Meu regulador de tensão linear está superaquecendo muito rápido

Estou usando um regulador de tensão de 5 V / 2 A ( L78S05 ) sem dissipador de calor. Estou testando o circuito com um microcontrolador (PIC18FXXXX), alguns LEDs e uma campainha piezzo de 1 mA. A tensão de entrada é de aprox. 24 VCC. Depois de funcionar por um minuto, o regulador de tensão começa a superaquecer, o que significa que queima meu dedo se eu o mantiver por mais de um segundo. Dentro de alguns minutos, começa a cheirar como se estivesse queimado. Esse é um comportamento normal para esse regulador? O que poderia causar tanto calor?

Outros componentes utilizados neste circuito:

Filtro EMI L1: BNX002-01

R2: Varistor

F1: Fusível 0154004.DR

Resumo: VOCÊ PRECISA DE UM HEATSINK AGORA !!!!! :-)
[e ter um resistor em série também não faria mal :-)]

Pergunta bem feita Sua pergunta foi bem feita - muito melhor que o normal.
O diagrama de circuito e as referências são apreciados.
Isso facilita muito a resposta da primeira vez.
Espero que este seja um ... :-)

Faz sentido (infelizmente): o comportamento é totalmente esperado.
Você está sobrecarregando termicamente o regulador.
Você precisa adicionar um dissipador de calor se quiser usá-lo dessa maneira.
Você se beneficiaria muito com o entendimento adequado do que está acontecendo.

Potência = Volts x Corrente.

Para um regulador linear Total de potência = Potência em carga + Potência no regulador.

_Queda V do regulador = V _in - _carga
V Aqui _queda V do regulador = 24-5 = 19V.

Aqui Potência = 24V x _carga I
Potência em carga = 5V x _{carga Carga}
no regulador = (24V-5V) x _carga .

Para 100 mA de corrente de carga, o regulador dissipará
V _gota x _carga I (24-5) x 0,1 A = 19 x 0,1 = 1,9 Watt.

Quão quente ?: A página 2 da folha de dados diz que a resistência térmica da junção ao ambiente (= ar) é de 50 graus C por Watt. Isso significa que, para cada Watt que você dissipa, você aumenta 50 graus C. A 100 mA, você teria uma dissipação de cerca de 2 Watts ou um aumento de cerca de 2 x 50 = 100C. A água ferveria feliz no IC.

O mais quente que a maioria das pessoas consegue manter a longo prazo é o 55C. O seu é mais quente que isso. Você não mencionou a água fervente (teste de chiar com o dedo molhado). Vamos supor que você tenha ~~ 80C de temperatura da caixa. Vamos assumir a temperatura do ar a 20 ° C (porque é fácil - alguns graus de qualquer maneira faz pouca diferença.

_Elevação T = _caso T -T _ambiente = 80-20 = 60 ° C. Dissipação = T _aumento / R _th = 60/50 ~ = 1,2 Watt.

Na queda de 19v, 1,2 W = 1,2 / 19 A = 0,0632 A ou cerca de 60 mA.

ou seja, se você estiver consumindo cerca de 50 mA, obterá uma temperatura da caixa de 70 ° C a 80 ° C.

Você precisa de um dissipador de calor .

Consertando: A folha de dados da página 2 diz que R _thj-case = resistência térmica da junção ao case é 5C / W = 10% da junção ao ar.

Se você usar uma palavra a dizer 10 C / dissipador de calor W, em seguida, total de R _th será de R _{_jc} + R _{c_amb} (adicionar junção de caso para caso ao ar).
= 5 + 10 = 15 ° C / Watt.
Para 50 mA você obterá 0,050A x 19V = 0,95W ou um aumento de 15 ° C / Watt x 0,95 ~ = 14 ° C.

Mesmo com o aumento de 20 ° C e um ambiente de 25V, você terá 20 + 25 = 45 ° C de temperatura do dissipador de calor.
O dissipador de calor estará quente, mas você poderá segurá-lo sem (muita) dor.

Batendo o calor:

Como acima, a dissipação de calor em um regulador linear nessa situação é de 1,9 Watt por 100 mA ou 19 Watt em 1A. Isso é muito calor. Em 1A, para manter a temperatura sob a temperatura da água fervente (100 ° C) quando a temperatura ambiente era de 25 ° C, você precisaria de uma resistência térmica geral não superior a (100 ° C-25 ° C) / 19 Watt = 3,9 ° C / W. Como a junção para o caso Rthjc já é maior que 3,9 a 5 C / W, não é possível manter a junção abaixo de 100 ° C nessas condições. A junção do gabinete sozinho às 19V e 1A adicionará 19V x 1A x 5 C / W = aumento de 95 ° C. Embora o IC seja classificado para permitir temperaturas de até 150 ° C, isso não é bom para a confiabilidade e deve ser evitado, se possível. Apenas como exercício, para APENAS colocá-lo abaixo de 150 ° C no caso acima, o dissipador de calor externo precisaria ser (150-95) C / 19W = 2,9 C / W. Naquela' é possível, mas é um dissipador de calor maior do que você esperaria usar. Uma alternativa é reduzir a energia dissipada e, portanto, o aumento da temperatura.

As formas de reduzir a dissipação de calor no regulador são:

(1) Use um regulador de comutação como a série de comutadores simples NatSemi. Um regulador de comutação de desempenho com eficiência de apenas 70% reduzirá drasticamente a dissipação de calor, pois apenas 2 Watt são dissipados no regulador !.
ie Energia em = 7,1 Watts. Energia esgotada = 70% = 5 Watts. Corrente a 5 Watts a 5V = 1A.

Outra opção é uma substituição pré-fabricada para um regulador de 3 terminais. A imagem e o link a seguir são da parte mencionada em um comentário de Jay Kominek . OKI-78SR Queda de 1,5A, 5V na substituição do regulador de comutação para um LM7805 . 7V - 36V pol.

Com 36 Volts de entrada, 5V de saída, a eficiência de 1,5A é de 80%. Como Pout = 5V x 1,5A = 7,5W = 80%, a potência dissipada no regulador é de 20% / 80% x 7,5W = 1,9 Watts. Muito tolerável. Não é necessário um dissipador de calor e pode fornecer uma saída de 1,5 A a 85 graus C. [[Errata: Acabei de notar que a curva abaixo está em 3,3V. A peça 5V gerencia 85% a 1,5A, portanto é melhor do que o descrito acima.]]

(2) reduza a tensão

(3) Reduza a corrente

(4) Dissipe alguma energia externa ao regulador.

A opção 1 é a melhor tecnicamente. Se isso não for aceitável e se 2 e 3 forem corrigidos, a opção 4 será necessária.

O sistema de dissipação externo mais fácil e (provavelmente o melhor) é um resistor. Um resistor de potência em série que cai de 24V para uma voltagem que o regulador aceitará na corrente máxima fará o trabalho bem. Observe que você desejará um capacitor de filtro na entrada do regulador devido à resistência que torna a alta impedância da fonte. Diga cerca de 0.33uF, mais não vai doer. Uma cerâmica de 1 uF deve servir. Mesmo uma tampa maior, como um eletrolítico de alumínio de 10 a 100 uF, deve ser boa.

Suponha Vin = 24 V. Vregulador em min = 8V (altura livre / abandono. Verifique a folha de dados. O registro selecionado diz 8V em <1A.) Iin = 1 A.

Queda necessária em 1A = 24 - 8 = 16V. Diga 15V para ser "seguro".
R = V / I = 15/1 = 15 ohms. Potência = I ² * R = 1 x 15 = 15 Watts.
Um resistor de 20 watts seria marginal.
Um resistor de 25W + seria melhor.

Aqui está um resistor de 25W 15R ao preço de $ 3,30 / 1 em estoque sem chumbo com a folha de dados aqui . Observe que isso também precisa de um dissipador de calor !!! Você PODE comprar resistores com classificação livre de ar de até 100 'de Watts. O que você usa é a sua escolha, mas isso funcionaria bem. Observe que ele é classificado em comercial de 25 watts ou em militar de 20 watts; portanto, a 15W está "indo bem". Outra opção é um comprimento adequado de fio de resistência classificado adequadamente, montado adequadamente. As probabilidades são de um fabricante de resistores já fazer isso melhor do que você.

Com este arranjo:
Potência total = 24W
Potência do resistor = 15 Watt
Potência de carga = 5 Watt
Potência do regulador = 3 Watt

O aumento da junção do regulador será de 5 C / L x 3 = 15 ° C acima do caso. Você precisará fornecer um dissipador de calor para manter o regulador e o dissipador de calor felizes, mas isso agora é "apenas uma questão de engenharia".

Exemplos de dissipador de calor:

21 graus C (ou K) por Watt

7,8 C / W

Digikey - muitos exemplos de dissipadores de calor, incluindo este 5,3 C / W

2,5 C / W

0,48 C / W !!!
119 mm de largura x 300 mm de comprimento x 65 mm de altura.
1 pé de comprimento x 4,7 "de largura x 2,6" de altura

Bom artigo sobre seleção de dissipadores de calor

Convecção forçada que aquece a resistência térmica

Reduzindo a dissipação linear do regulador com um resistor de entrada em série:

Como observado acima, o uso de um resistor em série para reduzir a tensão antes de um regulador linear pode reduzir bastante a dissipação no regulador. Embora o resfriamento de um regulador normalmente exija dissipadores de calor, os resistores resfriados a ar podem ser obtidos com baixo custo, capazes de dissipar 10 ou mais Watts sem a necessidade de um dissipador de calor. Geralmente, não é uma boa idéia resolver problemas de alta tensão de entrada dessa maneira, mas pode ter seu lugar.

No exemplo abaixo, uma fonte de saída 1A LM317 de 5V operava a partir de 12V. A adição de um resistor pode mais da metade da dissipação de energia no LM317 nas piores condições, adicionando um resistor de entrada em série montado em arame refrigerado a ar barato.

O LM317 precisa de 2 a 2,5V de folga em correntes mais baixas ou, por exemplo, 2,75V sob condições extremas de carga e temperatura. (Veja a Fig 3 na folha de dados - copiada abaixo).

Headroom LM317 ou tensão de saída

O Rin deve ser dimensionado de modo que não caia tensão excessiva quando V_12V estiver no mínimo, Vdropout é o pior caso para as condições e a queda de diodo em série e a tensão de saída são permitidas.

A tensão no resistor deve sempre ser menor que =

• Vin mínimo

• menos Queda máxima de Vdiode

• menos Pior desistência relevante para a situação

• menos tensão de saída

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

Para Vin mínimo de 12V, diga queda de diodo de 0,8V e diga 1 ampère
(12-0,8-2,75-5) / 1
= 3,45 / 1
= 3R45
= diga 3R3.

Potência em R = I ^ 2R = 3,3W, portanto uma parte de 5W seria marginalmente aceitável e 10W seria melhor.

A dissipação no LM317 cai de> 6 Watt a <3 Watt.

Um excelente exemplo de um resistor refrigerado a ar montado em um cabo de fio adequado seria um membro dessa família Yageo bem especificada de resistores de fio enrolado com membros classificados de 2W a 40W refrigerados a ar. Unidades de 10 watts estão em estoque na Digikey a US $ 0,63 / 1.

Classificações de temperatura ambiente do resistor e aumento de temperatura:

É bom ter esses dois gráficos da folha de dados acima, que permitem estimar os resultados do mundo real.

O gráfico à esquerda mostra que um resistor de 10 watts operado a 3W3 = 33% da sua taxa de potência possui uma temperatura ambiente permitida de até 150 ° C (na verdade, cerca de 180 ° C se você plotar o ponto de operação no gráfico, mas o fabricante diz que 150 ° C máx é permitido.

O segundo gráfico mostra que o aumento da temperatura para um resistor de 10W operado a 3W3 será cerca de 100 ° C acima da temperatura ambiente. Um resistor de 5W da mesma família estaria operando a 66% da classificação e teria um aumento de temperatura de 140 ° C acima da temperatura ambiente. (Um 40W teria um aumento de cerca de 75C, mas 2 x 10W = abaixo de 50C e 10 x 2W apenas cerca de 25C !!!.

O aumento decrescente da temperatura com um número crescente de resistores com a mesma classificação de potência combinada em cada caso está provavelmente relacionado à ação da "lei de cubos quadrados", pois há menos área de superfície de resfriamento por volume à medida que o tamanho aumenta.

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

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Adicionado em agosto de 2015 - Estudo de caso:

Alguém fez a pergunta razoável:

Não é uma explicação mais provável a carga capacitiva relativamente alta (220 µF)? Por exemplo, causando instabilidade no regulador, oscilações causando muito calor dissipado no regulador. Na folha de dados, todos os circuitos para operação normal possuem apenas um capacitor de 100 nF na saída.

Eu respondi nos comentários, mas eles podem ser excluídos no devido tempo e isso é uma adição interessante ao assunto, então aqui estão os comentários editados na resposta.

Em alguns casos, a oscilação e a instabilidade do regulador certamente são um problema, mas, neste caso e em muitos outros, o motivo mais provável é o excesso de dissipação.

A família 78xxx é muito antiga e é anterior aos modernos reguladores de abandono baixo e aos de série (estilo LM317). A família 78xxx é essencialmente incondicionalmente estável em relação ao Cout. De fato, eles não precisam de nenhum para uma operação adequada, e o 0,1uF frequentemente mostrado é fornecer um reservatório para fornecer manobras adicionais de pico ou pico.
Em algumas folhas de dados relacionadas, eles realmente dizem que o Cout pode ser "aumentado sem limite", mas eu não vejo essa nota aqui - mas também (como eu esperava) não há nenhuma nota sugerindo instabilidade no Cout alto. Na figura 33 na página 31 da folha de dados, eles mostram o uso de um diodo reverso para "proteger contra" cargas de alta capacitância "- ou seja, capacitores com energia suficiente para causar danos se forem descarregados na saída - ou seja, muito mais que 0,1 uF .

Dissipação: Com 24 Vin e 5 Vout, o regulador dissipa 19 mW por mA. Rthja é de 50 ° C / W para o pacote TO220, portanto você terá um aumento de cerca de 1 ° C por mA de corrente.
Portanto, com uma dissipação de 1 Watt no ar ambiente de 20 ° C, o gabinete estaria em torno de 65 ° C (e poderia depender mais de como o gabinete é orientado e localizado). 65C está um pouco acima do limite inferior da temperatura "queimar meu dedo".
A 19 mW / mA, seriam necessários 50 mA para dissipar 1 Watt. A carga real no exemplo dado é desconhecida - ele mostra um LED indicador em cerca de 8 ou 9 mA (se vermelho) mais uma carga da corrente interna do regulador usada (menos de 10 mA) + "PIC18FXXXX), alguns LEDs ... "Esse total pode atingir ou exceder 50 mA, dependendo do circuito PIC, ou PODE ser muito menor. |

No geral, dada a família de reguladores, tensão diferencial, incerteza de resfriamento real, incerteza de Tambient, figura típica de C / W e mais, parece que a pura dissipação é uma razão razoável para o que ele vê neste caso - e para o que muitas pessoas que usam reguladores lineares experimentarão. casos semelhantes. Há uma chance de que seja instável por razões menos óbvias, e isso nunca deve ser rejeitado sem uma boa razão, mas eu começaria com a dissipação.

Nesse caso, um resistor de entrada em série (digamos 5W classificado com refrigeração a ar) moveria grande parte da dissipação para um componente mais adequado para lidar com ele.
E / ou um dissipador de calor modesto deve fazer maravilhas.

$\times$$\mu$

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

$R_{THJ-AMB}$

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

Esta é a temperatura da junção, mas a embalagem é apenas alguns graus menos quente ( = 5 ° C / W). Isso é obviamente muito quente para tocar; A regra geral (sem trocadilhos) é que, em torno de 60 ° C, fica muito quente para tocar. $R_{THJ-CASE}$

Então isso explica. Enquanto na teoria os valores ainda são seguros, você pode ter um pouco mais de dissipação nossos valores são um pouco conservadores , o que pode explicar o cheiro de queimado. $-$$-$

O que pode ser feito sobre isso?

Use um comutador (SMPS). Esta é a melhor solução. Os comutadores têm uma alta eficiência, para tensões nominais possivelmente superiores a 85%, portanto a dissipação será muito menor. Para a carga estimada, será muito menor que 100mW. Os comutadores de hoje são fáceis de usar, mas precisam de alguma atenção ao selecionar componentes e para o layout da placa de circuito impresso. Estes são importantes para a eficiência, o layout da placa também é importante para a radiação. Este é um módulo pré-construído que Jay e Russell também se referiram, mas aqui comparado com o tamanho de um TO-220:

Este módulo está disponível por US $ 10, portanto, provavelmente não vale a pena lançar o seu próprio.

Outra solução: use um dissipador de calor , de preferência não um grampo pequeno, com pasta de calor suficiente para garantir o contato térmico adequado. Este possui uma resistência térmica de 3,1 ° C / W (abaixo de 50 ° C / W!) E pode dissipar 9W a um aumento de temperatura de 60 ° C.

Solução 3: use uma tensão de entrada mais baixa . Pode não ser uma opção.

Solução 4: distribua a dissipação por vários componentes. Você pode colocar em cascata os reguladores, como usar um LM7815 entre os 24V e o L78S05. Então a diferença de tensão de 19V se torna 9V para o 7815 e 10V para o 78S05, de modo que seria metade da dissipação por dispositivo. Uma vantagem adicional é que você obtém uma regulamentação de linha muito melhor, se isso for importante.

Uma observação final: seu regulador é uma versão especial capaz de 2A, enquanto o 7805 usual pode fornecer 1A. Se você planeja usar o 2A completo, eu consideraria seriamente o switcher.

editar
Russell apontou para o resistor da série em sua resposta, e também é uma opção viável, embora eu não prefira. Vou explicar na minha conclusão abaixo porque não.
Gostaria de acrescentar algo sobre dissipação para esta solução, começando pelo resistor 15 de Russell . $\Omega$

P = V I, e quando há pouca corrente, esse fator na equação mantém a potência dissipada no regulador baixa, mas também quando a corrente é alta, a queda de tensão no resistor será alta, deixando uma queda de tensão menor sobre o regulador, dando também uma baixa dissipação. Entre esses dois a dissipação será maior. $\times$

Pode-se provar que a dissipação no regulador é máxima quando é igual à dissipação no resistor, de modo que

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

ou

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

Portanto

$I = 0.633A$

o que concorda com o que vemos no gráfico. A dissipação no resistor e no regulador é então

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

Conclusão: mesmo com um resistor em série, a dissipação de energia no regulador pode ser alta, e vemos que é maior para 0,63A do que para 1A! É importante escolher o valor do resistor em função dos requisitos de corrente esperados.
A distribuição de energia será igual nos dois dispositivos e independente da corrente quando você usar um segundo regulador em vez de um resistor. É por isso que não gosto tanto da solução do resistor.

A queda de tensão e nenhum dissipador de calor estão causando uma dissipação significativa. A folha de dados especifica uma resistência térmica de 50C / W Tja sem dissipador de calor.

Um exemplo aproximado - digamos que você esteja usando 100mA: (24-5) * 0,1 = 1,9W

1,9 * 50 = ~ 95 graus de elevação acima da temperatura ambiente, então a temperatura geral será de cerca de 115 graus C.

Você pode melhorar as coisas adicionando um dissipador de calor, diminuindo a tensão de entrada ou afundando menos corrente no seu circuito. Ou você pode usar um regulador de comutação. Para obter uma explicação detalhada da regulação linear e considerações térmicas, consulte aqui: Guia do Designer Digital para Reguladores de Tensão Linear e Gerenciamento Térmico

Esse é um comportamento normal para esse regulador?

Sim.

O que poderia causar tanto calor?

O calor é causado pela queda de tensão no regulador e pela corrente que passa por ele. Dissipação de energia, Pd = (24V-5V) * Saída.

A eficiência do regulador é Vout / Vin = 5/24 = 0,21 ou 21%. Em outras palavras, para cada 1 watt de saída, você precisa de 5 watts de entrada e essa diferença é dissipada no regulador.

Baixar a tensão de entrada ajudaria isso.

Reguladores lineares são a maneira "rápida e suja" de fazer isso. Funciona e é barato e eficaz. Eles trabalham despejando excesso de energia como calor, sem conversão ativa aqui. Obter 5v de 24v é uma grande queda, não é de admirar que esteja queimando você. Meu melhor curso de ação é mudar para uma fonte de voltagem mais baixa, digamos 12v ou 9v ainda melhor para minimizar as perdas. (Caramba, eu seria obrigado a usar apenas 5v e renunciar completamente ao regulador.) Outras coisas sugeridas por outros são: adicionar um dissipador de calor, resistência em série ou alternar para um regulador de comutação (ativo).

Esta tem sido uma ótima discussão. Eu pensei que seria útil ter um "banco de testes" de simulação on-line simples e gratuito, que permite inserir parâmetros de folha de dados para seu regulador linear específico e informará as temperaturas operacionais em regime estacionário e até transitório. Esses parâmetros incluem a tensão de saída, as características térmicas (por exemplo, rthj_case), além da carga, as condições de tensão de entrada.

Aqui está um link para o " Localizador de temperatura do regulador linear ". Você só precisa fazer uma cópia do design e fazer as alterações necessárias para se adequar ao seu dispositivo e circuito.