاف وظيفة الدبوس

·محطة الإدخال (في): يتصل بمصدر طاقة تيار مستمر غير منظم (على سبيل المثال، التيار الكهربائي المصحح والمفلتر، وحزم البطاريات). يجب أن يتجاوز جهد الإدخال جهد الخرج بمقدار 2 فولت على الأقل (2.5 فولت لـ LM338)؛ خلاف ذلك، قد يحدث عدم استقرار الإخراج بسبب "عدم كفاية جهد التسرب".

·محطة الإخراج (خارج): يوفر جهد تيار مستمر ثابتًا وقابل للتعديل، ويتصل مباشرة بدائرة الحمل (على سبيل المثال، المحركات وأجهزة الاستشعار والرقائق).

·محطة التعديل (ADJ): يضبط جهد الخرج من خلال شبكة مقاومة خارجية. المبدأ هو وجود جهد مرجعي ثابت بين طرفي ADJ وOUT (1.2 فولت لـ LM338، 1.25 فولت لـ LM317). يمكن ضبط جهد الخرج عن طريق تغيير نسبة مقاومات أخذ العينات (الصيغة: Vout = Vref × (1 + R2/R1) + Iadj×R2، حيث Iadj هو تيار التسرب لطرف ADJ، والذي عادة ما يكون ضئيلًا).

6. مقارنة المخططات الداخلية

6.1 الهيكل الداخلي LM338

يتكون المخطط الهيكلي الداخلي لـ LM338 من أربع وحدات أساسية:

·مصدر الجهد المرجعي: يوفر جهدًا مرجعيًا يبلغ 1.2 فولت، ويعمل بمثابة "المعيار المرجعي" لتنظيم الإخراج.

·مضخم الخطأ: يقارن الفرق بين الجهد المرجعي وجهد أخذ العينات الناتج لتشغيل ترانزستور ضبط الطاقة.

·ترانزستور تعديل الطاقة: يستخدم ترانزستور طاقة NPN كبير الحجم، قادر على تحمل تيار 5 أمبير واستهلاك طاقة عالي (بحد أقصى 70 وات).

·دائرة الحماية: يشمل الكشف عن التيار الزائد (مراقبة تيار ترانزستور الضبط)، والكشف عن الحرارة الزائدة (مراقبة درجة حرارة الوصلة)، والتحكم الآمن في منطقة التشغيل (الحد من الجهد الكهربي/ضغط التيار).

يركز تصميمه على تقوية مسار الطاقة: يتمتع ترانزستور تعديل الطاقة بمقاومة منخفضة للغاية، ويتم توصيل ركيزة تبديد الحرارة مباشرة بالغطاء المعدني، مما يضمن الاستقرار الحراري في ظل التيار العالي.

6.2 الهيكل الداخلي LM317

يشبه مخطط الكتلة الداخلي لـ LM317 مخطط LM338 ولكن مع اتجاهات تحسين مختلفة:

·مصدر الجهد المرجعي: يوفر مرجعًا عالي الدقة بجهد 1.25 فولت مع معامل درجة حرارة يصل إلى 10 جزء في المليون/درجة مئوية (يتغير الجهد المرجعي بنسبة 0.001% فقط لكل تغير في درجة الحرارة بمقدار 1 درجة مئوية).

·مضخم الخطأ: كسب أعلى (يصل إلى 80 ديسيبل)، مما يتيح التقاط أكثر حساسية لتقلبات الجهد لضمان دقة الإخراج.

·ترانزستور تعديل الطاقة: حجم أصغر، مناسب للسيناريوهات الحالية 1.5 أمبير.

·دائرة الحماية: عتبة التيار الزائد المنخفضة (التكيف مع مخرج 1.5 أمبير) وسرعة استجابة أسرع، مناسبة للحماية السريعة للمعدات المتوسطة إلى المنخفضة الطاقة.

القواسم المشتركة والاختلافات

·القواسم المشتركة: كلاهما يعتمد طوبولوجيا "ضبط السلسلة" (ترانزستور الطاقة على التوالي مع الحمل) وتثبيت جهد الخرج من خلال ردود الفعل السلبية، باتباع نفس المبدأ.

·الاختلافات: يركز LM338 على "محمل الطاقة" (ترانزستور طاقة كبير الحجم + تبديد حرارة معزز)، بينما يركز LM317 على "التحكم الدقيق" (مرجع عالي الدقة + مضخم صوت عالي الكسب).

7. مخططات دوائر التطبيق النموذجية

7.1 LM338 التطبيقات النموذجية

(1) منظم جهد قابل للتعديل 5A

·تكوين الدائرة: LM338 + R1 (1.2Ω/1W) + R2 (مقاوم قابل للتعديل 10kΩ) + المشتت الحراري (≥200cm²).

·نطاق جهد الخرج: 1.2 فولت - 32 فولت، الصيغة: Vout = 1.2×(1 + R2/R1).

·التصميم الرئيسي: يجب أن يكون R1 مقاومًا للأغشية المعدنية بقدرة 1 وات (لتجنب ارتفاع درجة الحرارة)؛ يجب توصيل مكثف إلكتروليتي سعته 100 ميكرو فاراد على التوازي عند طرف الإدخال (لتصفية تموج الإدخال)؛ يجب توصيل مكثف سيراميكي سعته 1μF على التوازي عند طرف الخرج (لمنع التذبذب عالي التردد).

(2) شاحن بطارية الرصاص الحمضية

·ميزات الدائرة: تعيين قيمة تيار ثابتة (5 أمبير) من خلال المقاوم، والتبديل تلقائيًا إلى الشحن المتقطع عندما يصل جهد البطارية إلى الحد الأدنى (على سبيل المثال، 14.4 فولت لبطاريات 12 فولت).

·سيناريوهات التطبيق: الشحن السريع للدراجات ثلاثية العجلات الكهربائية وبطاريات UPS.

7.2 LM317 التطبيقات النموذجية

(1) مصدر طاقة قابل للتعديل بدقة

·تكوين الدائرة: LM317 + R1 (مقاوم دقيق 240 أوم/0.25 وات) + R2 (مقاوم قابل للتعديل متعدد الدورات 5 كيلو أوم) + مكثف تعويض 0.1 ميكروفاراد.

·نطاق جهد الخرج: 1.25 فولت - 37 فولت، مع دقة تنظيم تصل إلى ±0.1 فولت.

·التصميم الرئيسي: يستخدم R1 مقاوم غشاء معدني عالي الدقة (خطأ ±0.1%)، ويستخدم R2 مقاومًا قابلاً للتعديل متعدد الدورات (لضمان التنظيم السلس).

(2) مشغل LED بتيار مستمر 1.5 أمبير

·تكوين الدائرة: LM317 + R1 (0.8Ω/2W)، تيار الخرج: Iout = 1.25V / R1 (على سبيل المثال، Iout≈1.56A عندما يكون R1=0.8Ω).

·سيناريوهات التطبيق: مصفوفات LED بقدرة 10 وات (3 سلاسل و3 متوازية، جهد 9 فولت - 12 فولت).

ملخص الاختلافات الدائرة

·يتمتع مقاوم أخذ العينات (R1) الخاص بـ LM338 بتصنيف طاقة أعلى (≥1W) لتحمل استهلاك الطاقة في ظل التيار العالي.

·يتميز مقاوم أخذ العينات LM317 بدقة أعلى (±±0.1%) لضمان دقة تنظيم جهد الخرج.

·يجب أن يكون LM338 مجهزًا بمشتت حراري كبير، بينما يمكن لـ LM317 حذف المشتت الحراري (حزمة TO-220) عند إخراج أقل من 1 أمبير.

8. مقارنة المواصفات التفصيلية

9. ملخص الاختلافات الرئيسية

الفرق الأساسي في مستوى الطاقة
LM338 هو جهاز عالي الطاقة بمستوى 5A، مناسب لقيادة المحركات والأحمال عالية الطاقة؛ LM317 هو جهاز ذو طاقة متوسطة إلى منخفضة بمستوى 1.5 أمبير، مناسب لسيناريوهات الطاقة المنخفضة الدقيقة. وهذا هو الفرق الأساسي بين الاثنين.

فجوة كبيرة في الأداء الدقيق
معدل تنظيم الجهد لـ LM317 (0.01%/V) هو 1/5 معدل LM338 (0.05%/V)، واستقرار درجة الحرارة (10 جزء في المليون/درجة مئوية) هو 1/3 معدل LM338 (30 جزء في المليون/درجة مئوية)، مما يجعله أكثر ملاءمة للمعدات التي تتطلب دقة عالية الجهد (مثل أجهزة الاستشعار والأجهزة).

<سبان ستي