Мой линейный регулятор напряжения очень быстро перегревается

Резюме: ВАМ НУЖЕН РАДИАТОР СЕЙЧАС!!!!! :-)
[и наличие последовательного резистора тоже не помешает :-) ]

Хорошо заданный вопрос Ваш вопрос задан хорошо - намного лучше, чем обычно.
Принципиальная схема и ссылки приветствуются.
Так намного легче дать хороший ответ с первого раза.
Надеюсь, это один... :-)

Это имеет смысл (увы): такое поведение вполне ожидаемо.
Вы термически перегружаете регулятор.
Вам нужно добавить радиатор, если вы хотите использовать его таким образом.
Вы бы очень выиграли от правильного понимания того, что происходит.

Мощность = Вольт x Ток.

Для линейного регулятора Суммарная мощность = мощность в нагрузке + мощность в регуляторе.

_{Падение} V регулятора = V _in - V _load
Здесь V _{падения} регулятора = 24-5 = 19В.

Здесь Мощность на входе = 24 В x I на _{нагрузке}
. Мощность на нагрузке = 5 В x I на _{нагрузке}
. Мощность на регуляторе = (24–5 В) x I на _{нагрузке} .

При токе нагрузки 100 мА регулятор будет рассеивать _{падение}
напряжения V x I _{нагрузки} (24-5) x 0,1 A = 19 x 0,1 = 1,9 Вт.

Насколько горячо?: На странице 2 технических данных указано, что тепловое сопротивление от перехода к окружающей среде (= воздуху) составляет 50 градусов C на ватт. Это означает, что на каждый рассеиваемый ватт вы получаете повышение температуры на 50 градусов по Цельсию. При 100 мА у вас будет рассеивание около 2 Вт или примерно 2 x 50 = 100 °C. Вода будет кипеть счастливо на IC.

Самая высокая температура, которую большинство людей может удерживать в течение длительного времени, составляет 55 ° C. У тебя горячее. Вы не упомянули кипяток (испытание на шипение мокрых пальцев). Предположим, у вас температура корпуса ~~ 80°C. Предположим, температура воздуха 20°C (потому что это просто - несколько градусов в любом случае мало что значат).

T _роста = T _{корпуса} - T _{окружающей среды} = 80°C - 20°C = 60°C. Рассеяние = T _{нарастание} /R _th = 60/50 ~= 1,2 Вт.

При 19 В падение 1,2 Вт = 1,2/19 А = 0,0632 А или около 60 мА.

т.е. если вы потребляете около 50 мА, вы получите температуру корпуса в диапазоне 70°C - 80°C градусов.

Вам нужен радиатор .

Крепление: В техпаспорте на странице 2 указано, что R _thj-case = тепловое сопротивление от перехода к корпусу составляет 5C/W = 10% перехода к воздуху.

Если вы используете радиатор, скажем, 10 C/Вт, то общее R _th будет равно R _{_jc} + R _{c_amb} (добавьте переход к корпусу к воздуху).
= 5+10 = 15°C/Ватт.
Для 50 мА вы получите 0,050 А x 19 В = 0,95 Вт или повышение на 15 ° C / Вт x 0,95 ~ = повышение на 14 ° C.

Даже при повышении температуры на 20 ° C и напряжении 25 В вы получите температуру радиатора 20 + 25 = 45 ° C.
Радиатор будет горячим, но вы сможете удерживать его без (слишком сильной) боли.

Преодоление жары:

Как и выше, тепловыделение в линейном регуляторе в этой ситуации составляет 1,9 Вт на 100 мА или 19 Вт на 1 А. Это много тепла. При 1А, чтобы поддерживать температуру ниже температуры кипящей воды (100°C) при температуре окружающей среды 25°C, вам потребуется общее тепловое сопротивление не более (100°C-25°C)/19 Вт = 3,9. °С/Вт. Поскольку Rthjc перехода к корпусу уже больше 3,9 при 5°C/Вт, вы не можете поддерживать температуру перехода ниже 100°C в этих условиях. Только соединение с корпусом при 19 В и 1 А добавит 19 В x 1 А x 5°C/Вт = повышение температуры на 95°C. Несмотря на то, что ИС рассчитана на работу при температурах до 150 °C, это не очень хорошо для надежности, и этого следует избегать, если это вообще возможно. Просто в качестве упражнения, чтобы ТОЛЬКО получить его ниже 150 ° C в приведенном выше случае, внешний радиатор должен быть (150-95) ° C / 19 Вт = 2,9 ° C / Вт. Что' это достижимо, но это больший радиатор, чем вы надеетесь использовать. Альтернативой является уменьшение рассеиваемой энергии и, следовательно, повышение температуры.

Способы уменьшения тепловыделения в регуляторе:

(1) Используйте импульсный регулятор, такой как серия простых переключателей NatSemi. Высокопроизводительный импульсный регулятор даже с КПД всего 70 % значительно снизит тепловыделение, так как в регуляторе рассеивается всего 2 Вт!
т.е. энергия в = 7,1 Вт. Выходная энергия = 70% = 5 Вт. Ток при 5 Вт при 5В = 1А.

Другим вариантом является готовая замена 3-контактного регулятора. Следующее изображение и ссылка взяты из части , упомянутой в комментарии Джея Коминека . OKI-78SR 1,5 А, падение напряжения 5 В в импульсном стабилизаторе, заменяющем LM7805 . 7В - 36В в.

При входе 36 В, выходе 5 В и токе 1,5 А КПД составляет 80%. Поскольку Pout = 5 В x 1,5 А = 7,5 Вт = 80 %, мощность, рассеиваемая стабилизатором, составляет 20 %/80 % x 7,5 Вт = 1,9 Вт. Очень терпимо. Радиатор не требуется, и он может выдавать 1,5 А при 85 градусах Цельсия. [[Ошибка: Только что заметил, что кривая ниже соответствует 3,3 В. Часть 5 В управляет 85% при 1,5 А, поэтому лучше, чем выше.]]

(2) Уменьшите напряжение

(3) Уменьшите ток

(4) Рассеивать некоторую энергию вне регулятора.

Вариант 1 технически лучше. Если это неприемлемо и если 2 и 3 исправлены, то необходим вариант 4.

Самая простая и (вероятно, лучшая) внешняя система рассеяния — это резистор. Последовательный силовой резистор, который падает с 24 В до напряжения, которое регулятор может принять при максимальном токе, хорошо справится со своей задачей. Обратите внимание, что вам понадобится фильтрующий конденсатор на входе регулятора из-за сопротивления, делающего источник питания высоким импедансом. Скажем около 0,33 мкФ, больше не помешает. Подойдет керамика 1 мкФ. Даже конденсатор большего размера, такой как алюминиевый электролитический конденсатор емкостью от 10 мкФ до 100 мкФ, должен подойти.

Предположим, что Vin = 24 В. Минимальное напряжение регулятора V = 8 В (перепад / падение напряжения. См. лист технических данных. Выбранный регистр говорит о 8 В при <1 А.) Iin = 1 А.

Требуемое падение на 1А = 24 - 8 = 16В. Скажем 15V, чтобы быть "безопасным".
R = V/I = 15/1 = 15 Ом. Мощность = I ² *R = 1 x 15 = 15 Вт.
Резистор на 20 Ватт был бы предельным.
Резистор на 25Вт лучше.

Вот резистор 25 Вт 15R по цене $ 3,30 / 1 на складе без свинца с техническим описанием здесь . Обратите внимание, что для этого также нужен радиатор!!! Вы МОЖЕТЕ купить резисторы номиналом до 100 Вт бесплатно. Что вы используете, это ваш выбор, но это будет работать хорошо. Обратите внимание, что он рассчитан на 25 Вт для коммерческих или 20 Вт для военных, поэтому при 15 Вт он «хорошо работает». Другим вариантом является подходящая длина провода сопротивления с правильным номиналом , установленного соответствующим образом. Скорее всего, производитель резисторов уже делает это лучше, чем вы.

При таком расположении:
Общая мощность = 24 Вт
Мощность резистора = 15 Вт
Мощность нагрузки = 5 Вт
Мощность регулятора = 3 Вт

Подъем спая регулятора будет 5°C/Вт x 3 = 15°C над корпусом. Вам нужно будет предоставить радиатор, чтобы регулятор и радиатор были довольны, но теперь это «просто инженерный вопрос».

Примеры радиаторов:

21 градус °C (или °K) на ватт

7,8°C/Вт

Digikey - множество примеров радиаторов, включая этот радиатор 5,3 C / Вт.

2,5°C/Вт

0,48°C/Вт!!!
Ширина 119 мм, длина 300 мм, высота 65 мм.
1 фут в длину x 4,7 дюйма в ширину x 2,6 дюйма в высоту

Хорошая статья по выбору радиатора.

Тепловое сопротивление радиатора с принудительной конвекцией

Уменьшение рассеяния линейного регулятора с последовательным входным резистором:

Как отмечалось выше, использование последовательного резистора для снижения напряжения перед линейным регулятором может значительно уменьшить рассеяние в регуляторе. В то время как для охлаждения регулятора обычно требуются радиаторы, можно дешево приобрести резисторы с воздушным охлаждением, способные рассеивать 10 или более Вт без радиатора. Обычно не рекомендуется решать проблемы с высоким входным напряжением таким образом, но он может иметь место.

В приведенном ниже примере источник питания LM317 5 В с выходом 1 А работает от 12 В. Добавление резистора может более чем вдвое уменьшить рассеиваемую мощность в LM317 в наихудших условиях за счет добавления дешевого последовательного входного резистора с воздушным охлаждением.

LM317 требуется запас от 2 до 2,5 В при более низких токах или, скажем, 2,75 В при экстремальных нагрузках и температурных условиях. (См. рис. 3 в техпаспорте , — скопировано ниже).

Запас LM317 или падение напряжения

Rin должен быть рассчитан таким образом, чтобы на нем не падало чрезмерное напряжение, когда V_12V находится на минимуме, Vdropout является наихудшим случаем для условий, а последовательное падение напряжения на диодах и выходное напряжение допускаются.

Напряжение на резисторе всегда должно быть меньше =

• Минимальный вин

• меньше Максимальное падение напряжения на диоде

• меньше Отсев в худшем случае, соответствующий ситуации

• меньшее выходное напряжение

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

Для минимального Vin 12 В и, скажем, падение диода 0,8 В и, скажем, 1 ампер на выходе, это
(12-0,8-2,75-5)/1
= 3,45/1
= 3R45
= скажем, 3R3.

Мощность в R = I ^ 2R = 3,3 Вт, поэтому часть 5 Вт будет приемлемой, а 10 Вт будет лучше.

Рассеивание в LM317 падает с > 6 Вт до < 3 Вт.

Прекрасным примером подходящего резистора с воздушным охлаждением, смонтированного на проволочном выводе, может быть член этого прекрасно определенного семейства резисторов с проволочной обмоткой Yageo с элементами мощностью от 2 Вт до 40 Вт с воздушным охлаждением. Устройства мощностью 10 Вт есть в наличии на Digikey по цене 0,63 долл. США за 1 шт.

Номинальная температура окружающей среды резистора и превышение температуры:

Приятно иметь эти два графика из таблицы данных выше, которые позволяют оценить результаты в реальном мире.

На левом графике показано, что резистор мощностью 10 Вт, работающий при 3W3 = 33% от его мощности, имеет допустимую температуру окружающей среды до 150 °C (на самом деле около 180 °C, если вы нанесете рабочую точку на график, но производитель говорит 150 °C). макс разрешено.

Второй график показывает, что повышение температуры для резистора мощностью 10 Вт, работающего на 3W3, будет примерно на 100°C выше температуры окружающей среды. Резистор мощностью 5 Вт из того же семейства будет работать при 66% номинальной мощности и иметь температуру, превышающую температуру окружающей среды на 140°C. (40 Вт будут иметь повышение примерно на 75°C, но 2 x 10 Вт = ниже 50°C, а 10 x 2 Вт только около 25°C!!!.

Уменьшение повышения температуры с увеличением количества резисторов с одинаковой комбинированной номинальной мощностью в каждом случае предположительно связано с действием «закона квадратного куба», поскольку по мере увеличения размера площадь охлаждающей поверхности на единицу объема уменьшается.

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

________________________________________

Добавлено в августе 2015 года. Практический пример:

Кто-то задал резонный вопрос:

Не является ли более вероятным объяснением относительно высокая емкостная нагрузка (220 мкФ)? Например, в результате чего регулятор становится нестабильным, колебания приводят к рассеиванию большого количества тепла в регуляторе. В даташите все схемы для нормальной работы имеют на выходе только конденсатор 100 нФ.

Я ответил в комментариях, но они МОГУТ быть удалены со временем, и это стоящее дополнение к теме, поэтому вот комментарии, отредактированные в ответ.

В некоторых случаях колебания и нестабильность регулятора, безусловно, являются проблемой, но в этом случае и во многих подобных случаях наиболее вероятной причиной является избыточное рассеяние.

Семейство 78xxx очень старое и предшествует как современным регуляторам с низким падением напряжения, так и серийным регуляторам с питанием (в стиле LM317). Семейство 78xxx принципиально безусловно устойчиво по отношению к Cout. На самом деле им не нужно ничего для правильной работы, а 0,1 мкФ, часто показанные, предназначены для обеспечения резервуара для обеспечения дополнительной обработки скачков или пиков.
В некоторых соответствующих спецификациях действительно говорится, что Cout можно «увеличивать без ограничений», но я не вижу здесь такого примечания, но также (как я и ожидал) нет примечания, предполагающего нестабильность при высоком Cout. На рис. 33 на стр. 31 таблицы данных показано использование обратного диода для «защиты от «нагрузок с высокой емкостью» — т. е. конденсаторов с достаточно высокой энергией, чтобы вызвать повреждение при разряде на выходе — т. е. намного больше, чем 0,1 мкФ. .

Рассеивание: при 24 Vin и 5 Vout регулятор рассеивает 19 мВт на мА. Rthja составляет 50 C / Вт для пакета TO220, поэтому вы получите повышение ПРИБЛИЗИТЕЛЬНО на 1 ° C на мА тока.
Таким образом, при рассеянии, скажем, 1 Вт при температуре окружающего воздуха 20°C температура корпуса будет около 65°C (и может быть больше, в зависимости от ориентации и расположения корпуса). 65°C несколько выше нижнего предела температуры «обжечь палец».
При 19 мВт/мА потребуется 50 мА, чтобы рассеять 1 Вт. Фактическая нагрузка в приведенном примере неизвестна - он показывает светодиодный индикатор примерно на 8 или 9 мА (если красный) плюс нагрузка используемого внутреннего тока регулятора (менее 10 мА) + "PIC18FXXXX), несколько светодиодов... " Это общее значение может достигать или превышать 50 мА в зависимости от схемы PIC или МОЖЕТ быть намного меньше. |

В целом, учитывая семейство регуляторов, дифференциальное напряжение, фактическую неопределенность охлаждения, неопределенность температуры окружающей среды, типичное значение C/W и многое другое, кажется, что чистое рассеивание является разумной причиной того, что он видит в этом случае, и того, что многие люди, использующие линейные регуляторы, испытают на себе. подобные случаи. Есть шанс, что это нестабильность по менее очевидным причинам, и такие никогда нельзя отвергать без уважительной причины, но я бы начал с рассеивания.

В этом случае последовательный входной резистор (скажем, 5 Вт с воздушным охлаждением) переместит большую часть рассеяния на компонент, который лучше подходит для этого.
И/или скромный радиатор должен творить чудеса.

Мощность , рассеиваемая на регуляторе, равна напряжению на нем.$\times$ток через него. Напряжение между 24В - 5В = 19В. Ток (приблизительно): 10 мА (ток заземления для 78S05) + 60 мА (несколько светодиодов) + 10 мА ($\mu$C + зуммер) = 80 мА. затем

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

это много для любого пакета, и это минимум, вы можете использовать больше. Я предполагаю, что вы используете версию TO-220, которая имеет$R_{THJ-AMB}$( тепловое сопротивление ) 50°C/Вт. Это означает, что на каждый ватт, который вы рассеиваете, переход (горячие точки в электронном кристалле) будет на 50°C горячее, чем (свободно текущий) воздух вокруг корпуса. Температура кристалла может подниматься до 150°C, но это абсолютные максимальные значения, поэтому для безопасности мы будем поддерживать ее на уровне 130°C. затем

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

Это температура перехода, но корпус всего на несколько градусов менее горячий ($R_{THJ-CASE}$= 5°С/Вт). Это явно слишком горячо, чтобы дотронуться до него; Эмпирическое правило (без каламбура) заключается в том, что около 60 ° C становится слишком жарко, чтобы на него можно было прикоснуться.

Так что это объясняет. Хотя теоретически значения все еще безопасны, у вас может быть немного больше рассеяния.$-$наши ценности немного консервативны$-$, так что это может объяснить запах горелого.

Что можно с этим сделать?

Используйте переключатель (SMPS). Это самое красивое решение. Коммутаторы имеют высокий КПД, для номинального напряжения возможно более 85%, поэтому рассеивание будет намного меньше. Для предполагаемой нагрузки она будет намного меньше 100 мВт. Современные коммутаторы просты в использовании, но требуют некоторого внимания при выборе компонентов и компоновке печатной платы. Это важно для эффективности, расположение платы также важно для излучения. Это готовый модуль , о котором упоминали Джей и Рассел, но здесь по сравнению с размерами ТО-220:

Этот модуль доступен за 10 долларов США, поэтому, вероятно, не стоит накатывать свой собственный.

Другое решение: используйте радиатор , желательно не маленький зажим, с достаточным количеством термопасты, чтобы обеспечить надлежащий тепловой контакт. Он имеет тепловое сопротивление 3,1°C/Вт (по сравнению с 50°C/Вт!) и может рассеивать 9 Вт при повышении температуры на 60°C.

Решение 3: используйте более низкое входное напряжение . Может не вариант.

Решение 4: распределить рассеяние по нескольким компонентам. Вы можете каскадировать регуляторы, например, использовать LM7815 между 24V и L78S05. Тогда разница напряжений в 19 В становится равной 9 В для 7815 и 10 В для 78S05, так что рассеивание на устройство будет вдвое меньше. Дополнительным преимуществом является то, что вы получаете гораздо лучшую регулировку линии, если это важно.

Последнее замечание: ваш регулятор — это специальная версия, рассчитанная на 2 А, тогда как обычный 7805 может выдавать 1 А. Если вы планируете использовать полные 2А, ​​я бы серьезно подумал о переключателе.

редактировать
Рассел указал на последовательный резистор в своем ответе, и это действительно жизнеспособный вариант, хотя я его не предпочитаю. Я объясню в своем заключении ниже, почему нет.
Я хотел бы добавить кое-что о диссипации для этого решения, начиная с 15 Рассела.$\Omega$резистор.

Р = В$\times$I, и когда ток мал, этот фактор в уравнении удерживает рассеиваемую мощность в регуляторе на низком уровне, но также и при высоком токе падение напряжения на резисторе будет высоким, оставляя меньшее падение напряжения на регуляторе, что также дает низкая рассеиваемость. Между этими двумя диссипация будет выше.

Можно доказать, что рассеивание в регуляторе максимально, когда оно равно рассеянию в резисторе, так что

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

или же

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

следовательно

$I = 0.633A$

что согласуется с тем, что мы видим на графике. Тогда рассеяние как на резисторе, так и на регуляторе

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

Вывод: даже с последовательным резистором рассеиваемая мощность в стабилизаторе может быть высокой, и мы видим, что она выше для 0,63А, чем для 1А! Важно выбрать значение резистора в зависимости от ожидаемых требований к току.
Распределение мощности будет одинаковым в обоих устройствах и не зависит от тока , если вы используете второй стабилизатор вместо резистора. Вот почему мне не очень нравится решение с резистором.

Падение напряжения и отсутствие радиатора вызывают значительное рассеяние. В техническом описании указано тепловое сопротивление 50C/Вт Tja без радиатора.

Грубый пример - скажем, вы используете 100 мА: (24-5) * 0,1 = 1,9 Вт.

1,9 * 50 = ~ 95 градусов выше температуры окружающей среды, поэтому общая температура будет около 115 градусов C.

Вы можете улучшить ситуацию, добавив радиатор, снизив входное напряжение или уменьшив ток в вашей цепи. Или вы можете использовать импульсный стабилизатор. Подробное объяснение линейного регулирования и тепловых характеристик см. здесь: Руководство цифрового дизайнера по линейным регуляторам напряжения и управлению тепловым режимом .

Это нормальное поведение для этого регулятора?

Да.

Из-за чего он мог так сильно греться?

Нагрев вызван падением напряжения на регуляторе и током, протекающим через него. Рассеиваемая мощность, Pd= (24В-5В)*Iвых.

КПД регулятора Vвых/Vвх =5/24 = 0,21 или 21%. Другими словами, на каждый 1 ватт выходной мощности вам нужно 5 ватт входной мощности, и эта разница рассеивается в регуляторе.

Этому поможет снижение входного напряжения.

Линейные регуляторы — это «быстрый и грязный» способ сделать это. Работает, дешево и эффективно. Они работают, сбрасывая избыточную мощность в виде тепла, здесь нет активного преобразования. Получить 5В от 24В - большая капля, неудивительно, что она вас сжигает. Мой лучший способ действий - переключиться на источник питания с более низким напряжением, скажем, 12 В или даже лучше 9 В, чтобы минимизировать потери. (Черт возьми, я бы даже был вынужден просто использовать 5 В и вообще отказаться от регулятора). Другие вещи, которые предлагали другие, это: добавить радиатор, последовательное сопротивление или переключиться на импульсный (активный) регулятор.

Это была отличная дискуссия. Я подумал, что было бы полезно иметь простой и бесплатный онлайн-моделирующий «испытательный стенд», который позволяет вам вводить параметры таблицы данных для вашего конкретного линейного регулятора, и он сообщает вам установившиеся и даже переходные рабочие температуры. Эти параметры включают выходное напряжение, тепловые характеристики (например, rthj_case), а также нагрузку и условия входного напряжения.

Вот ссылка на " Поиск температуры линейного регулятора ". Вам просто нужно сделать копию проекта, а затем внести любые изменения в соответствии с вашим конкретным устройством и схемой.