Блок питания 5 и 12 вольт на 7805 и 7812 — сколько тепла в каждой микросхеме

Два выходных напряжения, 12 и 5 В, получают от одного трансформатора каскадом стабилизаторов: 7812 держит 12 В, а 7805 питается от его выхода и даёт 5 В.

Всё лишнее напряжение превращается в тепло. При входе 19 В, токах 0,5 А по 12 В и 0,3 А по 5 В блок рассеивает около 7,7 Вт, из них 5,6 Вт приходится на 7812. Без радиаторов обе микросхемы уйдут в тепловую защиту.

Схема не капризна, но порядок стабилизаторов важен: сначала 7812, потом 7805, а не наоборот.

Иногда устройству нужны сразу два напряжения: 12 В для реле или вентилятора и 5 В для логики. Самый простой способ — два стабилизатора серии 78xx, из которых 5 В получается уже от выхода 12 В.

Ниже — схема, данные даташита, расчёт нагрева и радиаторов, условия каскада, выбор трансформатора и ошибки.

Схема

Сетевое напряжение через выключатель S1 и предохранитель F1 идёт на трансформатор T1 (вторичная обмотка 15 В). Диодный мост B1 выпрямляет, конденсатор C1 2200 мкФ сглаживает.

Дальше — IC1 (7812) и на его выходе 12 В; светодиод D1 с резистором R1 4,7 кОм показывает наличие питания. С выхода 12 В питается IC2 (7805), с выхода которого снимают 5 В.

Ток светодиода при падении на нём около 2 В (допущение) равен (12 − 2) / 4700 ≈ 2,1 мА.

Что говорит даташит

Два стабилизатора в корпусе TO-220 рядом с конденсаторами

Цифры из даташита Texas Instruments на LM340/LM7805/LM7812:

Параметр	LM7812	LM7805
Выходное напряжение (25 °C, 5 мА…1 А)	11,5–12–12,5 В	4,8–5–5,2 В
Во всём диапазоне температур и нагрузок	11,4–12,6 В при входе 14,5–27 В	4,75–5,25 В при входе 7,5–20 В
Падение напряжения (25 °C, 1 А)	2 В	2 В
Ток покоя (25 °C)	не более 8 мА	не более 8 мА
Входное напряжение	не более 35 В	не более 35 В
Защиты	тепловая, от короткого замыкания	то же

Тепловое сопротивление корпуса TO-220: RθJA 23,9 °C/Вт по таблице даташита и 54 °C/Вт по примечанию к предельным режимам, RθJC 4 °C/Вт. Тепловое отключение — выше 150 °C.

Ёмкости по даташиту: на входе 0,22 мкФ, если стабилизатор далеко от фильтра, и 0,1 мкФ на выходе. Если вход может закоротиться на землю, между выходом и входом ставят защитный диод.

Трансформатор на 15 В после моста и фильтра даёт под нагрузкой около 19–20 В: 15 · 1,41 − 1,4 ≈ 20 В на холостом ходу. Пульсации при токе 0,8 А и C1 = 2200 мкФ: ΔU = 0,8 / (100 · 0,0022) ≈ 3,6 В, и дно пульсаций около 16 В остаётся выше 14,5 В, нужных 7812.

Нагрев: где выделяется мощность

Два стабилизатора на общем радиаторе греются от разницы напряжений

Линейный стабилизатор превращает лишнее напряжение в тепло: P = (Uвх − Uвых) · I. Пример (условный): входное 19 В; по 12 В отбираем 0,5 А, по 5 В — 0,3 А.

7805 получает 12 В и отдаёт 5 В: (12 − 5) · 0,3 = 2,1 Вт. 7812 отдаёт в нагрузку 12 В и питает ещё цепочку 7805, поэтому через неё идёт 0,8 А: (19 − 12) · 0,8 = 5,6 Вт. Итого блок рассеивает около 7,7 Вт.

Температура кристалла Tj = Tокр + P · RθJA. Без радиатора для TO-220 при 54 °C/Вт и 40 °C вокруг: у 7812 40 + 5,6 · 54 ≈ 342 °C, у 7805 40 + 2,1 · 54 ≈ 153 °C. Это выше 150 °C, при которых даташит указывает тепловое отключение.

Радиатор: RθSA = (Tj − Tокр) / P − RθJC − RθCS. Возьмём Tj = 100 °C, 40 °C вокруг, RθJC = 4 °C/Вт и прокладку 1,5 °C/Вт (допущение).

У 7812 получится (100 − 40) / 5,6 − 4 − 1,5 ≈ 5,2 °C/Вт, у 7805 — (100 − 40) / 2,1 − 5,5 ≈ 23 °C/Вт.

У каждой микросхемы нужен свой радиатор, у 7812 — заметно больше. Подбирайте его калькулятором ниже.

Условие каскада

Первая микросхема должна давать напряжение выше, чем вторая: 7812 → 7805, но не наоборот. Стабилизатор не может выдать на выходе напряжение выше, чем на входе минус падение около 2 В, поэтому 12-вольтовая микросхема после 5-вольтовой получит на входе 5 В и ничего не выдаст.

Замены допустимы: 7806 вместо 7805 даёт 6 В, 7809 вместо 7812 даёт 9 В.

Разница между входом и выходом каждой ступени должна быть не меньше падения из даташита (2 В при токе 1 А) с запасом на пульсации.

Трансформатор и предохранитель

Стеклянный предохранитель в держателе на плате блока питания

Выбор трансформатора для блока с конденсатором в фильтре зависит от тока. По руководству Hammond по выбору трансформатора для мостового выпрямителя с конденсатором I(пост.) = 0,62 · I(перем.), то есть действующий ток вторичной обмотки примерно в 1,61 раза больше тока нагрузки.

Для суммарного тока 1 А это около 1,6 А, а не 1 А, как у трансформатора на 15 ВА. Поэтому берите трансформатор с запасом или ограничьте ток нагрузки.

Типовые ошибки

Ток обеих нагрузок вместе больше 1 А.7812 перегревается и уходит в защиту.
Перепутан порядок стабилизаторов.Каскад 7805 → 7812 не работает.
Без радиаторов.Срабатывает тепловая защита: без радиатора у 7812 расчётная температура около 340 °C.
Конденсатор C1 на низкое напряжение.Не меньше 25 В.
Трансформатор «на 1 А» при токе нагрузки 1 А.Действующий ток вторичной обмотки примерно в 1,6 раза больше.
Нет защитного диода при большой ёмкости на выходе.Обратный ток может повредить микросхему.

Где пригодится сегодня

Для лабораторной мелочи и проектов на микроконтроллерах: 5 В для платы, 12 В для реле. Если тока нужно больше 1 А или блок работает от аккумулятора, разумнее взять готовые импульсные преобразователи.

Что в итоге

Подходит: небольшие устройства с двумя напряжениями и суммарным током до 1 А. Не подходит: большие токи и питание от батареи — лишнее напряжение уходит в тепло.

Выбор между линейным и импульсным питанием — в обзоре «Какой блок питания собрать». По теме: стабилизатор 5 В на КР142ЕН5А и расчёт нагрева в статье «почему стабилизатор греется».

Частые вопросы

Почему 7805 нельзя поставить перед 7812?

Стабилизатор не выдаёт напряжение выше входного. После 7805 на входе 7812 было бы 5 В, а ей нужно не менее 14,5 В для заданных параметров.

Каскад всегда идёт от большего напряжения к меньшему.

Сколько тепла выделяется в блоке?

В примере с входом 19 В, током 0,5 А по 12 В и 0,3 А по 5 В — около 7,7 Вт: 5,6 Вт на 7812 и 2,1 Вт на 7805.

Без радиаторов обе уйдут в тепловое отключение, поэтому нужны радиаторы.

Какой трансформатор взять?

Вторичная обмотка около 15 В. Ток — примерно в 1,6 раза больше тока нагрузки: для 1 А это около 1,6 А.

В российских магазинах радиодеталей такие трансформаторы продаются малой мощности; проверяйте ток вторичной обмотки в паспорте.

Как уменьшить нагрев в таком блоке?

Снизить входное напряжение: на 7812 тепло пропорционально (Uвх − 12 В) · I. Но дно пульсаций должно оставаться выше 14,5 В, которые нужны для заданных параметров 7812.

Можно заменить 7805 на понижающий DC-DC модуль на 5 В: тепла почти нет. Такие модули продаются в российских магазинах радиодеталей.

Какие конденсаторы ставить на входе и выходе?

По даташиту TI: 0,22 мкФ на входе, если стабилизатор далеко от фильтра, и 0,1 мкФ на выходе для переходных процессов.

C1 на 2200 мкФ сглаживает пульсации: при 0,8 А размах около 3,6 В.