Il mio regolatore di tensione lineare si sta surriscaldando molto velocemente

Sto usando un regolatore di tensione 5 V / 2 A ( L78S05 ) senza dissipatore di calore. Sto testando il circuito con un microcontrollore (PIC18FXXXX), alcuni LED e un segnale acustico a 1 mA. La tensione di ingresso è di circa. 24 VDC. Dopo aver funzionato per un minuto, il regolatore di tensione inizia a surriscaldarsi, il che significa che mi brucia il dito se lo tengo lì per più di un secondo. In pochi minuti inizia a puzzare come se fosse bruciato. È un comportamento normale per questo regolatore? Cosa potrebbe causarne il riscaldamento così tanto?

Altri componenti utilizzati in questo circuito:

L1: filtro EMI BNX002-01

R2: Varistore

F1: Fusibile 0154004.DR

Riepilogo: ORA HAI BISOGNO DI UN HEATSINK !!!!! :-)
[e anche avere un resistore in serie non farebbe male :-)]

Domanda ben fatta La tua domanda è posta bene, molto meglio del solito.
Lo schema circuitale e i riferimenti sono apprezzati.
Questo rende molto più semplice dare una buona risposta la prima volta.
Spero che questo sia uno ... :-)

Ha senso (ahimè): il comportamento è del tutto previsto.
Stai sovraccaricando termicamente il regolatore.
È necessario aggiungere un dissipatore di calore se si desidera utilizzarlo in questo modo.
Trarrai grandi benefici da una corretta comprensione di ciò che sta accadendo.

Potenza = Volt x Corrente.

Per un regolatore lineare Potenza totale = Potenza in carico + Potenza in regolatore.

Regolatore V _drop = V _in - V _load
Here V _drop in regolatore = 24-5 = 19V.

Qui Potenza in = 24 V x _carico
Potenza in carico = 5 V x _carico
Potenza in regolatore = (24 V-5 V) x _carico .

Per 100 mA di corrente di carico, il regolatore dissipa la _caduta
V x _carico I (24-5) x 0,1 A = 19 x 0,1 = 1,9 Watt.

Quanto è caldo ?: La pagina 2 della scheda tecnica dice che la resistenza termica dalla giunzione all'ambiente (= aria) è di 50 gradi C per Watt. Ciò significa che per ogni Watt che si dissipa si ottiene un aumento di 50 gradi C. A 100 mA si avrebbe una dissipazione di circa 2 Watt o circa 2 x 50 = aumento di 100 ° C. L'acqua bollirebbe felicemente sull'IC.

Il più caldo che la maggior parte delle persone può sostenere a lungo termine è 55C. Il tuo è più caldo di così. Non hai menzionato l'acqua bollente (test di sfrigolio delle dita bagnate). Supponiamo che abbiate ~~ 80 ° C di temperatura del case. Supponiamo che la temperatura dell'aria sia di 20 ° C (perché è facile - qualche grado in entrambi i modi fa poca differenza.

T _rise = T _case -T _ambient = 80-20 = 60 ° C. Dissipazione = T _rise / R _th = 60/50 ~ = 1,2 Watt.

Alla caduta di 19v 1,2 W = 1,2 / 19 A = 0,0632 A o circa 60 mA.

cioè se stai disegnando circa 50 mA otterrai una temperatura del case compresa tra 70 ° C e 80 ° C gradi.

Hai bisogno di un dissipatore di calore .

_Risolvendolo : La scheda _tecnica pagina 2 dice che R _thj-case = resistenza termica da giunzione a custodia è 5C / W = 10% di giunzione ad aria.

Se si utilizza un dice 10 C / W dissipatore quindi totale R _th sarà R _{_jc} + R _{c_amb} (aggiungere svincolo per caso a caso all'aria).
= 5 + 10 = 15 ° C / Watt.
Per 50 mA otterrai 0,050 A x 19 V = 0,95 W o un aumento di 15 ° C / Watt x 0,95 ~ = 14 ° C.

Anche con un aumento di 20 ° C e un ambiente di 25 V otterrai una temperatura del dissipatore di calore di 20 + 25 = 45 ° C.
Il dissipatore di calore sarà caldo ma sarai in grado di trattenerlo senza (troppo) dolore.

Battere il calore:

Come sopra, la dissipazione del calore in un regolatore lineare in questa situazione è di 1,9 Watt per 100 mA o 19 Watt a 1A. È molto caldo. A 1A, per mantenere la temperatura sotto la temperatura dell'acqua bollente (100 ° C) quando la temperatura ambiente era 25 ° C, sarebbe necessaria una resistenza termica complessiva non superiore a (100 ° C-25 ° C) / 19 Watt = 3,9 C / W. Dato che la giunzione con Rthjc è già maggiore di 3,9 a 5 C / W, in queste condizioni non è possibile mantenere la giunzione al di sotto di 100 ° C. La giunzione al solo caso a 19 V e 1 A aggiungerà 19 V x 1 A x 5 C / W = 95 ° C in aumento. Mentre l'IC è valutato per consentire temperature fino a 150 ° C, ciò non è buono per l'affidabilità e dovrebbe essere evitato se possibile. Proprio come un esercizio, per portarlo SOLO sotto i 150 ° C nel caso sopra, il dissipatore di calore esterno dovrebbe essere (150-95) C / 19W = 2,9 C / W. Quello' è raggiungibile ma è un dissipatore di calore più grande di quanto si possa sperare di usare. Un'alternativa è ridurre l'energia dissipata e quindi l'aumento di temperatura.

I modi per ridurre la dissipazione del calore nel regolatore sono:

(1) Utilizzare un regolatore di commutazione come la serie di commutatori semplici NatSemi. Un regolatore di commutazione delle prestazioni con solo il 70% di efficienza ridurrà drasticamente la dissipazione del calore poiché nel regolatore vengono dissipati solo 2 Watt !.
cioè Energia in = 7,1 Watt. Energia in uscita = 70% = 5 Watt. Corrente a 5 watt a 5 V = 1A.

Un'altra opzione è una sostituzione drop-in premade per un regolatore a 3 terminali. L'immagine e il collegamento seguenti sono tratti dalla parte citata in un commento di Jay Kominek . OKI-78SR 1,5 A, caduta di 5 V nella sostituzione del regolatore di commutazione per un LM7805 . 7 V - 36 V pollici.

A 36 Volt in entrata, 5V in uscita, l'efficienza di 1,5 A è dell'80%. Dato che Pout = 5 V x 1,5 A = 7,5 W = 80%, la potenza dissipata nel regolatore è del 20% / 80% x 7,5 W = 1,9 Watt. Molto tollerabile. Non è necessario alcun dissipatore di calore e può fornire 1,5 A a 85 ° C. [[Errata: ho appena notato che la curva in basso è a 3,3 V. La parte 5V gestisce l'85% a 1,5 A, quindi è meglio di quanto sopra.]]

(2) Ridurre la tensione

(3) Ridurre la corrente

(4) Dissipare un po 'di energia esterna al regolatore.

L'opzione 1 è la migliore tecnicamente. Se ciò non è accettabile e se 2 e 3 sono fissi, è necessaria l'opzione 4.

Il sistema di dissipazione esterno più semplice e (probabilmente il migliore) è un resistore. Un resistore di potenza in serie che scende da 24 V a una tensione che il regolatore accetterà alla massima corrente farà bene il lavoro. Si noti che si vuole un condensatore di filtro in ingresso al regolatore dovuto alla resistenza rendendo l'elevata impedenza di rete. Di circa 0,33 uF, più non farà male. Una ceramica da 1 uF dovrebbe fare. Anche un tappo più grande come un elettrolitico in alluminio da 10 uF a 100 uF dovrebbe essere buono.

Supponiamo Vin = 24 V. Vregulator in min = 8V (headroom / dropout. Controlla la scheda tecnica. Il registro selezionato dice 8V a <1A.) Iin = 1 A.

Caduta richiesta a 1A = 24 - 8 = 16V. Di '15 V come "sicuro".
R = V / I = 15/1 = 15 ohm. Potenza = I ² * R = 1 x 15 = 15 Watt.
Un resistore da 20 Watt sarebbe marginale.
Un resistore da 25 W + sarebbe migliore.

Ecco una resistenza da 25 W 15R al prezzo di $ 3,30 / 1 in stock senza piombo con scheda tecnica qui . Si noti che anche questo ha bisogno di un dissipatore di calore !!! È possibile acquistare resistori con aria libera fino a 100's di Watt. Quello che usi è la tua scelta ma questo funzionerebbe bene. Si noti che è valutato a 25 Watt commerciali o 20 Watt militari quindi a 15W "sta andando bene". Un'altra opzione è una lunghezza adeguata di un filo di resistenza opportunamente montato montato correttamente. Le probabilità sono che un produttore di resistenze lo faccia già meglio di te.

Con questa disposizione:
Potenza totale
= 24 W Potenza della resistenza = 15 Watt
Potenza del carico = 5 Watt
Potenza del regolatore = 3 Watt

L'aumento della giunzione del regolatore sarà di 5 C / W x 3 = 15 ° C sopra il caso. Dovrai fornire un dissipatore di calore per mantenere felici il regolatore e il dissipatore di calore, ma ora è "solo una questione di ingegneria".

Esempi di dissipatori di calore:

21 gradi C (o K) per Watt

7,8 C / W

Digikey: molti esempi di dissipatori di calore, incluso questo dissipatore da 5,3 C / W

2,5 C / W

0.48 C / O !!!
119 mm di larghezza x 300 mm di lunghezza x 65 mm di altezza.
1 piede di lunghezza x 4,7 "di larghezza x 2,6" di altezza

Buon articolo sulla selezione del dissipatore di calore

Convezione forzata che riscalda la resistenza termica

Riduzione della dissipazione del regolatore lineare con un resistore di ingresso in serie:

Come notato sopra, l'uso di un resistore serie per far cadere la tensione prima di un regolatore lineare può ridurre notevolmente la dissipazione nel regolatore. Mentre il raffreddamento di un regolatore di solito richiede dissipatori di calore, resistori raffreddati ad aria possono essere ottenuti a buon mercato in grado di dissipare 10 o più Watt senza bisogno di un dissipatore di calore. Di solito non è una buona idea risolvere i problemi di alta tensione di ingresso in questo modo, ma può avere il suo posto.

Nell'esempio seguente un'alimentazione 1A LM317 da 5 V alimentata da 12V. L'aggiunta di un resistore può più che dimezzare la dissipazione di potenza nell'LM317 nelle peggiori condizioni aggiungendo un resistore di ingresso in serie montato su filo raffreddato ad aria a basso costo.

L'LM317 necessita di un'altezza libera compresa tra 2 e 2,5 V a correnti inferiori o di 2,75 V in condizioni di carico e temperatura estreme. (Vedi Fig 3 nel foglio dati , - copiato di seguito).

LM317 headroom o dropout voltage

Rin deve essere dimensionato in modo tale da non ridurre la tensione eccessiva quando V_12V è al minimo, Vdropout è il caso peggiore per le condizioni e sono consentite la caduta di diodi in serie e la tensione di uscita.

La tensione attraverso la resistenza deve essere sempre inferiore a =

• Vin minimo

• meno Caduta Vdiode massima

• meno Peggior casi peggiori relativi alla situazione

• meno tensione di uscita

Quindi Rin <= (v_12 - Vd - 2.75 - 5) / Imax.

Per un Vin minimo di 12V, dì una caduta di diodo di 0,8 V e dica 1 amp out che è
(12-0,8-2,75-5) / 1
= 3,45 / 1
= 3R45
= dire 3R3.

Potenza in R = I ^ 2R = 3,3 W, quindi una parte da 5 W sarebbe marginalmente accettabile e 10 W sarebbe migliore.

La dissipazione nell'LM317 scende da> 6 Watt a <3 Watt.

Un eccellente esempio di un adeguato resistore raffreddato ad aria montato su filo conduttore sarebbe un membro di questa famiglia di resistori a filo avvolto Yageo ben specificata con membri classificati da 2W a 40W raffreddati ad aria. Una unità da 10 Watt è in stock presso Digikey a $ US0,63 / 1.

Classificazioni della temperatura ambiente del resistore e aumento della temperatura:

È bello avere questi due grafici dal foglio dati sopra che consentono di stimare i risultati del mondo reale.

Il grafico a sinistra mostra che un resistore da 10 Watt funzionante a 3W3 = 33% della sua velocità Il Wattage ha una temperatura ambiente consentita fino a 150 C (in realtà circa 180C se si traccia il punto operativo nel grafico ma il produttore dice che 150 C max è permesso.

Il secondo grafico mostra che l'aumento di temperatura per una resistenza da 10 W operata a 3W3 sarà di circa 100 ° C al di sopra della temperatura ambiente. Un resistore da 5 W della stessa famiglia funzionerebbe al 66% della potenza nominale e avrebbe un aumento della temperatura di 140 ° C rispetto all'ambiente. (Un 40W avrebbe un aumento di circa 75 ° C ma 2 x 10 W = sotto 50 ° C e 10 x 2 W solo circa 25 ° C !!!.

L' aumento di temperatura decrescente con un numero crescente di resistori con la stessa potenza combinata in ciascun caso è presumibilmente correlato all'azione "Legge a cubi quadrati" in quanto vi è una minore superficie di raffreddamento per volume all'aumentare delle dimensioni.

http://www.yageo.com/documents/recent/Leaded-R_SQP-NSP_2011.pdf

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Aggiunto agosto 2015 - Case study:

Qualcuno ha posto la domanda ragionevole:

Una spiegazione più probabile non è forse il carico capacitivo relativamente alto (220 µF)? Ad esempio facendo diventare instabile il regolatore, le oscillazioni causando molto calore dissipato nel regolatore. Nel foglio dati, tutti i circuiti per il normale funzionamento hanno solo un condensatore da 100 nF sull'uscita.

Ho risposto nei commenti, ma POSSONO essere cancellati a tempo debito e questa è una valida aggiunta all'argomento, quindi ecco i commenti modificati nella risposta.

In alcuni casi l'oscillazione e l'instabilità del regolatore sono certamente un problema, ma, in questo caso e molti simili, la ragione più probabile è l'eccessiva dissipazione.

La famiglia 78xxx è molto antica e precede sia i moderni regolatori a bassa caduta che quelli alimentati in serie (stile LM317). La famiglia 78xxx è sostanzialmente incondizionatamente stabile rispetto a Cout. In realtà non ne hanno bisogno per il corretto funzionamento e lo 0,1uF spesso mostrato è quello di fornire un serbatoio per fornire una sovratensione o una manipolazione di picchi.
In alcune delle relative schede tecniche affermano in realtà che Cout può essere "aumentato senza limiti" ma non vedo una nota del genere qui - ma anche (come mi aspetterei) non vi è alcuna nota che suggerisca instabilità ad alta Cout. Nella fig.33 a pagina 31 del foglio dati mostrano l'uso di un diodo inverso per "proteggere da" carichi ad alta capacità "- vale a dire condensatori con energia sufficientemente alta da causare danni se scaricati nell'uscita - cioè molto più di 0,1 uF .

Dissipazione: a 24 Vin e 5 Vout il regolatore dissipa 19 mW per mA. Rthja è 50C / W per il pacchetto TO220, quindi otterrai circa 1C di aumento per mA di corrente.
Quindi, con una dissipazione di 1 Watt nell'aria ambiente a 20 ° C, il case sarebbe a circa 65 ° C (e potrebbe essere più dipendente da come il case è orientato e posizionato). 65C è leggermente al di sopra del limite inferiore della temperatura "brucia il dito".
A 19 mW / mA occorrerebbero 50 mA per dissipare 1 Watt. Il carico effettivo nell'esempio fornito è sconosciuto: mostra un LED indicatore a circa 8 o 9 mA (se rosso) più un carico della corrente interna del regolatore utilizzata (inferiore a 10 mA) + "PIC18FXXXX), alcuni LED ... "Quel totale potrebbe raggiungere o superare i 50 mA a seconda del circuito PIC o potrebbe essere molto inferiore. |

Complessivamente data la famiglia di regolatori, la tensione differenziale, l'incertezza di raffreddamento effettiva, l'incertezza di Tambient, la figura tipica C / W e altro sembra che la pura dissipazione sia una ragione ragionevole per ciò che vede in questo caso e per ciò che molte persone che usano regolatori lineari sperimenteranno in casi simili. C'è una possibilità che sia instabilità per ragioni meno ovvie e che non dovrebbe mai essere respinta senza una buona ragione, ma inizierei con la dissipazione.

In questo caso un resistore di ingresso in serie (diciamo 5 W valutato con raffreddamento ad aria) sposterebbe gran parte della dissipazione in un componente più adatto a gestirlo.
E / o un modesto dissipatore di calore dovrebbe fare miracoli.

$\times$$\mu$

$P = 19V \times 80mA = 1.5W$

$R_{THJ-AMB}$

$T_{J} = T_{AMB} + 1.5W \times 50°C/W = 30°C + 75°C = 105°C$

Questa è la temperatura di giunzione, ma il pacchetto è solo pochi gradi in meno caldo ( = 5 ° C / W). Questo è ovviamente troppo caldo per toccarlo; la regola empirica (nessun gioco di parole previsto) è che a circa 60 ° C diventa troppo caldo per essere toccato. $R_{THJ-CASE}$

Quindi questo lo spiega. Mentre in teoria i valori sono ancora sicuri, potresti avere un po 'più di dissipazione nostri valori sono un po' conservativi , questo potrebbe spiegare l'odore bruciato. $-$$-$

Cosa si può fare al riguardo?

Utilizzare uno switcher (SMPS). Questa è la soluzione migliore. I commutatori hanno un'alta efficienza, per le tensioni nominali probabilmente oltre l'85%, quindi la dissipazione sarà molto più bassa. Per il carico stimato sarà molto inferiore a 100mW. I commutatori di oggi sono facili da usare, ma richiedono una certa attenzione durante la selezione dei componenti e per il layout del PCB. Questi sono importanti per l'efficienza, il layout della scheda è importante anche per le radiazioni. Questo è un modulo già pronto a cui Jay e Russell hanno fatto riferimento, ma qui confrontato con le dimensioni di un TO-220:

Questo modulo è disponibile per $ 10, quindi probabilmente non vale la pena farlo.

Altra soluzione: utilizzare un dissipatore di calore , preferibilmente non un piccolo aggancio, con sufficiente pasta di calore per garantire un corretto contatto termico. Questo ha una resistenza termica di 3,1 ° C / W (invece che di 50 ° C / W!) E può dissipare 9 W con un aumento della temperatura di 60 ° C.

Soluzione 3: utilizzare una tensione di ingresso inferiore . Potrebbe non essere un'opzione.

Soluzione 4: distribuire la dissipazione su più componenti. Potresti regolare i regolatori in cascata, come usare un LM7815 tra 24 V e L78S05. Quindi la differenza di tensione di 19 V diventa 9 V per il 7815 e 10 V per il 78S05, quindi la metà della dissipazione per dispositivo. Un ulteriore vantaggio è che si ottiene una migliore regolazione della linea, se questo è importante.

Un'ultima nota: il tuo regolatore è una versione speciale capace di 2A, mentre il solito 7805 può fornire 1A. Se prevedi di utilizzare l'intero 2A, prenderei seriamente in considerazione lo switcher.

modifica
Russell ha indicato la resistenza della serie nella sua risposta, ed è davvero un'opzione praticabile, anche se non la preferisco. Spiegherò nelle mie conclusioni di seguito perché no.
Vorrei aggiungere qualcosa sulla dissipazione per questa soluzione, a partire dalla resistenza 15 di Russell . $\Omega$

P = V I, e quando c'è poca corrente quel fattore nell'equazione mantiene bassa la potenza dissipata nel regolatore, ma anche quando la corrente è alta la caduta di tensione attraverso il resistore sarà alta, lasciando una caduta di tensione più piccola sopra il regolatore, dando anche una bassa dissipazione. Tra questi due la dissipazione sarà maggiore. $\times$

Si può dimostrare che la dissipazione nel regolatore è al massimo quando è uguale alla dissipazione nella resistenza, in modo che

$I^2 \times 15\Omega = (24V - V_R - 5V) \times I$

o

$I \times 15\Omega = 19V - I \times 15\Omega$

perciò

$I = 0.633A$

che concorda con ciò che vediamo nel grafico. La dissipazione sia nel resistore che nel regolatore è quindi

$P = I^2 \times R = 0.633A^2 \times 15\Omega = 6W!$

Conclusione: anche con un resistore in serie la dissipazione di potenza nel regolatore potrebbe essere elevata e vediamo che è più alto per 0,63 A che per 1 A! È importante scegliere il valore del resistore in funzione dei requisiti di corrente previsti.
La distribuzione dell'alimentazione sarà uguale in entrambi i dispositivi e indipendente dalla corrente quando si utilizza un secondo regolatore anziché un resistore. Ecco perché non amo molto la soluzione di resistenza.

La caduta di tensione e l'assenza di dissipatore di calore stanno causando una dissipazione significativa. La scheda tecnica specifica una resistenza termica di 50C / W Tja senza dissipatore di calore.

Un esempio approssimativo: supponiamo che tu stia utilizzando 100 mA: (24-5) * 0,1 = 1,9 W.

1.9 * 50 = aumento di ~ 95 gradi sopra la temperatura ambiente, quindi la temperatura complessiva sarà di circa 115 gradi C.

Puoi migliorare le cose aggiungendo un dissipatore di calore, abbassando la tensione di ingresso o affondando meno corrente nel tuo circuito. Oppure puoi usare un regolatore di commutazione. Per una spiegazione dettagliata della regolazione lineare e delle considerazioni termiche, consultare qui: Guida del progettista digitale per regolatori di tensione lineari e gestione termica

È un comportamento normale per questo regolatore?

Sì.

Cosa potrebbe causarne il riscaldamento così tanto?

Il calore è causato dalla caduta di tensione sul regolatore e dalla corrente che lo attraversa. Dissipazione di potenza, Pd = (24V-5V) * Iout.

L'efficienza del regolatore è Vout / Vin = 5/24 = 0,21 o 21%. In altre parole per ogni 1 watt di potenza sono necessari 5 watt di ingresso e tale differenza viene dissipata nel regolatore.

Abbassare la tensione di ingresso aiuterebbe questo.

I regolatori lineari sono il modo "rapido e sporco" per farlo. Funziona ed è economico ed efficace. Funzionano scaricando l'energia in eccesso come calore, nessuna conversione attiva qui. Ottenere 5v da 24v è un grosso calo, non c'è da meravigliarsi che ti stia bruciando. Il mio miglior modo di agire è passare a un'alimentazione a volt inferiore, diciamo 12v o anche meglio 9v per minimizzare le perdite. (Diamine, sarei anche costretto a usare solo 5v e rinunciare del tutto al regolatore) Altre cose come altri hanno suggerito sono: aggiungere un dissipatore di calore, resistenza in serie o passare a un regolatore (attivo) di commutazione.

Questa è stata una grande discussione. Ho pensato che potesse essere utile disporre di un "banco di prova" di simulazione online semplice e gratuito che consenta di inserire i parametri del foglio dati per il proprio regolatore lineare specifico e che ti dirà le temperature di funzionamento stazionarie e persino transitorie. Questi parametri includono la tensione di uscita, le caratteristiche termiche (ad es. Rthj_case), oltre al carico le condizioni di tensione di ingresso.

Ecco un link al " Trova temperatura regolatore lineare ". Hai solo bisogno di fare una copia del design e quindi apportare eventuali modifiche per adattarsi al tuo dispositivo e circuito particolare.