Мой линейный регулятор напряжения перегревается очень быстро

Я использую регулятор напряжения 5 В /2 А ( L78S05 ) без радиатор. Я тестирую схему с помощью микроконтроллера (PIC18FXXXX), нескольких светодиодов и 1 мА пьезо-зуммера. Входное напряжение aprox. 24 В постоянного тока. После запуска в течение минуты регулятор напряжения начинает перегреваться, то есть он горит пальцем, если я держу его там больше секунды. Через несколько минут он начинает пахнуть, как будто он сожжен. Это нормальное поведение для этого регулятора? Что может заставить его сильно нагреться?

введите описание изображения здесь

Другие компоненты, используемые в этой схеме:

L1: BNX002-01 Фильтр электромагнитных помех

R2: Варистор

F1: Предохранитель 0154004.DR

94 голоса | спросил m.Alin 21 AM00000060000004531 2011, 06:53:45

6 ответов


139

Резюме: ВАМ НУЖНО ТЕПЛОВОЙ ТЕПЕРЬ !!!!! : -)
   [и наличие резистора серии также не повредит :-)]


Хорошо заданный вопрос . Ваш вопрос задан хорошо - намного лучше обычного.
Приветствуются схема и ссылки.
Это делает намного проще дать хороший ответ в первый раз.
Надеюсь, это один ...: -)

Это имеет смысл (увы): Поведение вполне ожидаемо.
Вы термически перегружаете регулятор.
Вам нужно добавить радиатор, если вы хотите использовать его таким образом.
Вы бы очень хорошо поняли, что происходит.

Мощность = Вольт x Ток.

Для линейного регулятора Power total = Power in load + Power in regulator.

Регулятор V drop = V в - V load
Здесь V drop в регуляторе = 24-5 = 19 В.

Здесь Power in = 24V x I load
Мощность в нагрузке = 5 В x I load
Питание в регуляторе = (24 В-5 В) x I load .

Для 100 мА тока нагрузки регулятор будет рассеиваться
V drop x I load (24-5) x 0,1 A = 19 x 0,1 = 1,9 Вт.

Как горячий?: Страница 2 показывает, что тепловое сопротивление от перехода к окружающей среде (= воздух) составляет 50 градусов C на ватт. Это означает, что для каждого Ватта, который вы рассеиваете, вы получаете 50 градусов C. При 100 мА у вас будет около 2-ваттная диссипация или около 2 х 50 = 100 ° C. Вода будет хорошо кипеть на ИС.

Самый жаркий, который большинство людей может придерживаться в долгосрочной перспективе, - 55 ° C. Тебе жарко. Вы не упоминали об этом, кипящую воду (тест влажного пальца). Предположим, что у вас температура ~ 80C. Предположим, что температура воздуха 20С (потому что ее легкость - несколько градусов в любом случае не имеет большого значения.

T rise = T case -T ambient = 80-20 = 60 ° C. Диссипация = T повышение /R th = 60/50 ~ = 1.2 Вт.

При падении 19v 1,2 Вт = 1,2 /19 A = 0,0632 A или около 60 мА.

т.е. , если вы составляете около 50 мА, вы получите температуру корпуса 70 ° C - 80 ° C градусов.

Вам нужен радиатор .

Фиксирование: В листе данных на стр. 2 указано, что R thj-case = тепловое сопротивление от перехода к корпусу составляет 5C /W = 10% от перехода к воздуху.

Если вы используете критический подсчет 10 C /W, тогда общее значение R th будет равно R _jc + R c_amb (добавьте соединение к случаю к случаю в эфир).
= 5 + 10 = 15 ° C /Вт.
Для 50 мА вы получите 0.050A x 19V = 0.95W или повышение 15 ° C /Вт x 0.95 ~ = 14 ° C.

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

Избиение тепла:

Как и выше, теплоотдача в линейном регуляторе в этой ситуации составляет 1,9 Вт на 100 мА или 19 Вт при 1 А. Это много тепла. При температуре 1A для поддержания температуры при температуре кипящей воды (100 ° C) при температуре окружающей среды 25 ° C требуется полное тепловое сопротивление не более (100 ° C-25 ° C) /19 Вт = 3,9 C /W. Поскольку переход к случаю Rthjc уже превышает 3,9 при 5 C /W, вы не можете поддерживать соединение при температуре 100 ° C в этих условиях. Только переход к корпусу при 19 В и 1А добавит 19V x 1A x 5 C /W = 95 ° C. Хотя IC рассчитана на температуру до 150 ° C, это не очень хорошо для надежности и ее следует избегать, если это вообще возможно. Так же, как упражнение, ТОЛЬКО получить его при 150 ° C в приведенном выше случае, внешний радиатор должен быть (150-95) C /19W = 2,9 C /W. Это достижимо, но это больший радиатор, чем вы надеетесь использовать. Альтернативой является уменьшение рассеиваемой энергии и, следовательно, повышение температуры.

Способы уменьшения тепловыделения в регуляторе:

(1) Используйте регулятор переключения, такой как серия простых коммутаторов NatSemi. Регулятор переключения производительности с даже только 70% -ным КПД значительно уменьшит рассеивание тепла, так как в регуляторе рассеивается только 2 Вт !.
т.е. энергия в = 7,1 Вт. Выброс энергии = 70% = 5 Вт. Ток при 5 Вт при 5 В = 1 А.

Другой вариант - это замена заплат для 3-х терминального регулятора. Следующее изображение и ссылка относятся к части , указанной в комментарии Джей Коминека . замена OKI-78SR 1.5A, 5V на замену регулятора LM7805 . 7V - 36V дюйма.

OKI-78SR 1.5A, замена 5U на замену регулятора LM7805

При напряжении 36 вольт, выход 5 В, эффективность 1,5А составляет 80%. Поскольку Pout = 5V x 1,5A = 7,5 Вт = 80%, мощность, рассеиваемая в регуляторе, составляет 20% /80% x 7,5 Вт = 1,9 Вт. Очень терпимо. Не требуется радиатор и может обеспечить 1,5 А при 85 ° С. [[Исправлено: только что заметили кривуюниже - 3,3 В. Часть 5V управляет 85% при 1,5 А, поэтому лучше, чем указано выше.]]

Эффективность OKI-78SR против линейного напряжения и текущей нагрузки

(2) Уменьшите напряжение

(3) Уменьшите текущий

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

Вариант 1 является лучшим техническим. Если это неприемлемо, и если 2 & 3, тогда требуется опция 4.

Самая простая и (вероятно, лучшая) внешняя система диссипации - это резистор. Последовательный силовой резистор, который падает от 24 В до напряжения, которое регулятор будет принимать при максимальном токе, будет хорошо работать. Обратите внимание, что вам понадобится конденсатор фильтра при входе в регулятор из-за сопротивления, создающего высокий импеданс питания. Скажем около 0,33 мкФ, больше не повредит. Керамика 1 мкФ должна делать. Даже большая крышка, такая как алюминиевый электролиз от 10 мкФ до 100 мкФ, должна быть хорошей.

Предположим, что Vin = 24 В. Vregulator в min = 8V (запас /падение). Проверьте лист данных. Выбранный рег говорит 8V при <1A.) Iin = 1 A.

Требуемое падение при 1A = 24 - 8 = 16V. Скажите, что 15V будет «безопасным».
R = V /I = 15/1 = 15 Ом. Сила = I 2 * R = 1 x 15 = 15 Вт.
20-ваттный резистор был бы предельным.
Резистор 25 Вт + будет лучше.

Вот резистор 25 Вт 15R по цене 3,30 долл. США /1 в наличии без свинца с таблицей данных . Обратите внимание, что для этого также нужен радиатор !!! Вы можете купить номинальные резисторы с номинальным током до 100 ватт. То, что вы используете, это ваш выбор, но это будет работать хорошо. Обратите внимание, что он рассчитан на 25 ватт коммерческих или 20 ватт, поэтому при 15 Вт он «преуспевает». Другим вариантом является подходящая длина проводника сопротивления с надлежащим рейтингом . Коэффициенты производителя резисторов уже делают это лучше, чем вы.

С этим соглашением:
Общая мощность = 24 Вт
Мощность резистора = 15 Вт Нагрузка = 5 Ватт
Мощность регулятора = 3 Вт

Рост перехода регулятора составит 5 C /W x 3 = 15 ° C выше случая. Вам нужно будет снабдить радиатор, чтобы держать регулятор и радиатор счастливыми, но теперь это «просто вопрос техники».


Примеры Heastsink:

21 градус C (или K) на ватт

введите описание изображения здесь>> </p>

<p> 7.8 C /W </p>

<p> <img src = множество примеров радиаторов , включая этот радиатор 5.3 C /W

введите описание изображения здесь>> </p>

<p> 2,5 C /W </p>

<p> <img src =

введите описание изображения здесь>> </p>

<p> Хорошая статья о <a href= выборе радиатора

Термическое сопротивление термической изоляции принудительной конвекции


Уменьшение диссипации линейного регулятора с помощью последовательного входного резистора:

Как отмечалось выше, использование последовательного резистора для снижения напряжения перед линейным регулятором может значительно уменьшить диссипацию в регуляторе. Хотя для охлаждения регулятора обычно требуются тепловые чернила, резисторные охладители могут быть получены дешево, которые способны рассеивать 10 или больше Ваттов без радиатора. Обычно не рекомендуется решать проблемы с высоким входным напряжением таким образом, но может иметь свое место.

В приведенном ниже примере LM317 5V выход 1A питается от 12V. Добавление резистора может более чем вдвое уменьшить рассеивание мощности в LM317 в худшем случае, добавив недорогой последовательный входной резистор с воздушным охлаждением.

LM317 нуждается в запасе от 2 до 2,5 В при более низких токах или, скажем, 2,75 В при экстремальных нагрузках и температурных условиях. (См. Рис. 3 в техническом описании , - скопировано ниже).

Запас LM317 или выходное напряжение

введите описание изображения здесь>> </p>

<p> Rin должен быть таким, чтобы он не уменьшал чрезмерное напряжение, когда V_12V находится на своем. минимум, Vdropout является наихудшим случаем для условий, и допустимы линейное падение и выходное напряжение диода. </p>

<p> Напряжение на резисторе всегда должно быть меньше = </p>

<ul>
<li> <p> Минимальный Vin </p> </li>
<li> <p> меньше Максимальное падение Vdiode </p> </li>
<li> <p> меньше Наименее опасный случай, относящийся кситуация </p> </li>
<li> <p> меньше выходного напряжения </p> </li>
</ul>
<p> So Rin <= (v_12 - Vd - 2,75 - 5) /Imax. </p>

<p> Для 12V минимум Vin, и скажем 0,8V диод падение и сказать 1 ампер, что это <br>
 (12-0.8-2.75-5) /1 <br>
 = 3,45 /1 <br>
 = 3R45 <br>
 = say 3R3. </p>

<p> Мощность в R = I ^ 2R = 3,3 Вт, поэтому часть 5 Вт будет предельно приемлемой, и 10 Вт будет лучше. </p>

<p> Диссипация в LM317 падает с> 6 Вт до <3 Вт. </p>

<p> Превосходный пример подходящего резистора с воздушным охлаждением, смонтированного на свинцовом проводнике, будет являться членом этого красивого <a href= Yageo из проволочных резисторов с элементами, рассчитанными от 2 Вт до 40 Вт с воздушным охлаждением. 10-ваттные единицы находятся на складе в Digikey по цене US $ 0,63 /1.


Резистивные температуры окружающей среды и повышение температуры:

Приятно иметь эти два графика из таблицы выше, которая позволяет оценивать результаты реального мира.

Левый график показывает, что резистор мощностью 10 Вт, работающий при 3 Вт3 = 33% от его скорости, мощность имеет допустимую температуру окружающей среды до 150 ° С (фактически около 180 ° С, если вы нарисуете рабочую точку на графике, но производитель говорит, что 150 C max разрешен.

Второй график показывает, что повышение температуры для резистора 10 Вт, работающего при 3 Вт3, будет примерно на 100 ° С выше окружающего. Резистор 5 Вт из того же семейства будет работать на уровне 66% от номинала и имеет повышение температуры на 140 ° С выше атмосферного. (40 Вт будет иметь около 75 ° С, но 2 х 10 Вт = менее 50 ° С и 10 х 2 Вт только около 25 ° С.

Повышение температуры снижения с увеличением количества резисторов с одинаковой суммарной мощностью мощности в каждом случае предположительно связано с действием «квадратный кубический закон», поскольку площадь поверхности охлаждения меньше, чем размер увеличивается.

введите описание изображения здесь>> </p>

<p> <a href= http://www.yageo.com/documents/recent/Leaded-R_SQP-NSP_2011 .pdf

________________________________________

Добавлено августа 2015 г. - Пример:

Кто-то задал разумный вопрос:

  

Не является ли более вероятным объяснение относительно высокая емкостная нагрузка (220 мкФ)? Например. в результате чего регулятор становится неустойчивым, колебания вызывают много тепла, рассеиваемого в регуляторе. В таблице данных все схемы для нормальной работы имеют только выходной конденсатор на 100 нФ.

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

В некоторых случаях колебания и неустойчивость регулятора, безусловно, являются проблемой, но в этом случае и многим подобным, наиболее вероятной причиной является избыточная диссипация.

Семейство 78xxx очень старое и предшествует как современным регуляторам с низким уровнем отсева, так и сериям (LM317). Семейство 78xxx по существу безусловно устойчиво относительно Cout. Они фактически не нуждаются ни в одном из них для правильной работы, и часто показанное 0.1uF должно обеспечивать резервуар для дополнительной обработки всплеска или всплеска.
В некоторых связанных данных они фактически говорят, что Cout можно «неограниченно увеличивать», но я не вижу здесь такой заметки, но также (как и следовало ожидать) нет никакой заметки о нестабильности на высоком Cout. На рис. 33 на стр. 31 таблицы данных показано использование обратного диода для «защиты от« высоких емкостных нагрузок », то есть конденсаторов с достаточно высокой энергией, чтобы вызвать повреждение, если разрядиться на выходе, то есть намного больше 0,1 мкФ.

Диссипация: При 24 Vin и 5 Vout регулятор рассеивает 19 мВт на мА. Rthja - 50C /W для пакета TO220, так что вы получите около 1С на 1 мА тока.
Таким образом, с учетом диссипации 1 Вт в атмосферном воздухе 20C, корпус будет иметь температуру около 65 ° C (и может быть более зависимым от того, как корпус ориентирован и расположен). 65C несколько выше нижней границы температуры «ожог мой палец».
При 19 мВт /мА для рассеивания 1 Вт требуется 50 мА. Фактическая нагрузка в приведенном примере неизвестна - он показывает индикаторный светодиод примерно на 8 или 9 мА (если красный) плюс нагрузка используемого внутреннего тока регулятора (менее 10 мА) + «PIC18FXXXX», несколько светодиодов ... «Эта сумма может достигать или превышать 50 мА в зависимости от схемы ПОС, или МОЖЕТ быть намного меньше. |

В целом, данное семейство регуляторов, дифференциальное напряжение, фактическая неопределенность охлаждения, неопределенность Tambient, типичная цифра C /W и более, похоже, как явная диссипация, являются разумной причиной того, что он видит в этом случае, - и за то, что многие люди используют линейные регуляторы будут испытывать в подобных случаях. Существует вероятность того, что это нестабильность по причинам, менее очевидным, и такие никогда не должны быть отвергнуты без уважительной причины, но я начну с диссипации.

В этом случае последовательный входной резистор (скажем, 5 Вт с воздушным охлаждением)переместит большую часть диссипации в компонент, более подходящий для борьбы с ним.
И /или скромный радиатор должен работать чудесами.

ответил Russell McMahon 21 AM00000070000005231 2011, 07:22:52
31

рассеиваемая мощность в регуляторе - это напряжение через него \ $ \ times \ $ тока через него. Напряжение поперек составляет 24 В - 5 В = 19 В. Ток (номинальный): 10 мА (ток заземления для 78S05) + 60 мА (несколько светодиодов) + 10 мА (\ $ \ mu \ $ C + зуммер) = 80 мА. Тогда

  

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

, который много для любого пакета, и это минимум, вы можете использовать больше, чем это. Я предполагаю, что вы используете версию TO-220, которая имеет тепловое сопротивление \\ R_ {THJ-AMB} \ $ ( ) 50 ° C /Вт. Это означает, что для каждого ватта вы рассеиваете соединение (горячие точки в электронной матрице) будет на 50 ° C более горячим, чем (свободный поток) воздух вокруг упаковки. Температура кристалла доходит до 150 ° C, но это Абсолютный максимум Рейтинги, поэтому мы сохраним его при температуре 130 ° C, чтобы быть в безопасности. Тогда

  

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

Это температура перехода, но пакет на несколько градусов менее горячий (\ $ R_ {THJ-CASE} \ $ = 5 ° C /W). Это, очевидно, слишком жарко для прикосновения; Правило большого пальца (не предназначенное для каламбура) заключается в том, что около 60 ° C он становится слишком горячим для прикосновения.

Итак, это объясняет. Хотя теоретически значения все еще безопасны, у вас может быть немного больше диссипации \ $ - \ $ наши значения немного консервативны \ $ - \ $, так что это может объяснить обожженный запах.

Что можно сделать с этим?

Используйте переключатель (SMPS). Это самое приятное решение. Коммутаторы имеют высокую эффективность, для номинальных напряжений, возможно, более 85%, поэтому рассеивание будет намного ниже. Для предполагаемой нагрузки она будет намного меньше 100 мВт. Сегодняшние коммутаторы просты в использовании, но требуют внимания при выборе компонентов и компоновке печатной платы. Они важны для эффективности, расположение платы также важно для радиации. Это готовый модуль Джей, а также Рассел сослался на , но здесь по сравнению с размером TO-220:

Компактный модуль SMPS

Этот модуль доступен за 10 долларов США, поэтому, вероятно, не стоит откатываться.

Другое решение: используйте теплоотвод , предпочтительно не маленький зажим, с достаточной тепловой пастой для обеспечения надлежащего теплового контакта. Этот имеет термическое сопротивление 3,1 ° C /Вт (от 50 ° C /Вт!) И может рассеивать 9 Вт при повышении температуры 60 ° C.

heat sink

Решение 3: используйте нижнее входное напряжение . Не может быть вариант.

Решение 4: распределить диссипацию по нескольким компонентам. Вы можете каскадировать регуляторы, например, использовать LM7815 между 24V и L78S05. Тогда разность напряжений 19 В составляет 9 В для 7815 и 10 В для 78S05, так что это будет половина диссипации на устройство. Дополнительным преимуществом является то, что вы получаете намного лучшее регулирование линии, если это важно.

Последнее замечание: ваш регулятор - специальная версия, способная к 2A, тогда как обычный 7805 может доставить 1A. Если вы планируете использовать полный 2A, я бы серьезно подумал о коммутаторе.


изменить
Рассел указал на резистор серии в своем ответе, и это действительно жизнеспособный вариант, хотя я не предпочитаю его. Я объясню в своем заключении ниже, почему бы и нет. Я хотел бы добавить что-то о диссипации для этого решения, начиная с резистора 15 \ $ \ Omega \ $ Рассела.

P = V \ $ \ times \ $ I, а при небольшом токе этот коэффициент в уравнении удерживает рассеянную мощность в регуляторе низкой, но также, когда ток высок, падение напряжения на резисторе будет высоким, оставляя меньшее падение напряжения над регулятором, также обеспечивая низкую рассеиваемость. Между этими двумя диссипация будет выше.

диссипация графика против текущего

Можно доказать, что диссипация в регуляторе максимальна, когда она равна диссипации в резисторе, так что

  

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

или

  

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

поэтому

  

\ $ I = 0,633A \ $

, что согласуется с тем, что мы видим на графике. Диссипация в резисторе и регуляторе тогда

  

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

Заключение: даже с последовательным резистором рассеиваемая мощность в регуляторе может быть высокой, и мы видим, что она выше на 0,63 А, чем на 1А! Важно выбрать значение резистора в зависимости от ожидаемого токатребования.
Распределение мощности будет одинаковым на обоих устройствах и не зависит от текущего , когда вместо резистора вы используете второй регулятор. Вот почему я не очень люблю решение резисторов.

ответил stevenvh 21 AM000000110000002931 2011, 11:26:29
13

Падение напряжения и отсутствие радиатора вызывает значительную диссипацию. В техническом описании указано тепловое сопротивление 50C /W Tja без радиатора.

Примерный 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 составлять около 115 град C.

Вы можете улучшить ситуацию, добавив радиатор, понизив входное напряжение или уменьшив ток в вашей цепи. Или вы можете использовать регулятор переключения. Подробное объяснение линейного регулирования и тепловых соображений см. Здесь: Руководство Digital Designer по линейным регуляторам напряжения и Термическое управление

ответил Oli Glaser 21 AM00000070000000031 2011, 07:34:00
5

Это нормальное поведение для этого регулятора?

Да.

Что может заставить его сильно нагреться?

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

Эффективность регулятора Vout /Vin = 5/24 = 0,21 или 21%. Другими словами, для каждых 1 ватт выходов требуется 5 Вт входного сигнала, и эта разница рассеивается в регуляторе.

Понижение входного напряжения поможет этому.

ответил bjbsquared 26 PM00000060000001831 2011, 18:39:18
2

Линейные регуляторы - это «быстрый и грязный» способ сделать это. Работает и дешево и эффективно. Они работают путем сброса избыточной мощности в виде тепла, без активного преобразования здесь. Чтобы получить 5v от 24v - это большая капля, неудивительно, что это сжигает вас. Мой лучший способ действий - переключиться на более низкое напряжение питания, скажем, на 12 В или даже лучше на 9В, чтобы свести к минимуму потери. (Черт, я бы даже был вынужден просто использовать 5v и вообще отказаться от регулятора). Другие вещи, которые другие предложили, включают: добавление радиатора, последовательное сопротивление или переход к переключающему (активному) регулятору.

ответил jm0 17 AMpTue, 17 Apr 2012 09:04:52 +040004Tuesday 2012, 09:04:52
1

Это была отличная дискуссия. Я подумал, что было бы полезно иметь простой и бесплатный онлайновый симулятор «test bench», который позволяет вводить параметры данных для вашего конкретного линейного регулятора, и он расскажет вам о стационарных и даже переходных рабочих температурах. Эти параметры включают выходное напряжение, тепловые характеристики (например, rthj_case), а также нагрузку на условия входного напряжения.

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

 введите описание изображения здесь>> </a> </p></div>
										<div class=ответил Mike Donnelly 9 AMpSun, 09 Apr 2017 05:24:19 +030024Sunday 2017, 05:24:19

Похожие вопросы

Популярные теги

security × 330linux × 316macos × 2827 × 268performance × 244command-line × 241sql-server × 235joomla-3.x × 222java × 189c++ × 186windows × 180cisco × 168bash × 158c# × 142gmail × 139arduino-uno × 139javascript × 134ssh × 133seo × 132mysql × 132