LM7805 vs LM317: เลือกตัวควบคุมแรงดันไฟฟ้าที่เหมาะสม

LM7805 vs LM317 เป็นการเปรียบเทียบเรกูเลเตอร์สุดคลาสสิกในวงการอิเล็กทรอนิกส์สำหรับงานอดิเรก อุตสาหกรรม และการศึกษา เนื่องจากอุปกรณ์ทั้งสองชิ้นนี้เป็นเรกูเลเตอร์แบบสามขาที่ได้รับการยอมรับมากที่สุดในโลก และผู้ออกแบบทุกคนต่างเคยใช้งานพวกมันควบคู่กันมาแล้ว LM7805 เป็นเรกูเลเตอร์แบบเอาต์พุตคงที่ซึ่งจ่ายแรงดันไฟฟ้าที่ 5 โวลต์อย่างสม่ำเสมอ ส่วน LM317 เป็นเรกูเลเตอร์แบบปรับค่าได้ซึ่งเอาต์พุตจะถูกกำหนดโดยตัวต้านทานสองตัวให้เป็นค่าใดก็ได้ภายในช่วงการทำงานของมัน การเปรียบเทียบระหว่างทั้งสองจึงไม่ใช่เรื่องที่ว่าตัวไหนดีกว่ากัน แต่เป็นเรื่องของสิ่งที่ระบบต้องการมากกว่า อุปกรณ์ทั้งสองใช้ตัวถังแบบ TO-220 สามขาเหมือนกัน ทั้งคู่จ่ายกระแสได้สูงสุดประมาณหนึ่งแอมป์ครึ่ง และทั้งคู่ต่างอยู่ในตระกูลที่ตลาดผลิตซ้ำผ่านผู้จำหน่ายหลายราย ดังนั้นการเลือกจึงเป็นการตัดสินใจด้านการออกแบบเกี่ยวกับเอาต์พุต กระแสไฟฟ้า แรงดันดรอปเอาต์ และความร้อน มากกว่าที่จะเป็นการที่อุปกรณ์ตัวหนึ่งเอาชนะอีกตัวหนึ่ง คู่มือนี้จะเปรียบเทียบทั้งสองในด้านตัวเลือกเอาต์พุต กระแสและดรอปเอาต์ แพ็คเกจและความร้อน การใช้งาน และตระกูลที่ใช้ทดแทนกันได้ พร้อมทั้งให้กฎในการเลือกระหว่างทั้งสอง เพื่อให้การออกแบบระบบครั้งต่อไปสามารถเลือกชิ้นส่วนแบบคงที่หรือแบบปรับค่าได้ตามหลักฐานที่ปรากฏ

การเปรียบเทียบนี้ยังครอบคลุมถึงมุมมองด้านการจัดหาและการทดแทน เนื่องจากอุปกรณ์ทั้งสองชิ้นเป็นศูนย์กลางของตลาดเรกูเลเตอร์แบบขาที่เข้ากันได้ (pin-compatible) ที่เว็บไซต์นี้ทำการค้าอยู่ การออกแบบที่เลือก LM7805 คือการเลือกตระกูล 78xx ซึ่งมีรูปแบบสามขาที่ผู้จำหน่ายรายใหญ่ทุกรายและผู้ผลิตในประเทศจำนวนมากผลิตซ้ำ และการออกแบบที่เลือก LM317 คือการเลือกตระกูลแบบปรับค่าได้ที่ตลาดทำให้เป็นมาตรฐานเช่นกัน ดังนั้นทั้งสองทางเลือกจึงเปิดไปสู่ตลาดการทดแทนที่กว้างขวาง คู่มือนี้จึงครอบคลุมทั้งการเปรียบเทียบทางวิศวกรรมและมุมมองด้านการทดแทนควบคู่กันไป และเป็นข้อมูลอ้างอิงในการทำงานที่วิศวกรควรมีไว้ข้างกายพร้อมกับดาต้าชีททั้งสองฉบับ LM7805 และ LM317 คือสองด้านของความสมดุลในเรื่องเรกูเลเตอร์ นั่นคือความเรียบง่ายของอุปกรณ์แบบคงที่และความอเนกประสงค์ของอุปกรณ์แบบปรับค่าได้ และการเปรียบเทียบนี้คือแผนผังระหว่างปลายทั้งสองด้านนั้น

LM7805 vs LM317: ความแตกต่างของการออกแบบหลัก

ความแตกต่างหลักระหว่าง LM7805 และ LM317 คือสถาปัตยกรรมเอาต์พุต และความแตกต่างในทางปฏิบัติทุกประการล้วนตามมาจากจุดนี้ LM7805 เป็นตัวรักษาระดับแรงดันไฟฟ้าบวกแบบคงที่ (fixed positive regulator) ที่มีแรงดันอ้างอิงและตัวแบ่งแรงดันเอาต์พุตอยู่ภายในแพ็คเกจ ดังนั้นมันจึงจ่ายแรงดัน 5 โวลต์เสมอ โดยผู้ออกแบบเพียงแค่เชื่อมต่ออินพุต กราวด์ และเอาต์พุต พร้อมกับเพิ่มตัวเก็บประจุสองตัว ส่วน LM317 เป็นตัวรักษาระดับแรงดันไฟฟ้าบวกแบบปรับค่าได้ (adjustable positive regulator) ที่จ่ายแรงดัน 1.25 โวลต์ระหว่างขาเอาต์พุตและขาปรับค่า (adjustment pin) โดยผู้ออกแบบจะกำหนดแรงดันเอาต์พุตผ่านตัวแบ่งแรงดันจากตัวต้านทานระหว่างขาปรับค่ากับเอาต์พุตและกราวด์ ดังนั้น LM317 เพียงตัวเดียวจึงสามารถรองรับเอาต์พุตได้ตั้งแต่ประมาณ 1.25 โวลต์ไปจนถึงเกือบเท่ากับแรงดันอินพุตลบด้วย dropout อุปกรณ์แบบคงที่คือรางจ่ายไฟที่เรียบง่ายที่สุดเท่าที่จะเป็นไปได้ ในขณะที่อุปกรณ์แบบปรับค่าได้คือชิ้นส่วนที่ยืดหยุ่นที่สุดในแคตตาล็อก และการเปรียบเทียบนี้คือความสมดุลระหว่างความเรียบง่ายและความยืดหยุ่น ความแตกต่างหลักคือการตัดสินใจในขั้นตอนการเขียนวงจร (schematic) และเป็นความแตกต่างที่ส่วนที่เหลือของคู่มือนี้จะอธิบายในการประยุกต์ใช้งาน

การออกแบบภายในยังอธิบายถึงสาเหตุที่อุปกรณ์ทั้งสองทำงานในลักษณะที่แตกต่างกันที่เอาต์พุต ตัวแบ่งแรงดันภายในของ LM7805 ถูกปรับแต่งมาจากโรงงาน ดังนั้นเอาต์พุต 5 โวลต์จึงมีความแม่นยำโดยไม่ต้องใช้ชิ้นส่วนภายนอก ในขณะที่ตัวแบ่งแรงดันภายนอกของ LM317 จะต้องรับภาระและค่าความคลาดเคลื่อน (tolerance) ของการตั้งค่าเอาต์พุต แรงดันอ้างอิง 1.25 โวลต์ของ LM317 ซึ่งเป็นแรงดันระหว่างเอาต์พุตและขาปรับค่า คือมาตรฐานที่ตัวแบ่งแรงดันจะทำการทวีคูณ และตัวต้านทานของตัวแบ่งแรงดันรวมถึงค่าความคลาดเคลื่อนและการเลื่อนไหล (drift) ของมันจะกลายเป็นส่วนหนึ่งของค่าความคลาดเคลื่อนของเอาต์พุต ดังนั้นการเปรียบเทียบจึงมองว่าความแม่นยำของเอาต์พุตเป็นจุดแข็งของอุปกรณ์แบบคงที่ และความยืดหยุ่นของเอาต์พุตเป็นจุดแข็งของอุปกรณ์แบบปรับค่าได้ การออกแบบที่ต้องการรางจ่ายไฟมาตรฐานที่แม่นยำจะเลือก LM7805 ในขณะที่การออกแบบที่ต้องการรางจ่ายไฟแบบกำหนดเองจะเลือก LM317 ความแตกต่างหลักคือเอาต์พุต และการตัดสินใจเรื่องเอาต์พุตคือสิ่งแรกและสำคัญที่สุดในการเปรียบเทียบนี้

เอาต์พุตแบบคงที่เทียบกับแบบปรับค่าได้ในทางปฏิบัติ

ความแตกต่างระหว่างแบบคงที่และแบบปรับค่าได้ส่งผลต่อการตัดสินใจเล็กๆ น้อยๆ บนบอร์ด รางจ่ายไฟคงที่ 5 โวลต์ หรือรางจ่ายไฟคงที่ 12 โวลต์จาก 7812 ประกอบด้วยตัวเก็บประจุสองตัวและตัวอุปกรณ์หนึ่งชิ้น การวางเลย์เอาต์นั้นง่ายมาก และเอาต์พุตมีความแม่นยำเพราะโรงงานปรับแต่งมาให้แล้ว ส่วนรางจ่ายไฟแบบปรับค่าได้ประกอบด้วยตัวอุปกรณ์บวกกับค่าตัวต้านทานสองค่าที่ผู้ออกแบบเลือก และการวางเลย์เอาต์จะต้องเพิ่มตัวแบ่งแรงดัน ค่าความคลาดเคลื่อน และการบายพาสขาปรับค่าตามที่ datasheet แนะนำ บอร์ดที่ใช้รางจ่ายไฟคงที่หลายรางจะเลือกชิ้นส่วนแบบคงที่ตามค่าของมัน เช่น 7805, 7809, 7812 และบอร์ดที่ต้องการค่าที่แคตตาล็อกแบบคงที่ไม่มีให้ หรือค่าที่อาจเปลี่ยนแปลงในการแก้ไขในอนาคต จะเลือก LM317 และปรับเปลี่ยนค่าด้วยตัวต้านทาน ในทางปฏิบัติคือการเลือกใช้ชิ้นส่วนแบบคงที่สำหรับรางจ่ายไฟมาตรฐานทุกราง และใช้ชิ้นส่วนแบบปรับค่าได้สำหรับรางจ่ายไฟที่ไม่เป็นมาตรฐานและต้องการความยืดหยุ่นในอนาคต ซึ่งแนวทางปฏิบัตินี้คือการนำความแตกต่างหลักมาใช้งานจริง

แรงดันเอาต์พุตและการใช้งาน: LM7805 เทียบกับ LM317

แรงดันเอาต์พุตเป็นตัวกำหนดการใช้งานของอุปกรณ์ทั้งสองส่วน และการจับคู่นี้คือภาคปฏิบัติของการเปรียบเทียบ เอาต์พุต 5 โวลต์ของ LM7805 คือระดับแรงดันลอจิกมาตรฐาน ซึ่งเป็นระดับที่ไมโครคอนโทรลเลอร์ ลอจิก เซนเซอร์ และอินเทอร์เฟซต่างๆ ใช้งานมานานหลายทศวรรษ และเป็นการใช้งานที่ 7805 กำหนดไว้ชัดเจน: แหล่งจ่ายไฟคงที่ 5 โวลต์สำหรับบล็อกดิจิทัล บอร์ดเซนเซอร์ หรือโมดูล โดยแปลงมาจากอินพุตที่สูงกว่า เช่น แหล่งจ่ายไฟ 9 โวลต์ หรือ 12 โวลต์ ส่วนเอาต์พุตแบบปรับค่าได้ของ LM317 จะรองรับแรงดันไฟฟ้าที่ไม่ใช่ค่ามาตรฐาน เช่น แรงดัน 3.3 โวลต์ เมื่อไม่มีอุปกรณ์ค่าคงที่พร้อมใช้งาน แรงดัน 6 โวลต์ แรงดัน 8 โวลต์ แหล่งจ่ายไฟบนโต๊ะทดลองที่ผู้ออกแบบต้องหมุนปุ่มปรับ และการทดสอบหรือแหล่งจ่ายไฟต้นแบบที่ค่าแรงดันมีการเปลี่ยนแปลง อุปกรณ์ทั้งสองยังสามารถใช้งานในระดับแรงดันที่ทับซ้อนกันได้ เพราะ LM317 ที่ตั้งค่าไว้ที่ 5 โวลต์จะให้แรงดันระดับเดียวกับ 7805 และการเปรียบเทียบจะถูกตัดสินด้วยปัจจัยอื่น เช่น dropout จำนวนอุปกรณ์ และการจัดหาชิ้นส่วน เอาต์พุตเป็นตัวกำหนดบทบาทของอุปกรณ์ และการกำหนดนี้คือเหตุผลที่ 7805 ครองโลกของแรงดัน 5 โวลต์ ในขณะที่ LM317 ครองความเป็นเลิศด้านความยืดหยุ่น

ชุดการใช้งานยังอธิบายถึงคุณค่าทางการศึกษาของอุปกรณ์ทั้งสอง เพราะ LM7805 สอนเรื่องเรกูเลเตอร์แบบคงที่ และ LM317 สอนเรื่องเรกูเลเตอร์แบบปรับค่าได้ ซึ่งทั้งคู่ครอบคลุมโหมดการรักษาระดับแรงดันแบบเชิงเส้นทั้งสองแบบ โต๊ะทำงานของนักประดิษฐ์ ส่วนจ่ายไฟบนเบรดบอร์ด แหล่งจ่ายไฟสำหรับปรีแอมป์เสียง โหนดเซนเซอร์ และโมดูลควบคุมอุตสาหกรรม ต่างก็ใช้อย่างใดอย่างหนึ่งหรือทั้งคู่ และการเปรียบเทียบที่ผู้ออกแบบสร้างขึ้นผ่านอุปกรณ์คู่นี้คือการเปรียบเทียบที่คู่มือนี้ระบุไว้ในที่เดียว การใช้งานยังมาพร้อมกับความคาดหวังด้านสัญญาณรบกวนและความแม่นยำ เพราะแรงดัน 5 โวลต์ที่จ่ายให้บล็อกลอจิกนั้นสามารถทนต่อ ripple ของเรกูเลเตอร์ได้ ในขณะที่แรงดันที่จ่ายให้วงจรอนาล็อกส่วนหน้าจะต้องพิจารณาเรื่องการ decoupling และสัญญาณรบกวนตามที่ระบุใน datasheet เอาต์พุตจะจับคู่อุปกรณ์เข้ากับงาน และงานเหล่านั้นคือภาพลักษณ์ที่เป็นรูปธรรมของการเปรียบเทียบ ซึ่งในส่วนถัดไปของคู่มือจะลงรายละเอียดเรื่องกระแสไฟฟ้า dropout และความร้อน

แรงดันระดับใดที่เรกูเลเตอร์แต่ละตัวเหมาะสมที่สุด

LM7805 เหมาะกับแรงดันที่ต้องการ 5 โวลต์พอดี และตอบโจทย์ด้วยจำนวนอุปกรณ์ที่น้อยที่สุด ความแม่นยำคงที่ และการจัดวางขามาตรฐาน ซึ่งได้แก่ แรงดันลอจิก 5 โวลต์ แหล่งจ่ายไฟเซนเซอร์ และแหล่งจ่ายไฟโมดูลที่แปลงมาจากอินพุตที่สูงกว่า LM317 เหมาะกับแรงดันที่ต้องการค่าอื่นที่ไม่ใช่ 5 โวลต์ หรือค่าที่การออกแบบต้องมีการปรับเปลี่ยน และตอบโจทย์ด้วยอุปกรณ์หนึ่งตัวร่วมกับตัวต้านทานสองตัว ซึ่งได้แก่ แหล่งจ่ายไฟแบบปรับค่าได้บนโต๊ะทดลอง แรงดัน 3.3 โวลต์ในกรณีฉุกเฉิน และแรงดันค่าแปลกๆ ที่ไม่มีในรายการสินค้าแบบค่าคงที่ ส่วนที่ทับซ้อนกันคือแรงดัน 5 โวลต์ที่ LM317 สามารถทำได้เช่นกัน และตัวตัดสินคือความต้องการอื่นของการออกแบบ เช่น จำนวนอุปกรณ์ dropout และความง่ายในการจัดหา กฎคือการเลือกอุปกรณ์ที่เหมาะสมกับค่าแรงดันและความเรียบง่ายของการออกแบบ และกฎนี้คือข้อสรุปด้านการใช้งานข้อแรกของการเปรียบเทียบนี้

กระแสไฟฟ้า, Dropout, และช่วงอินพุต: LM7805 เทียบกับ LM317

กระแสไฟฟ้าและ Dropout ของอุปกรณ์ทั้งสองส่วนนี้อยู่ในตระกูลเดียวกัน และการเปรียบเทียบถือว่าสิ่งเหล่านี้เป็นคุณสมบัติร่วมกันมากกว่าความแตกต่าง ทั้งคู่จ่ายกระแสได้สูงสุดประมาณ 1.5 แอมป์ เมื่อมีการระบายความร้อนที่เหมาะสม ทั้งคู่ต้องการ Dropout แบบคลาสสิกที่ประมาณ 2 โวลต์ ระหว่างอินพุตและเอาต์พุต และทั้งคู่ทำงานจากอินพุตได้สูงสุดประมาณ 35 โวลต์ แบบสัมบูรณ์และทำงานได้อย่างราบรื่นในช่วงมาตรฐาน ดังนั้น 7805 ขนาด 5 โวลต์ จึงต้องการแรงดันอินพุตประมาณ 7 โวลต์ และ LM317 ที่ตั้งค่าไว้ที่ 5 โวลต์ ก็ต้องการ Headroom ในระดับเดียวกัน Dropout คือขีดจำกัดของอุปกรณ์ทั้งสอง และเป็นเหตุผลที่ไม่มีตัวเลือกใดเหมาะสมสำหรับ Rail ที่ทำงานใกล้กับอินพุต ซึ่งเป็นจุดที่ตระกูล LDO จะเข้ามาแทนที่ กระแสไฟฟ้าคือพิกัดที่ใช้ร่วมกัน และความร้อนคือขีดจำกัดของกระแสไฟฟ้า เนื่องจากการสูญเสียพลังงานที่อินพุต 12 โวลต์ และโหลด 1 แอมป์ จะอยู่ที่ประมาณ 7 วัตต์ ในชิ้นส่วนที่ออกแบบมาให้ระบายความร้อนด้วย Heatsink และไม่มีอุปกรณ์ตัวไหนที่เปลี่ยนการคำนวณนี้ได้ กระแสไฟฟ้าและ Dropout คือขอบเขตที่ใช้ร่วมกันของตระกูลนี้ และการเปรียบเทียบนี้ให้ความสำคัญกับขอบเขตดังกล่าวมากกว่าการแสร้งว่าอุปกรณ์ทั้งสองมีความแตกต่างกันในจุดนี้

ช่วงอินพุตและการป้องกันก็เป็นสิ่งที่ใช้ร่วมกันเช่นกัน และสิ่งเหล่านี้คือชั้นความน่าเชื่อถือของการเปรียบเทียบ อุปกรณ์ทั้งสองมีการจำกัดกระแสภายในและการตัดการทำงานเมื่ออุณหภูมิสูงเกิน (Thermal Shutdown) ซึ่งช่วยปกป้องอุปกรณ์และโหลดภายใต้สภาวะลัดวงจรและโอเวอร์โหลด และทั้งคู่ต้องการตัวเก็บประจุอินพุตและเอาต์พุตตามที่ Datasheet ระบุเพื่อยับยั้งการแกว่ง (Oscillation) และ Transient การออกแบบยังช่วยปกป้องตัวควบคุมแรงดันไฟฟ้าจากสภาวะย้อนกลับและแรงดันกระชากที่อาจเกิดขึ้นทางอินพุต ด้วยไดโอดป้องกันในจุดที่ Datasheet แนะนำ การเปรียบเทียบถือว่าการป้องกันคือความน่าเชื่อถือร่วมกันของตระกูล และการคำนวณทางความร้อนคือขีดจำกัดร่วมกัน ดังนั้นการเลือกระหว่าง LM7805 และ LM317 จึงไม่ใช่การแข่งขันด้านความน่าเชื่อถือ แต่เป็นการแข่งขันด้านความเหมาะสมในการออกแบบในส่วนของเอาต์พุตและความเรียบง่าย กระแสไฟฟ้า, Dropout, ช่วงอินพุต และการป้องกัน คือพื้นฐานร่วมกันของตระกูลนี้ และส่วนที่เหลือของคู่มือจะอ่านถึงความแตกต่างที่เป็นตัวตัดสินความเหมาะสม

Dropout ส่งผลต่ออุปกรณ์ทั้งสองอย่างไรเมื่ออินพุตต่ำ

Dropout ที่ประมาณ 2 โวลต์ กำหนดอินพุตขั้นต่ำสำหรับอุปกรณ์ทั้งสอง และพฤติกรรมเมื่ออินพุตต่ำคือจุดที่ตระกูล LDO เข้ามาในการเปรียบเทียบ Rail ขนาด 5 โวลต์ จาก 7805 ต้องการอินพุตที่สูงกว่าประมาณ 7 โวลต์ และหากอินพุตเกิด Ripple หรือตกลงต่ำกว่านั้น เอาต์พุตจะหลุดจากการควบคุม (Out of Regulation) และลดลงตามอินพุตที่เหลืออยู่ LM317 ที่ตั้งค่าไว้ที่ 5 โวลต์ ก็ต้องการ Headroom เท่ากัน ดังนั้น Rail ที่มีอินพุตต่ำซึ่งต้องทำงานจากแหล่งจ่าย 5.2 โวลต์, แบตเตอรี่ที่ใกล้จะหมด หรืออะแดปเตอร์ที่มีแรงดันจำกัด จะไม่สามารถใช้อุปกรณ์ทั้งสองนี้ได้ และต้องเปลี่ยนไปใช้ LDO เช่น AMS1117 และ LM1117 ซึ่งมี Dropout เพียงไม่กี่ร้อยมิลลิโวลต์ การพิจารณาเรื่อง Dropout คือขอบเขตที่ทำให้ LM7805 และ LM317 เหมาะสำหรับ Rail ที่มี Headroom เหลือเฟือ และเป็นขอบเขตที่คู่มือระบุไว้เมื่อการเปรียบเทียบขยายไปยังตระกูลตัวควบคุมแรงดันไฟฟ้าอื่นๆ Rail ที่มีอินพุตต่ำคือพื้นที่ของ LDO ส่วน 7805 และ 317 จะให้บริการใน Rail ที่สูงกว่าค่า Dropout ของมันด้วยความเรียบง่ายที่ LDO อาจไม่สามารถเทียบได้เสมอไป

Package และ Thermal: LM7805 เทียบกับ LM317

เรื่องของ Package และ Thermal ของอุปกรณ์ทั้งสองตัวนี้เป็นเรื่องเดียวกัน และเป็นตัวกำหนดกระแสไฟฟ้าที่การออกแบบสามารถดึงไปใช้งานได้จริง อุปกรณ์ทั้งสองมีจำหน่ายในรูปแบบ TO-220 ซึ่งเป็น Package แบบ Through-hole ที่มีแถบโลหะทำหน้าที่เป็นจุดยึด Heatsink และในรูปแบบ Surface-mount อย่าง DPAK และรุ่นใกล้เคียง โดยค่า Thermal resistance ของ Package และแผ่นวงจรจะเป็นตัวกำหนดว่าอุปกรณ์สามารถระบายความร้อนได้มากน้อยเพียงใด พลังงานที่สูญเสียไป (Dissipated power) คือส่วนต่างของ Input ลบด้วย Output คูณกับกระแสไฟฟ้า และอุณหภูมิที่จุดรอยต่อ (Junction temperature) คืออุณหภูมิแวดล้อมบวกด้วยพลังงานคูณกับ Thermal resistance ดังนั้นกระแสที่การออกแบบดึงไปใช้จึงถูกจำกัดด้วยอุณหภูมิที่ Package พุ่งสูงขึ้น Input ขนาด 12 โวลต์ และ Output 5 โวลต์ที่กระแส 1 แอมป์ จะเกิดการสูญเสียพลังงาน 7 วัตต์ ซึ่ง TO-220 ที่ติดตั้ง Heatsink อย่างเหมาะสมสามารถระบายความร้อนนี้ได้ แต่ TO-220 เปล่าๆ ในอากาศนิ่งไม่สามารถทำได้ ดังนั้นการออกแบบ Thermal ทั้ง Heatsink, พื้นทองแดงบนบอร์ด และการไหลเวียนของอากาศ จึงเป็นตัวกำหนดพิกัดที่แท้จริงของอุปกรณ์ทั้งสองตัว Package และ Thermal คือวิศวกรรมส่วนกลางที่ใช้ร่วมกันในการเปรียบเทียบ และการเลือกใช้งานต้องพิจารณาค่าเหล่านี้เทียบกับโหลดที่การออกแบบต้องการ

การพิจารณาด้าน Thermal ยังช่วยแนะนำการเลือก Package ระหว่าง TO-220 และรุ่น Surface-mount โดย TO-220 พร้อม Heatsink จะรองรับการจ่ายไฟระดับหลายวัตต์ ส่วน DPAK และ SOT-223 จะรองรับการจ่ายไฟที่พลังงานต่ำกว่าโดยใช้พื้นทองแดงของบอร์ดเป็น Heatsink และการเลือกต้องจับคู่ Package ให้เหมาะสมกับพลังงานที่สูญเสียไป การเปรียบเทียบระหว่าง LM7805 และ LM317 ใช้แผนผัง Package เดียวกัน เนื่องจากอุปกรณ์ทั้งสองมีตัวเลือก Package เหมือนกัน และการคำนวณ Thermal ก็เหมือนกันเพราะการสูญเสียพลังงานใช้หลักคณิตศาสตร์เดียวกัน ดังนั้นคู่มือนี้จึงพิจารณาเรื่อง Thermal เพียงครั้งเดียวสำหรับอุปกรณ์ทั้งสอง และการพิจารณานี้คือระเบียบวินัยที่ป้องกันไม่ให้ Regulator ขนาด 1.5 แอมป์เกิดความร้อนสูงจนเสียหายในการออกแบบ Thermal คือขีดจำกัดที่แท้จริงของอุปกรณ์ตระกูลนี้ และ Package คือคำตอบทางกายภาพต่อขีดจำกัดนั้น ซึ่งการเลือกใช้งานต้องเคารพทั้งสองส่วน

วิธีการติดตั้ง Heatsink สำหรับ TO-220 Regulator

การติดตั้ง Heatsink ให้กับ TO-220 Regulator คือส่วนงานทางกลของการออกแบบ Thermal และต้องทำตามแบบจำลองความร้อน ติดตั้ง TO-220 เข้ากับ Heatsink โดยมี Thermal interface เช่น Thermal pad หรือจาระบีความร้อน อยู่ระหว่างแถบโลหะและ Heatsink และใช้สกรูหรือคลิปตามที่ Datasheet ของ Heatsink ระบุไว้ โดยค่าความต้านทานจาก Case-to-ambient ของชุดอุปกรณ์นี้จะเข้ามาแทนที่ค่าในอากาศอิสระในการคำนวณ Junction เลือกขนาด Heatsink เพื่อให้อุณหภูมิที่จุดรอยต่อต่ำกว่าพิกัดที่กำหนดในสภาวะอุณหภูมิแวดล้อมและโหลดที่แย่ที่สุด (Worst-case) โดยใช้ค่าพลังงานและความต้านทานรวมตามแบบจำลอง และเผื่อระยะปลอดภัย (Headroom) สำหรับสภาพบอร์ดและการไหลเวียนอากาศจริง สำหรับรุ่น Surface-mount อย่าง DPAK พื้นทองแดงของบอร์ดและ Thermal vias ใต้แถบโลหะจะทำหน้าที่เป็น Heatsink และการวาง Layout จะนำพาความร้อนไปสู่บอร์ด การพิจารณา Heatsink คือการเติมเต็มการคำนวณ Thermal และเป็นจุดตัดสินระหว่าง Regulator ที่สามารถรักษาแรงดันไฟไว้ได้กับ Regulator ที่ตัดการทำงานในสภาวะที่แย่ที่สุด

เมื่อใดควรเลือก LM7805

เลือก LM7805 เมื่อแรงดันไฟฟ้าในระบบคือ 5 โวลต์พอดี เพราะอุปกรณ์แบบค่าคงที่นี้ให้แรงดันไฟฟ้าโดยใช้จำนวนอุปกรณ์น้อยที่สุด มีความแม่นยำที่ปรับแต่งมาจากโรงงาน และมีการวางเลย์เอาต์ที่เรียบง่ายที่สุด เลือกใช้เมื่อการออกแบบให้ความสำคัญกับความเรียบง่ายของระบบที่ใช้ตัวเก็บประจุเพียงสองตัว เมื่อพื้นที่บนบอร์ดมีความสำคัญและตัวควบคุมแรงดันควรเป็นอุปกรณ์ชิ้นเดียวแทนที่จะเป็นหนึ่งชิ้นบวกกับวงจรแบ่งแรงดัน และเมื่ออินพุตมีส่วนต่างแรงดันที่กว้างพอสำหรับค่า Dropout 2 โวลต์ที่ต้องการ เลือกใช้สำหรับระบบลอจิก 5 โวลต์ เซนเซอร์ และโมดูลต่างๆ ที่ตระกูล 78xx ให้บริการมานานหลายทศวรรษ เพราะแผนผังการใช้งานของ 7805 คือโลกของ 5 โวลต์ และการออกแบบที่อยู่ในโลกนั้นย่อมเลือกอุปกรณ์ที่อาศัยอยู่ที่นั่นด้วยกัน LM7805 คือคำตอบสำหรับคำถามเรื่อง 5 โวลต์ และกฎของการเปรียบเทียบคือการปล่อยให้อุปกรณ์แบบค่าคงที่เป็นเจ้าของระบบแรงดันคงที่

การเลือก 7805 ยังนำมาซึ่งความหลากหลายในการทดแทนกันภายในตระกูล เพราะขาพินของ 78xx เป็นเลย์เอาต์แบบสามขาที่เป็นมาตรฐานที่สุดในวงการอิเล็กทรอนิกส์ บอร์ดที่เลือกใช้ 7805 สามารถจัดหาอุปกรณ์ได้จาก LM7805, L7805, KA7805 และชิ้นส่วนภายในประเทศอื่นๆ บนฟุตพริ้นท์ TO-220 หรือแบบยึดพื้นผิวเดียวกัน ซึ่งการจัดหาและการรับรองคุณสมบัติคือมุมมองด้านการทดแทนที่ตระกูลในคู่มือนี้ถูกสร้างขึ้นมา ดังนั้นการเลือก LM7805 จึงเป็นการเลือกตระกูลและตลาดของมัน และการจัดหาจะมีความมั่นคงด้วยความหลากหลายที่มาตรฐานของตระกูลนี้สร้างขึ้น เรื่องราวของ 7805 คือระบบแรงดันคงที่และตระกูลที่หยั่งรากลึก และมุมมองของคู่มือนี้ก็เช่นเดียวกัน คือแรงดันที่ถูกต้อง อุปกรณ์ที่เรียบง่ายที่สุด และการจัดหาที่มั่นคง

เมื่อใดควรเลือก LM317

เลือก LM317 เมื่อแรงดันไฟฟ้าไม่ใช่ 5 โวลต์ เพราะอุปกรณ์แบบปรับค่าได้นี้สามารถให้บริการได้ทุกค่าตั้งแต่ประมาณ 1.25 โวลต์ไปจนถึงแรงดันอินพุตลบด้วยค่า Dropout โดยใช้อุปกรณ์หนึ่งชิ้นและตัวต้านทานสองตัว เลือกใช้เมื่อการออกแบบมีการคาดการณ์ถึงการเปลี่ยนค่าแรงดัน เช่น แหล่งจ่ายไฟบนโต๊ะทดลองที่ต้องหมุนปุ่มปรับ เครื่องต้นแบบที่ต้องปรับแรงดัน หรือสายการผลิตที่บอร์ดต่างๆ ใช้ตัวควบคุมแรงดันรุ่นเดียวกันในหลายระดับแรงดัน เพราะ LM317 เปลี่ยนค่าแรงดันด้วยตัวต้านทานแทนที่จะต้องใช้อุปกรณ์ตัวใหม่ เลือกใช้เมื่อบอร์ดต้องการค่าแรงดันที่รายการสินค้าแบบคงที่ไม่มีให้ เช่น 3.3 โวลต์ในกรณีฉุกเฉิน หรือ 6 โวลต์ หรือแรงดันเฉพาะตัว เพราะอุปกรณ์ชิ้นเดียวนี้จะเติมเต็มช่องว่างที่รายการสินค้าแบบคงที่ละเว้นไว้ LM317 คือคำตอบสำหรับระบบแรงดันที่ยืดหยุ่น และกฎของการเปรียบเทียบคือการปล่อยให้อุปกรณ์แบบปรับค่าได้เป็นเจ้าของค่าแรงดันที่รายการสินค้าแบบคงที่ไม่มี

การเลือก LM317 ยังสะท้อนถึงลักษณะการใช้งานของมันด้วย เพราะอุปกรณ์แบบปรับค่าได้คือม้างานของโต๊ะทดลองและระบบแรงดันแบบตัวเดียวใช้ได้กับหลายงาน วงจรการใช้งานในดาต้าชีต ทั้งวงจรจำกัดกระแส เครื่องชาร์จแบตเตอรี่ แหล่งจ่ายไฟแบบปรับค่าได้พร้อมระบบวัด และการปรับแต่งความแม่นยำด้วยค่าความคลาดเคลื่อนของตัวต้านทาน แสดงให้เห็นถึงขอบเขตการใช้งานของอุปกรณ์ และการออกแบบที่ต้องการขอบเขตนั้นย่อมเลือกอุปกรณ์ชิ้นนี้ LM317 ยังมีตระกูลสำหรับการทดแทนของมันเอง เพราะเลย์เอาต์แบบปรับค่าได้สามขานั้นเป็นมาตรฐานในบรรดาผู้ผลิตและชิ้นส่วนภายในประเทศ ดังนั้นการจัดหาจึงมีความมั่นคงเช่นเดียวกับ 78xx ด้วยความหลากหลายของตระกูล เรื่องราวของ LM317 คือระบบแรงดันที่ยืดหยุ่นและโต๊ะทดลอง และมุมมองของคู่มือนี้ก็ตรงกัน คือค่าแรงดันที่ถูกต้อง อุปกรณ์ชิ้นเดียว และตระกูลที่หยั่งรากลึก

การออกแบบเรลที่ใช้งานจริง: เรลแบบคงที่ 5 โวลต์ และเรลแบบปรับค่าได้

การออกแบบเรลโดยใช้ LM7805 และ LM317 เป็นตัวอย่างการใช้งานจริงที่เปลี่ยนการเปรียบเทียบให้กลายเป็นแผงวงจร และมันเริ่มต้นด้วยการคำนวณทางคณิตศาสตร์ที่แต่ละชิ้นส่วนดำเนินการ ลองพิจารณาอินพุต 12 โวลต์ และเอาต์พุต 5 โวลต์ 500 มิลลิแอมป์ ด้วย LM7805: ชิ้นส่วนแบบคงที่ต้องการอินพุต กราวด์ และเอาต์พุต โดยมีตัวเก็บประจุอินพุตในระดับ 0.33 ไมโครฟารัด และตัวเก็บประจุเอาต์พุตในระดับ 0.1 ไมโครฟารัด ตามที่ดาต้าชีทระบุ และเอาต์พุตจะเป็น 5 โวลต์ที่ถูกปรับแต่งมาจากโรงงานโดยไม่ต้องมีวงจรแบ่งแรงดันหรือการปรับแต่งใดๆ ค่าดรอปเอาต์มาร์จินคือการตรวจสอบด่านแรก โดยมีค่าดรอปเอาต์ระดับ 2 โวลต์เทียบกับเฮดรูม 7 โวลต์ ซึ่งถือว่าเหลือเฟือ และเรื่องความร้อนคือด่านที่สอง โดยการสูญเสียพลังงานคือส่วนต่างของอินพุตลบเอาต์พุตคูณด้วยกระแสไฟฟ้า นั่นคือ 7 โวลต์คูณ 0.5 แอมป์ ประมาณ 3.5 วัตต์ ซึ่งแพ็คเกจ TO-220 ที่มีฮีทซิงค์สามารถระบายได้ แต่ TO-220 เปล่าๆ ในอากาศนิ่งไม่สามารถทำได้ ดังที่การคำนวณในส่วนถัดไปจะแสดงให้เห็น ลองใช้อินพุตเดียวกันและเรลแบบปรับค่าได้ 12 โวลต์ด้วย LM317: เอาต์พุตจะถูกกำหนดโดยวงจรแบ่งแรงดัน โดยสูตรคือ 1.25 คูณด้วยหนึ่งบวกกับอัตราส่วนของตัวต้านทานสองตัว ดังนั้นคู่ตัวต้านทานขนาด 240 โอห์ม และ 2.2 กิโลโอห์ม จะตั้งค่าเอาต์พุตไว้ใกล้กับ 12.7 โวลต์ และค่าความคลาดเคลื่อนของวงจรแบ่งแรงดันจะรวมเข้ากับค่าความคลาดเคลื่อนของเอาต์พุต เรลที่ใช้งานจริงทั้งสองนี้แสดงให้เห็นถึงลักษณะเฉพาะของชิ้นส่วน ความเรียบง่ายของชิ้นส่วนแบบคงที่เทียบกับความสามารถในการรองรับหลายแรงดันด้วยชิ้นส่วนเดียวของแบบปรับค่าได้ และทั้งคู่ต่างเริ่มต้นจากการเดินสายแบบสามพินที่เหมือนกัน

เรลที่ใช้งานจริงยังรวมถึงการป้องกันและการวางเลย์เอาต์ตามที่ส่วนการใช้งานในดาต้าชีทอธิบายไว้ ตัวเก็บประจุอินพุตจะวางไว้ใกล้กับพินอินพุต ตัวเก็บประจุเอาต์พุตใกล้กับเอาต์พุต และไดโอดป้องกันจากเอาต์พุตไปยังอินพุตจะช่วยปกป้องเรกูเลเตอร์เมื่อเอาต์พุตยังคงมีประจุค้างอยู่แต่แรงดันอินพุตลดลง ซึ่งเป็นสภาวะที่เกิดขึ้นจริงในแหล่งจ่ายไฟแบบตั้งโต๊ะหรือโหลดที่สามารถขับกระแสย้อนกลับเข้าสู่เรลได้ การเดินสายกราวด์คือจุดอ้างอิงที่เงียบสงบ โดยกระแสไหลกลับของโหลดจะอยู่ใกล้กับกราวด์ของเรกูเลเตอร์มากกว่าที่จะผ่านลายวงจรที่ยาว และการตรวจจับเอาต์พุตจะสั้น LM317 รุ่นปรับค่าได้จะเพิ่มตัวเก็บประจุบายพาสที่พินปรับค่าตามที่ดาต้าชีทแนะนำ เพื่อลดริปเปิลของเอาต์พุตที่เกิดจากกระแสปรับค่าและสัญญาณรบกวนที่ฉีดเข้ามา วินัยในการวางเลย์เอาต์นั้นเหมือนกันสำหรับชิ้นส่วนทั้งสอง และมันคือครึ่งหนึ่งของการออกแบบที่แผนภาพวงจรแบบตัวเก็บประจุสองตัวซ่อนไว้ เพราะเรกูเลเตอร์ที่เกิดการออสซิลเลตมักจะเป็นปัญหาที่เลย์เอาต์หรือตัวเก็บประจุมากกว่าจะเป็นปัญหาที่ตัวชิ้นส่วนเอง เรลที่ใช้งานจริงคือเส้นทางจากดาต้าชีทสู่แผงวงจร และเป็นเส้นทางเดียวกันสำหรับทั้งเรกูเลเตอร์แบบคงที่และแบบปรับค่าได้

การคำนวณวงจรแบ่งแรงดันสำหรับ LM317

การคำนวณวงจรแบ่งแรงดันสำหรับ LM317 คือคณิตศาสตร์เล็กๆ น้อยๆ ที่กำหนดเอาต์พุตแบบปรับค่าได้ และมันคุ้มค่าที่จะยกตัวอย่างการใช้งานจริงเพราะอัตราส่วนนี้คือหัวใจของชิ้นส่วน สูตรคือเอาต์พุตเท่ากับ 1.25 คูณด้วยหนึ่งบวกกับอัตราส่วนของตัวต้านทานตัวบนต่อตัวต้านทานตัวล่าง และผู้ออกแบบจะเลือกตัวต้านทานตัวล่างเพื่อกำหนดกระแสของวงจรแบ่งแรงดัน โดยค่ามาตรฐานคือตัวต้านทานตัวล่างขนาด 240 โอห์ม ซึ่งดึงกระแสอ้างอิงให้อยู่เหนือค่าต่ำสุดของพินปรับค่าได้อย่างสบายๆ จากนั้นจึงคำนวณหาตัวต้านทานตัวบน สำหรับเอาต์พุต 5 โวลต์ อัตราส่วนคือเอาต์พุตหารด้วย 1.25 ลบด้วยหนึ่ง ซึ่งเท่ากับ 3 ดังนั้นตัวต้านทานตัวบนจะเป็นสามเท่าของตัวล่าง คือ 720 โอห์มเมื่อใช้ตัวล่าง 240 โอห์ม และตัวบนค่ามาตรฐาน 750 โอห์ม จะทำให้เอาต์พุตอยู่ที่ประมาณ 5.16 โวลต์ ซึ่งอยู่ในช่วงความคลาดเคลื่อนของวงจรแบ่งแรงดัน สำหรับเอาต์พุต 12 โวลต์ อัตราส่วนคือ 12 หารด้วย 1.25 ลบด้วยหนึ่ง ซึ่งเท่ากับ 8.6 ดังนั้นตัวต้านทานตัวบนคือ 8.6 คูณ 240 โอห์ม ประมาณ 2.06 กิโลโอห์ม และค่ามาตรฐาน 2.2 กิโลโอห์ม จะทำให้เอาต์พุตอยู่ที่ประมาณ 12.7 โวลต์ ค่าความคลาดเคลื่อนของวงจรแบ่งแรงดัน สัมประสิทธิ์อุณหภูมิของตัวต้านทาน และแรงดันของพินปรับค่า ทั้งหมดนี้รวมกันเป็นความแม่นยำของเอาต์พุต ซึ่งเป็นเหตุผลว่าทำไมเรลแบบปรับค่าได้จึงมีความคลาดเคลื่อนกว้างกว่าแบบคงที่ การคำนวณนี้คือด้านการทำงานของ LM317 และเป็นด้านที่ความยืดหยุ่นของการเปรียบเทียบนี้อาศัยอยู่

Thermal: การคำนวณการระบายความร้อนสำหรับ Linear Regulator

การคำนวณทางความร้อนคือตัวเลขที่ตัดสินว่า linear rail นั้นสามารถใช้งานได้จริงหรือไม่ และตัวอย่างการคำนวณสำหรับ rail ขนาด 5 โวลต์ แสดงให้เห็นถึงขีดจำกัดที่แท้จริงของตระกูลนี้ ที่อินพุต 12 โวลต์ เอาต์พุต 5 โวลต์ และโหลด 500 มิลลิแอมป์ การสูญเสียพลังงานคือส่วนต่าง 7 โวลต์คูณด้วย 0.5 แอมป์ เท่ากับ 3.5 วัตต์ และอุณหภูมิรอยต่อ (junction temperature) คืออุณหภูมิแวดล้อมบวกด้วยค่าการสูญเสียพลังงานคูณกับความต้านทานความร้อนของตัวถังและ heatsink ตัวถัง TO-220 เปล่าในอากาศนิ่งมีความต้านทานระหว่างรอยต่อถึงแวดล้อมในระดับ 50 องศาต่อวัตต์ ซึ่งทำให้อุณหภูมิรอยต่ออยู่ที่ 25 องศาบวกกับ 3.5 คูณ 50 เท่ากับ 200 องศา ซึ่งสูงเกินกว่าพิกัด 125 องศาไปมาก ดังนั้น TO-220 เปล่าจึงไม่สามารถรัน rail นี้ได้เลย ส่วน TO-220 บน heatsink ขนาดเล็กจะลดความต้านทานลงมาอยู่ที่ระดับ 15 องศาต่อวัตต์ ทำให้อุณหภูมิรอยต่อใกล้เคียง 25 บวก 52 เท่ากับ 77 องศา ซึ่งอยู่ในพิกัดและทำงานได้สบาย และ heatsink ขนาดใหญ่หรือการใช้แรงลม (forced air) จะทำให้ค่านี้ต่ำลงไปอีก เลขคณิตนี้คือเหตุผลที่ rail เดียวกันนี้เมื่อใช้อินพุต 9 โวลต์ ซึ่งมีส่วนต่าง 4 โวลต์และการสูญเสียพลังงาน 2 วัตต์ สามารถทำงานได้บน heatsink ที่เล็กกว่า และ rail ที่ใช้อินพุต 24 โวลต์ ซึ่งมีส่วนต่าง 19 โวลต์และการสูญเสียพลังงาน 9.5 วัตต์ จำเป็นต้องใช้ heatsink ขนาดใหญ่หรือ switching regulator การอ่านค่าความร้อนคือด่านตรวจของการเลือกใช้ linear และเป็นด่านที่ rail ที่มีแรงดันตกคร่อมสูงในการเปรียบเทียบนี้ต้องเผชิญเป็นอันดับแรก

LM317 บน rail แบบปรับค่าได้ใช้เลขคณิตชุดเดียวกันกับแรงดันตกคร่อมของตัวมันเอง และการเปรียบเทียบระหว่างอุปกรณ์ทั้งสองไม่ใช่การแข่งขันทางความร้อน เพราะตัวเลขจะเป็นไปตามแรงดันตกคร่อมและกระแสมากกว่าตัวอุปกรณ์ 7805 ที่แรงดันตกคร่อม 7 โวลต์ และ LM317 ที่ตั้งค่าไว้ 5 โวลต์ที่แรงดันตกคร่อมเท่ากัน จะสูญเสียพลังงานในหน่วยวัตต์เท่ากัน และ heatsink ที่ระบายความร้อนให้ตัวหนึ่งได้ก็ระบายให้อีกตัวหนึ่งได้เช่นกัน ดังนั้นการออกแบบทางความร้อนที่ตัวอย่างการคำนวณแสดงให้เห็นจึงเป็นระเบียบวิธีที่ใช้ร่วมกันในตระกูลนี้ และการเลือกระหว่างอุปกรณ์แบบค่าคงที่และแบบปรับค่าได้จะถูกตัดสินโดยเอาต์พุตและความเรียบง่ายมากกว่าเรื่องความร้อน การอ่านค่าความร้อนยังกำหนดกระแสที่ใช้งานได้จริงของ linear rail ใดๆ เพราะแอมป์ที่ใช้งานได้คือวัตต์ที่ตัวถังสามารถระบายได้หารด้วยแรงดันตกคร่อม และผู้ออกแบบที่อ่านค่าวัตต์ก่อนค่ากระแสจะรักษาให้ rail ทำงานอยู่ในพิกัดเสมอ การเลือกขนาด heatsink เป็นไปตามโมเดลเดียวกัน: rail ขนาด 3.5 วัตต์ที่มีเป้าหมายอุณหภูมิรอยต่อ 100 องศาที่อุณหภูมิแวดล้อม 25 องศา จะมีงบประมาณอุณหภูมิอยู่ที่ 75 องศา ดังนั้นความต้านทานความร้อนรวม ตั้งแต่รอยต่อถึงตัวถัง บวกตัวถังถึง heatsink บวก heatsink ถึงอากาศ จะต้องอยู่ที่หรือต่ำกว่า 75 หารด้วย 3.5 หรือประมาณ 21 องศาต่อวัตต์ และค่ารอยต่อถึงตัวถังของ TO-220 ที่ไม่กี่องศาต่อวัตต์บวกกับ heatsink แบบคลิปออนขนาดเล็กในระดับ 15 องศาต่อวัตต์ จะทำให้ค่าอยู่ในงบประมาณที่กำหนด การคำนวณที่ทำออกมานี้คือตัวเลขที่ซื่อสัตย์เบื้องหลังความเรียบง่ายของ linear regulator และเป็นตัวเลขที่ทั้งการเลือกอุปกรณ์และการเลือก heatsink ต่างนำไปใช้

การวัดค่า Linear Regulator บนโต๊ะทดลอง

การวัดค่า LM7805 หรือ LM317 บนโต๊ะทดลองคือการยืนยันว่าแรงดันไฟฟ้าเป็นไปตามข้อกำหนด และขั้นตอนการปฏิบัติงานนั้นเหมือนกันสำหรับทั้งสองอุปกรณ์ ขั้นแรกให้วัดความแม่นยำของเอาต์พุต โดยใช้มัลติมิเตอร์วัดคร่อมเอาต์พุตที่สภาวะไม่มีโหลด (no-load) และที่กระแสโหลดเต็มพิกัด (full-load) จากนั้นเปรียบเทียบค่าที่อ่านได้กับค่าปกติและค่าความคลาดเคลื่อนใน datasheet ซึ่งได้แก่ ค่า 5 โวลต์ที่ถูกปรับแต่งมาจากโรงงานของอุปกรณ์แบบคงที่ และค่าที่ตั้งโดยวงจรแบ่งแรงดันของอุปกรณ์แบบปรับค่าได้ โดยส่วนต่างที่เกิดขึ้นคือ load regulation และความคลาดเคลื่อนของวงจรแบ่งแรงดัน ถัดไปให้วัด load regulation โดยคงค่าอินพุตไว้และปรับเปลี่ยนโหลดจากศูนย์ไปจนถึงระดับที่กำหนดพร้อมบันทึกการเปลี่ยนแปลงของเอาต์พุต และวัด line regulation โดยคงค่าโหลดไว้และปรับเปลี่ยนอินพุตให้ครอบคลุมช่วงการทำงาน ซึ่งตัวเลขทั้งสองนี้จะระบุว่าอุปกรณ์สามารถรักษาแรงดันไฟฟ้าได้ดีเพียงใดเมื่อเผชิญกับสภาวะจริง วัดค่า ripple ด้วยออสซิลโลสโคปแบบ AC-coupled คร่อมเอาต์พุต โดยคาดหวังผลลัพธ์ในระดับมิลลิโวลต์ต่ำจาก linear regulator และเปรียบเทียบค่าที่อ่านได้กับพฤติกรรมการขจัด ripple (ripple-rejection) ใน datasheet ผลการวัดจะถูกบันทึกไว้ข้างๆ ค่าที่ออกแบบไว้ และบันทึกนี้คือหลักฐานที่ใช้ในเอกสารการเปลี่ยนแปลง ซึ่งเป็นระเบียบวินัยแบบเดียวกับที่ใช้กับแรงดันไฟฟ้าทุกส่วนในซีรีส์นี้

การวัดยังรวมถึงการอ่านค่า transient และพฤติกรรมการป้องกันที่ datasheet อธิบายไว้ ให้ทดสอบด้วยการป้อนโหลดแบบฉับพลัน (load step) และเฝ้าดูการฟื้นตัวของเอาต์พุต พร้อมทั้งทดสอบการลัดวงจรและการป้องกันความร้อนโดยการโอเวอร์โหลดอุปกรณ์เป็นระยะเวลาสั้นๆ เพื่อดูการลดกระแสลง (current fold back) และการตกลงของเอาต์พุต เพื่อยืนยันว่าระบบป้องกันทำงานแทนที่จะปล่อยให้อุปกรณ์ทำลายตัวเอง การอ่านค่า transient และการป้องกันคือพฤติกรรมที่แรงดันไฟฟ้าที่เสถียรต้องมีเป็นปกติจนกว่าจะเกิดความล้มเหลว และโต๊ะทดลองคือสถานที่สำหรับยืนยันสิ่งเหล่านี้ก่อนที่ผลิตภัณฑ์จะถูกจัดส่ง ขั้นตอนการวัดนั้นเหมือนกันทั้งรุ่นแบบคงที่และแบบปรับค่าได้ โดยความคลาดเคลื่อนของวงจรแบ่งแรงดันจะถูกรวมอยู่ในการอ่านค่าความแม่นยำของรุ่นแบบปรับค่าได้ และนี่คือขั้นตอนที่เปลี่ยนการเลือกระหว่าง LM7805 เทียบกับ LM317 จากการอ่าน datasheet ให้เป็นการตัดสินใจที่ผ่านการวัดจริง โต๊ะทดลองคือผู้ตัดสินของแรงดันไฟฟ้า และบันทึกคือคำตัดสินของผู้ตัดสิน ซึ่งเป็นหลักฐานที่ทั้งผู้ตรวจสอบการผลิตและผู้ตรวจสอบบัญชี (auditor) ต้องอ่าน

การแก้ไขปัญหา Linear Regulator

ปัญหาของ linear regulator ที่ปรากฏบนบอร์ดใหม่นั้นมักจะเกิดขึ้นในรูปแบบเดิมๆ และการแก้ไขปัญหาสามารถทำได้ตามรายการตรวจสอบสั้นๆ หากไม่มีเอาต์พุต ให้ตรวจสอบว่ามีอินพุตเข้ามาและมีการเชื่อมต่อกราวด์แล้ว ตรวจสอบว่าตัวเก็บประจุอินพุตมีค่าที่ถูกต้องและวางอยู่ใกล้ และตรวจสอบการวางทิศทางของอุปกรณ์ เพราะการใส่ TO-220 กลับด้านหรือการเชื่อมต่อกราวด์ที่ผิดพลาดจะทำให้ไม่มีแรงดันไฟฟ้าออกมา หากเอาต์พุตผิดพลาด ให้ตรวจสอบหมายเลขของอุปกรณ์ เช่น 7812 จะไม่จ่ายไฟ 5 โวลต์ และตรวจสอบวงจรแบ่งแรงดันแบบปรับค่าได้ ทั้งค่าความต้านทานและการบัดกรี เพราะวงจรแบ่งแรงดันที่ผิดพลาดจะกำหนดเอาต์พุตที่ผิดพลาด หากอุปกรณ์ร้อนเกินไป ให้ตรวจสอบส่วนต่างแรงดัน (drop) และกระแสไฟฟ้า ค่าวัตต์ที่ส่วนความร้อนคำนวณไว้ รวมถึงฮีตซิงก์และทองแดงบนบอร์ด เพราะแรงดันไฟฟ้าขนาด 3.5 วัตต์บน TO-220 ที่ไม่มีตัวช่วยระบายความร้อนจะเกิดความร้อนสูงมาก หากเอาต์พุตเกิดการแกว่ง (oscillates) หรือมี ripple ให้ตรวจสอบตัวเก็บประจุอินพุตและเอาต์พุต รวมถึงการวางตำแหน่ง เพราะตัวเก็บประจุที่ขาดหายไปหรือวางห่างเกินไปจะทำลายความเสถียรของลูป และตรวจสอบการบายพาสที่พินปรับค่า (adjust-pin) ของ LM317 หากเอาต์พุตตก (sags) ภายใต้โหลด ให้ตรวจสอบกระแสเทียบกับความเป็นจริงของอุปกรณ์ที่ถูกลดพิกัด (derated) และตรวจสอบอินพุตเทียบกับค่า dropout เพราะเรกูเลเตอร์ที่ทำงานที่ขีดจำกัดหรือที่ขอบเขตของมันจะล้มเหลวเมื่อเจอโหลดฉับพลัน รายการแก้ไขปัญหาคือส่วนเติมเต็มในทางปฏิบัติของการออกแบบ และเป็นรายการตรวจสอบที่นักออกแบบต้องเก็บไว้สำหรับบอร์ดแรกของทุกแรงดันไฟฟ้าแบบ linear ทั้งในรุ่นอุปกรณ์แบบคงที่และแบบปรับค่าได้เช่นเดียวกัน การป้องกันการสลับขั้ว (reverse-polarity) และการป้องกันไฟกระชาก (surge protection) ช่วยให้การอ่านค่าความน่าเชื่อถือสมบูรณ์ขึ้น เพราะเรกูเลเตอร์ที่ได้รับขั้วที่ผิดหรือแรงดันกระชากเกินกว่าค่าสูงสุดที่กำหนด (absolute maximum) อาจล้มเหลวได้หากไม่มีการป้องกัน และส่วนการใช้งานใน datasheet จะแสดงไดโอดป้องกันอินพุตและตัวป้องกัน transient ในจุดที่อินพุตอาจถูกใช้งานอย่างไม่เหมาะสม

LM7805 vs LM317: อุปกรณ์เทียบเท่าและการทดแทน

มุมมองด้านการทดแทนในการเปรียบเทียบระหว่าง LM7805 vs LM317 คือการจัดหาที่ทั้งสองตัวเลือกเปิดกว้าง และเป็นมุมมองเดียวกันสำหรับทั้งสองอุปกรณ์ LM7805 อยู่ในตระกูล 78xx ซึ่งมีโครงสร้างแบบสามพินที่ผู้ผลิตทุกรายและชิ้นส่วนในประเทศจำนวนมากผลิตเลียนแบบ และ LM317 อยู่ในตระกูลแบบปรับค่าได้ที่ตลาดกำหนดให้เป็นมาตรฐานเช่นกัน ดังนั้นการออกแบบทั้งสองแบบจึงมีตลาดรองรับการทดแทนที่เข้ากันได้ทางพินอย่างกว้างขวาง การตรวจสอบคุณสมบัติการทดแทนใช้หลักการเดียวกับการสลับเปลี่ยนอุปกรณ์ทั่วไป: ยืนยันแพ็คเกจและตำแหน่งพิน ไม่ว่าจะเป็น TO-220 หรือรุ่น surface-mount ยืนยันเอาต์พุตที่ 5 โวลต์สำหรับ 7805 และการตั้งค่าตัวแบ่งแรงดันสำหรับ LM317 ยืนยันกระแสไฟฟ้า ค่า dropout และคุณสมบัติทางความร้อน พร้อมทั้งทดสอบอุปกรณ์ทดแทนบนบอร์ดตลอดช่วงอุณหภูมิ การทดแทนสามารถทำได้แบบพินต่อพินเนื่องจากเลย์เอาต์เป็นมาตรฐาน และการจัดหานั้นทำได้ง่ายเพราะเป็นตระกูลที่เก่าแก่และแพร่หลาย ซึ่งเป็นการผสมผสานที่ทำให้การเปรียบเทียบเรกูเลเตอร์เป็นมิตรต่อห่วงโซ่อุปทาน

การเปรียบเทียบยังครอบคลุมถึงตระกูล LDO ที่อยู่เคียงข้างอุปกรณ์ทั้งสอง เนื่องจาก AMS1117 และ LM1117 รองรับแรงดันแบบ low-dropout ที่ 7805 และ 317 ไม่สามารถทำได้ แรงดันที่ต้องรักษาระดับจากส่วนต่างแรงดันที่จำกัด เช่น แบตเตอรี่ที่ใกล้จะหมด จะเลือกใช้ LDO แทน ส่วนแรงดันที่มีส่วนต่างแรงดันเหลือเฟือจะเลือกใช้ 7805 หรือ 317 เพื่อความเรียบง่ายและประหยัดต้นทุน ทั้งสามตระกูล ได้แก่ เรกูเลเตอร์แบบคงที่, เรกูเลเตอร์แบบปรับค่าได้ และ LDO คือคำศัพท์พื้นฐานของบล็อกพลังงานแบบลิเนียร์ และการเปรียบเทียบระหว่าง 7805 และ 317 คือแผนที่ระหว่างสองด้านของคำศัพท์นั้น ผู้ออกแบบที่อ่านการเปรียบเทียบ LM7805 vs LM317 ในลักษณะนี้จะเลือกอุปกรณ์แบบคงที่หรือแบบปรับค่าได้โดยพิจารณาจากเอาต์พุต กระแส และความร้อน และการเลือกนั้นคือคำตอบที่ใช้งานได้จริงซึ่งทั้งวงจรและบอร์ดต่างยอมรับได้