IC ổn áp tuyến tính 7805, AMS1117: cách nối, tụ đi kèm, tính nhiệt và tản nhiệt

IC ổn áp tuyến tính hoạt động thế nào, các loại 7805, 78L05, LM317, AMS1117 và thứ tự chân, tụ đi kèm, sụt áp tối thiểu, cách tính công suất nhiệt, tản nhiệt và khi nào nên dùng mạch nguồn xung.

Hầu như mạch nào cũng cần một điện áp ổn định: vi điều khiển chạy 3,3 V, cảm biến 5 V, trong khi nguồn vào là adapter 12 V, cổng USB 5 V hay pin có điện áp giảm dần. Cách đơn giản nhất để có điện áp ổn định là dùng một IC ổn áp tuyến tính như 7805 hay AMS1117: chỉ ba chân và hai tụ. Đổi lại, phần điện áp dư biến thành nhiệt, và nếu không tính trước thì IC nóng tới mức tự ngắt. Bài viết giải thích bên trong IC ổn áp có gì, các loại hay gặp và thứ tự chân, cách nối và tụ đi kèm, sụt áp tối thiểu, cách tính công suất nhiệt, tản nhiệt, và khi nào nên chuyển sang mạch nguồn xung.

1. IC ổn áp tuyến tính làm việc thế nào

Bên trong IC có ba khối chính, đều là những thứ đã gặp ở các bài trước:

• Điện áp chuẩn: một điện áp rất ổn định (khoảng 1,25 V), không đổi theo nguồn vào và nhiệt độ. Mạch thật dùng cách phức tạp hơn zener trong hình, nhưng ý tưởng giống nhau (zener ở bài 17).
• Khuếch đại sai số: một op-amp so sánh điện áp ra (lấy qua cầu phân áp R1, R2) với điện áp chuẩn.
• Transistor nối tiếp: nằm giữa đầu vào và đầu ra, giống một điện trở tự chỉnh. U ra hơi thấp thì op-amp mở transistor thêm; U ra hơi cao thì khép bớt.

Vòng hồi tiếp này giữ U ra gần như không đổi dù U vào dao động hay tải thay đổi. Nhưng dòng tải đi qua transistor nối tiếp, và toàn bộ phần điện áp dư (U vào − U ra) rơi trên nó: phần dư đó thành nhiệt. Đó là bản chất của ổn áp "tuyến tính": không có đóng cắt, ít nhiễu, nhưng hiệu suất bằng U ra / U vào.

2. Các loại hay gặp và thứ tự chân

• 78xx: hai số cuối là điện áp ra (7805 cho 5 V, 7812 cho 12 V), dòng tối đa khoảng 1 A. Họ 79xx cho điện áp âm, thứ tự chân khác 78xx.
• 78L05: bản nhỏ vỏ TO-92, chỉ 100 mA. Thứ tự chân ngược với 7805 dù cùng tên: lỗi hàn nhầm rất hay gặp.
• LM317: chỉnh được điện áp ra bằng hai điện trở, U ra = 1,25 V × (1 + R2/R1); hay dùng làm nguồn thí nghiệm.
• AMS1117: loại LDO (low dropout, sụt áp thấp) với sụt áp khoảng 1,1–1,3 V, có bản cố định 3,3 V, 5 V và bản chỉnh được. Đây là IC nằm trên hầu hết bo ESP32 và Arduino.
• LDO dòng tĩnh thấp (nhiều mã khác nhau): sụt áp chỉ 0,1–0,4 V và dòng tự tiêu thụ chỉ vài µA, hợp với thiết bị chạy pin.

Thông số dòng tĩnh (quiescent current) là dòng IC tự tiêu thụ khi không có tải. 7805 và AMS1117 tốn khoảng 5 mA: với thiết bị chạy pin và ngủ sâu, riêng con ổn áp đã tiêu hao pin nhiều hơn cả ESP32 lúc ngủ (vài chục µA). Vì vậy bo ESP32 dùng AMS1117 không hợp để chạy pin lâu dài.

3. Cách nối và tụ đi kèm

• Tụ đầu vào (C1) giữ điện áp vào ổn định khi dây từ nguồn tới dài, hoặc khi nguồn vào là đầu ra của mạch chỉnh lưu có gợn. Datasheet 7805 ghi tối thiểu 0,33 µF; thực tế hay dùng tụ hóa 10 µF kèm tụ gốm 100 nF.
• Tụ đầu ra (C2) cần cho vòng hồi tiếp ổn định. 7805 chỉ cần 0,1 µF; AMS1117 thì datasheet yêu cầu tối thiểu khoảng 22 µF (tụ tantali hoặc tụ hóa). Thiếu tụ ra, nhiều LDO tự dao động: đồng hồ vạn năng vẫn có thể đọc gần đúng 3,3 V nhưng mạch phía sau chạy chập chờn.
• Đặt tụ sát chân IC, chân GND của tụ và IC nối ngắn về cùng một điểm.
• Khi tụ ra rất lớn và đầu vào có thể bị chập xuống đất, tụ ra sẽ xả ngược qua IC; datasheet 78xx gợi ý thêm một diode (ví dụ 1N4002) từ OUT về IN để bảo vệ.

4. Sụt áp tối thiểu

IC ổn áp chỉ giữ được U ra khi U vào ≥ U ra + sụt áp tối thiểu (dropout). Dưới mức đó, transistor nối tiếp đã mở hết và U ra đi theo U vào trừ đi phần sụt áp.

• 7805 sụt áp khoảng 2 V: cần U vào từ khoảng 7 V. Cấp 5 V từ USB vào 7805 chỉ được khoảng 3 V ở ngõ ra.
• AMS1117-3.3 sụt áp khoảng 1,1–1,3 V: cần U vào từ khoảng 4,5 V. Từ USB 5 V thì đủ, nhưng từ một pin Li-ion (4,2 V lúc đầy, 3,7 V phần lớn thời gian) thì U ra chỉ còn 2,6–3,1 V, ESP32 dễ khởi động lại khi phát Wi-Fi.
• Chạy ESP32 từ một pin Li-ion cần LDO sụt áp thấp, hoặc mạch nguồn xung tăng giảm áp (buck-boost).

5. Công suất nhiệt và tản nhiệt

Công suất IC tỏa ra thành nhiệt:

P = (U vào − U ra) × I tải + U vào × I tĩnh

Nhiệt đó đi từ miếng silicon (mối nối) qua vỏ, qua tản nhiệt ra không khí. Mỗi chặng có một nhiệt trở θ tính bằng °C/W, cộng nối tiếp như điện trở: T mối nối = T môi trường + P × θ tổng. Datasheet ghi các giá trị θ; với 7805 vỏ TO-220, không gắn tản nhiệt, θ khoảng 65 °C/W.

• 9 V xuống 5 V, 200 mA: P ≈ 0,85 W, mối nối khoảng 90 °C. Không cần tản nhiệt nhưng sờ vào thấy rất nóng.
• 12 V xuống 5 V, 500 mA: P ≈ 3,56 W. Không tản nhiệt thì tính ra hơn 200 °C, thực tế IC sẽ tự ngắt vì quá nhiệt rồi bật lại, ngõ ra chập chờn. Gắn tản nhiệt 10 °C/W có keo tản nhiệt thì còn khoảng 90 °C.
• 24 V xuống 5 V, 500 mA: P ≈ 9,6 W, hiệu suất chỉ 21 %. Tản nhiệt vừa phải cũng không đủ: đây là lúc phải dùng mạch nguồn xung.
• AMS1117 trên bo ESP32: từ USB 5 V, dòng 300 mA, P ≈ 0,54 W, ổn. Nhưng nếu cấp 12 V vào chân VIN của bo, P ≈ 2,7 W trên con IC nhỏ không có tản nhiệt: IC nóng rất nhanh và tự ngắt, có khi hỏng. Không cấp 12 V vào VIN của bo ESP32.

Tản nhiệt bắt vào tấm kim loại của vỏ TO-220 bằng vít, có lớp keo tản nhiệt mỏng ở giữa. Lưu ý tấm kim loại của 7805 nối với chân GND, của LM317 và AMS1117 nối với chân OUT: nếu tản nhiệt chạm vào vỏ máy hay linh kiện khác, cần miếng đệm cách điện. Với vỏ SOT-223, mảng đồng rộng trên mạch in dưới tấm tản nhiệt chính là tản nhiệt.

6. Ổn áp tuyến tính hay mạch nguồn xung

Cách phối hợp hay dùng: mạch hạ áp LM2596 hoặc mạch nguồn MP1584 hạ 12 V xuống 5 V, rồi AMS1117 trên bo ESP32 DevKit V1 hạ tiếp 5 V xuống 3,3 V. AMS1117 khi đó chỉ tỏa khoảng nửa watt, còn phần chênh lệch lớn do mạch xung lo với hiệu suất cao. Nguyên lý mạch xung (cuộn cảm tích và xả năng lượng) có trong bài 13 về cuộn cảm.

7. Thực hành: đo sụt áp tối thiểu của AMS1117

Có thể thấy tận mắt hình 5 với một mạch hạ áp chỉnh được và đồng hồ vạn năng:

1. Chỉnh mạch hạ áp LM2596 ra 6 V (đo bằng đồng hồ trước khi nối tải).
2. Nối ngõ ra LM2596 vào chân IN của một module AMS1117-3.3 (hoặc IC rời kèm tụ 10 µF, 22 µF). Ngõ ra AMS1117 nối điện trở tải 33 Ω loại 1/2 W (khoảng 100 mA).
3. Giảm dần điện áp LM2596: 5,0 V, 4,6 V, 4,4 V, 4,2 V, 4,0 V, 3,8 V. Mỗi mức ghi U vào và U ra.
4. U ra giữ khoảng 3,3 V tới khi U vào xuống khoảng 4,3–4,4 V, sau đó giảm theo U vào. Hiệu U vào − U ra ở điểm bắt đầu giảm là sụt áp tối thiểu ở 100 mA.

Không nối ESP32 vào ngõ ra trong lúc thử này: dưới mức sụt áp, ESP32 khởi động lại liên tục và có thể ghi hỏng dữ liệu đang lưu.

8. Xử lý lỗi thường gặp

9. Xem thêm

• Mạch hạ áp LM2596 và MP1584: cách chọn, chỉnh điện áp và cấp nguồn ESP32.
• Bài trước của loạt: IC là gì, đọc datasheet và tụ decoupling (bài 23).
• Bài tiếp theo của loạt: IC 555, chế độ dao động và đơn ổn.