آموزش جامع رگولاتورهای ولتاژ (7805، LM317، LM2596) همراه با مثال عملی، مدارهای کاربردی، مزایا و معایب و رفع خطاهای رایج

📘 آموزش جامع آی‌سی‌های رگولاتور ولتاژ خطی (سری 78xx و 79xx)

✨ مقدمه

در بیشتر پروژه‌های الکترونیکی، به‌ویژه وقتی با میکروکنترلرها، ماژول‌های ارتباطی یا مدارهای صوتی کار می‌کنیم، تامین یک ولتاژ پایدار و دقیق از اهمیت بسیار زیادی برخوردار است. بیشتر قطعات نیمه‌هادی مانند ICها، ترانزیستورها، سنسورها و بردهای توسعه، محدوده مشخصی از ولتاژ را پشتیبانی می‌کنند. هرگونه نوسان یا اضافه ولتاژ می‌تواند باعث عملکرد نادرست یا حتی سوختن قطعات شود.

یکی از ساده‌ترین و در عین حال پراستفاده‌ترین راهکارها برای ایجاد این ولتاژ پایدار، استفاده از رگولاتورهای ولتاژ خطی است. خانواده‌ی 78xx و 79xx از محبوب‌ترین رگولاتورهای خطی هستند که از دهه‌ها قبل تاکنون در پروژه‌های مختلف استفاده می‌شوند.

🔎 انواع رگولاتورهای ولتاژ سری 78xx و 79xx

۱- رگولاتورهای مثبت (سری 78xx)

• خروجی ولتاژ مثبت ثابت دارند.
• شماره xx ولتاژ خروجی را مشخص می‌کند.
  • 7805 → خروجی 5V
  • 7808 → خروجی 8V
  • 7809 → خروجی 9V
  • 7812 → خروجی 12V
  • 7815 → خروجی 15V
  • 7824 → خروجی 24V

۲- رگولاتورهای منفی (سری 79xx)

• خروجی ولتاژ منفی ثابت دارند.
• مشابه سری 78xx، دو رقم آخر ولتاژ خروجی است.
  • 7905 → خروجی -5V
  • 7909 → خروجی -9V
  • 7912 → خروجی -12V
  • 7915 → خروجی -15V

⚡ موارد کاربرد رایج

رگولاتورهای خطی مانند 78xx و 79xx در پروژه‌ها و صنایع مختلف استفاده می‌شوند. برخی از کاربردهای متداول آن‌ها عبارتند از:

1. تامین تغذیه میکروکنترلرها
   • مثال: بردهای آردوینو به 5 ولت نیاز دارند که با 7805 تامین می‌شود.
2. ماژول‌های ارتباطی
   • ESP8266 و ESP32 معمولا نیاز به 3.3 ولت یا 5 ولت دارند. خروجی 7805 برای تبدیل 9 یا 12 ولت به 5 ولت ایده‌آل است.
3. مدارات صوتی و آپ‌امپ‌ها
   • تقویت‌کننده‌های عملیاتی مثل TL072 نیاز به ±12 ولت دارند. ترکیب 7812 و 7912 بهترین انتخاب است.
4. مدارهای آنالوگ حساس
   • چون خروجی نویز کمی دارند، برای مدارات فیلتر و پردازش سیگنال مناسبند.
5. تجهیزات خانگی و صنعتی
   • در تلویزیون‌ها، رادیوها و منابع تغذیه صنعتی به‌طور گسترده به کار می‌روند.

🔧 نحوه استفاده و راه‌اندازی

پایه‌های سری 78xx (مثال: 7805)

1. Input → ورودی مثبت (۷ تا ۲۵ ولت)
2. Ground → زمین
3. Output → خروجی ولتاژ مثبت پایدار

پایه‌های سری 79xx (مثال: 7912)

1. Ground → زمین مشترک
2. Input → ورودی منفی (مثلاً -18 ولت)
3. Output → خروجی منفی پایدار (مثلاً -12 ولت)

🛠️ مثال عملی ۱: تغذیه آردوینو با 7805

هدف: تامین 5 ولت دقیق برای راه‌اندازی Arduino Uno.

قطعات:

• آی‌سی 7805
• منبع تغذیه 9 ولت (باتری یا آداپتور)
• خازن 100µF و 0.1µF برای حذف نویز

اتصالات:

• ورودی 9 ولت → پایه Input
• خروجی 5 ولت → پایه Output → به پایه Vcc آردوینو
• پایه GND → زمین آردوینو
• خازن 100µF بین ورودی و زمین
• خازن 0.1µF بین خروجی و زمین

🛠️ مثال عملی ۲: ساخت منبع تغذیه دوبل ±12V با 7812 و 7912

هدف: تامین تغذیه برای آپ‌امپ‌های صوتی مثل LM324 یا TL082.

قطعات:

• ترانس 12-0-12 ولت
• پل دیود → تبدیل AC به DC
• خازن صافی 2200µF
• آی‌سی 7812 برای +12V
• آی‌سی 7912 برای -12V
• خازن‌های 0.1µF و 100µF برای کاهش ریپل

اتصالات:

• سیم وسط ترانس → زمین
• خروجی سمت راست ترانس → پل دیود → ورودی 7812 → خروجی +12V
• خروجی سمت چپ ترانس → پل دیود → ورودی 7912 → خروجی -12V
• خازن‌ها نزدیک پایه‌های رگولاتور نصب می‌شوند.

✅ مزایا

• طراحی بسیار ساده
• نیاز به قطعات کم
• قیمت ارزان و در دسترس
• حفاظت داخلی در برابر اتصال کوتاه و دما

❌ معایب

• راندمان پایین (به دلیل هدررفت توان به صورت حرارت)
• نیاز به هیت‌سینک در بارهای پرجریان
• افت ولتاژ (Dropout) حدود ۲ ولت

⚠️ خطاهای رایج و رفع آن‌ها

1. داغ شدن زیاد:
   • علت: اختلاف زیاد بین ورودی و خروجی یا جریان بالا.
   • راه‌حل: استفاده از هیت‌سینک یا جایگزینی با رگولاتور سوئیچینگ.
2. ریپل در خروجی:
   • علت: حذف خازن‌های فیلتر.
   • راه‌حل: استفاده از خازن‌های 100nF و 100µF نزدیک پایه‌ها.
3. خروجی اشتباه یا صفر:
   • علت: اشتباه در پایه‌بندی.
   • راه‌حل: بررسی مجدد دیتاشیت (ورودی، زمین، خروجی).

آموزش جامع رگولاتورهای قابل تنظیم LM317 و LM337

✨ مقدمه

در بخش اول مقاله با رگولاتورهای ولتاژ خطی سری 78xx و 79xx آشنا شدیم و دیدیم که این آی‌سی‌ها ولتاژ ثابت مثل 5V یا ±12V تولید می‌کنند. اما در بسیاری از پروژه‌ها نیاز داریم ولتاژ متغیر و قابل تنظیم داشته باشیم؛ مثلا:

• برای ساخت منبع تغذیه آزمایشگاهی
• شارژ کردن باتری‌های مختلف
• تست مدارات با ولتاژهای متفاوت
• راه‌اندازی ماژول‌هایی که نیازمند ولتاژ خاصی هستند

اینجاست که رگولاتورهای قابل تنظیم (Adjustable Regulators) وارد عمل می‌شوند. دو آی‌سی پرکاربرد در این دسته:

• LM317 → رگولاتور ولتاژ مثبت قابل تنظیم (۱.۲V تا ۳۷V)
• LM337 → رگولاتور ولتاژ منفی قابل تنظیم (-۱.۲V تا -۳۷V)

🔎 معرفی LM317

LM317 یک رگولاتور خطی سه پایه است که می‌تواند ولتاج خروجی بین ۱.۲ ولت تا ۳۷ ولت را تأمین کند. مقدار ولتاژ خروجی با استفاده از یک مقاومت تقسیم‌کننده (Divider) تنظیم می‌شود.

پایه‌ها

1. Adjust (تنظیم) → به تقسیم‌کننده مقاومتی وصل می‌شود.
2. Output (خروجی) → ولتاژ تنظیم‌شده را می‌دهد.
3. Input (ورودی) → ولتاژ بالاتر از مقدار خروجی (حداقل ۳ ولت بیشتر).

فرمول محاسبه ولتاژ خروجی

Vout=1.25×(1+R2R1)+Iadj×R2V_{out} = 1.25 \times (1 + \frac{R2}{R1}) + I_{adj} \times R2Vout=1.25×(1+R1R2)+Iadj×R2

• مقدار استاندارد R1 = 240Ω انتخاب می‌شود.
• مقدار R2 تعیین‌کننده ولتاژ خروجی است.

مثال:

• اگر R2 = 720Ω → خروجی حدود 5 ولت خواهد بود.
• اگر R2 = 2.4kΩ → خروجی حدود 13 ولت خواهد بود.

🛠️ مثال عملی ۱: منبع تغذیه 1.2V تا 12V با LM317

هدف: ساخت منبع تغذیه متغیر برای تست مدارات کوچک.

قطعات:

• LM317
• مقاومت 240Ω (R1)
• پتانسیومتر 5kΩ (به جای R2 برای تنظیم ولتاژ)
• خازن 0.1µF و 1µF برای فیلتر نویز
• هیت‌سینک

اتصالات:

• ورودی 15 ولت DC → پایه Input
• خروجی → پایه Output → به بار
• پایه Adjust → به تقسیم‌کننده (240Ω به زمین و پتانسیومتر به خروجی)
• خازن 0.1µF بین ورودی و زمین
• خازن 1µF بین خروجی و زمین

کارکرد:
با چرخاندن پتانسیومتر، مقدار مقاومت R2 تغییر می‌کند و خروجی بین 1.2 تا 12 ولت تنظیم می‌شود.

🛠️ مثال عملی ۲: شارژر باتری 6 ولتی با LM317

هدف: شارژ باتری سرب-اسید 6 ولت.

قطعات:

• LM317
• مقاومت 240Ω و مقاومت متغیر 1kΩ
• دیود 1N5408 (جلوگیری از برگشت جریان)
• خازن‌های 0.1µF و 100µF

اتصالات:

• ورودی 12V DC → پایه Input
• خروجی → به باتری از طریق دیود
• تنظیم پتانسیومتر → خروجی 7.2 ولت (ولتاژ شارژ باتری 6 ولت)

کارکرد:
با تنظیم مقاومت، ولتاژ شارژ دقیقاً روی 7.2V ثابت می‌ماند. دیود مانع برگشت جریان از باتری به آی‌سی می‌شود.

✅ مزایای LM317

• خروجی ولتاژ قابل تنظیم و دقیق
• مدار داخلی حفاظت در برابر دما و اتصال کوتاه
• قابلیت جریان‌دهی تا 1.5A
• ایده‌آل برای ساخت منابع تغذیه متغیر

❌ معایب LM317

• راندمان پایین (مانند رگولاتورهای خطی دیگر)
• نیاز به اختلاف ولتاژ حداقل 3V بین ورودی و خروجی
• در جریان‌های بالا به هیت‌سینک بزرگ نیاز دارد

⚠️ خطاهای رایج و رفع آن‌ها

1. خروجی تنظیم نمی‌شود:
   • علت: اشتباه در اتصال مقاومت‌های R1 و R2
   • رفع: بررسی مجدد تقسیم ولتاژ و پایه Adjust
2. داغ شدن بیش از حد:
   • علت: اختلاف زیاد ورودی و خروجی یا جریان بالا
   • رفع: استفاده از هیت‌سینک و کاهش ولتاژ ورودی
3. ریپل زیاد در خروجی:
   • علت: حذف خازن‌های بای‌پس
   • رفع: اضافه کردن خازن‌های توصیه‌شده در دیتاشیت

🔎 معرفی LM337 (نسخه منفی LM317)

LM337 همانند LM317 است، اما برای تولید ولتاژ منفی متغیر (-1.2 تا -37V) استفاده می‌شود.

پایه‌ها

1. Adjust → تقسیم ولتاژ
2. Input → ورودی منفی
3. Output → خروجی ولتاژ منفی تنظیم‌شده

🛠️ مثال عملی ۳: منبع تغذیه دوبل ±1.2 تا ±15V با LM317 و LM337

هدف: ساخت منبع تغذیه متغیر برای آپ‌امپ‌ها.

قطعات:

• LM317 برای خروجی مثبت
• LM337 برای خروجی منفی
• مقاومت 240Ω + پتانسیومتر 5kΩ برای هر آی‌سی
• خازن‌های فیلتر ورودی و خروجی
• ترانس دوبل 15-0-15 ولت + پل دیود

اتصالات:

• ورودی +15 ولت DC به LM317
• ورودی -15 ولت DC به LM337
• خروجی‌ها → ±1.2 تا ±15 ولت
• پتانسیومترها برای تنظیم جداگانه مثبت و منفی

کاربرد عملی:
این منبع تغذیه برای آپ‌امپ‌های TL082 یا NE5532 در تقویت‌کننده‌های صوتی استفاده می‌شود.

✅ مزایای LM337

• ولتاژ منفی قابل تنظیم
• مکمل LM317 برای منابع دوبل
• حفاظت حرارتی و اتصال کوتاه

❌ معایب LM337

• همان مشکلات راندمان پایین و نیاز به هیت‌سینک
• کمیاب‌تر از LM317 در بازار

⚡ کاربردهای عملی LM317 و LM337

1. منبع تغذیه آزمایشگاهی متغیر
   • خروجی 1.2 تا 30 ولت با جریان تا 1.5 آمپر.
2. شارژر باتری‌های قابل شارژ
   • سرب-اسید، لیتیوم، نیکل-کادمیم (با محدودکننده جریان).
3. تنظیم ولتاژ دقیق برای سنسورها
   • سنسورهایی مثل MPU6050 یا ماژول GPS.
4. تامین تغذیه دوبل برای آپ‌امپ‌ها و مدارهای صوتی
   • استفاده همزمان از LM317 و LM337.

آموزش جامع رگولاتورهای سوئیچینگ (LM2596 و رگولاتورهای DC-DC)

✨ مقدمه

در دو بخش قبلی مقاله، با رگولاتورهای خطی شامل سری 78xx، 79xx، LM317 و LM337 آشنا شدیم. این آی‌سی‌ها ساده، ارزان و پرکاربرد هستند اما یک مشکل اساسی دارند:

❌ راندمان پایین.

وقتی اختلاف زیادی بین ولتاژ ورودی و خروجی وجود داشته باشد، بخش زیادی از توان به شکل حرارت تلف می‌شود. مثلا اگر ورودی 12 ولت و خروجی 5 ولت باشد، تقریباً نصف توان در رگولاتور خطی هدر می‌رود.

برای رفع این مشکل، از رگولاتورهای سوئیچینگ (Switching Regulators) استفاده می‌کنیم. این رگولاتورها بر پایه‌ی کلیدزنی (Switching) و سلف کار می‌کنند و راندمان آن‌ها می‌تواند تا ۹۵٪ برسد.

یکی از معروف‌ترین آن‌ها: LM2596

🔎 معرفی LM2596

LM2596 یک رگولاتور سوئیچینگ DC-DC از نوع Buck Converter (کاهنده ولتاژ) است.

مشخصات اصلی

• ولتاژ ورودی: 4V تا 40V
• ولتاژ خروجی: 1.2V تا 37V (قابل تنظیم با پتانسیومتر)
• جریان خروجی: تا 3 آمپر
• راندمان: 75٪ تا 95٪
• فرکانس سوئیچینگ: 150kHz

🔧 پایه‌های LM2596

1. Vin (ورودی) → اتصال به ولتاژ مثبت DC
2. GND (زمین) → زمین مشترک مدار
3. Vout (خروجی) → ولتاژ تنظیم‌شده خروجی
4. Feedback (FB) → برای تقسیم ولتاژ خروجی و کنترل رگولاتور

⚡ کاربردهای رایج LM2596

1. تبدیل 12V به 5V برای میکروکنترلرها و Arduino
2. تامین تغذیه برای ماژول‌های ESP8266 و ESP32 (مصرف نسبتاً بالا دارند)
3. شارژر باتری‌های لیتیوم (با مدار محدودکننده جریان)
4. کاهش ولتاژ در پروژه‌های خودرو (مثلاً 12V خودرو به 9V یا 5V)
5. منبع تغذیه پرراندمان برای رزبری پای (Raspberry Pi)

🛠️ مثال عملی ۱: تغذیه Arduino با LM2596

هدف: کاهش 12 ولت به 5 ولت برای راه‌اندازی Arduino Uno.

قطعات:

• ماژول LM2596 آماده
• منبع 12 ولت (باتری یا آداپتور)
• مولتی‌متر برای تنظیم ولتاژ

اتصالات:

• پایه Vin → 12 ولت مثبت
• پایه GND → زمین منبع و آردوینو
• پایه Vout → 5 ولت → به Vcc آردوینو

روش کار:
با پیچاندن پتانسیومتر روی ماژول، خروجی روی 5 ولت تنظیم می‌شود. سپس آردوینو بدون مشکل راه‌اندازی می‌شود.

🛠️ مثال عملی ۲: منبع تغذیه چند ولتاژ با LM2596

هدف: گرفتن خروجی‌های 3.3V، 5V و 9V از یک ورودی 12V.

قطعات:

• سه ماژول LM2596
• منبع 12 ولت
• خازن‌های خروجی برای کاهش ریپل

اتصالات:

• ورودی مشترک 12V به همه ماژول‌ها
• ماژول اول تنظیم روی 3.3V → برای ESP8266
• ماژول دوم تنظیم روی 5V → برای آردوینو
• ماژول سوم تنظیم روی 9V → برای موتورهای DC کوچک

✅ مزایای رگولاتورهای سوئیچینگ (مثل LM2596)

• راندمان بسیار بالا (۷۰٪ تا ۹۵٪)
• اتلاف حرارت کم
• قابلیت جریان‌دهی بالا (۲ تا ۳ آمپر)
• ولتاژ خروجی قابل تنظیم

❌ معایب

• نویز بیشتر نسبت به رگولاتورهای خطی
• نیاز به خازن و سلف برای عملکرد صحیح
• پیچیدگی مدار بیشتر نسبت به 7805 یا LM317

⚠️ خطاهای رایج و رفع آن‌ها

1. خروجی ناپایدار یا نویزدار:
   • علت: خازن نامناسب یا کابل‌های بلند
   • رفع: استفاده از خازن‌های Low ESR نزدیک پایه‌ها
2. تنظیم نشدن ولتاژ خروجی:
   • علت: خرابی پتانسیومتر ماژول
   • رفع: تعویض پتانسیومتر یا ماژول
3. گرم شدن بیش از حد:
   • علت: جریان بیش از حد یا ورودی خیلی بالا
   • رفع: استفاده از هیت‌سینک یا فن خنک‌کننده

🔎 انواع رگولاتورهای سوئیچینگ

1. Buck Converter (کاهنده)
   • مثال: LM2596
   • کاربرد: کاهش ولتاژ ورودی به مقدار پایین‌تر
2. Boost Converter (افزاینده)
   • مثال: XL6009
   • کاربرد: افزایش ولتاژ ورودی به مقدار بالاتر
3. Buck-Boost Converter (کاهنده/افزاینده ترکیبی)
   • مثال: LM2577
   • کاربرد: خروجی ثابت حتی اگر ورودی بالاتر یا پایین‌تر باشد

🛠️ مثال عملی ۳: تغذیه Raspberry Pi با LM2596

هدف: تامین 5V پایدار برای رزبری پای از باتری 12 ولت.

قطعات:

• ماژول LM2596
• باتری 12 ولت 7Ah
• کابل USB برای رزبری پای

اتصالات:

• ورودی 12V به Vin و GND ماژول
• خروجی روی 5.1V تنظیم شود (برای جبران افت کابل USB)
• خروجی ماژول → به پورت USB رزبری پای

🛠️ مثال عملی ۴: ساخت پاوربانک با Boost Converter

هدف: افزایش ولتاژ باتری لیتیوم 3.7V به 5V برای شارژ موبایل.

قطعات:

• آی‌سی XL6009 یا MT3608 (Boost)
• باتری لیتیوم 18650
• ماژول شارژ TP4056 برای باتری

اتصالات:

• باتری 3.7V به ورودی Boost
• خروجی 5V به پورت USB
• ماژول TP4056 برای شارژ باتری از طریق Micro USB

✅ مقایسه رگولاتور خطی و سوئیچینگ

ویژگی رگولاتور خطی (7805، LM317)رگولاتور سوئیچینگ (LM2596)

⚡ کاربردهای پیشرفته رگولاتورهای سوئیچینگ

1. سیستم‌های IoT و خانه هوشمند → تامین ولتاژ برای سنسورها و ماژول‌ها
2. مدارهای خودرو → کاهش 12 ولت خودرو به 5 ولت برای ماژول‌ها
3. منابع تغذیه سوئیچینگ لپ‌تاپ‌ها
4. سیستم‌های خورشیدی (Solar Systems) → تبدیل ولتاژ پنل خورشیدی برای شارژ باتری

✨ جمع‌بندی

در سه بخش این مقاله جامع، با تمام خانواده‌های پرکاربرد رگولاتورها آشنا شدیم:

• بخش اول: رگولاتورهای خطی 78xx و 79xx (خروجی ثابت مثبت و منفی)
• بخش دوم: رگولاتورهای قابل تنظیم LM317 و LM337
• بخش سوم: رگولاتورهای سوئیچینگ (LM2596 و مبدل‌های DC-DC)

🔹 یاد گرفتیم چگونه این آی‌سی‌ها را راه‌اندازی کنیم، پایه‌هایشان را بشناسیم، مثال‌های عملی واقعی اجرا کنیم، مزایا و معایبشان را بررسی کنیم و خطاهای رایجشان را رفع کنیم.