Mój liniowy regulator napięcia bardzo szybko się przegrzewa

Używam regulatora napięcia 5 V / 2 A ( L78S05 ) bez radiatora. Testuję obwód z mikrokontrolerem (PIC18FXXXX), kilkoma diodami LED i brzęczykiem piezzo 1 mA. Napięcie wejściowe wynosi około. 24 VDC. Po minucie pracy regulator napięcia zaczyna się przegrzewać, co oznacza, że ​​pali mnie palec, jeśli trzymam go tam dłużej niż sekundę. W ciągu kilku minut zaczyna pachnieć jak spalony. Czy to normalne zachowanie tego regulatora? Co może powodować tak duże nagrzewanie?

Inne elementy zastosowane w tym obwodzie:

L1: Filtr EMI BNX002-01

R2: Warystor

F1: Bezpiecznik 0154004.DR

Podsumowanie: TERAZ POTRZEBUJESZ HEATSINK !!!!! :-)
[i posiadanie rezystora szeregowego również nie zaszkodzi :-)]

Zadane pytanie Twoje pytanie jest zadawane dobrze - znacznie lepiej niż zwykle.
Doceniony jest schemat połączeń i odnośniki.
To znacznie ułatwia udzielenie dobrej odpowiedzi za pierwszym razem.
Mam nadzieję, że to jeden ... :-)

Ma to sens (niestety): zachowanie jest całkowicie oczekiwane.
Przeciążasz termicznie regulator.
Musisz dodać radiator, jeśli chcesz go używać w ten sposób.
Odniosłbyś ogromne korzyści z właściwego zrozumienia tego, co się dzieje.

Moc = wolty x prąd.

Dla regulatora liniowego Moc całkowita = Moc w obciążeniu + Moc w regulatorze.

_Spadek V regulatora = V _in - _Obciążenie
V Tutaj _spadek V regulatora = 24-5 = 19 V.

Tu Moc w = 24V x I _załadować
moc w obciążeniu 5V = x I _załadować
Zasilanie regulatora = (24V-5V) x I _obciążenie .

Dla 100 mA prądu obciążenia regulator rozproszy _spadek
V x _obciążenie I (24-5) x 0,1 A = 19 x 0,1 = 1,9 W.

Jak gorąco?: Strona 2 karty danych mówi, że opór cieplny od połączenia do otoczenia (= powietrze) wynosi 50 stopni C na wat. Oznacza to, że za każdy rozproszony wat dostajesz wzrost o 50 stopni C. Przy 100 mA miałbyś około 2 watów rozproszenia lub około 2 x 50 = wzrost 100C. Woda chętnie zagotowałaby się na IC.

Najgorętsze, jakie większość ludzi może utrzymać w perspektywie długoterminowej, to 55 ° C. Twoje jest gorętsze niż to. Nie wspominałeś o wrzącej wodzie (test skwierczenia mokrych palców). Załóżmy, że masz temperaturę obudowy ~ ~ 80 ° C. Załóżmy, że temperatura powietrza wynosi 20 ° C (ponieważ jest łatwa - kilka stopni w jedną stronę robi niewielką różnicę.

_Wzrost T = _przypadek T -T _otoczenie = 80-20 = 60 ° C. Rozproszenie = T _wzrost / R _th = 60/50 ~ = 1,2 W.

Przy spadku 19 V 1,2 W = 1,2 / 19 A = 0,0632 A lub około 60 mA.

tzn. jeśli pobierasz około 50 mA, uzyskasz temperaturę obudowy w zakresie 70 ° C - 80 ° C.

Potrzebujesz radiatora .

Naprawianie: Na stronie 2 arkusza danych _podano, że _skrzynka R = opór cieplny od złącza do skrzynki wynosi 5C / W = 10% złącza do powietrza.

Jeśli użyjesz radiatora powiedzmy 10 C / W, wówczas całkowita R _th będzie wynosić R _{_jc} + R _{c_amb} (dodaj połączenie między obudową a obudową do powietrza).
= 5 + 10 = 15 ° C / wat.
Dla 50 mA otrzymasz 0,050 A x 19 V = 0,95 W lub wzrost o 15 ° C / Wat x 0,95 ~ = wzrost 14 ° C.

Nawet przy powiedzmy wzroście o 20 ° C i otoczeniu o wartości 25 V, temperatura radiatora wynosi 20 + 25 = 45 ° C.
Radiator będzie gorący, ale będziesz w stanie go utrzymać bez (zbyt dużego) bólu.

Pokonując upał:

Jak wyżej, rozpraszanie ciepła w regulatorze liniowym w tej sytuacji wynosi 1,9 W na 100 mA lub 19 W przy 1A. To dużo ciepła. Przy 1A, aby utrzymać temperaturę poniżej temperatury wrzącej wody (100 ° C), gdy temperatura otoczenia wynosiła 25 ° C, potrzebna byłaby ogólna odporność termiczna nie większa niż (100 ° C-25 ° C) / 19 Watów = 3,9 C / W. Ponieważ skrzyżowanie z obudową Rthjc jest już większe niż 3,9 przy 5 C / W, nie można utrzymać złącza w 100 ° C w tych warunkach. Samo połączenie z obudową przy 19 V i 1 A doda 19 V x 1 A x 5 C / W = wzrost o 95 ° C. Chociaż IC jest tak sklasyfikowany, aby dopuszczał temperatury sięgające 150 ° C, nie jest to dobre z punktu widzenia niezawodności i należy go unikać, jeśli to w ogóle możliwe. Ćwiczenie, aby po prostu uzyskać temperaturę poniżej 150 ° C w powyższym przypadku, zewnętrzny radiator musiałby wynosić (150-95) C / 19 W = 2,9 C / W. Że' jest osiągalny, ale jest większym radiatorem, niż można by się spodziewać. Alternatywą jest zmniejszenie rozpraszanej energii, a tym samym wzrostu temperatury.

Sposoby ograniczenia rozpraszania ciepła w regulatorze to:

(1) Użyj regulatora przełączania, takiego jak seria prostych przełączników NatSemi. Regulator przełączania wydajności z nawet tylko 70% wydajnością znacznie zmniejszy rozpraszanie ciepła, ponieważ w regulatorze rozpraszane są tylko 2 waty !.
tzn. energia w = 7,1 wata. Brak energii = 70% = 5 watów. Prąd przy 5 W przy 5 V = 1 A.

Inną opcją jest wstępnie zamontowany zamiennik regulatora z 3 zaciskami. Poniższy obraz i link pochodzą z części, o której mowa w komentarzu Jaya Kominka . OKI-78SR 1,5A, spadek 5V w zamianie regulatora przełączającego dla LM7805 . 7 V - 36 V cala

Przy napięciu 36 V, 5 V na wyjściu, sprawność 1,5 A wynosi 80%. Ponieważ Pout = 5 V x 1,5 A = 7,5 W = 80%, moc rozproszona w regulatorze wynosi 20% / 80% x 7,5 W = 1,9 W. Bardzo znośny Nie wymaga radiatora i może zapewnić 1,5 A prądu wyjściowego w 85 stopniach C. [[Errata: Właśnie zauważyłem, że krzywa poniżej wynosi 3,3 V. Część 5 V zarządza 85% przy 1,5 A, więc jest lepsza niż powyżej.]]

(2) Zmniejsz napięcie

(3) Zmniejsz prąd

(4) Rozproszyć część energii na zewnątrz regulatora.

Opcja 1 jest najlepsza technicznie. Jeśli nie jest to do przyjęcia i jeśli 2 i 3 są ustalone, potrzebna jest opcja 4.

Najłatwiejszym i (prawdopodobnie najlepszym) zewnętrznym systemem rozpraszania jest rezystor. Szeregowy rezystor mocy, który spada z 24 V do napięcia, które regulator zaakceptuje przy maksymalnym prądzie, dobrze wykona zadanie. Zauważ, że będziesz chciał kondensator filtrujący na wejściu do regulatora ze względu na rezystancję powodującą wysoką impedancję zasilania. Powiedz około 0.33uF, więcej nie zaszkodzi. Ceramika 1 uF powinna wystarczyć. Nawet większa nasadka, taka jak elektrolityczny aluminiowy 10 uF do 100 uF, powinna być dobra.

Załóżmy, że Vin = 24 V. Regulator w min = 8 V (zapas / spadek. Sprawdź arkusz danych. Wybrany reg mówi 8 V przy <1 A.) Iin = 1 A.

Wymagany spadek przy 1A = 24 - 8 = 16 V. Powiedz 15 V, aby być „bezpiecznym”.
R = V / I = 15/1 = 15 omów. Moc = I ² * R = 1 x 15 = 15 watów.
Rezystor o mocy 20 W byłby marginalny.
Lepszy byłby rezystor 25W +.

Oto opornik 25R 15R w cenie 3,30 USD / 1 w magazynie bezołowiowy z arkuszem danych tutaj . Pamiętaj, że wymaga to również radiatora !!! Możesz kupić bezpłatne rezystory powietrzne o mocy do 100 watów. To, czego używasz, jest twoim wyborem, ale zadziałałoby dobrze. Należy pamiętać, że jest on oceniany na 25 W komercyjnych lub 20 W wojskowych, więc przy 15 W „dobrze sobie radzi”. Inną opcją jest odpowiednia długość odpowiednio dobranego drutu oporowego odpowiednio zamontowanego. Szanse są producent rezystorów już robi to lepiej niż ty.

W tym układzie:
Całkowita moc = 24 W Moc
rezystora = 15 W
Moc obciążeniowa = 5 W
Moc regulatora = 3 W

Wzrost złącza regulatora wyniesie 5 C / W x 3 = 15 ° C powyżej obudowy. Musisz zapewnić radiator, aby utrzymać regulator i radiator szczęśliwy, ale teraz jest to „kwestia inżynierii”.

Przykłady radiatorów:

21 stopni C (lub K) na wat

7,8 C / W

Digikey - wiele przykładów radiatorów, w tym radiator 5.3 C / W

2,5 C / W

0,48 C / W !!!
119 mm szerokości x 300 mm długości x 65 mm wysokości.
1 stopa długości x 4,7 "szerokości x 2,6" wysokości

Dobry artykuł na temat wyboru radiatora

Wymuszona konwekcja ogrzewająca odporność termiczną

Ograniczenie rozpraszania liniowego regulatora za pomocą szeregowego rezystora wejściowego:

Jak wspomniano powyżej, zastosowanie rezystora szeregowego do obniżenia napięcia przed regulatorem liniowym może znacznie zmniejszyć rozproszenie w regulatorze. Podczas gdy chłodzenie regulatora zwykle wymaga radiatorów, można tanio uzyskać rezystory chłodzone powietrzem, które są w stanie rozproszyć 10 lub więcej watów bez potrzeby stosowania radiatora. Zwykle nie jest dobrym pomysłem rozwiązywanie problemów z wysokim napięciem wejściowym w ten sposób, ale może mieć swoje miejsce.

W poniższym przykładzie zasilanie 1A LM317 5 V zasilane jest napięciem 12V. Dodanie rezystora może zwiększyć o ponad połowę rozproszenie mocy w LM317 w najgorszych przypadkach poprzez dodanie taniego szeregowego rezystora wejściowego chłodzonego powietrzem.

LM317 potrzebuje 2 do 2,5 V wolnej przestrzeni przy niższych prądach lub, powiedzmy, 2,75 V w ekstremalnych warunkach obciążenia i temperatury. (Patrz Ryc. 3 w arkuszu danych , - skopiowano poniżej).

LM317 nadproża lub zaniku napięcia

Rin musi być tak dobrany, aby nie spadał zbyt wysokie napięcie, gdy V_12V jest na minimum, Vdropout jest najgorszym przypadkiem w danych warunkach i dopuszcza się szeregowy spadek diody i napięcie wyjściowe.

Napięcie na oporniku musi zawsze być mniejsze niż =

• Minimum Vin

• mniej Maksymalny spadek Vdiode

• mniej Najgorszy wypadek związany z sytuacją

• mniejsze napięcie wyjściowe

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

Dla minimum 12 V Vin i powiedz 0,8 V spadku diody i powiedz 1 amp out, czyli
(12-0,8-2,75-5) / 1
= 3,45 / 1
= 3R45
= powiedz 3R3.

Moc w R = I ^ 2R = 3,3 W, więc część 5 W byłaby marginalnie dopuszczalna, a 10 W byłoby lepsze.

Rozpraszanie w LM317 spada z> 6 W do <3 W.

Doskonałym przykładem odpowiedniego oporowego chłodzonego powietrzem rezystora drutowego byłby członek tej ładnie określonej rodziny rezystorów drutowych Yageo z członami chłodzonymi powietrzem o mocy od 2W do 40W. Jednostki o mocy 10 W są dostępne w Digikey w cenie 0,63 USD / 1.

Temperatury otoczenia rezystora i wzrost temperatury:

Miło jest mieć te dwa wykresy z powyższego arkusza danych, które umożliwiają oszacowanie rzeczywistych wyników.

Lewy wykres pokazuje, że rezystor 10 W działający przy 3 W3 = 33% jego mocy Wattage ma dopuszczalną temperaturę otoczenia do 150 ° C (faktycznie około 180 ° C, jeśli wykreślisz punkt pracy na wykresie, ale producent mówi, że 150 C max to dozwolony.

Drugi wykres pokazuje, że wzrost temperatury rezystora 10 W pracującego przy 3 W3 będzie o około 100 ° C wyższy od temperatury otoczenia. Rezystor 5 W z tej samej rodziny działałby przy 66% wartości znamionowej i miałby wzrost temperatury o 140 ° C powyżej temperatury otoczenia. (40 W miałby wzrost o około 75 ° C, ale 2 x 10 W = poniżej 50 ° C, a 10 x 2 W tylko około 25 ° C !!!.

Zmniejszania wzrostu temperatury z rosnącą liczbą rezystorów o tej samej łącznej watach w każdym przypadku jest prawdopodobnie związane z „kwadratowej sześcianu” działania ze względu na mniejsze pole powierzchni na objętość chłodzenia wraz ze wzrostem wielkości.

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

________________________________________

Dodano sierpień 2015 r. - studium przypadku:

Ktoś zadał rozsądne pytanie:

Czy nie jest bardziej prawdopodobne wytłumaczenie stosunkowo wysokiego obciążenia pojemnościowego (220 µF)? Np. Powodowanie niestabilności regulatora, oscylacje powodujące rozpraszanie dużej ilości ciepła w regulatorze. W arkuszu danych wszystkie obwody do normalnej pracy mają tylko kondensator 100 nF na wyjściu.

Odpowiedziałem w komentarzach, ale MOGĄ one zostać usunięte we właściwym czasie i jest to wartościowy dodatek do tematu, więc oto komentarze edytowane w odpowiedzi.

W niektórych przypadkach oscylacja i niestabilność regulatora z pewnością stanowią problem, ale w tym przypadku i wielu podobnych, najbardziej prawdopodobną przyczyną jest nadmierne rozproszenie.

Rodzina 78xxx jest bardzo stara i wyprzedza zarówno nowoczesne regulatory o niskim spadku mocy, jak i zasilane seryjnie (w stylu LM317). Rodzina 78xxx jest zasadniczo bezwarunkowo stabilna w stosunku do Cout. W rzeczywistości nie potrzebują one żadnej do prawidłowego działania, a 0,1 uF często pokazuje, że zapewnia zbiornik, aby zapewnić dodatkowe udary lub obsługę skoków.
W niektórych powiązanych arkuszach danych faktycznie mówią, że Cout można „zwiększyć bez ograniczeń”, ale nie widzę tutaj takiej uwagi - ale także (jak się spodziewałbym) nie ma nuty sugerującej niestabilność przy wysokim Cout. Na ryc. 33 na stronie 31 arkusza danych pokazują użycie diody odwróconej do „ochrony przed” obciążeniami o dużej pojemności - tj. Kondensatorów o wystarczająco dużej energii, aby spowodować uszkodzenie w przypadku rozładowania na wyjściu - tj. Znacznie więcej niż 0,1 uF .

Rozpraszanie: Przy 24 Vin i 5 V regulator rozprasza 19 mW na mA. Rthja wynosi 50C / W dla pakietu TO220, więc dostaniesz O 1C wzrost na mA prądu.
Tak więc przy powiedzeniu 1 wata rozproszenia w powietrzu o temperaturze 20 ° C obudowa miałaby około 65 ° C (i może być więcej w zależności od tego, jak obudowa jest zorientowana i umiejscowiona). 65 ° C jest nieco powyżej dolnej granicy temperatury „spal mi palec”.
Przy 19 mW / mA rozproszenie 1 Wata zająłoby 50 mA. Rzeczywiste obciążenie w podanym przykładzie nie jest znane - pokazuje wskaźnik LED o natężeniu około 8 lub 9 mA (jeśli czerwony) plus obciążenie zastosowanego prądu wewnętrznego regulatora (poniżej 10 mA) + „PIC18FXXXX), kilka diod LED ... „Ta suma może osiągnąć lub przekroczyć 50 mA w zależności od obwodu PIC, lub MOŻE być znacznie mniejsza. |

Ogólnie biorąc pod uwagę rodzina regulatorów, napięcie różnicowe, rzeczywista niepewność chłodzenia, niepewność Tambient, typowa liczba C / W i więcej wydaje się, że zwykłe rozproszenie jest uzasadnionym powodem tego, co widzi w tym przypadku - i tego, czego doświadcza wiele osób korzystających z regulatorów liniowych podobne przypadki. Istnieje szansa, że ​​jest niestabilna z mniej oczywistych powodów i nigdy nie należy jej odrzucać bez uzasadnionego powodu, ale zacznę od rozproszenia.

W tym przypadku szeregowy rezystor wejściowy (powiedzmy 5 W o znamionowej mocy chłodzenia powietrzem) przeniósłby znaczną część rozproszenia w element lepiej przystosowany do tego.
I / lub skromny radiator powinien działać cuda.

$\times$$\mu$

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

$R_{THJ-AMB}$

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

$R_{THJ-CASE}$

$-$$-$

Co można z tym zrobić?

Użyj przełącznika (SMPS). To najładniejsze rozwiązanie. Przełączniki mają wysoką wydajność, dla napięć znamionowych prawdopodobnie przekraczających 85%, więc rozpraszanie będzie znacznie niższe. Dla oszacowanego obciążenia będzie on znacznie mniejszy niż 100 mW. Dzisiejsze przełączniki są łatwe w użyciu, ale wymagają szczególnej uwagi przy wyborze komponentów i układu PCB. Są one ważne dla wydajności, układ płytki jest również ważny dla promieniowania. Jest to gotowy moduł, o którym wspominał także Jay i Russell, ale tutaj w porównaniu z rozmiarem TO-220:

Ten moduł jest dostępny za 10 USD, więc prawdopodobnie nie warto tworzyć własnych.

Inne rozwiązanie: użyj radiatora , najlepiej nie małego klipsa, z wystarczającą ilością pasty termicznej, aby zapewnić właściwy kontakt termiczny. Ten ma opór cieplny 3,1 ° C / W (w porównaniu z 50 ° C / W!) I może rozproszyć 9 W przy wzroście temperatury o 60 ° C.

Rozwiązanie 3: użyj niższego napięcia wejściowego . Może nie być opcją.

Rozwiązanie 4: Rozprowadź rozproszenie na kilka składników. Możesz kaskadowo regulować, na przykład użyć LM7815 między napięciem 24 V a L78S05. Wtedy różnica napięcia 19 V staje się 9 V dla 7815 i 10 V dla 78S05, co zmniejszy o połowę rozproszenie na urządzenie. Dodatkową zaletą jest to, że masz dużo lepszą regulację linii, jeśli to ważne.

Ostatnia uwaga: twój regulator jest specjalną wersją zdolną do 2A, podczas gdy zwykły 7805 może dostarczyć 1A. Jeśli planujesz użyć pełnego 2A, poważnie rozważę przełącznik.

$\Omega$

$\times$

Można udowodnić, że rozproszenie w regulatorze jest maksymalne, gdy jest równe rozproszeniu w rezystorze, tak że

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

lub

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

w związku z tym

$I = 0.633A$

co zgadza się z tym, co widzimy na wykresie. Rozprasza się zarówno rezystor, jak i regulator

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

Wniosek: nawet przy rezystorze szeregowym rozpraszanie mocy w regulatorze może być wysokie i widzimy, że jest wyższe dla 0,63 A niż dla 1A! Ważne jest, aby wybrać wartość rezystora w zależności od oczekiwanych wymagań prądowych.
Dystrybucja mocy będzie równa w obu urządzeniach i niezależna od prądu, jeśli użyjesz drugiego regulatora zamiast rezystora. Dlatego nie przepadam za rozwiązaniem z rezystorem.

Spadek napięcia i brak radiatora powoduje znaczne rozproszenie. Arkusz danych określa opór cieplny Tja 50C / W bez radiatora.

Szorstki przykład - powiedzmy, że używasz 100 mA: (24-5) * 0,1 = 1,9 W.

1,9 * 50 = ~ 95 stopni wzrostu powyżej temperatury otoczenia, więc ogólna temperatura wyniesie około 115 stopni C.

Możesz to poprawić, dodając radiator, obniżając napięcie wejściowe lub zmniejszając prąd w obwodzie. Lub możesz użyć regulatora przełączającego. Szczegółowe wyjaśnienie regulacji liniowej i zagadnień termicznych znajduje się tutaj: Przewodnik projektanta cyfrowego po liniowych regulatorach napięcia i zarządzaniu temperaturą

Czy to normalne zachowanie tego regulatora?

Tak.

Co może powodować tak duże nagrzewanie?

Ciepło jest spowodowane spadkiem napięcia na regulatorze i przepływającym przez niego prądem. Strata mocy, Pd = (24 V-5 V) * Iout.

Wydajność regulatora wynosi Vout / Vin = 5/24 = 0,21 lub 21%. Innymi słowy na każdy 1 wat mocy potrzebujesz 5 watów mocy wejściowej, a różnica ta jest rozpraszana w regulatorze.

Pomoże to obniżyć napięcie wejściowe.

Regulatory liniowe to „szybki i brudny” sposób. Działa i jest tani i skuteczny. Działają poprzez zrzucanie nadwyżki mocy jako ciepła, bez aktywnej konwersji tutaj. Zdobycie 5v z 24v to duża kropla, nic dziwnego, że cię pali. Moim najlepszym rozwiązaniem jest przejście na zasilanie o niższym napięciu, powiedzmy 12 V lub nawet lepsze 9 V, aby zminimalizować straty. (Heck, byłbym nawet zmuszony po prostu użyć 5 V i całkowicie zrezygnować z regulatora) Inne rzeczy, jak sugerują inni, to: dodać radiator, rezystancję szeregową lub przełączyć na przełączający (aktywny) regulator.

To była świetna dyskusja. Pomyślałem, że pomocne może być posiadanie prostego i bezpłatnego „stanowiska testowego” do symulacji on-line, które umożliwia wprowadzanie parametrów arkusza danych dla konkretnego regulatora liniowego, a także informuje o stanie ustalonym, a nawet przejściowych temperaturach pracy. Parametry te obejmują napięcie wyjściowe, charakterystykę termiczną (np. Rthj_case) oraz obciążenie warunków napięcia wejściowego.

Oto link do „ Wyszukiwacza temperatury regulatora liniowego ”. Wystarczy wykonać kopię projektu, a następnie wprowadzić zmiany, aby dopasować je do konkretnego urządzenia i obwodu.