Kapan menggunakan heatsink untuk regulator tegangan?

Terkadang dalam proyek kecil, saya menggunakan regulator tegangan dengan output 8V atau 5V seperti LM7805. Kekuatan saya * V tetapi saya bertanya-tanya kapan benar-benar heatsink diperlukan. Terkadang aliran arus dari output regulator adalah 1mA tetapi dalam proyek lain 20mA atau lebih. Apakah ada aturan praktis tentang kapan harus khawatir tentang pemanasan dan mempertimbangkan untuk menggunakan heatsink? Pertimbangkan waktu operasi adalah 12 jam.

Aturan praktis saya adalah bahwa regulator linear 3 terminal TO-220 tidak memerlukan heatsink kurang dari 600mW (pemasangan vertikal). Itu didasarkan pada layanan industri dan keandalan tinggi sehingga angka yang konservatif.

Jika perlu lebih dari itu maka saya melakukan perhitungan, dan mungkin bahkan tes, dan memutuskan yang terbaik.

Anda dapat melakukan tuangkan tembaga moderat dan menggunakan (permukaan mount) TO-252 dan mendapatkan kinerja termal yang lebih baik daripada TO-220 tanpa heatsink - sering dikutip pada 65 ° C / W di udara. Itu tidak memerlukan biaya apa pun kecuali sedikit area PCB - tanpa pengencang, tenaga perakitan atau biaya pendingin untuk dipertimbangkan, tidak ada operasi ekstra (sekunder) dan cara tambahan bagi pekerja perakitan untuk mengacaukan segalanya.

Menurut pendapat saya, jika Anda hampir membutuhkan heat sink untuk regulator linier, inilah saatnya untuk setidaknya mempertimbangkan switching supply kecuali Anda memiliki persyaratan khusus seperti EMI rendah.

Cukup sederhana.

Lembar data bagian akan menentukan resistensi termal. Melihat datasheet LM7805 dari Fairchild (hanya yang pertama muncul dalam pencarian) resistansi termal adalah persimpangan 5C / W ke case, dan persimpangan 65C / W ke udara.

Temperatur operasi maks adalah 125C. Jika perangkat berada dalam lingkungan 25C, Anda dapat menangani kenaikan 100C (meskipun beberapa hal jatuh pada Suhu Operasional Max, biasanya) jadi sekitar 1,5W (100C / 65C / W) akan menjadi segalanya yang dapat Anda hilangkan tanpa pendingin. Jika pasokan input Anda adalah 30V, itu mungkin 60mA; jika inputnya 12V, lebih seperti 214 mA; jika input Anda 8V, itu 500mA. (Semua pada 25C ambient.)

Bekerja contoh ke arah lain, komentar Anda menunjukkan pasokan 24V dan disipasi 0,38W; 0.38W * 65 C/W = 24.7 C, sehingga Anda dapat menjalankannya hingga sekitar 100,3 C tanpa heatsink.

EDIT: Dalam semua hal di atas, saya jelas telah mengabaikan penggunaan regulator sendiri saat ini sebesar 5,5-6mA (pada tegangan input penuh), terletak jauh di dalam lembar data, yang menambah beban daya; dalam contoh 24V Anda, ini akan menurunkan kisaran aman sekitar Anda menjadi sekitar 90 C

Ketika Anda menambahkan pendingin, Anda akan memiliki persimpangan 5C / W ke case (tahanan termal) ditambah sejumlah tahanan termal dari kasing ke heatsink (dipengaruhi oleh pelumas termal, isolator atau tidak, dll.) Dan akhirnya Heatsink lebih tahan terhadap udara.

Jadi jika antarmuka adalah 2C / W dan heatsink adalah 10C / W, Anda akan memiliki total 5 + 2 + 10 = 17C / W dari persimpangan ke udara dengan antarmuka dan heatsink.

Dengan 7805 yang memiliki casing / tab yang dibumikan, mudah untuk membautkannya ke sisi casing logam / sasis untuk beberapa "heatsinking gratis" jika diinginkan. Saat membuat prototipe, jika menggunakan bagian dengan perlindungan panas berlebih (yang diklaim tetapi tidak diperlengkapi dalam lembar data), Anda dapat "melihat apakah bagian tersebut menjadi panas dan mati" meskipun Anda harus menjalankan angka sebelum menyelesaikan desain, terutama karena prototipe sering memiliki konveksi alami yang lebih baik daripada produk jadi.

Contoh sederhana

Misalnya https://www.fairchildsemi.com/datasheets/lm/LM7805.pdf

1. Hitung disipasi daya dalam LDO. Misalnya 8V ke 5V pada 100 mA adalah 0,3 W (perbedaan tegangan kali rata-rata saat ini).

2. Hitung kenaikan suhu ke udara (tanpa heatsink): 65 ° C / W * 0,3 W = 20 ° C

3. Lihatlah suhu operasi ambien terburuk: mis. ~ 40 ° C

4. Temperatur maks case adalah 40 ° C + 20 ° C = 60 ° C, yang berada di bawah suhu operasi maks.

Perhatikan bahwa kenaikan suhu ini cukup kecil untuk penurunan tegangan yang sangat kecil ini. Itu sebabnya heatsink biasanya direkomendasikan untuk arus yang lebih berat atau penurunan tegangan yang lebih besar. Saya akan mengatakan bahwa mungkin 10% dari LDO yang saya lihat secara total memiliki heatsink.

Tapi:

• Heatsink adalah komponen tambahan dan meningkatkan biaya BOM.
• Berat dan perlu dipasang dengan benar untuk menyerap guncangan mekanis selama operasi atau transportasi

Daya yang hilang adalah drop tegangan, yaitu tegangan input - tegangan output * arus input.

Lembar data akan menyatakan suhu persimpangan maksimum, dan ketahanan termal terhadap kasing dalam ° C / W Ini akan menjadi kenaikan suhu dari ambien (jadi jika Anda beroperasi di daerah tropis Anda memiliki ambien yang lebih tinggi) jika perangkat berada di udara bebas tanpa pendingin

Asalkan perhitungan memberikan suhu persimpangan kurang dari maks, Anda tidak perlu heat-sink

Waktu pengoperasian biasanya tidak menjadi masalah - kecuali aplikasi Anda hanya akan beroperasi selama beberapa detik, ketika jeda termal akan menyebabkan kenaikan yang lebih rendah di persimpangan.