Este team de redactores ha pasado mucho tiempo buscando soluciones a tus dudas, te dejamos la resolución por esto nuestro deseo es serte de gran apoyo.
Solución:
Resumen: ¡¡¡¡AHORA NECESITA UN DISIPADOR DE CALOR !!!!! 🙂
[and having a series resistor as well wouldn’t hurt 🙂 ]
Pregunta bien hecha Su pregunta está bien formulada, mucho mejor de lo habitual.
Se agradecen el diagrama de circuito y las referencias.
Esto hace que sea mucho más fácil dar una buena respuesta la primera vez.
Ojalá este sea uno … 🙂
Tiene sentido (ay): 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 Vsoltar = Ven – Vcarga
Aquí Vsoltar en regulador = 24-5 = 19V.
Aquí potencia en = 24 V x Icarga
Potencia en carga = 5V x Icarga
Potencia en regulador = (24V-5V) x Icarga.
Para 100 mA de corriente de carga, el regulador se disipará
Vsoltar x yocarga (24-5) x 0,1 A = 19 x 0,1 = 1,9 vatios.
¿Cuanto calor?: 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 que disipa obtienes un aumento de 50 grados centígrados. A 100 mA tendrías sobre Disipación de 2 vatios o aproximadamente 2 x 50 = aumento de 100 ° C. El agua herviría felizmente en el CI.
La temperatura máxima que la mayoría de la gente puede mantener a largo plazo es de 55 ° C. El tuyo es más caliente que eso. No lo mencionaste en agua hirviendo (prueba de chisporroteo con los dedos húmedos). Supongamos que tiene una temperatura de caja de ~~ 80 ° C. Supongamos que la temperatura del aire es de 20 ° C (porque es fácil: unos pocos grados de cualquier manera hacen poca diferencia.
Tsubir = Tcaso-Tambiente = 80 ° C – 20 ° C = 60 ° C. Disipación = Tsubir/ Rth = 60/50 ~ = 1,2 vatios.
A 19 V, caída de 1,2 W = 1,2 / 19 A = 0,0632 A o aproximadamente 60 mA.
es decir si si está extrayendo alrededor de 50 mA, obtendrá una temperatura de la caja de 70 ° C – 80 ° C grados en el rango.
Necesitas un disipador de calor.
Arreglando lo: La hoja de datos de la página 2 dice Rthj-caso = la resistencia térmica de la unión a la caja es de 5C / W = 10% de la unión al aire.
Si usa un disipador de calor de 10 C / W, entonces R totalth será R_jc + Rc_amb (agregue 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 25 V, obtendrá una temperatura del disipador de 20 + 25 = 45 ° C.
El disipador de calor estará caliente, pero podrá sostenerlo sin (demasiado) dolor.
Venciendo el calor:
Como se indicó 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 1A, 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 Watt = 3.9 ° C / W. Como la unión con el caso Rthjc ya es superior a 3,9 a 5 ° C / W, no se puede mantener la unión por debajo de los 100 ° C en estas condiciones. La unión a la carcasa solo a 19 V y 1 A agregará 19 V x 1 A 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 en la medida de lo posible. Solo como ejercicio, para SOLO conseguirlo por debajo de 150 ° C en el caso anterior, el disipador de calor externo debería estar (150-95) ° C / 19W = 2.9 ° C / W. Eso es alcanzable, pero es un disipador de calor más grande de lo que esperaría usar. 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 NatSemi. Un regulador de conmutación de rendimiento con tan solo un 70% de eficiencia reducirá drásticamente la disipación de calor, ya que solo se disipan 2 vatios en el regulador.
es decir, energía en = 7,1 vatios. Salida de energía = 70% = 5 Watts. Corriente a 5 Watts a 5V = 1A.
Otra opción es un reemplazo directo prefabricado para un regulador de 3 terminales. La siguiente imagen y enlace son de la parte mencionado en un comentario de Jay Kominek. OKI-78SR 1.5A, 5V de caída en reemplazo del regulador de conmutación para un LM7805. 7V – 36V pulg.
A 36 voltios de entrada, 5 V de salida, la eficiencia de 1,5 A 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 Watts. Muy tolerable. No se requiere disipador de calor y puede proporcionar 1,5 A a 85 grados C. [[Errata: Just noticed the curve below is at 3.3V. The 5V part manages 85% at 1.5A so is better than the above.]]
(2) Reducir el voltaje
(3) Reducir la corriente
(4) Disipa algo de energía externa al regulador.
La opción 1 es la mejor técnicamente. Si esto no es aceptable y si 2 y 3 están arreglados, 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 24 V a un voltaje que el regulador aceptará a la corriente máxima funcionará bien. Tenga en cuenta que querrá un condensador de filtro a la entrada al regulador debido a la resistencia que hace que el suministro sea de alta impedancia. Digamos alrededor de 0.33uF, más no hará daño. Una cerámica de 1 uF debería servir. Incluso una tapa más grande, como un electrolítico de aluminio de 10 uF a 100 uF, debería ser buena.
Suponga Vin = 24 V. Vregulador en min = 8V (altura libre / caída. Verifique la hoja de datos. El registro seleccionado dice 8V a <1A.) Iin = 1 A.
Caída requerida a 1A = 24 – 8 = 16V. Di 15 V para estar “seguro”.
R = V / I = 15/1 = 15 ohmios. Poder = yo2* R = 1 x 15 = 15 vatios.
Una resistencia de 20 vatios sería marginal.
Una resistencia de 25 W + 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 con clasificación de aire libre de hasta 100 vatios. Lo que use es su elección, pero esto funcionaría bien. Tenga en cuenta que tiene una potencia comercial de 25 vatios o militar de 20 vatios, por lo que a 15 W está “funcionando bien”. Otra opción es una longitud adecuada de debidamente calificado alambre de resistencia montado apropiadamente. Las probabilidades son que un fabricante de resistencias ya lo hace mejor que usted.
Con este arreglo:
Potencia total = 24 W
Potencia de la resistencia = 15 Watt
Potencia de carga = 5 Watt
Potencia del regulador = 3 Watt
La elevación de la unión del regulador será de 5 ° C / W x 3 = 15 ° C por encima de la carcasa. Deberá proporcionar un disipador de calor para mantener contentos al regulador y al disipador de calor, 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 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 la selección del disipador de calor
Resistencia térmica del disipador de calor de convección forzada
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 el voltaje antes de un regulador lineal puede reducir en gran medida la disipación en el regulador. Si bien enfriar 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 los problemas de alto voltaje de entrada de esta manera, pero puede tener su lugar.
En el siguiente ejemplo, una fuente de 1A de salida de 5V LM317 operada desde 12V. Agregar una resistencia puede reducir a más de la mitad la disipación de energía en el LM317 en las peores condiciones de caso agregando una resistencia de entrada en serie montada en cable refrigerada por aire barata.
El LM317 necesita un margen superior de 2 a 2,5 V a corrientes más bajas o, por ejemplo, 2,75 V en condiciones extremas de carga y temperatura. (Consulte la figura 3 en la hoja de datos, copiada a continuación).
Voltaje de caída o margen superior LM317
Rin debe tener un tamaño tal 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 permiten la caída del diodo 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 abandono en el 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 amperio que es
(12-0,8-2,75-5) / 1
= 3,45 / 1
= 3R45
= decir 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 refrigerada por aire montada en un cable adecuado sería un miembro de esta familia Yageo muy bien especificada de resistencias enrolladas de alambre con miembros clasificados de 2 W a 40 W refrigerados por aire. Una unidad de 10 vatios está disponible en Digikey a $ US0.63 / 1.
Clasificaciones de temperatura ambiente de la resistencia 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 velocidad El vataje tiene una temperatura ambiente permisible de hasta 150 C (en realidad, alrededor de 180 C si traza el punto de operación en el gráfico, pero el fabricante dice 150 C max está permitido.
El segundo gráfico muestra que el aumento de temperatura para una resistencia de 10 W operada a 3W3 será de aproximadamente 100 ° C por encima de la temperatura ambiente. Una resistencia de 5 W de la misma familia estar operando al 66% del valor nominal y tener un aumento de temperatura de 140 ° C por encima de la temperatura ambiente. (¡¡¡A 40 W tendría una subida de alrededor de 75 ° C pero 2 x 10 W = por debajo de 50 ° C y 10 x 2 W solo alrededor de 25 ° C !!!.
los decreciente El aumento de temperatura con un número creciente de resistencias con la misma potencia nominal combinada en cada caso está presumiblemente relacionado con la acción de la “ley del cuadrado al cubo”, 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
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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, hacer que el regulador se vuelva inestable, oscilaciones que provocan una gran cantidad de calor disipado en el regulador. En la hoja de datos, todos los circuitos para operación normal solo tienen un capacitor de 100 nF en la salida.
Respondí en los comentarios, pero PUEDEN ser eliminados 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 en muchos 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 de serie (estilo LM317). La familia 78xxx es esencialmente incondicionalmente estable con respecto a Cout. De hecho, no necesitan ninguno para un funcionamiento adecuado y el 0.1uF que se muestra a menudo es para proporcionar un depósito para proporcionar un manejo adicional de sobretensiones o picos.
En algunas de las hojas de datos relacionadas, en realidad dicen que Cout se puede “aumentar sin límite”, pero no veo tal 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 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 50 C / W para el paquete TO220, por lo que obtendría un aumento de aproximadamente 1 ° C 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 ser más dependiendo de cómo esté orientada y ubicada la carcasa). 65 ° C está algo por encima del límite inferior de temperatura de “quemarme el 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 a 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. |
En general, dada la familia de reguladores, el voltaje diferencial, la incertidumbre de enfriamiento real, la incertidumbre de Tambient, la figura típica de C / W y más, parece que la disipación pura 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 eso nunca debería rechazarse sin una buena razón, pero comenzaría con la disipación.
En este caso, una resistencia de entrada en serie (digamos 5 W con refrigeración por aire) movería gran parte de la disipación a un componente más adecuado para tratarla.
Y / o un disipador de calor modesto debería funcionar de maravilla.
los potencia disipada en el regulador es el voltaje a través de él $ veces $ la corriente a través de él. El voltaje a través es de 24 V – 5 V = 19 V. Corriente (estimación aproximada): 10mA (corriente de tierra para el 78S05) + 60mA (pocos LED) + 10mA ( $ mu $ C + zumbador) = 80mA. Luego
$ P = 19V veces 80mA = 1.5W $
que es mucho para cualquier paquete, y ese es el mínimo, es posible que esté usando más que eso. Supongo que usa la versión TO-220, que tiene un $ R_ THJ-AMB $ (resistencia termica) de 50 ° C / W. Esto significa que por cada Watt que esté disipando, la unión (los puntos calientes en el dado electrónico) estará 50 ° C más caliente que el aire (que fluye libremente) alrededor del paquete. Se permite que la temperatura de la matriz suba a 150 ° C, pero eso es Máximo absoluto Calificaciones, por lo que lo mantendremos a 130 ° C para estar seguros. Luego
$ T_ J = T_ AMB + 1.5W veces 50 ° C / W = 30 ° C + 75 ° C = 105 ° C $
Esta es la temperatura de la unión, pero el paquete está solo unos pocos grados menos caliente ( $ R_ THJ-CASE $ = 5 ° C / W). Obviamente, esto es demasiado caliente para tocarlo; La regla general (sin juego de palabras) es que alrededor de 60 ° C se vuelve demasiado caliente para tocar.
Entonces eso lo explica. Si bien en teoría los valores aún son seguros, es posible que tenga un poco más de disipación $ – $ nuestros valores son un poco conservadores $ – $, por lo que puede explicar el olor a quemado.
¿Qué se puede hacer al respecto?
Utilizar una conmutador (SMPS). Ésta es la mejor solución. Los conmutadores tienen una alta eficiencia, para voltajes nominales posiblemente superiores al 85%, por lo que la disipación será mucho menor. Para la carga estimada, será mucho menos de 100 mW. Los conmutadores de hoy en día son fáciles de usar, pero necesitan algo de atención al seleccionar componentes y para el diseño de PCB. Estos son importantes para la eficiencia, el diseño de la placa también es importante para la radiación. Este es un módulo listo para usar al que se refirieron Jay y Russell, pero aquí se compara con el tamaño de un TO-220:
Este módulo está disponible por USD 10, por lo que probablemente no valga la pena instalar el suyo.
Otra solución: use un disipador de calor, preferiblemente no un clip pequeño, con suficiente pasta térmica para asegurar un contacto térmico adecuado. Éste tiene una resistencia térmica de 3,1 ° C / W (¡por debajo de 50 ° C / W!) Y puede disipar 9W a un aumento de temperatura de 60 ° C.
Solución 3: use un voltaje de entrada más bajo. Puede que no sea una opción.
Solución 4: distribuir la disipación sobre varios componentes. Puede conectar reguladores en cascada, como usar un LM7815 entre 24 V y 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 sería la mitad de la disipación por dispositivo. La 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.
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Russell señaló la resistencia en serie en su respuesta y, de hecho, 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 con la resistencia de Russell de 15 $ Omega $.
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 de la resistencia será alta, dejando una menor caída de voltaje sobre el regulador, lo que también da una baja disipación. Entre esos dos, la disipación será mayor.
Se puede comprobar 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 veces 15 Omega = 19V – I veces 15 Omega $
por lo tanto
$ I = 0,633A $
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 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 energía será igual en ambos dispositivos y independiente de la corriente cuando usa un segundo regulador en lugar de una resistencia. Por eso no me gusta tanto la solución de resistencia.
La caída de voltaje y la ausencia de disipador de calor provocan una disipación significativa. La hoja de datos especifica una resistencia térmica de 50C / W Tja sin disipador de calor.
Un ejemplo aproximado: digamos que está utilizando 100 mA: (24-5) * 0,1 = 1,9 W
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 de calor, reduciendo el voltaje de entrada o absorbiendo 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 sobre reguladores de voltaje lineal y gestión térmica