Regulator tegangan linier saya terlalu panas sangat cepat

Saya menggunakan regulator tegangan 5 V / 2 A ( L78S05 ) tanpa heatsink. Saya menguji sirkuit dengan mikrokontroler (PIC18FXXXX), beberapa LED dan buzzer piezzo 1 mA. Tegangan input aprox. 24 VDC. Setelah berjalan selama satu menit, regulator tegangan mulai kepanasan, artinya membakar jari saya jika saya menyimpannya di sana lebih dari satu detik. Dalam beberapa menit mulai berbau seperti terbakar. Apakah ini perilaku normal bagi regulator ini? Apa yang bisa menyebabkannya terlalu panas?

Komponen lain yang digunakan dalam rangkaian ini:

L1: BNX002-01 filter EMI

R2: Varistor

F1: Fuse 0154004.DR

Ringkasan: ANDA MEMBUTUHKAN HEATSINK SEKARANG !!!!! :-)
[dan memiliki resistor seri juga tidak akan sakit :-)]

Pertanyaan yang diajukan dengan baik Pertanyaan Anda diajukan dengan baik - jauh lebih baik dari biasanya.
Diagram sirkuit dan referensi dihargai.
Ini membuatnya lebih mudah untuk memberikan jawaban yang bagus pertama kali.
Semoga ini satu ... :-)

Masuk akal (sayangnya): Perilaku ini sepenuhnya diharapkan.
Anda secara berlebihan membebani regulator.
Anda perlu menambahkan pendingin jika Anda ingin menggunakannya dengan cara ini.
Anda akan mendapat manfaat besar dari pemahaman yang tepat tentang apa yang terjadi.

Power = Volts x Current.

Untuk regulator linier Total daya = Daya dalam muatan + Daya dalam regulator.

Regulator V _drop = V _in -V _load
Di sini V _drop in regulator = 24-5 = 19V.

Di sini Daya di = 24V x I _memuat
Daya di beban = 5V x I _memuat
Daya di regulator = (24V-5V) x saya _memuat .

Untuk 100 mA arus beban, regulator akan menghilangkan _beban
V _drop x I (24-5) x 0,1 A = 19 x 0,1 = 1,9 Watt.

Seberapa Panas ?: Halaman 2 lembar data mengatakan bahwa tahanan termal dari persimpangan ke ambient (= udara) adalah 50 derajat C per Watt. Ini berarti bahwa untuk setiap Watt yang Anda hilangkan, Anda mendapatkan kenaikan 50 derajat C. Pada 100 mA Anda akan memiliki sekitar 2 Watt disipasi atau sekitar 2 x 50 = kenaikan 100C. Air akan mendidih dengan gembira di IC.

Terpanas yang bisa dipegang kebanyakan orang dalam jangka panjang adalah 55C. Milikmu lebih panas dari itu. Anda tidak menyebutkannya air mendidih (tes mendesis jari basah). Mari kita asumsikan Anda memiliki suhu case 80C ~~. Mari kita asumsikan suhu udara 20C (karena mudah - beberapa derajat bagaimanapun membuat perbedaan kecil.

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

Pada 19v turun 1,2 W = 1,2 / 19 A = 0,0632 A atau sekitar 60 mA.

yaitu jika Anda menggambar sekitar 50 mA Anda akan mendapatkan suhu kasus kisaran 70 ° C - 80 ° C.

Anda membutuhkan heatsink .

Memperbaikinya: Lembar data halaman 2 mengatakan R _thj-case = tahanan termal dari persimpangan ke _kasing adalah 5C / W = 10% dari persimpangan ke udara.

Jika Anda menggunakan heatsink katakanlah 10 C / W maka total R _th akan menjadi R _{_jc} + R _{c_amb} (tambahkan persimpangan ke kasus ke kasus ke udara).
= 5 + 10 = 15 ° C / Watt.
Untuk 50 mA Anda akan mendapatkan 0,050A x 19V = 0,95W atau kenaikan 15 ° C / Watt x 0,95 ~ = 14 ° C naik.

Bahkan dengan kenaikan 20 ° C dan ambient 25V Anda akan mendapatkan 20 + 25 = 45 ° C suhu heatsink.
Heatsink akan terasa panas tetapi Anda bisa menahannya tanpa terlalu banyak rasa sakit.

Mengalahkan panas:

Seperti di atas, pembuangan panas dalam pengatur linier dalam situasi ini adalah 1,9 Watt per 100 mA atau 19 Watt pada 1A. Itu panas sekali. Pada 1A, untuk menjaga suhu di bawah suhu air mendidih (100 ° C) ketika suhu sekitar 25C Anda perlu ketahanan termal keseluruhan tidak lebih dari (100 ° C-25 ° C) / 19 Watt = 3,9 C / W. Karena persimpangan ke kasus Rthjc sudah lebih besar dari 3,9 pada 5 C / W Anda tidak dapat menjaga persimpangan di bawah 100 ° C dalam kondisi ini. Persimpangan ke case saja pada 19V dan 1A akan menambah 19V x 1A x 5 C / W = 95 ° C naik. Sementara IC dinilai untuk memungkinkan suhu setinggi 150 ° C, ini tidak baik untuk keandalan dan harus dihindari jika memungkinkan. Sama seperti latihan, untuk HANYA mendapatkannya di bawah 150 ° C dalam kasus di atas heatsink eksternal harus (150-95) C / 19W = 2,9 C / W. Bahwa' Dapat dicapai tetapi merupakan heatsink yang lebih besar dari yang Anda harapkan untuk digunakan. Alternatif lain adalah mengurangi energi yang dihamburkan dan dengan demikian suhu naik.

Cara-cara mengurangi pembuangan panas pada regulator adalah:

(1) Gunakan regulator switching seperti seri switchers sederhana NatSemi. Regulator switching kinerja dengan efisiensi bahkan hanya 70% akan mengurangi pembuangan panas secara dramatis karena hanya 2 Watt yang dihamburkan dalam regulator !.
yaitu Energi dalam = 7,1 Watt. Energi habis = 70% = 5 Watt. Saat ini pada 5 Watt pada 5V = 1A.

Pilihan lain adalah penggantian drop-in premade untuk regulator 3 terminal. Gambar dan tautan berikut berasal dari bagian yang disebutkan dalam komentar oleh Jay Kominek . OKI-78SR 1.5A, 5V drop in switching regulator pengganti untuk LM7805 . 7V - 36V dalam.

Pada 36 Volts in, 5V out, efisiensi 1,5A adalah 80%. Karena Pout = 5V x 1.5A = 7.5W = 80%, daya yang dihabiskan dalam regulator adalah 20% / 80% x 7.5W = 1,9 Watt. Sangat bisa ditoleransi. Tidak diperlukan heatsink dan dapat memberikan 1,5A pada 85 derajat C. [[Errata: Hanya perhatikan kurva di bawah ini pada 3.3V. Bagian 5V mengelola 85% pada 1,5A sehingga lebih baik daripada yang di atas.]]

(2) Kurangi tegangan

(3) Kurangi arus

(4) Menghilangkan energi eksternal ke regulator.

Opsi 1 adalah yang terbaik secara teknis. Jika ini tidak dapat diterima dan jika 2 & 3 diperbaiki maka opsi 4 diperlukan.

Sistem disipasi eksternal yang paling mudah dan (mungkin terbaik) adalah sebuah resistor. Resistor daya seri yang turun dari 24V ke tegangan yang akan diterima oleh regulator pada arus maks akan bekerja dengan baik. Perhatikan bahwa Anda akan menginginkan kapasitor filter pada input ke regulator karena hambatan membuat pasokan impedansi tinggi. Katakan tentang 0,33 uF, lebih banyak tidak akan sakit. Keramik 1 uF harus dilakukan. Bahkan tutup yang lebih besar seperti aluminium 10 uF hingga 100 uF elektrolit harus bagus.

Asumsikan Vin = 24 V. Vregulator dalam min = 8V (ruang kepala / putus sekolah. Periksa lembar data. Reg terpilih mengatakan 8V pada <1A.) Iin = 1 A.

Diperlukan drop pada 1A = 24 - 8 = 16V. Katakan 15V sebagai "aman".
R = V / I = 15/1 = 15 ohm. Daya = I ² * R = 1 x 15 = 15 Watt.
Sebuah resistor 20 Watt akan menjadi marjinal.
Sebuah resistor 25W + akan lebih baik.

Berikut adalah resistor 25W 15R dengan harga $ 3,30 / 1 dalam stok bebas timah dengan datasheet di sini . Perhatikan bahwa ini juga membutuhkan pendingin !!! Anda BISA membeli resistor pengenal udara gratis hingga 100-an Watt. Apa yang Anda gunakan adalah pilihan Anda tetapi ini akan bekerja dengan baik. Perhatikan bahwa itu dinilai pada komersial 25 Watt atau militer 20 Watt sehingga pada 15W itu "baik-baik saja". Opsi lain adalah panjang yang sesuai dari kawat resistansi dengan pengenal yang terpasang dengan benar. Kemungkinannya adalah produsen resistor sudah melakukan ini lebih baik daripada Anda.

Dengan pengaturan ini:
Total daya = 24W
Daya resistor = 15 Watt
Daya beban = 5 Watt
Daya regulator = 3 Watt

Kenaikan persimpangan regulator adalah 5 C / W x 3 = 15 ° C di atas kasing. Anda perlu menyediakan heatsink untuk membuat regulator dan heatsink senang tetapi itu sekarang "hanya masalah teknik".

Contoh Heatsink:

21 derajat C (atau K) per Watt

7,8 C / W

Digikey - banyak contoh heatsink termasuk heatsink 5.3 C / W ini

2,5 C / W

0,48 C / W !!!
Lebar 119mm x 300mm panjang x 65 mm.
Panjang 1 kaki x 4,7 "lebar x 2,6"

Artikel bagus tentang pemilihan heatsink

Konveksi paksa memanaskan resistansi termal

Mengurangi disipasi regulator linier dengan resistor input seri:

Seperti disebutkan di atas, menggunakan resistor seri untuk menjatuhkan tegangan sebelum regulator linier dapat sangat mengurangi disipasi pada regulator. Sementara pendingin regulator biasanya membutuhkan heatsink, resistor berpendingin udara dapat diperoleh dengan murah yang mampu menghilangkan 10 Watt atau lebih tanpa memerlukan heatsink. Ini biasanya bukan ide yang baik untuk memecahkan masalah tegangan input tinggi dengan cara ini tetapi dapat memiliki tempatnya.

Dalam contoh di bawah ini pasokan LM317 5V keluaran 1A dioperasikan dari 12V. Menambahkan resistor dapat mengurangi separuh dari disipasi daya pada LM317 dalam kondisi terburuk dengan menambahkan resistor input seri yang dipasang dengan kabel udara dingin.

LM317 membutuhkan ruang kepala 2 hingga 2.5V pada arus yang lebih rendah atau katakanlah 2.75V pada kondisi beban dan suhu yang ekstrem. (Lihat Gambar 3 dalam lembar data , - disalin di bawah).

LM317 ruang kepala atau tegangan putus

Rin harus berukuran sedemikian rupa sehingga tidak drop tegangan berlebihan ketika V_12V minimum, Vdropout adalah kasus terburuk untuk kondisi dan penurunan dioda seri dan tegangan output diperbolehkan.

Tegangan melintasi resistor harus selalu kurang dari =

• Vin minimum

• kurang Penurunan maksimum Vdiode

• less Dropout kasus terburuk yang relevan dengan situasi

• lebih sedikit tegangan output

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

Untuk 12V minimum Vin, dan ucapkan drop diode 0.8V dan ucapkan 1 amp yang
(12-0.8-2.75-5) / 1
= 3.45 / 1
= 3R45
= katakan 3R3.

Kekuatan dalam R = I ^ 2R = 3.3W sehingga bagian 5W akan sedikit diterima dan 10W akan lebih baik.

Pembuangan dalam LM317 turun dari> 6 Watt ke <3 Watt.

Contoh yang sangat baik dari resistor aircooled yang dipasang pada kabel timbal yang sesuai akan menjadi anggota dari keluarga Yageo yang memiliki resistor wirewound dengan anggota yang diperingkat dari 2W hingga 40W berpendingin udara. Unit 10 Watt tersedia di Digikey dengan harga US $ 0,63 / 1.

Peringkat suhu lingkungan resistor dan kenaikan suhu:

Senang memiliki dua grafik dari lembar data di atas yang memungkinkan hasil dunia nyata untuk diperkirakan.

Grafik sebelah kiri menunjukkan bahwa 10 Watt resistor beroperasi pada 3W3 = 33% dari lajunya. Wattage memiliki suhu sekitar yang diijinkan hingga 150 C (sebenarnya sekitar 180C jika Anda merencanakan titik operasi dalam grafik tetapi pabrikan mengatakan 150 Cmax adalah diizinkan.

Grafik kedua menunjukkan bahwa kenaikan suhu untuk resistor 10W yang dioperasikan pada 3W3 akan sekitar 100C di atas ambien. Sebuah resistor 5W dari keluarga yang sama akan beroperasi pada peringkat 66% dan memiliki kenaikan suhu 140C di atas ambien. (A 40W akan memiliki kenaikan sekitar 75C tetapi 2 x 10W = di bawah 50C dan 10 x 2W hanya sekitar 25C !!!.

The penurunan kenaikan suhu dengan peningkatan jumlah resistor dengan rating Watt gabungan yang sama dalam setiap kasus ini diduga terkait dengan aksi "hukum potong dadu Lapangan" karena ada kurang luas permukaan pendinginan per volume ukuran meningkat.

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

________________________________________

Ditambahkan Agustus 2015 - Studi kasus:

Seseorang mengajukan pertanyaan yang masuk akal:

Bukankah penjelasan yang lebih mungkin adalah beban kapasitif yang relatif tinggi (220 μF)? Misalnya menyebabkan regulator menjadi tidak stabil, osilasi menyebabkan banyak panas hilang di regulator. Dalam lembar data, semua sirkuit untuk operasi normal hanya memiliki kapasitor 100 nF pada output.

Saya menjawab dalam komentar, tetapi mereka MUNGKIN dihapus pada waktunya dan ini merupakan tambahan yang bermanfaat untuk subjek, jadi di sini adalah komentar yang diedit ke dalam jawabannya.

Dalam beberapa kasus osilasi dan ketidakstabilan regulator tentu merupakan masalah tetapi, dalam kasus ini dan banyak yang seperti itu, alasan yang paling mungkin adalah pembuangan berlebihan.

Keluarga 78xxx sangat tua dan mendahului regulator dropout rendah modern dan yang didukung oleh tenaga seri (gaya LM317). Keluarga 78xxx pada dasarnya tanpa syarat stabil sehubungan dengan Cout. Mereka sebenarnya tidak membutuhkan operasi yang tepat dan 0.1uF yang sering ditampilkan adalah menyediakan reservoir untuk menyediakan lonjakan tambahan atau penanganan spike.
Dalam beberapa lembar data terkait mereka benar-benar mengatakan bahwa Cout dapat "ditingkatkan tanpa batas" tetapi saya tidak melihat catatan seperti itu di sini - tetapi juga (seperti yang saya duga) tidak ada catatan yang menunjukkan ketidakstabilan di Cout tinggi. Dalam Gambar 33 pada halaman 31 dari lembar data mereka menunjukkan penggunaan dioda terbalik untuk "melindungi terhadap" muatan kapasitansi tinggi "- yaitu, kapasitor dengan energi yang cukup tinggi untuk menyebabkan kerusakan jika dibuang ke output - yaitu, jauh lebih dari 0,1 uF .

Pembuangan: Pada 24 Vin dan 5 Vout, regulator membuang 19 mW per mA. Rthja adalah 50C / W untuk paket TO220 sehingga Anda akan mendapatkan TENTANG kenaikan 1C per mA saat ini.
Jadi dengan mengatakan 1 Watt disipasi di udara ambient 20C kasus akan berada di sekitar 65C (dan bisa lebih tergantung bagaimana kasus ini berorientasi dan berada). 65C agak di atas batas bawah suhu "bakar jari saya".
Pada 19 mW / mA dibutuhkan 50 mA untuk menghilangkan 1 Watt. Beban aktual dalam contoh yang diberikan tidak diketahui - ia menunjukkan LED indikator sekitar 8 atau 9 mA (jika merah) plus beban arus internal regulator yang digunakan (di bawah 10 mA) + "PIC18FXXXX), beberapa LED ... "Total itu bisa mencapai atau melebihi 50 mA tergantung pada sirkuit PIC, atau MUNGKIN jauh lebih sedikit. |

Secara keseluruhan diberikan keluarga regulator, tegangan diferensial, ketidakpastian pendinginan aktual, ketidakpastian Tambient, angka tipikal C / W dan banyak lagi sepertinya disipasi semata-mata adalah alasan yang masuk akal untuk apa yang dilihatnya dalam kasus ini - dan untuk apa yang akan dialami oleh banyak orang yang menggunakan regulator linier dalam kasus serupa. Ada kemungkinan bahwa itu adalah ketidakstabilan karena alasan yang kurang jelas, dan itu tidak boleh ditolak tanpa alasan yang baik, tetapi saya akan mulai dengan disipasi.

Dalam hal ini, resistor masukan seri (katakanlah 5W yang diberi nilai pendingin udara) akan memindahkan sebagian besar disipasi ke dalam komponen yang lebih cocok untuk menghadapinya.
Dan / atau heatsink yang sederhana harus bekerja dengan luar biasa.

$\times$$\mu$

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

$R_{THJ-AMB}$

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

$R_{THJ-CASE}$

$-$$-$

Apa yang bisa dilakukan?

Gunakan switcher (SMPS). Ini adalah solusi terbaik. Switchers memiliki efisiensi tinggi, untuk tegangan pengenal mungkin lebih dari 85%, sehingga disipasi akan jauh lebih rendah. Untuk perkiraan waktu pemuatan, itu akan jauh kurang dari 100mW. Switchers hari ini mudah digunakan, tetapi perlu perhatian ketika memilih komponen dan tata letak PCB. Ini penting untuk efisiensi, tata letak papan juga penting terhadap radiasi. Ini adalah modul yang siap dibangun, Jay dan Russell, tetapi di sini dibandingkan dengan ukuran TO-220:

Modul ini tersedia seharga USD 10, jadi mungkin tidak ada gunanya untuk membuat sendiri.

Solusi lain: gunakan heat sink , lebih disukai bukan clip-on kecil, dengan pasta panas yang cukup untuk memastikan kontak termal yang tepat. Yang satu ini memiliki ketahanan termal 3,1 ° C / W (turun dari 50 ° C / W!) Dan dapat menghilang 9W pada kenaikan suhu 60 ° C.

Solusi 3: gunakan tegangan input yang lebih rendah . Mungkin bukan opsi.

Solusi 4: distribusikan disipasi pada beberapa komponen. Anda bisa membuat regulator, seperti menggunakan LM7815 antara 24V dan L78S05. Kemudian perbedaan tegangan 19V menjadi 9V untuk 7815 dan 10V untuk 78S05, sehingga akan setengah disipasi per perangkat. Keuntungan tambahan adalah Anda mendapatkan regulasi lini yang jauh lebih baik, jika itu penting.

Catatan terakhir: regulator Anda adalah versi khusus yang mampu 2A, sedangkan 7805 yang biasa dapat menghasilkan 1A. Jika Anda berencana untuk menggunakan 2A penuh, saya serius akan mempertimbangkan switcher.

$\Omega$

$\times$

Dapat dibuktikan bahwa disipasi pada regulator maksimal ketika disipasi pada resistor, sehingga

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

atau

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

karena itu

$I = 0.633A$

yang setuju dengan apa yang kita lihat dalam grafik. Disipasi pada resistor dan regulator

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

Kesimpulan: bahkan dengan resistor seri, disipasi daya pada regulator mungkin tinggi, dan kami melihat bahwa lebih tinggi untuk 0,63A daripada untuk 1A! Sangat penting untuk memilih nilai resistor dalam fungsi persyaratan saat ini yang diharapkan.
Distribusi daya akan sama di kedua perangkat dan tidak tergantung pada arus saat Anda menggunakan regulator kedua, bukan resistor. Itu sebabnya saya tidak begitu menyukai solusi resistor.

Tegangan jatuh dan tidak ada heat sink menyebabkan pembuangan yang signifikan. Datasheet menentukan resistensi termal 50C / W Tja tanpa heatsink.

Contoh kasar - misalkan Anda menggunakan 100mA: (24-5) * 0.1 = 1.9W

1.9 * 50 = ~ kenaikan 95 derajat di atas suhu sekitar, sehingga suhu keseluruhan akan menjadi sekitar 115 derajat C.

Anda dapat meningkatkan hal-hal dengan menambahkan heatsink, menurunkan tegangan input atau mengurangi arus di sirkuit Anda. Atau Anda dapat menggunakan regulator switching. Untuk penjelasan terperinci tentang regulasi linear dan pertimbangan termal, lihat di sini: Panduan Desainer Digital untuk Regulator Tegangan Linier dan Manajemen Termal

Apakah ini perilaku normal bagi regulator ini?

Iya.

Apa yang bisa menyebabkannya terlalu panas?

Panas disebabkan oleh penurunan tegangan melintasi regulator dan arus mengalir melaluinya. Disipasi daya, Pd = (24V-5V) * Iout.

Efisiensi regulator adalah Vout / Vin = 5/24 = 0,21 atau 21%. Dengan kata lain untuk setiap 1 watt output, Anda memerlukan input 5 watt dan perbedaan itu hilang di regulator.

Menurunkan tegangan input akan membantu ini.

Regulator linier adalah cara "cepat dan kotor" untuk melakukannya. Bekerja dan murah serta efektif. Mereka bekerja dengan membuang daya berlebih sebagai panas, tidak ada konversi aktif di sini. Untuk mendapatkan 5v dari 24v adalah penurunan besar, tidak heran itu membakar Anda. Tindakan terbaik saya adalah beralih ke pasokan volt yang lebih rendah, katakanlah 12v atau bahkan lebih baik 9v untuk meminimalkan kerugian. (Heck, saya bahkan akan dipaksa untuk hanya menggunakan 5v dan melupakan regulator sama sekali) Hal-hal lain seperti yang disarankan orang lain adalah: menambahkan pendingin, resistansi seri, atau beralih ke regulator switching (aktif).

Ini merupakan diskusi yang luar biasa. Saya pikir mungkin bermanfaat untuk memiliki simulasi online "bangku tes" sederhana dan gratis yang memungkinkan Anda memasukkan parameter lembar data untuk regulator linier khusus Anda, dan itu akan memberi tahu Anda kondisi pengoperasian stabil dan bahkan sementara. Parameter-parameter ini termasuk tegangan output, karakteristik termal (misalnya rthj_case), ditambah beban kondisi tegangan input.

Berikut ini tautan ke " Linear Regulator Temperature Finder ". Anda hanya perlu membuat salinan desain dan kemudian membuat perubahan apa pun agar sesuai dengan perangkat dan sirkuit Anda.