Мій лінійний регулятор напруги дуже швидко перегрівається

Я використовую 5 В / 2 А регулятор напруги ( L78S05 ) без радіатора. Я тестую схему за допомогою мікроконтролера (PIC18FXXXX), декількох світлодіодів та п’єзо-зуммером 1 мА. Вхідна напруга становить приблизно. 24 В постійного струму. Після пробіжки протягом хвилини регулятор напруги починає перегріватися, це означає, що він обпалює мій палець, якщо я тримаю його там більше секунди. Протягом декількох хвилин він починає пахнути, ніби згорів. Це нормальна поведінка для цього регулятора? Що може змусити його так сильно нагріватися?

Інші компоненти, що використовуються в цій схемі:

L1: фільтр EMI BNX002-01

R2: Варистор

F1: Запобіжник 0154004.DR

Короткий зміст: ТЕБЕ ТРЕБА ТЕПЛОЧИНА !!!!! :-)
[та коли резистор також не зашкодить :-)]

Добре задане запитання Ваше питання задається добре - набагато краще, ніж зазвичай.
Схему та посилання схвально оцінюють.
Це значно спрощує перший раз дати хорошу відповідь.
Сподіваюсь, це один ... :-)

Це має сенс (на жаль): поведінка цілком очікувана.
Ви термічно перевантажуєте регулятор.
Якщо ви хочете використовувати його таким чином, вам потрібно додати радіатор.
Ви отримаєте велику користь від правильного розуміння того, що відбувається.

Потужність = Вольт x Струм.

Для лінійного регулятора Повна потужність = Потужність у навантаженні + Потужність у регуляторі.

Регулятор V _{падіння} = V _в - V _{навантаження}
Тут _{падіння} V у регуляторі = 24-5 = 19В.

Тут потужність = 24 В х _{завантажую}
Потужність у навантаженні = 5 В х _{завантажую}
Потужність у регуляторі = (24 В-5 В) х _{завантажую} .

Для 100 мА струму навантаження регулятор буде розсіювати _{падіння}
V x I _{навантаження} (24-5) x 0,1 A = 19 x 0,1 = 1,9 Вт.

Наскільки гаряче ?: Сторінка 2 на аркуші описує, що тепловий опір від стику до навколишнього середовища (= повітря) становить 50 градусів на ват. Це означає, що за кожен розсіяний Ватт ви отримуєте 50 градусів С. При 100 мА у вас буде близько 2 Вт розсіювання або приблизно 2 х 50 = 100 ° С. На СК радісно кипить вода.

Найгарячіша більшість людей може тримати довгий термін - це 55С. Твоє гаряче від цього. Ви не згадали про це окріп (тест на мокре пальцеве тест). Припустимо, у вас температура ~ ~ 80 ° С. Припустимо, температура повітря 20С (адже її легкість - на кілька градусів в будь-якому випадку мало значення.

T _підйом = T _{випадок} -T _{навколишнього середовища} = 80-20 = 60 ° С. Розсіювання = _підйом T / R _th = 60/50 ~ = 1,2 Вт.

При 19 В падіння 1,2 Вт = 1,2 / 19 А = 0,0632 А або близько 60 мА.

тобто якщо ви малюєте приблизно 50 мА, ви отримаєте температуру корпусу від 70 ° C до 80 ° C градусів.

Вам потрібен радіатор .

Виправлення: На сторінці аркуша на сторінці 2 сказано, що R _thj-case = термічний опір від стику до випадку становить 5 С / В = 10% від стику до повітря.

Якщо ви використовуєте радіатор _recimo 10 C / W, то загальний R- _й буде R _{_jc} + R _{c_amb} (додайте перехід від випадку до випадку до повітря).
= 5 + 10 = 15 ° С / Вт.
За 50 мА ви отримаєте 0,050А х 19В = 0,95 Вт або підвищення на 15 ° С / Вт х 0,95 ~ = 14 ° С підвищення.

Навіть якщо говорити про підвищення температури на 20 ° C та навколишнє середовище 25V, ви отримаєте температуру радіатора 20 + 25 = 45 ° C.
Радіатор буде гарячим, але ви зможете його тримати без (занадто сильного) болю.

Збивання тепла:

Як зазначено вище, тепловіддача в лінійному регуляторі в цій ситуації становить 1,9 Вт на 100 мА або 19 Вт при 1А. Це багато тепла. При температурі 1А, щоб підтримувати температуру при температурі окропу (100 ° С), коли температура навколишнього середовища становила 25 ° С, вам знадобиться загальний термічний опір не більше (100 ° С-25 ° С) / 19 Вт = 3,9 С / W. Оскільки перехід до корпусу Rthjc вже перевищує 3,9 при 5 C / W, ви не можете утримувати з'єднання при 100 ° C в цих умовах. Перехід лише до випадку 19В та 1А додасть 19В х 1А х 5 С / В = 95 ° С підвищення. У той час як ІС визначають температуру до 150 ° С, це не є надійним для надійності і слід уникати, якщо це можливо. Як тільки вправу, щоб ПРОСТО отримати його при температурі 150 ° C, у вищезгаданому випадку зовнішній радіатор повинен бути (150-95) C / 19W = 2,9 C / W. Це s досяжний, але це більший радіатор, ніж ви сподіваєтесь використовувати. Альтернативою є зниження енергії, що розсіюється, і, отже, підвищення температури.

Способами зменшення тепловіддачі в регуляторі є:

(1) Використовуйте регулятор комутації, такий як серія простих комутаторів NatSemi. Регулятор комутації продуктивності з ефективністю навіть лише 70% різко зменшить тепловіддачу, оскільки в регуляторі розсіюється лише 2 Вт !.
тобто енергія в = 7,1 Вт. Витрата енергії = 70% = 5 Вт. Струм при 5 Вт при 5 В = 1А.

Інший варіант - попередня заміна запасного для 3-х термінального регулятора. Наступне зображення та посилання - із частини, про яку йдеться у коментарі Джея Комінека . OKI-78SR 1.5A, 5 В падіння заміни регулятора комутації для LM7805 . 7В - 36В в.

При напрузі 36 Вольт, 5 В вихід, 1,5А ефективність становить 80%. Оскільки Pout = 5V x 1,5A = 7,5 Вт = 80%, потужність, що розсіюється в регуляторі, становить 20% / 80% х 7,5 Вт = 1,9 Вт. Дуже терпимо. Не потрібно радіатор, і він може забезпечити вихід 1,5 А при 85 градусах С. [[Еррата: Щойно помітив, крива внизу становить 3,3 В. 5V частина керує 85% при 1.5A, тому краще, ніж вище.]]

(2) Зменшити напругу

(3) Зменшити струм

(4) Розсіюють деяку енергію, що знаходиться поза регулятором.

Варіант 1 - найкращий технічно. Якщо це неприпустимо і якщо 2 та 3 виправлені, потрібен варіант 4.

Найпростіша і (мабуть, найкраща) система зовнішнього розсіювання - резистор. Серійний резистор потужності, який падає з 24 В на напругу, яку регулятор прийме при максимумі струму, зробить роботу добре. Зверніть увагу, що вам потрібен конденсатор фільтра на вході в регулятор через опір, що робить подачу високим опором. Скажіть про 0,33uF, більше не зашкодить. Кераміка 1 мкФ повинна робити. Навіть більший ковпачок, наприклад електролітичний алюміній від 10 до 100 мкФ, повинен бути хорошим.

Припустимо, Vin = 24 В. Регулятор в хв = 8 В (заголовок / випадок. Перевірте аркуш. Вибраний рег. 8В при <1А.) Iin = 1 A.

Необхідний падіння при 1А = 24 - 8 = 16В. Скажіть 15В, щоб бути "безпечним".
R = V / I = 15/1 = 15 Ом. Потужність = I ² * R = 1 х 15 = 15 Вт.
Резистор потужністю 20 Вт був би граничним.
Резистор на 25 Вт був би кращим.

Ось резистор 25W 15R по ціні $ 3,30 / 1 в наявності свинці безкоштовно з технічним описом тут . Зверніть увагу, що для цього також потрібен радіатор !!! Ви МОЖЕТЕ придбати безкоштовні повітряні резистори до 100 Вт. Що ви використовуєте, це ваш вибір, але це буде добре. Зауважте, що він оцінюється в 25 Вт комерційних або 20 Вт військових, тому в 15 Вт це "добре". Інший варіант - відповідна довжина правильно встановленого проводу опору, встановленого відповідним чином. Коефіцієнти виробника резисторів вже роблять це краще, ніж ви.

При такому розташуванні:
Повна потужність = 24 Вт
Резисторна потужність = 15 Вт
Потужність навантаження = 5 Вт
Потужність регулятора = 3 Вт

Підйом з'єднання регулятора буде на 5 C / W x 3 = 15 ° C вище корпусу. Вам потрібно буде забезпечити радіатор, щоб підтримувати регулятор та радіатор, але це "лише питання техніки".

Приклади радіатора:

21 градус C (або K) на Ватт

7,8 С / Вт

Digikey - багато прикладів радіатора, включаючи цей радіатор 5,3 С / Вт

2,5 С / Вт

0,48 C / W !!!
119 мм шириною х 300 мм довжиною х 65 мм заввишки.
1 фут довгий х 4,7 "широкий х 2,6" у висоту

Хороша стаття про вибір радіатора

Тепловий опір примусової конвекції при нагріванні

Зменшення лінійного розсіювання регулятора за допомогою послідовного вхідного резистора:

Як зазначалося вище, використання резистора серії для падіння напруги до лінійного регулятора може значно зменшити розсіювання в регуляторі. Хоча для охолодження регулятора зазвичай потрібні радіатори, дешево можна отримати резистори з повітряним охолодженням, які здатні розсіювати 10 і більше Вт, не потребуючи радіатора. Зазвичай це не найкраще вирішувати задачі з високою напругою на вході таким чином, але це може мати своє місце.

У наведеному нижче прикладі джерело 1А напруги LM317 5А працює від 12В. Додавання резистора може в більш ніж вдвічі зменшити розсіювання потужності в LM317 за найгірших умов, додавши дешевий вхідний резистор, встановлений з повітряним охолодженням.

LM317 потребує від 2 до 2,5 В підніжжя при менших струмах або, наприклад, 2,75 В при екстремальних умовах навантаження та температури. (Див. Рис. 3 у таблиці , - скопійовано нижче).

LM317 загін або напруга випаду

Rin повинен бути розміром з таким розміром, щоб він не впав надмірної напруги, коли V_12V мінімальний, Vdropout - найгірший випадок для умов, і дозволено падіння діодного ряду та вихідну напругу.

Напруга на резисторі завжди має бути менше =

• Мінімальний вин

• менше Максимальне падіння Vdiode

• менше Найгірший випадок, що стосується ситуації

• менша вихідна напруга

Тож Rin <= (v_12 - Vd - 2,75 - 5) / Imax.

Для мінімального
напруги 12 В і скажіть, що падіння діода 0,8 В і скажіть 1 ампер, це (12-0,8-2,75-5) / 1
= 3,45 / 1
= 3R45
= скажімо, 3R3.

Потужність в R = I ^ 2R = 3,3 Вт, тому частина 5 Вт буде гранично прийнятною, а 10 Вт - краще.

Розсіювання в LM317 падає від> 6 Вт до <3 Вт.

Прекрасним прикладом відповідного проводового резистора з повітряним охолодженням, що встановлюється на свинцевому каналі, був би член цього чітко визначеного сімейства дротяних резисторів Yageo з елементами, що мають потужність від 2 Вт до 40 Вт з повітряним охолодженням. Агрегати потужністю 10 Вт є в Digikey за $ 0,63 / 1.

Номінальна температура резистора та підвищення температури:

Приємно мати ці два графіки з таблиці даних, які дозволяють оцінити результати реального світу.

На лівій графіці видно, що резистор потужністю 10 Вт, що працює при 3W3 = 33% від його швидкості. Ваттаж має допустиму температуру навколишнього середовища до 150 C (насправді близько 180 ° C, якщо ви накреслите робочу точку на графіку, але виробник каже, що 150 C макс. дозволено.

Другий графік показує, що підвищення температури для 10Вт резистора, що працює при 3W3, буде приблизно на 100 ° С вище навколишнього. 5-Вт резистор з того ж сімейства працював би при 66% від номінального і матиме підвищення температури на 140 ° С над навколишнім. (На 40 Вт було б близько 75 ° С, але 2 х 10 Вт = під 50 С і 10 х 2 Вт лише близько 25 ° С.

Зменшуючи підвищення температури зі збільшенням числа резисторів з тієї ж номінальною потужністю комбінованої в кожному випадку, по- видимому , пов'язане з «Площею куби закону» дією , як там менше площі поверхні охолодження на одиниці об'єму по мірі збільшення розміру.

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

________________________________________

Додано серпень 2015 р. - Приклад:

Хтось задав розумне запитання:

Чи не є більш імовірним поясненням відносно високої ємнісної навантаження (220 мкФ)? Наприклад, змушує регулятор стати нестабільним, коливання, що спричиняють багато тепла, що розсіюється в регуляторі. У аркуші даних всі схеми для нормальної роботи мають лише конденсатор на 100 нФ на виході.

Я відповів у коментарях, але їх МОЖЕ бути видалено з часом, і це є вагомим доповненням до теми, тому ось коментарі відредаговані у відповідь.

У деяких випадках коливання та нестабільність регулятора, безумовно, є проблемою, але, у цьому випадку, і багатьом це подобається, найімовірнішою причиною є надлишкове розсіювання.

Сім'я 78xxx дуже стара і передує як сучасним регуляторам низького виходу, так і серійним (LM317). Сім'я 78xxx по суті є безумовно стабільною щодо Cout. Насправді вони не потрібні для правильної роботи, а частота, що часто показана 0,1 мкФ, - це резервуар для забезпечення додаткових перенапруг або обробки шипів.
У деяких суміжних аркушах даних вони фактично говорять про те, що Cout можна «збільшувати без обмежень», але я не бачу тут такої записки - але також (як я очікував) немає жодної замітки, яка б припускала нестабільність у високому Cout. На малюнку 33 на сторінці 31 аркуша зображено використання зворотного діода для "захисту від" навантажень з високою ємністю ", тобто конденсаторів з достатньо високою енергією, щоб викликати пошкодження, якщо скинути їх на вихід - тобто набагато більше 0,1 мкФ .

Розсіювання: При 24 Вт і 5 Вт регулятор розсіює 19 мВт на мА. Rthja становить 50 C / W для пакету TO220, тому ви отримаєте ПРО 1C підйому на ма м струму.
Так, при скажімо, 1 ватт у навколишньому повітрі 20 ° С корпус складе близько 65 ° С (і може бути більше залежно від того, як корпус орієнтований та розташований). 65C дещо вище нижньої межі температури "спалити мій палець".
При 19 мВт / мА знадобиться 50 мА для розсіювання 1 Вт. Фактичне навантаження у наведеному прикладі невідомо - він показує індикатор індикатора приблизно 8 або 9 мА (якщо червоний) плюс навантаження внутрішнього струму регулятора, що використовується (до 10 мА) + "PIC18FXXXX), кілька світлодіодів ... "Ця сума може досягати або перевищувати 50 мА залежно від схеми PIC, або МОЖЕ бути значно меншою. |

В цілому з урахуванням сімейства регуляторів, диференціальної напруги, фактичної невизначеності охолодження, невпевненості в навколишньому середовищі, типового показника C / W і багато іншого, схоже, що саме розсіювання є розумною причиною того, що він бачить у цьому випадку - і для того, що багато людей, що використовують лінійні регулятори, відчують у подібні випадки. Є ймовірність, що це нестабільність з менш очевидних причин, і таких ніколи не слід відкидати без поважних причин, але я б розпочав з розсіювання.

У цьому випадку серійний вхідний резистор (скажімо, 5 Вт з повітряним охолодженням) перемістить велику частину дисипації в компонент, який краще підходить для боротьби з ним.
І / або скромний радіатор повинен працювати дивовижно.

Потужність , що виділяється в регуляторі напруга на ньому струм через нього. Напруга впоперек 24В - 5В = 19В. Струм (здогадка): 10mA (струм заземлення для 78S05) + 60mA (декілька світлодіодів) + 10mA ( C + зумер) = 80mA. Тоді$\times$$\mu$

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

що багато для будь-якого пакету, і це мінімум, ви можете використовувати більше. Я припускаю, що ви використовуєте версію TO-220, яка має ( термічний опір ) 50 ° C / W. Це означає, що для кожного Ватта, який ви розсіюєте, стик (гарячі точки в електронному штампі) буде на 50 ° С гарячішим, ніж (вільно тече) повітря навколо пакета. Температура штампування може досягати 150 ° C, але це абсолютний максимальний рейтинг, тому ми будемо тримати її при 130 ° C, щоб бути безпечною. Тоді $R_{THJ-AMB}$

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

Це температура стику, але упаковка лише на кілька градусів менш гаряча ( = 5 ° C / Вт). Це, очевидно, занадто гаряче на дотик; Правило великого пальця (не призначене каламбур) полягає в тому, що близько 60 ° C стає занадто жарко на дотик. $R_{THJ-CASE}$

Так це пояснює. Хоча теоретично цінні показники все ще є безпечними, у вас може бути трохи більше розсіювання наші значення трохи консервативні , що може пояснити запах спаленого. $-$$-$

Що з цим можна зробити?

Використовуйте комутатор (SMPS). Це найприємніше рішення. Вимикачі мають високу ефективність, оскільки номінальна напруга, можливо, перевищує 85%, тому розсіювання буде значно нижчим. Для прогнозованого навантаження це буде значно менше 100 МВт. Сьогоднішні комутатори прості у використанні, але потребують певної уваги під час вибору компонентів та компонування друкованої плати. Вони важливі для ефективності, компонування дошки також важливе для випромінювання. Це готовий вбудований модуль Джей, про який також згадував Рассел, але тут порівняно з розміром TO-220:

Цей модуль доступний за 10 доларів США, тому, мабуть, не варто запускати свій власний.

Інше рішення: використовуйте нагрівач , бажано не маленький затискач, з достатньою тепловою пастою, щоб забезпечити належний тепловий контакт. Цей має термічний опір 3,1 ° С / Вт (знижується з 50 ° С / Вт!) І може розсіювати 9 Вт при підвищенні температури на 60 ° С.

Рішення 3: використовуйте меншу вхідну напругу . Можливо, це не варіант.

Рішення 4: розподілити розсіювання по декількох компонентах. Ви можете каскадно регулювати, наприклад, використовувати LM7815 між 24 В і L78S05. Тоді різниця напруги 19 В стає 9 В для 7815 і 10 В для 78S05, так що вдвічі менше розсіювання на пристрій. Додатковою перевагою є те, що ви набагато краще регулюєте лінію, якщо це важливо.

Остаточне зауваження: ваш регулятор - це спеціальна версія, здатна до 2А, тоді як звичайні 7805 можуть доставляти 1А. Якщо ви плануєте використовувати повний 2A, я б серйозно подумав про комутатор.

редагувати
Рассел в своїй відповіді вказав на серійний резистор, і це дійсно також життєздатний варіант, хоча я не вважаю за краще цього. Я поясню у своєму висновку нижче, чому ні.
Я хотів би додати дещо про розсіювання для цього рішення, починаючи з резистора 15 Рассела . $\Omega$

P = V I, і коли в струмі мало струму, цей коефіцієнт у рівнянні тримає розсіяну потужність в регуляторі низькою, але також, коли струм великий, падіння напруги через резистор буде високим, залишаючи менший перепад напруги над регулятор, що також дає низьке розсіювання. Між цими двома розсіювання буде вище. $\times$

Можна довести, що розсіювання в регуляторі досягає максимуму, коли воно дорівнює розсіюванню в резисторі, так що

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

або

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

тому

$I = 0.633A$

що узгоджується з тим, що ми бачимо на графіку. Тоді розсіювання як в резисторі, так і в регуляторі

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

Висновок: навіть при серійному резисторі розсіювання потужності в регуляторі може бути високим, і ми бачимо, що він вище на 0,63 А, ніж для 1А! Важливо вибрати значення резистора в залежності від очікуваних поточних вимог.
Розподіл потужності буде рівним як в пристроях, так і незалежно від струму, коли ви використовуєте другий регулятор замість резистора. Ось чому я не так люблю рішення резистора.

Падіння напруги та відсутність радіатора спричиняють значне розсіювання. Технічний аркуш вказує тепловий опір 50С / Вт Тя без радіатора.

Прикладний приклад - скажімо, ви використовуєте 100mA: (24-5) * 0,1 = 1,9 Вт

1,9 * 50 = ~ 95 градусів піднімається вище температури навколишнього середовища, тому загальна температура буде близько 115 градусів.

Можна покращити речі, додавши радіатор, знизивши вхідну напругу або зануривши менший струм у ланцюг. Або ви можете використовувати регулятор комутації. Детальне пояснення лінійного регулювання та теплових міркувань див. Тут: Посібник із цифрового дизайнера до лінійних регуляторів напруги та теплового управління

Це нормальна поведінка для цього регулятора?

Так.

Що може змусити його так сильно нагріватися?

Тепло викликається падінням напруги через регулятор і струмом, що проходить через нього. Розсіювання потужності, Pd = (24V-5V) * Iout.

ККД регулятора становить Vout / Vin = 5/24 = 0,21 або 21%. Іншими словами, на кожні 1 Вт виходу вам потрібно 5 Вт входу, і ця різниця розподіляється в регуляторі.

Зниження вхідної напруги допомогло б цьому.

Лінійні регулятори - це "швидкий і брудний" спосіб зробити це. Працює і дешево і ефективно. Вони працюють, скидаючи зайву потужність як тепло, тут немає активної конверсії. Отримати 5В від 24В - це велика крапля, недарма це спалює вас. Мій найкращий спосіб дії - переключитися на джерело меншої напруги, скажімо, 12 В або навіть краще 9 В, щоб мінімізувати втрати. (Чорт забираю, я навіть змушений буде просто використовувати 5 В і взагалі відмовитись від регулятора). Інші речі, як запропонували інші, це: додати радіатор, серійний опір або перейти на регулятор переключення (активний).

Це було чудовою дискусією. Я подумав, що може бути корисним простий та безкоштовний он-лайн "тестовий стенд", який дозволяє вводити параметри даних для вашого конкретного лінійного регулятора, і він підкаже вам стаціонарні та навіть перехідні робочі температури. Ці параметри включають вихідну напругу, теплові характеристики (наприклад, rthj_case), плюс навантаження, умови вхідної напруги.

Ось посилання на " Лінійний регулятор температури регулятора ". Вам просто потрібно зробити копію дизайну, а потім внести будь-які зміни, щоб відповідати вашому конкретному пристрою та схемі.