Мой линейный регулятор напряжения очень быстро перегревается

Я использую регулятор напряжения 5 В / 2 А ( L78S05 ) без радиатора. Я тестирую схему с помощью микроконтроллера (PIC18FXXXX), нескольких светодиодов и зуммера на 1 мА. Входное напряжение приблизительно. 24 В пост. После работы в течение минуты регулятор напряжения начинает перегреваться, то есть он обжигает мой палец, если я удерживаю его там более секунды. Через несколько минут он начинает пахнуть, как будто сгорел. Это нормальное поведение для этого регулятора? Что может заставить его так сильно нагреваться?

Другие компоненты, используемые в этой схеме:

L1: BNX002-01 EMI фильтр

R2: Варистор

F1: предохранитель 0154004.DR

РЕЗЮМЕ: ВАМ НУЖНО ТЕПЛОСНАБЖЕНИЕ СЕЙЧАС !!!!! :-)
[и наличие последовательного резистора также не повредит :-)]

Хорошо заданный вопрос Ваш вопрос задан хорошо - намного лучше, чем обычно.
Принципиальная схема и ссылки приветствуются.
Это значительно облегчает получение хорошего ответа с первого раза.
Надеюсь, это один ... :-)

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

Мощность = Вольт х Ток.

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

Регулятор V _drop = V _in - V _load
Здесь V _drop в регуляторе = 24-5 = 19V.

Здесь мощность на входе = 24 В x I _{нагрузка}
Мощность на нагрузке = 5 В x I _{нагрузка}
Мощность в регуляторе = (24 В - 5 В) x I _{нагрузка} .

При токе нагрузки 100 мА регулятор рассеивает
V _drop x I _{нагрузку} (24-5) x 0,1 A = 19 x 0,1 = 1,9 Вт.

Как жарко ?: На странице 2 спецификации указано, что тепловое сопротивление от соединения до окружающей среды (= воздуха) составляет 50 градусов Цельсия на ватт. Это означает, что за каждый рассеиваемый ватт вы получаете повышение на 50 градусов. При 100 мА рассеиваемая мощность составит около 2 Вт или около 2 x 50 = 100 ° C. Вода будет счастливо кипеть на IC.

Самая горячая, которую большинство людей могут удерживать в течение длительного времени, это 55C. У тебя жарче, чем это. Вы не упомянули о кипящей воде (тест на шипение мокрых пальцев). Предположим, у вас температура корпуса ~ 80C. Давайте предположим, что температура воздуха 20C (потому что она простая - несколько градусов в любом случае не имеет большого значения).

T _подъем = T _случай -T _{окружающий} = 80-20 = 60 ° C. Рассеяние = T _подъем / R _th = 60/50 ~ = 1,2 Вт.

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

То есть, если вы набираете около 50 мА, вы получите температуру в диапазоне 70 ° C - 80 ° C.

Вам нужен радиатор .

Исправление: на странице 2 спецификации указано, что R _thj-case = тепловое сопротивление от соединения к корпусу составляет 5C / W = 10% от соединения с воздухом.

Если вы используете радиатор, скажем, 10 C / W, тогда общее значение R _th будет R _{_jc} + R _{c_amb} (добавьте соединение между корпусом и корпусом в воздух).
= 5 + 10 = 15 ° C / Вт.
Для 50 мА вы получите 0,050A x 19 В = 0,95 Вт или повышение 15 ° C / Вт x 0,95 ~ = 14 ° C.

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

Бьющееся тепло:

Как указано выше, рассеяние тепла в линейном регуляторе в этой ситуации составляет 1,9 Вт на 100 мА или 19 Вт при 1 А. Это много тепла. При 1А, чтобы поддерживать температуру ниже температуры кипящей воды (100 ° С), когда температура окружающей среды была 25 ° С, вам необходимо общее тепловое сопротивление не более (100 ° С-25 ° С) / 19 Вт = 3,9 С / W. Поскольку переход к корпусу Rthjc уже превышает 3,9 при 5 ° C / Вт, в этих условиях нельзя поддерживать переход ниже 100 ° C. Соединение с одним корпусом только при 19 В и 1 А добавит 19 В х 1 А х 5 C / W = 95 ° C. Несмотря на то, что микросхема рассчитана на температуру до 150 ° C, это не очень хорошо для надежности и ее следует избегать, если это вообще возможно. Так же, как упражнение, чтобы ПРОСТО получить его ниже 150 ° C в вышеупомянутом случае, внешний радиатор должен быть (150-95) C / 19W = 2,9 C / W. Это' Это достижимо, но это больший радиатор, чем вы надеетесь использовать. Альтернативой является снижение рассеиваемой энергии и, следовательно, повышение температуры.

Способы уменьшения тепловыделения в регуляторе:

(1) Используйте регулятор переключения, такой как серия простых переключателей NatSemi. Переключающий регулятор производительности с эффективностью всего 70% значительно снизит рассеивание тепла, так как в регуляторе рассеивается только 2 Вт !.
т.е. энергия в = 7,1 Вт. Выход энергии = 70% = 5 Вт. Ток при 5 Вт при 5 В = 1 А.

Другой вариант - готовая замена для 3-контактного регулятора. Следующее изображение и ссылка взяты из части, упомянутой в комментарии Джея Коминека . OKI-78SR 1.5A, замена переключающего регулятора на 5 В для LM7805 . 7 В - 36 В

При 36 В, 5 В, 1,5 А КПД составляет 80%. Поскольку Pout = 5 В x 1,5 А = 7,5 Вт = 80%, мощность, рассеиваемая в регуляторе, составляет 20% / 80% x 7,5 Вт = 1,9 Вт. Очень терпимо Радиатор не требуется и может выдавать 1,5 А при 85 градусах С. [[Ошибки: только что заметил, что кривая ниже при 3,3 В. Часть 5 В управляет 85% при 1,5 А, так что лучше, чем выше.]]

(2) уменьшить напряжение

(3) уменьшить ток

(4) Рассеять некоторую энергию, внешнюю по отношению к регулятору.

Вариант 1 является лучшим в техническом отношении. Если это неприемлемо и если фиксированы 2 и 3, тогда необходим вариант 4.

Самая простая и (вероятно, лучшая) система внешнего рассеяния - это резистор. Последовательный силовой резистор, который падает с 24 В до напряжения, которое регулятор примет при максимальном токе, будет хорошо работать. Обратите внимание, что вам понадобится фильтрующий конденсатор на входе регулятора из-за сопротивления, что делает источник питания высоким сопротивлением. Скажите около 0,33 мкФ, больше не повредит. 1 мкФ керамика должна делать. Даже большая крышка, такая как алюминиевый электролитик от 10 до 100 мкФ, должна быть хорошей.

Предположим, что Vin = 24 В. Vregulator in min = 8V (запас / выпадение. Проверьте технические данные. Выбранный регистр говорит 8V при <1A.) Iin = 1 A.

Требуемое падение при 1А = 24 - 8 = 16В. Скажите 15В, чтобы быть "безопасным".
R = V / I = 15/1 = 15 Ом. Мощность = I ² * R = 1 x 15 = 15 Вт.
Резистор в 20 Вт будет минимальным.
25 Вт + резистор будет лучше.

Вот 15W резистор 15R по цене $ 3,30 / 1 на складе без свинца с таблицей данных здесь . Обратите внимание, что для этого также необходим радиатор !!! Вы МОЖЕТЕ купить бесплатные резисторы с номинальным сопротивлением до 100 Вт. То, что вы используете, это ваш выбор, но это будет работать хорошо. Обратите внимание, что он рассчитан на коммерческую мощность 25 Вт или на 20 Вт, поэтому на 15 Вт он "работает хорошо". Другой вариант - подходящая длина провода с соответствующим номинальным сопротивлением, смонтированного соответствующим образом. Скорее всего, производитель резисторов делает это лучше, чем вы.

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

Повышение спая регулятора будет на 5 ° C / Вт x 3 = 15 ° C выше случая. Вам нужно будет предусмотреть радиатор, чтобы регулятор и радиатор были довольны, но теперь это «просто вопрос техники».

Примеры радиаторов:

21 градус C (или K) на ватт

7,8 C / W

Digikey - много примеров радиаторов, включая этот 5.3 C / W радиатор

2,5 C / W

0,48 C / W !!!
119 мм в ширину х 300 мм в длину и 65 мм в высоту.
1 фут в длину, 4,7 дюйма в ширину, 2,6 дюйма в высоту

Хорошая статья по выбору радиатора

Тепловое сопротивление с принудительной конвекцией

Уменьшение рассеяния линейного регулятора с помощью последовательного входного резистора:

Как отмечено выше, использование последовательного резистора для сброса напряжения до линейного регулятора может значительно уменьшить рассеяние в регуляторе. В то время как для охлаждения регулятора обычно требуются радиаторы, резисторы с воздушным охлаждением можно получить дешево, которые способны рассеивать 10 или более Вт без использования радиатора. Решать проблемы с высоким входным напряжением обычно не очень хорошая идея, но это может иметь место.

В приведенном ниже примере LM317 5V выход 1A работает от 12В. Добавление резистора может более чем вдвое уменьшить рассеяние мощности в LM317 при наихудших условиях благодаря добавлению дешевого последовательного входного резистора с воздушным охлаждением.

Для LM317 требуется запас по напряжению от 2 до 2,5 В при более низких токах или, скажем, 2,75 В при экстремальной нагрузке и температуре. (См. Рис. 3 в спецификации , скопирован ниже).

Запасное напряжение LM317 или выходное напряжение

Размер Rin должен быть таким, чтобы он не падал при чрезмерном напряжении, когда V_12V находится на минимуме, Vdropout является наихудшим случаем для условий, и допускается падение последовательного диода и выходное напряжение.

Напряжение на резисторе всегда должно быть меньше, чем =

• Минимальный Вин

• меньше Максимальное падение Vdiode

• меньше наихудшего отсева, соответствующего ситуации

• меньшее выходное напряжение

Итак, Рин <= (v_12 - Vd - 2,75 - 5) / Imax.

Для минимального напряжения 12 В, скажем, падение диода 0,8 В и, скажем, выход 1 А, это
(12-0,8-2,75-5) / 1
= 3,45 / 1
= 3R45
= скажем 3R3.

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

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

Отличным примером подходящего резистора с воздушным охлаждением, установленного на проволочном выводе, был бы член этого хорошо определенного семейства проволочных резисторов Yageo с элементами с номинальной мощностью от 2 до 40 Вт с воздушным охлаждением. В Digikey есть в наличии 10-ваттные устройства по цене US $ 0,63 / 1.

Номинальная температура резистора и повышение температуры:

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

На левом графике показано, что 10-ваттный резистор, работающий при 3 Вт3 = 33% от его мощности. Допустимая температура окружающей среды составляет до 150 ° С (на самом деле около 180 ° С, если вы нарисуете рабочую точку на графике, но производитель говорит, что 150 ° С макс. разрешается.

Второй график показывает, что повышение температуры для резистора 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 повышение температуры на 140 ° C выше температуры окружающей среды. (40 Вт будет иметь рост около 75 ° C, но 2 x 10 Вт = при температуре ниже 50 ° C, а 10 x 2 Вт - только около 25 ° C !!!).

Уменьшая повышение температуры с увеличением числа резисторов с той же номинальной мощностью комбинированной в каждом случае, по- видимому , связанное с «Площадью кубы закона» действием , как там меньше площади поверхности охлаждения на единице объема по мере увеличения размера.

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

________________________________________

Добавлено август 2015 - тематическое исследование:

Кто-то задал разумный вопрос:

Не является ли более вероятным объяснением относительно высокая емкостная нагрузка (220 мкФ)? Например, из-за нестабильной работы регулятора колебания вызывают рассеивание большого количества тепла в регуляторе. В техническом описании все цепи для нормальной работы имеют только конденсатор 100 нФ на выходе.

Я ответил в комментариях, но они МОГУТ быть удалены со временем, и это достойное дополнение к теме, так что здесь комментарии, отредактированные в ответе.

В некоторых случаях колебания и нестабильность регулятора, безусловно, представляют собой проблему, но в этом случае, и многим нравится, наиболее вероятной причиной является избыточное рассеивание.

Семейство 78xxx очень старое и предшествует как современным регуляторам с малым выпадением, так и серийным (в стиле LM317). Семейство 78xxx, по сути, безусловно стабильно по отношению к Cout. На самом деле, они не нуждаются ни в одном для правильной работы, и часто показывается, что 0,1 мкФ - это резервуар для дополнительного всплеска или обработки пиков.
В некоторых связанных таблицах данных фактически говорится, что Cout можно «увеличить без ограничений», но я не вижу здесь такой заметки - но также (как я и ожидал) нет примечания, предполагающего нестабильность при высокой 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. ,

Рассеяние: при 24 Vin и 5 Vout регулятор рассеивает 19 мВт на мА. Rthja 50C / W для пакета TO220, поэтому вы получите примерно 1C на 1 мА тока.
Так, например, при рассеивании 1 Ватт в окружающем воздухе при 20 ° С корпус будет примерно при 65 ° С (и может быть больше в зависимости от того, как корпус ориентирован и расположен). 65C немного выше нижнего предела температуры «жги мне палец».
При 19 мВт / мА для рассеивания 1 Вт потребуется 50 мА. Фактическая нагрузка в приведенном примере неизвестна - он показывает светодиодный индикатор на 8 или 9 мА (если он красный) плюс нагрузка на используемый внутренний ток регулятора (ниже 10 мА) + «PIC18FXXXX), несколько светодиодов ... «Это общее количество 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 Tambient, типичное значение C / W и многое другое, кажется, что просто рассеяние является разумной причиной того, что он видит в этом случае - и того, что многие люди, использующие линейные регуляторы, будут испытывать в аналогичные случаи. Есть вероятность, что это нестабильность по причинам, менее очевидным, и никогда не следует отказываться от них без веской причины, но я бы начал рассеиваться.

В этом случае последовательный входной резистор (скажем, 5 Вт, рассчитанный на воздушное охлаждение) переместит большую часть рассеяния в компонент, более подходящий для работы с ним.
И / или скромный радиатор должен работать чудеса.

$\times$$\mu$

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

$R_{THJ-AMB}$

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

Это температура соединения, но упаковка всего на несколько градусов меньше горячей ( = 5 ° C / Вт). Это, очевидно, слишком жарко, чтобы его можно было потрогать; Эмпирическое правило (без каламбура) гласит, что при температуре около 60 ° C он становится слишком горячим для прикосновения. $R_{THJ-CASE}$

Так что это объясняет. Хотя теоретически значения все еще в безопасности, у вас может быть немного больше рассеяния наши значения немного консервативны так что это может объяснить обоняние. $-$$-$

Что с этим можно сделать?

Используйте переключатель (SMPS). Это самое хорошее решение. Коммутаторы имеют высокую эффективность, для номинальных напряжений, возможно, более 85%, поэтому рассеивание будет намного ниже. Для предполагаемой нагрузки это будет намного меньше, чем 100 мВт. Современные коммутаторы просты в использовании, но требуют некоторого внимания при выборе компонентов и компоновки печатной платы. Это важно для эффективности, расположение платы также важно для излучения. Это готовый модуль, на который ссылается Джей, а также Рассел, но здесь по сравнению с размером ТО-220:

Этот модуль доступен за 10 долларов США, так что, вероятно, не стоит накатывать свои собственные.

Другое решение: используйте радиатор , желательно не небольшой зажим, с достаточным количеством термопасты для обеспечения надлежащего теплового контакта. 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 быть не вариант.

Решение 4: распределите диссипацию по нескольким компонентам. Вы можете использовать каскадные регуляторы, например, использовать LM7815 между 24 В и L78S05. Тогда разность напряжений 19 В становится равной 9 В для 7815 и 10 В для 78S05, так что это будет вдвое меньше рассеивания на устройство. Дополнительным преимуществом является то, что вы получаете намного лучшее регулирование линии, если это важно.

И последнее замечание: ваш регулятор - это специальная версия, рассчитанная на 2А, тогда как обычный 7805 может выдавать 1А. Если вы планируете использовать полный 2А, я бы серьезно подумал о коммутаторе.

редактировать
Рассел указывал на резистор в своем ответе, и это на самом деле тоже вариант, хотя я не предпочитаю его. Ниже я объясню, почему нет.
Я хотел бы добавить кое-что о рассеянии для этого решения, начиная с резистора Рассела 15 . $\Omega$

P = V I, и когда имеется небольшой ток, этот коэффициент в уравнении поддерживает низкую рассеиваемую мощность в регуляторе, но также и при высоком значении тока падение напряжения на резисторе будет высоким, оставляя меньшее падение напряжения над регулятор, также дающий низкое рассеивание. Между этими двумя рассеяние будет выше. $\times$

Можно доказать, что рассеивание в регуляторе максимально, когда оно равно рассеиванию 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. Рассеяние в резисторе и регуляторе тогда

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

Вывод: даже при последовательном резисторе рассеиваемая мощность в регуляторе может быть высокой, и мы видим, что она выше для 0.63A, чем для 1A! Важно выбрать значение резистора в зависимости от ожидаемых требований к току.
Распределение мощности будет одинаковым в обоих устройствах и не зависит от тока, когда вы используете второй регулятор вместо резистора. Вот почему я не очень люблю решение с резисторами.

Падение напряжения и отсутствие радиатора вызывает значительное рассеивание. В техническом описании указано тепловое сопротивление 50 ° C / 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 положение вещей, добавив радиатор, снизив входное напряжение или снизив ток в вашей цепи. Или вы можете использовать импульсный регулятор. Для подробного объяснения линейного регулирования и тепловых соображений см. Здесь: Руководство для цифровых дизайнеров по линейным регуляторам напряжения и терморегулированию

Это нормальное поведение для этого регулятора?

Да.

Что может заставить его так сильно нагреваться?

Нагревание вызвано падением напряжения на регуляторе и током, проходящим через него. Рассеиваемая мощность, Pd = (24 В-5 В) * Iout.

Эффективность регулятора Vout / Vin = 5/24 = 0,21 или 21%. Другими словами, на каждый 1 Вт выходной мощности требуется 5 Вт входной мощности, и эта разница рассеивается в регуляторе.

Понижение входного напряжения поможет этому.

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

Это была отличная дискуссия. Я подумал, что было бы полезно иметь простой и бесплатный онлайновый симуляционный «испытательный стенд», который позволит вам вводить параметры таблицы данных для вашего конкретного линейного регулятора и сообщать вам установившиеся и даже переходные рабочие температуры. Эти параметры включают в себя выходное напряжение, тепловые характеристики (например, rthj_case), а также нагрузку в условиях входного напряжения.

Вот ссылка на « Линейный регулятор температуры искателя ». Вам просто нужно сделать копию дизайна, а затем внести любые изменения в соответствии с вашим конкретным устройством и схемой.