Quando utilizzare un dissipatore di calore per un regolatore di tensione?

A volte in piccoli progetti sto usando regolatori di tensione con uscite 8V o 5V come LM7805. Il potere è I * V ma mi chiedo quando è davvero necessario un dissipatore di calore. A volte il flusso di corrente dall'uscita del regolatore è 1mA ma in un altro progetto 20mA o più. Esiste una regola empirica per quando preoccuparsi del riscaldamento e considerare l'uso di un dissipatore di calore? Considerare che il tempo di funzionamento è di 12 ore.

La mia regola personale è che un regolatore lineare a 3 terminali TO-220 non ha bisogno di un dissipatore di calore per meno di 600mW (montaggio verticale). È basato sul servizio industriale e sull'alta affidabilità, quindi è un numero prudente.

Se deve essere più di quello, allora faccio i calcoli, e possibilmente anche i test, e decido cosa è meglio.

È possibile eseguire un getto di rame moderato e utilizzare un TO-252 (a montaggio superficiale) e ottenere prestazioni termiche migliori rispetto a un TO-220 senza un dissipatore di calore, spesso quotato a 65 ° C / W in aria. Ciò non costa altro che un po 'di area PCB: niente elementi di fissaggio, manodopera di assemblaggio o costi del dissipatore di calore da considerare, nessuna operazione (secondaria) extra e modi in cui gli addetti all'assemblaggio possono rovinare tutto.

A mio avviso, se sei vicino alla necessità di un dissipatore di calore per un regolatore lineare, è tempo di considerare almeno un'alimentazione di commutazione a meno che tu non abbia requisiti speciali come un basso EMI.

Abbastanza semplice.

Il foglio dati della parte specifica le resistenze termiche. Guardando un datasheet LM7805 di Fairchild (solo il primo a comparire in una ricerca) la resistenza termica è una giunzione 5C / W su custodia e una giunzione 65C / W su aria.

La temperatura operativa massima è di 125 ° C. Se il dispositivo si trova in un ambiente a 25 ° C, è possibile gestire un aumento di 100 ° C (sebbene alcune cose cadano alla massima temperatura operativa, in genere) quindi circa 1,5 W (100 ° C / 65 ° C / W) sarà tutto ciò che è possibile dissipare senza un dissipatore di calore. Se la tua alimentazione in ingresso è 30 V, è forse 60 mA; se l'ingresso è 12V è più simile a 214 mA; se l'ingresso è 8 V, è 500 mA. (Tutto a 25 ° C ambiente.)

Lavorando nell'esempio nell'altra direzione, il tuo commento indica un'alimentazione a 24 V e una dissipazione di 0,38 W; 0.38W * 65 C/W = 24.7 C, quindi puoi eseguirlo fino a un ambiente di 100,3 C senza un dissipatore di calore.

EDIT: In tutto quanto sopra ho evidentemente trascurato l'uso corrente da parte del regolatore di 5,5-6 mA (a piena tensione di ingresso), situato molto lontano lungo il foglio dati, che aggiunge al carico di potenza; nel tuo esempio a 24 V questo porterebbe il range di sicurezza ambientale a circa 90 ° C

Quando aggiungi un dissipatore di calore, avrai la giunzione 5C / W al case (resistenza termica) più una certa quantità di resistenza termica dal case al dissipatore di calore (influenzato da grasso termico, isolanti o meno, ecc.) E infine il la resistenza più favorevole del dissipatore di calore all'aria.

Quindi se l'interfaccia è 2C / W e il dissipatore di calore è 10C / W, avresti un totale di 5 + 2 + 10 = 17C / W dalla giunzione all'aria con interfaccia e dissipatore di calore.

Con il 7805 che ha una custodia / linguetta collegata a terra, è facile fissarlo al lato di una custodia / telaio in metallo per un po 'di "dissipazione del calore" se lo si desidera. Durante la prototipazione, se si utilizzano parti con protezione da sovraccarico termico (che è richiesta ma non rafforzata nel foglio dati) è possibile "vedere solo se la parte si surriscalda e si spegne" anche se è necessario eseguire i numeri prima di finalizzare il progetto, soprattutto dal momento che i prototipi spesso hanno una convezione naturale migliore rispetto a un prodotto finito.

Esempio semplice

Ad es. Https://www.fairchildsemi.com/datasheets/lm/LM7805.pdf

1. Calcola la dissipazione di potenza in LDO. Ad esempio 8 V a 5 V a 100 mA è 0,3 W (differenza di tensione per la corrente media).

2. Calcola l'aumento di temperatura nell'aria (senza dissipatore di calore): 65 ° C / W * 0,3 W = 20 ° C

3. Osserva la peggiore temperatura operativa ambientale: ad es. ~ 40 ° C

4. La temperatura massima del case sarà 40 ° C + 20 ° C = 60 ° C, che è inferiore alla temperatura operativa massima.

Si noti che questo aumento di temperatura è piuttosto piccolo per questa caduta di tensione molto piccola. Ecco perché un dissipatore di calore è in genere consigliato per correnti più pesanti o cadute di tensione maggiori. Direi che forse il 10% dei LDO che ho visto in totale ha un dissipatore di calore.

Ma:

• Il dissipatore di calore è un componente aggiuntivo e aumenta il costo della distinta base.
• È pesante e deve essere montato correttamente per assorbire gli shock meccanici durante il funzionamento o il trasporto

La potenza dissipata è la caduta di tensione, cioè tensione di ingresso - tensione di uscita * la corrente di ingresso.

La scheda tecnica indicherà la massima temperatura di giunzione e una resistenza termica al case in ° C / W Questo sarà l'aumento di temperatura dall'ambiente (quindi se si opera ai tropici si ha un ambiente più alto) se il dispositivo è in aria libera senza dissipatore di calore

A condizione che i calcoli forniscano una temperatura di giunzione inferiore al massimo, non è necessario un dissipatore di calore

Il tempo di funzionamento non è in genere un problema, a meno che l'applicazione non funzioni solo per alcuni secondi, quando il ritardo termico comporterà un aumento inferiore alla giunzione.