Mi regulador de voltaje lineal se sobrecalienta muy rápido

Estoy usando un regulador de voltaje de 5 V / 2 A ( L78S05 ) sin un disipador térmico. Estoy probando el circuito con un microcontrolador (PIC18FXXXX), algunos LED y un zumbador piezoeléctrico de 1 mA. El voltaje de entrada es de aprox. 24 VDC. Después de funcionar durante un minuto, el regulador de voltaje comienza a sobrecalentarse, lo que significa que me quema el dedo si lo mantengo allí durante más de un segundo. A los pocos minutos comienza a oler a quemado. ¿Es este un comportamiento normal para este regulador? ¿Qué podría hacer que se caliente tanto?

Otros componentes utilizados en este circuito:

L1: filtro EMI BNX002-01

R2: varistor

F1: fusible 0154004.DR

Resumen: ¡NECESITA UN DISPENSADOR DE CALOR AHORA! :-)
[y tener una resistencia en serie también no estaría de más :-)]

Pregunta bien formulada Su pregunta se hace bien, mucho mejor de lo habitual.
El diagrama del circuito y las referencias son apreciadas.
Esto hace que sea mucho más fácil dar una buena respuesta la primera vez.
Esperemos que este sea uno ... :-)

Tiene sentido (por desgracia): el comportamiento es completamente esperado.
Está sobrecargando térmicamente el regulador.
Debe agregar un disipador de calor si desea usarlo de esta manera.
Se beneficiaría enormemente de una comprensión adecuada de lo que está sucediendo.

Potencia = Voltios x Corriente.

Para un regulador lineal Potencia total = Potencia en carga + Potencia en regulador.

Regulador V _caída = V _en - V _carga
Aquí V _caída en el regulador = 24-5 = 19V.

Aquí Alimentación = 24V x I _carga
Potencia en carga = 5V x I _carga
Potencia en regulador = (24V-5V) x _Carga .

Para 100 mA de corriente de carga, el regulador disipará
V _caída x I _carga (24-5) x 0.1 A = 19 x 0.1 = 1.9 vatios.

¿Qué tan caliente ?: La página 2 de la hoja de datos dice que la resistencia térmica desde la unión al ambiente (= aire) es de 50 grados C por vatio. Esto significa que por cada vatio que disipe obtendrá un aumento de 50 grados C. A 100 mA, tendría una disipación de aproximadamente 2 vatios o aproximadamente 2 x 50 = aumento de 100C. El agua herviría felizmente en el CI.

Lo más caliente que la mayoría de las personas puede mantener a largo plazo es 55C. El tuyo es más caliente que eso. No mencionaste el agua hirviendo (prueba de chisporroteo de dedos húmedos). Supongamos que tiene ~~ 80C de temperatura de la carcasa. Supongamos que la temperatura del aire es de 20 ° C (porque es fácil: unos pocos grados en ambos sentidos hacen poca diferencia.

T _subida = T _caja -T _ambiente = 80-20 = 60 ° C. Disipación = _{aumento de} T / R _th = 60/50 ~ = 1.2 vatios.

A una caída de 19v 1.2 W = 1.2 / 19 A = 0.0632 A o aproximadamente 60 mA.

es decir, si está consumiendo alrededor de 50 mA, obtendrá una temperatura de la caja de 70 ° C a 80 ° C.

Necesitas un disipador de calor .

Arreglando: La hoja de datos de la página 2 dice R _thj-case = resistencia térmica de la unión a la caja es 5C / W = 10% de la unión al aire.

Si utiliza un disipador térmico de 10 C / W, entonces R _th total será R _{_jc} + R _{c_amb} (agregue la unión de caja a caja al aire).
= 5 + 10 = 15 ° C / vatio.
Para 50 mA obtendrá 0.050A x 19V = 0.95W o un aumento de 15 ° C / Watt x 0.95 ~ = aumento de 14 ° C.

Incluso con un aumento de 20 ° C y una temperatura ambiente de 25 V, obtendrá una temperatura del disipador térmico de 20 + 25 = 45 ° C.
El disipador de calor estará caliente pero podrá sostenerlo sin (demasiado) dolor.

Vencer el calor:

Como anteriormente, la disipación de calor en un regulador lineal en esta situación es de 1.9 vatios por 100 mA o 19 vatios a 1A. Eso es mucho calor. A 1 A, para mantener la temperatura por debajo de la temperatura del agua hirviendo (100 ° C) cuando la temperatura ambiente era de 25 C, necesitaría una resistencia térmica general de no más de (100 ° C-25 ° C) / 19 vatios = 3.9 C / W. Como la unión al caso Rthjc ya es mayor que 3.9 a 5 C / W, no puede mantener la unión por debajo de 100 ° C en estas condiciones. La unión a la caja sola a 19V y 1A agregará 19V x 1A x 5 C / W = 95 ° C de aumento. Si bien el IC está clasificado para permitir temperaturas de hasta 150 ° C, esto no es bueno para la confiabilidad y debe evitarse si es posible. Solo como ejercicio, para SOLO obtenerlo por debajo de 150 ° C en el caso anterior, el disipador térmico externo debería ser (150-95) C / 19W = 2.9 C / W. Ese' s alcanzable pero es un disipador térmico más grande de lo que esperaría usar. Una alternativa es reducir la energía disipada y, por lo tanto, el aumento de la temperatura.

Las formas de reducir la disipación de calor en el regulador son:

(1) Utilice un regulador de conmutación como la serie de conmutadores simples NatSemi. ¡Un regulador de conmutación de rendimiento con incluso solo un 70% de eficiencia reducirá la disipación de calor dramáticamente ya que solo se disipan 2 vatios en el regulador!
es decir, energía en = 7,1 vatios. Energía fuera = 70% = 5 vatios. Corriente a 5 vatios a 5V = 1A.

Otra opción es un reemplazo prefabricado para un regulador de 3 terminales. La siguiente imagen y enlace son de la parte mencionada en un comentario de Jay Kominek . OKI-78SR 1.5A, caída de 5V en reemplazo del regulador de conmutación para un LM7805 . 7V - 36V pulg.

Con 36 voltios de entrada, 5V de salida, la eficiencia de 1.5A es del 80%. Como Pout = 5V x 1.5A = 7.5W = 80%, la potencia disipada en el regulador es 20% / 80% x 7.5W = 1.9 vatios. Muy tolerable No se requiere disipador térmico y puede proporcionar 1,5 A a 85 grados C. [[Errata: Acabo de notar que la curva a continuación está a 3.3V. La parte de 5V maneja 85% a 1.5A, así que es mejor que la anterior.]]

(2) reducir el voltaje

(3) reducir la corriente

(4) Disipar algo de energía externa al regulador.

La opción 1 es la mejor técnicamente. Si esto no es aceptable y si 2 y 3 son fijos, entonces se necesita la opción 4.

El sistema de disipación externa más fácil y (probablemente el mejor) es una resistencia. Una resistencia de potencia en serie que cae de 24V a un voltaje que el regulador aceptará a la corriente máxima hará el trabajo bien. Tenga en cuenta que necesitará un condensador de filtro en la entrada al regulador debido a la resistencia que hace que la fuente sea de alta impedancia. Digamos sobre 0.33uF, más no hará daño. Una cerámica de 1 uF debería hacer. Incluso una tapa más grande, como un electrolítico de aluminio de 10 uF a 100 uF, debería ser buena.

Suponga Vin = 24 V. Regulador en min = 8V (altura libre / deserción. Verifique la hoja de datos. El registro seleccionado dice 8V a <1A.) Iin = 1 A.

Caída requerida a 1A = 24 - 8 = 16V. Diga 15V para estar "seguro".
R = V / I = 15/1 = 15 ohmios. Potencia = I ² * R = 1 x 15 = 15 vatios.
Una resistencia de 20 vatios sería marginal.
Una resistencia de 25W + sería mejor.

Aquí hay una resistencia de 25W 15R con un precio de $ 3.30 / 1 en stock sin plomo con la hoja de datos aquí . ¡Tenga en cuenta que esto también necesita un disipador de calor! PUEDE comprar resistencias libres de aire de hasta 100's de vatios. Lo que usa es su elección, pero esto funcionaría bien. Tenga en cuenta que tiene una potencia de 25 vatios comercial o 20 vatios militar, por lo que a 15 vatios le está "yendo bien". Otra opción es una longitud adecuada de cable de resistencia de capacidad adecuada montado adecuadamente. Las probabilidades son que un fabricante de resistencias ya lo hace mejor que usted.

Con esta disposición:
Potencia total
= 24 W Potencia de resistencia = 15 vatios
Potencia de carga = 5 vatios
Potencia del regulador = 3 vatios

El aumento de la unión del regulador será de 5 C / W x 3 = 15 ° C por encima de la carcasa. Deberá proporcionar un disipador térmico para mantener contentos al regulador y al disipador térmico, pero eso ahora es "solo una cuestión de ingeniería".

Ejemplos de disipadores de calor:

21 grados C (o K) por vatio

7.8 C / W

Digikey: muchos ejemplos de disipadores de calor, incluido este disipador de calor 5.3 C / W

2.5 C / W

0.48 C / W !!!
119 mm de ancho x 300 mm de largo x 65 mm de alto.
1 pie de largo x 4.7 "de ancho x 2.6" de alto

Buen artículo sobre selección de disipador térmico

Calentamiento por convección forzada resistencia térmica

Reducción de la disipación del regulador lineal con una resistencia de entrada en serie:

Como se señaló anteriormente, el uso de una resistencia en serie para reducir la tensión antes de un regulador lineal puede reducir en gran medida la disipación en el regulador. Si bien el enfriamiento de un regulador generalmente requiere disipadores de calor, se pueden obtener resistencias enfriadas por aire a bajo costo que pueden disipar 10 o más vatios sin necesidad de un disipador de calor. Por lo general, no es una buena idea resolver problemas de alto voltaje de entrada de esta manera, pero puede tener su lugar.

En el siguiente ejemplo, una fuente LM317 de 5V con salida de 1A operada desde 12V. Agregar una resistencia puede más que reducir a la mitad la disipación de potencia en el LM317 en las peores condiciones agregando una resistencia de entrada en serie barata montada en cable refrigerada por aire.

El LM317 necesita espacio libre de 2 a 2.5V a corrientes más bajas o digamos 2.75V bajo condiciones extremas de carga y temperatura. (Consulte la Fig. 3 en la hoja de datos , copiada a continuación).

LM317 altura libre o tensión de caída

Rin tiene que dimensionarse de manera que no caiga un voltaje excesivo cuando V_12V está en su mínimo, Vdropout es el peor de los casos para las condiciones y se permite la caída de diodos en serie y el voltaje de salida.

El voltaje a través de la resistencia siempre debe ser menor que =

• Vin mínimo

• menos caída máxima de Vdiode

• Menos deserción del peor caso relevante a la situación

• menos voltaje de salida

Entonces Rin <= (v_12 - Vd - 2.75 - 5) / Imax.

Para Vin mínimo de 12V, y digamos una caída de diodo de 0.8V y digamos 1 amp out que es
(12-0.8-2.75-5) / 1
= 3.45 / 1
= 3R45
= digamos 3R3.

Potencia en R = I ^ 2R = 3.3W, por lo que una parte de 5W sería marginalmente aceptable y 10W sería mejor.

La disipación en el LM317 cae de> 6 vatios a <3 vatios.

Un excelente ejemplo de una resistencia adecuada refrigerada por aire montada con cable de alambre sería un miembro de esta familia de resistencias enrolladas con alambre Yageo muy bien especificada con miembros clasificados de 2W a 40W enfriados por aire. Hay unidades de 10 vatios en stock en Digikey a $ US0.63 / 1.

Resistencias de temperatura ambiente y aumento de temperatura:

Es bueno tener estos dos gráficos de la hoja de datos anterior que permiten estimar los resultados del mundo real.

El gráfico de la izquierda muestra que una resistencia de 10 vatios operada a 3W3 = 33% de su tasa de vataje tiene una temperatura ambiente permisible de hasta 150 C (en realidad, aproximadamente 180 C si traza el punto de operación en el gráfico, pero el fabricante dice que 150 C máx. Es permitido.

El segundo gráfico muestra que el aumento de temperatura para una resistencia de 10 W que funciona a 3 W 3 será de aproximadamente 100 ° C por encima de la temperatura ambiente. Una resistencia de 5 W de la misma familia estaría funcionando al 66% de la capacidad nominal y tendría un aumento de temperatura de 140 ° C por encima de la temperatura ambiente. (¡¡Un 40W tendría un aumento de aproximadamente 75C pero 2 x 10W = menos de 50C y 10 x 2W solo alrededor de 25C !!!.

El aumento de temperatura decreciente con un número creciente de resistencias con la misma potencia combinada en cada caso se relaciona presumiblemente con la acción de la "Ley del cubo cuadrado", ya que hay menos área de superficie de enfriamiento por volumen a medida que aumenta el tamaño.

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

________________________________________

Agregado en agosto de 2015 - Estudio de caso:

Alguien hizo la pregunta razonable:

¿No es una explicación más probable la carga capacitiva relativamente alta (220 µF)? Por ejemplo, haciendo que el regulador se vuelva inestable, las oscilaciones causan mucho calor disipado en el regulador. En la hoja de datos, todos los circuitos para el funcionamiento normal solo tienen un condensador de 100 nF en la salida.

Respondí en los comentarios, pero PUEDEN eliminarse a su debido tiempo y esta es una adición valiosa al tema, así que aquí están los comentarios editados en la respuesta.

En algunos casos, la oscilación y la inestabilidad del regulador ciertamente es un problema, pero, en este caso y a muchos les gusta, la razón más probable es la disipación excesiva.

La familia 78xxx es muy antigua y es anterior a los reguladores modernos de baja caída y a los alimentados en serie (estilo LM317). La familia 78xxx es esencialmente incondicionalmente estable con respecto a Cout. De hecho, no necesitan ninguno para una operación adecuada y el 0.1uF que se muestra a menudo es para proporcionar un depósito para proporcionar un aumento adicional o manejo de picos.
En algunas de las hojas de datos relacionadas, en realidad dicen que Cout se puede "aumentar sin límite", pero no veo esa nota aquí, pero también (como era de esperar) no hay ninguna nota que sugiera inestabilidad en Cout alto. En la figura 33 en la página 31 de la hoja de datos, muestran el uso de un diodo inverso para "proteger contra" cargas de alta capacitancia ", es decir, condensadores con suficiente energía como para causar daños si se descargan en la salida, es decir, mucho más de 0.1 uF .

Disipación: a 24 Vin y 5 Vout, el regulador disipa 19 mW por mA. Rthja es 50C / W para el paquete TO220, por lo que obtendría un aumento de aproximadamente 1C por mA de corriente.
Entonces, con una disipación de 1 vatio en aire ambiente a 20 ° C, la carcasa estaría a unos 65 ° C (y podría depender más de cómo se orienta y ubica la carcasa). 65C está algo por encima del límite inferior de la temperatura de "quemar mi dedo".
A 19 mW / mA, se necesitarían 50 mA para disipar 1 vatio. Se desconoce la carga real en el ejemplo dado: muestra un LED indicador de aproximadamente 8 o 9 mA (si es rojo) más una carga de la corriente interna del regulador utilizada (menos de 10 mA) + "PIC18FXXXX), algunos LED ... "Ese total podría alcanzar o superar los 50 mA dependiendo del circuito PIC, o PUEDE ser mucho menor. El |

En general, dada la familia de reguladores, el voltaje diferencial, la incertidumbre de enfriamiento real, la incertidumbre de Tambient, la cifra típica de C / W y más, parece que la simple disipación es una razón razonable de lo que ve en este caso, y de lo que muchas personas que usan reguladores lineales experimentarán en casos similares Existe la posibilidad de que sea inestabilidad por razones menos obvias, y nunca debería rechazarse sin una buena razón, pero comenzaría con la disipación.

En este caso, una resistencia de entrada en serie (digamos 5W con enfriamiento por aire) movería gran parte de la disipación a un componente más adecuado para manejarlo.
Y / o un disipador de calor modesto debería hacer maravillas.

$\times$$\mu$

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

$R_{THJ-AMB}$

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

$R_{THJ-CASE}$

$-$$-$

¿Qué se puede hacer al respecto?

Use un conmutador (SMPS). Esta es la mejor solución. Los conmutadores tienen una alta eficiencia, para los voltajes nominales posiblemente superiores al 85%, por lo que la disipación será mucho menor. Para la carga estimada aproximada, será mucho menos de 100 mW. Los conmutadores de hoy son fáciles de usar, pero necesitan un poco de atención al seleccionar componentes y para el diseño de la PCB. Estos son importantes para la eficiencia, el diseño de la placa también es importante para la radiación. Este es un módulo listo que Jay y Russell también mencionaron, pero aquí en comparación con el tamaño de un TO-220:

Este módulo está disponible por USD 10, por lo que probablemente no valga la pena rodar el suyo.

Otra solución: use un disipador de calor , preferiblemente no un clip pequeño, con suficiente pasta térmica para garantizar un contacto térmico adecuado. Este tiene una resistencia térmica de 3.1 ° C / W (¡por debajo de 50 ° C / W!) Y puede disipar 9W con un aumento de temperatura de 60 ° C.

Solución 3: use un voltaje de entrada más bajo . Puede que no sea una opción.

Solución 4: distribuya la disipación en varios componentes. Puede conectar en cascada los reguladores, como usar un LM7815 entre los 24 V y el L78S05. Luego, la diferencia de voltaje de 19 V se convierte en 9 V para el 7815 y 10 V para el 78S05, por lo que se reduciría la mitad de la disipación por dispositivo. Una ventaja adicional es que obtienes una regulación de línea mucho mejor, si eso es importante.

Una nota final: su regulador es una versión especial capaz de 2A, mientras que el 7805 habitual puede entregar 1A. Si planea usar el 2A completo, consideraría seriamente el conmutador.

$\Omega$

$\times$

Se puede demostrar que la disipación en el regulador es máxima cuando es igual a la disipación en la resistencia, de modo que

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

o

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

por lo tanto

$I = 0.633A$

que concuerda con lo que vemos en el gráfico. La disipación tanto en la resistencia como en el regulador es entonces

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

Conclusión: incluso con una resistencia en serie, la disipación de potencia en el regulador puede ser alta, ¡y vemos que es mayor para 0.63A que para 1A! Es importante elegir el valor de la resistencia en función de los requisitos de corriente esperados.
La distribución de potencia será igual en ambos dispositivos e independiente de la corriente cuando use un segundo regulador en lugar de una resistencia. Es por eso que no soy tan aficionado a la solución de resistencia.

La caída de voltaje y la ausencia de disipador de calor están causando una disipación significativa. La hoja de datos especifica una resistencia térmica de 50C / W Tja sin disipador térmico.

Un ejemplo aproximado: supongamos que está utilizando 100 mA: (24-5) * 0.1 = 1.9W

1.9 * 50 = ~ 95 grados de aumento por encima de la temperatura ambiente, por lo que la temperatura general será de alrededor de 115 grados C.

Puede mejorar las cosas agregando un disipador térmico, bajando el voltaje de entrada o hundiendo menos corriente en su circuito. O puede usar un regulador de conmutación. Para obtener una explicación detallada de la regulación lineal y las consideraciones térmicas, consulte aquí: Guía del diseñador digital para reguladores de voltaje lineal y gestión térmica

¿Es este un comportamiento normal para este regulador?

Si.

¿Qué podría hacer que se caliente tanto?

El calor es causado por la caída de voltaje a través del regulador y la corriente que lo atraviesa. Disipación de potencia, Pd = (24V-5V) * Iout.

La eficiencia del regulador es Vout / Vin = 5/24 = 0.21 o 21%. En otras palabras, por cada 1 vatio de salida necesita 5 vatios de entrada y esa diferencia se disipa en el regulador.

Bajar el voltaje de entrada ayudaría a esto.

Los reguladores lineales son la forma "rápida y sucia" de hacerlo. Funciona y es barato y efectivo. Funcionan descargando el exceso de energía como calor, no hay conversión activa aquí. Obtener 5v de 24v es una gran caída, no es de extrañar que te esté quemando. Mi mejor curso de acción es cambiar a un suministro de menor voltaje, digamos 12v o incluso mejor 9v para minimizar las pérdidas. (Diablos, incluso me vería obligado a usar solo 5v y renunciar al regulador por completo) Otras cosas que otros han sugerido son: agregar un disipador de calor, resistencia en serie o cambiar a un regulador de conmutación (activo).

Esta ha sido una gran discusión. Pensé que podría ser útil tener un "banco de pruebas" de simulación en línea simple y gratuito que le permita ingresar los parámetros de la hoja de datos para su regulador lineal particular, y le dirá las temperaturas de funcionamiento en estado estacionario e incluso transitorias. Estos parámetros incluyen el voltaje de salida, las características térmicas (por ejemplo, rthj_case), más la carga de las condiciones de voltaje de entrada.

Aquí hay un enlace al " Buscador de temperatura del regulador lineal ". Solo necesita hacer una copia del diseño y luego hacer cualquier cambio para adaptarse a su dispositivo y circuito en particular.