Mi regulador lineal de voltaje se está sobrecalentando muy rápido

Question

Estoy usando un regulador de voltaje de 5 V / 2 A (L78S05) sin disipador de calor. Estoy probando el circuito con un microcontrolador (PIC18FXXXX), unos cuantos LEDs y un zumbador piezoeléctrico de 1 mA. El voltaje de entrada es aprox. 24 VCC. 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 por más de un segundo. En pocos minutos comienza a oler como si estuviera quemado. ¿Es este un comportamiento normal para este regulador? ¿Qué podría causar que se caliente tanto?

Otros componentes utilizados en este circuito:

L1: Filtro EMI BNX002-01

R2: Varistor

F1: Fusible 0154004.DR

Answer 1

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

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Pregunta bien formulada Su pregunta está bien formulada, mucho mejor de lo habitual.
Se agradece el diagrama del circuito y las referencias.
Así es mucho más fácil dar una buena respuesta a la primera.
Esperemos que esta sea una... :-)

Tiene sentido (por desgracia): El comportamiento es totalmente esperable.
Estás sobrecargando térmicamente el regulador.
Es necesario añadir un disipador de calor si se quiere utilizar 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 la carga + Potencia en el regulador.

Regulador V _{gota a gota} \= V _en - V _carga
Aquí V _{gota a gota} en el regulador = 24-5 = 19V.

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

Para 100 mA de corriente de carga, el regulador disipará
V _{gota a gota} x I _carga (24-5) x 0,1 A = 19 x 0,1 = 1,9 vatios.

¿Cómo de caliente? La página 2 de la hoja de datos dice que la resistencia térmica de la unión al ambiente (= aire) es de 50 grados C por vatio. Esto significa que por cada vatio disipado se obtienen 50 grados C de aumento. A 100 mA tendrías sobre 2 vatios de disipación o aproximadamente 2 x 50 = 100°C de aumento. El agua herviría alegremente en el CI.

Lo más caliente que la mayoría de la gente puede aguantar a largo plazo es 55°C. El tuyo está más caliente que eso. No mencionaste que hirviera con agua (prueba del chisporroteo del dedo mojado). Asumamos que tienes ~~ 80°C de temperatura en la caja. Supongamos que la temperatura del aire es de 20°C (porque es fácil - unos pocos grados de cualquier manera hacen poca diferencia.

T _subir \= T _caso -T _ambiente \= 80°C - 20°C = 60°C. Disipación = T _subir /R _th \= 60/50 ~= 1,2 vatios.

Con una caída de 19v, 1,2 W = 1,2/19 A = 0,0632 A o unos 60 mA.

es decir, si está dibujando alrededor de 50 mA obtendrá una temperatura de la caja de 70 ° C - 80 ° C rango de grados.

Necesitas un disipador de calor .

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

Si se utiliza un disipador de 10 C/W, entonces el total de R _th será R _{El problema es que no se puede hacer nada para evitarlo.} + R _{c_amb} (añadir la unión a la caja a la caja al aire).
\= 5+10 = 15°C/Watt.
Para 50 mA obtendrá 0,050A x 19V = 0,95W o un aumento de 15°C/Watt x 0,95 ~= 14°C de aumento.

Incluso con un aumento de 20°C y un ambiente de 25V obtendrás 20+25 = 45°C de temperatura en el disipador.
El disipador estará caliente, pero podrás sujetarlo sin (demasiado) dolor.

Vencer el calor:

Como en el caso anterior, 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 1A, para mantener la temperatura por debajo de la temperatura del agua hirviendo (100°C) cuando la temperatura ambiente es de 25°C, se necesitaría una resistencia térmica global de no más de (100°C-25°C)/19 vatios = 3,9°C/W. Como la Rthjc de la unión a la caja ya es mayor que 3,9 a 5°C/W, no se puede mantener la unión por debajo de 100°C en estas condiciones. La unión a la carcasa sola a 19V y 1A añadirá 19V x 1A x 5°C/W = 95°C de aumento. Aunque el CI está preparado para permitir temperaturas de hasta 150°C, esto no es bueno para la fiabilidad y debería evitarse si es posible. Sólo como un ejercicio, para conseguirlo por debajo de 150°C en el caso anterior, el disipador externo tendría que ser (150-95)°C/19W = 2,9°C/W. Eso es alcanzable pero es un disipador más grande de lo que se espera utilizar. Una alternativa es reducir la energía disipada y, por tanto, el aumento de 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 de NatSemi. ¡Un regulador de conmutación de rendimiento con incluso sólo el 70% de eficiencia reducirá la disipación de calor dramáticamente como sólo 2 vatios se disipa en el regulador!
Es decir, energía de entrada = 7,1 vatios. Energía de salida = 70% = 5 vatios. Corriente de 5 vatios a 5V = 1A.

Otra opción es un repuesto prefabricado para un regulador de 3 terminales. La siguiente imagen y el enlace son de la parte a la que se refiere un comentario de Jay Kominek . OKI-78SR Regulador de conmutación de 1,5A y 5V que sustituye a un LM7805 . 7V - 36V en.

A 36 voltios de entrada, 5V de salida, 1,5A la eficiencia es del 80%. Como Pout = 5V x 1,5A = 7,5W = 80%, la potencia disipada en el regulador es del 20%/80% x 7,5W = 1,9 vatios. Muy tolerable. No requiere disipador y puede proporcionar 1,5A de salida a 85 grados C. [[Errata: Acabo de notar que la curva de abajo es a 3.3V. La parte de 5V maneja el 85% a 1.5A así que es mejor que lo anterior]].

(2) Reducir la tensión

(3) Reducir la corriente

(4) Disipar algo de energía externa al regulador.

La opción 1 es la mejor técnicamente. Si no es aceptable y si se arreglan las opciones 2 y 3, se necesita la opción 4.

El sistema de disipación externa más sencillo y (probablemente el mejor) es una resistencia. Una resistencia de potencia en serie que baje de 24V a un voltaje que el regulador acepte a la corriente máxima hará bien el trabajo. Tenga en cuenta que querrá un condensador de filtro en la entrada del regulador debido a la resistencia que hace que la alimentación sea de alta impedancia. Digamos que alrededor de 0,33uF, más no hará daño. Una cerámica de 1 uF debería ser suficiente. Incluso un tapón más grande como un electrolítico de aluminio de 10 uF a 100 uF debería ser bueno.

Supongamos que Vin = 24 V. Vregulador en min. = 8V (espacio libre/desconexión. Compruebe la hoja de datos. El reg seleccionado dice 8V a <1A.) Iin = 1 A.

Caída necesaria a 1A = 24 - 8 = 16V. Digamos 15V para estar "seguros".
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 a un precio de 3,30$/1 en stock sin plomo con hoja de datos aquí . ¡¡¡Tenga en cuenta que esto también necesita un disipador de calor!!! Usted PUEDE comprar resistencias de aire libre hasta 100's de vatios. Lo que usted utiliza es su opción pero esto trabajaría bien. Tenga en cuenta que está clasificado en 25 vatios comercial o 20 vatios militar por lo que en 15W que está "haciendo bien". Otra opción es una longitud adecuada de correctamente calificado cable de resistencia montado adecuadamente. Lo más probable es que un fabricante de resistencias ya lo haga mejor que tú.

Con este arreglo:
Potencia total = 24W
Potencia de la 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 caja. Tendrá que proporcionar un disipador para mantener el regulador y el disipador contentos, pero eso es ahora "sólo una cuestión de ingeniería".

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Ejemplos de disipadores:

21 grados °C (o °K) por vatio

7,8°C/W

Digikey - muchos ejemplos de disipadores incluyendo este disipador de 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 del disipador

Resistencia térmica del disipador por convección forzada

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

Como se ha señalado anteriormente, el uso de una resistencia en serie para bajar la tensión antes de un regulador lineal puede reducir en gran medida la disipación en el regulador. Aunque la refrigeración de un regulador suele requerir disipadores, se pueden obtener resistencias refrigeradas por aire a bajo precio que son capaces de disipar 10 o más vatios sin necesidad de un disipador. No suele ser una buena idea resolver los problemas de alta tensión de entrada de esta manera, pero puede tener su lugar.

En el ejemplo de abajo un LM317 de 5V de salida 1A de suministro operado desde 12V. Añadiendo una resistencia se puede reducir a más de la mitad la disipación de potencia en el LM317 en las peores condiciones añadiendo una resistencia de entrada en serie barata y refrigerada por aire.

El LM317 necesita de 2 a 2,5V de margen de maniobra a bajas corrientes o, por ejemplo, 2,75V en condiciones extremas de carga y temperatura. (Véase la Fig. 3 en el hoja de datos , - copiado a continuación).

Tensión de cabeza o de caída del LM317

Rin tiene que ser dimensionado de tal manera que no deje caer un voltaje excesivo cuando V_12V está en su mínimo, Vdropout es el peor caso para las condiciones y la caída del diodo en serie y el voltaje de salida están permitidos.

La tensión a través de la resistencia debe ser siempre inferior a =

• Vin mínimo

• menos Caída máxima del diodo V

• menos El peor caso de abandono es relevante para la situación

• menos tensión de salida

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

Para 12V mínimo Vin, y digamos 0.8V de caída del diodo y digamos 1 amperio de salida 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 pieza 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 montada con cable y refrigerada por aire sería un miembro de este grupo bien especificado Familia de resistencias de hilo Yageo con miembros de 2W a 40W refrigerados por aire. Hay unidades de 10 vatios en stock en Digikey a 0,63 dólares/1.

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Valores nominales de la temperatura ambiente de las resistencias y aumento de la 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 vatios tiene una temperatura ambiente permitida de hasta 150 C (en realidad unos 180 C si se traza el punto de funcionamiento en el gráfico, pero el fabricante dice que se permiten 150 C como máximo.

El segundo gráfico muestra que el aumento de temperatura para una resistencia de 10 W operada a 3W3 será de unos 100°C por encima del ambiente. Una resistencia de 5 W de la misma familia funcionaría al 66% del valor nominal y tendría un aumento de temperatura de 140°C por encima de la temperatura ambiente. (Una de 40 W tendría un aumento de unos 75°C, pero 2 x 10 W = menos de 50°C y 10 x 2 W sólo unos 25°C).

El disminuyendo El aumento de la temperatura con un número creciente de resistencias con la misma potencia combinada en cada caso está presumiblemente relacionado con la acción de la "ley del cuadrado", ya que hay menos superficie de refrigeración por volumen a medida que aumenta el tamaño.

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

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Añadido en agosto de 2015 - Estudio de caso:

Alguien ha hecho una pregunta razonable:

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

Respondí en los comentarios, pero PUEDEN ser borrados en su momento y este es un aporte que vale la pena para el tema, así que aquí están los comentarios editados en la respuesta.

En algunos casos, la oscilación y la inestabilidad del regulador son ciertamente un problema, pero en este caso y en muchos otros similares, la razón más probable es el exceso de disipación.

La familia 78xxx es muy antigua y es anterior tanto a los reguladores modernos de baja caída como a los alimentados en serie (estilo LM317). La familia 78xxx es esencialmente estable con respecto a Cout. De hecho, no necesitan ninguna para funcionar correctamente y el 0,1uF que se muestra a menudo es para proporcionar un depósito para proporcionar un manejo extra de picos o sobretensiones.
En algunas de las hojas de datos relacionadas dicen que Cout puede ser "aumentado sin límite" pero no veo tal nota aquí - pero también (como esperaría) no hay ninguna nota sugiriendo inestabilidad a Cout alto. En la figura 33 de 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 energía lo suficientemente alta 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 de 50 C/W para el encapsulado TO220, por lo que se obtendría un aumento de aproximadamente 1°C por cada mA de corriente.
Así que, con una disipación de 1 vatio en un aire ambiente de 20 C, la carcasa estaría a unos 65°C (y podría ser más, dependiendo de cómo esté orientada y ubicada la carcasa). 65°C está algo por encima del límite inferior de la temperatura de "quemarse el dedo".
A 19 mW/mA se necesitarían 50 mA para disipar 1 vatio. La carga real en el ejemplo dado es desconocida - muestra un LED indicador a unos 8 o 9 mA (si es rojo) más una carga de la corriente interna del regulador utilizada (menos de 10 mA) + "PIC18FXXXX), unos cuantos LEDs ..." Ese total podría alcanzar o superar los 50 mA dependiendo del circuito del PIC, o PODRÍA ser mucho menos. |

En general, dada la familia de reguladores, el voltaje diferencial, la incertidumbre de la refrigeración real, la incertidumbre de los tambores, la cifra típica de C/W y otras cosas, parece que la disipación pura es una razón razonable para lo que ve en este caso, y para lo que mucha gente que utiliza reguladores lineales experimentará en casos similares. Existe la posibilidad de que se trate de una inestabilidad por razones menos obvias, y éstas nunca deberían rechazarse sin una buena razón, pero yo empezaría por la disipación.

En este caso, una resistencia de entrada en serie (digamos de 5W con refrigeración por aire) trasladaría gran parte de la disipación a un componente más adecuado para afrontarla.
Y/o un modesto disipador debería funcionar de maravilla.

Answer 2

La potencia disipada en el regulador es el voltaje a través de él \$\times\$ la corriente a través de él. El voltaje a través es 24V - 5V = 19V. Corriente (estimando): 10 mA (corriente de tierra para el 78S05) + 60 mA (unos LEDs) + 10 mA (\$\mu\$C + zumbador) = 80 mA. Entonces

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

lo cual es mucho para cualquier paquete, y ese es el mínimo, es posible que estés usando más que eso. Presumo que estás utilizando la versión TO-220, la cual tiene una \$R_{THJ-AMB}\$ (resistencia térmica) de 50°C/W. Esto significa que por cada vatio que estés disipando, la unión (los puntos calientes en el dispositivo electrónico) estará 50°C más caliente que el aire que fluye libremente alrededor del paquete. La temperatura de la unión puede llegar hasta 150°C, pero esa es una calificación de Máximo Absoluto, por lo que la mantendremos en 130°C para estar seguros. Entonces

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

Esta es la temperatura de la unión, pero el paquete estará solo unos grados menos caliente (\$R_{THJ-CASE}\$ = 5°C/W). Esto obviamente es muy caliente para tocar; la regla general (sin juego de palabras) es que alrededor de 60°C se convierte en muy caliente para tocar.

Así que eso lo explica. Aunque en teoría los valores siguen siendo seguros, puede que tengas algo más de disipación \$-\$ nuestros valores son un poco conservadores \$-\$, por tanto eso puede explicar el olor a quemado.

¿Qué se puede hacer al respecto?

Usar un conmutador (SMPS). Esta es la mejor solución. Los conmutadores tienen una alta eficiencia, para los voltajes nominales posiblemente más del 85%, por lo que la disipación será mucho menor. Para la carga estimada sería mucho menos de 100mW. Los conmutadores de hoy en día son fáciles de usar, pero necesitan atención al seleccionar componentes y en el diseño del PCB. Estos son importantes para la eficiencia, el diseño del tablero también es importante para la radiación. Este es un módulo ya construido al que Jay y también Russell se refirieron, pero aquí comparado con el tamaño de un TO-220:

Este módulo está disponible por USD 10, por lo que probablemente no valdrá la pena hacer el tuyo propio.

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

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

Solución 4: distribuir la disipación entre varios componentes. Podrías enlazar reguladores, como usar un LM7815 entre el 24V y el L78S05. Entonces la diferencia de voltaje de 19V se convierte en 9V para el 7815 y 10V para el 78S05, por lo que eso dividiría a la mitad la disipación por dispositivo. Una ventaja adicional es que obtienes una regulación de línea mucho mejor, si eso es importante.

Una nota final: tu regulador es una versión especial capaz de 2A, mientras que el habitual 7805 puede proporcionar 1A. Si planeas usar los 2A completos, consideraría seriamente el conmutador.

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editar
Russell señaló el resistor en serie en su respuesta, y también es una opción viable, aunque no la prefiero. Explicaré en mi conclusión a continuación por qué no.
Me gustaría agregar algo sobre la disipación para esta solución, comenzando desde los 15\$\Omega\$ de Russell.

P = V \$\times\$ I, y cuando hay poca corriente ese factor en la ecuación mantiene baja la potencia disipada en el regulador, pero también cuando la corriente es alta, la caída de voltaje a través del resistor será alta, dejando una caída de voltaje menor sobre el regulador, lo que también da una baja disipación. Entre esos dos la disipación será mayor.

Se puede probar que la disipación en el regulador es máxima cuando es igual a la disipación en el resistor, por lo 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\$

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

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

Conclusión: incluso con un resistor en serie, la potencia disipada en el regulador puede ser alta, ¡y vemos que es más alta para 0.63A que para 1A! Es importante elegir el valor del resistor en función de los requisitos de corriente esperados.
La distribución de la potencia será igual en ambos dispositivos e independiente de la corriente cuando uses un segundo regulador en lugar de un resistor. Por eso no soy muy partidario de la solución del resistor.

Answer 3

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 de calor.

Un ejemplo aproximado - digamos que estás usando 100mA: (24-5) * 0.1 = 1.9W

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

Puedes mejorar las cosas agregando un disipador de calor, disminuyendo el voltaje de entrada o disipando menos corriente en tu circuito. O puedes usar un regulador de conmutación. Para una explicación detallada de la regulación lineal y consideraciones térmicas, consulta aquí: Guía del diseñador digital para reguladores de voltaje lineales y gestión térmica

Answer 4

¿Es este un comportamiento normal para este regulador?

Sí.

¿Qué podría causar que se caliente tanto?

El calor es causado por la caída de tensión a través del regulador y la corriente que pasa a través de él. 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 se necesitan 5 vatios de entrada y esa diferencia se disipa en el regulador.

Reducir la tensión de entrada ayudaría en esto.

Answer 5

Los reguladores lineales son la forma "rápida y sucia" de hacerlo. Funciona y es barato y efectivo. Funcionan mediante la eliminación de la energía excesiva como calor, sin conversión activa aquí. Para obtener 5v de 24v es una gran caída, no es de extrañar que te esté quemando. Mi mejor curso de acción sería cambiar a una fuente de voltaje más bajo, digamos 12v o incluso mejor 9v para minimizar pérdidas. (De hecho, incluso me sentiría obligado a usar solo 5v y prescindir por completo del regulador) Otras cosas, como han sugerido otros, son: agregar un disipador de calor, resistencia en serie o cambiar a un regulador conmutado (activo).