Mi regulador de voltaje lineal se sobrecalienta muy rápido

Resumen: ¡NECESITAS UN DISIPADOR DE CALOR AHORA!!!!! :-)
[y tener una resistencia en serie tampoco estaría de más :-)]

Pregunta bien formulada Su pregunta está bien formulada, mucho mejor de lo habitual.
Se agradece el esquema del circuito y las referencias.
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 totalmente 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.

_Caída de V del regulador = V _en - V _carga
Aquí _Caída de V en el regulador = 24-5 = 19V.

Aquí Potencia en = 24V x I _carga
Potencia en carga = 5V x I _carga
Potencia en regulador = (24V-5V) x I _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 de la unión al ambiente (= aire) es de 50 grados C por vatio. Esto significa que por cada vatio que disipas obtienes un aumento de 50 grados C. A 100 mA, tendría una disipación de aproximadamente 2 vatios o aproximadamente 2 x 50 = aumento de 100 ° C. El agua herviría felizmente en el IC.

Lo más caliente que la mayoría de la gente puede aguantar a largo plazo es 55°C. El tuyo es más caliente que eso. No lo mencionaste como agua hirviendo (prueba de chisporroteo con los dedos húmedos). Supongamos que tiene una temperatura de carcasa de ~~ 80 °C. 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°C - 20°C = 60°C. Disipación = T _subida /R _th = 60/50 ~= 1,2 Watt.

A 19v caen 1,2 W = 1,2/19 A = 0,0632 A o unos 60 mA.

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

Necesitas un disipador de calor .

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

Si usa un disipador de calor de, digamos, 10 C/W, entonces el 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 0,050 A x 19 V = 0,95 W o un aumento de 15 °C/vatio x 0,95 ~= 14 °C de aumento.

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

Venciendo el calor:

Como arriba, la disipación de calor en un regulador lineal en esta situación es de 1,9 Watt por 100 mA o 19 Watt 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 vatios = 3,9 °C/W. Como la unión al caso Rthjc ya es superior a 3,9 a 5 °C/W, no puede mantener la unión por debajo de los 100 °C en estas condiciones. La unión a la carcasa sola a 19 V y 1 A agregará 19 V x 1 A x 5 °C/W = aumento de 95 °C. 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 conseguir que esté por debajo de 150 °C en el caso anterior, el disipador de calor externo tendría que estar (150-95) °C/19 W = 2,9 °C/W. Ese' 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 una eficiencia de incluso solo el 70 % 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 vatios. 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 a la que se hace referencia en un comentario de Jay Kominek . OKI-78SR 1.5A, 5V caída en el 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: acabo de notar que la curva a continuación es de 3,3 V. La parte de 5 V maneja el 85 % a 1,5 A, por lo 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 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 hará bien el trabajo. Tenga en cuenta que necesitará un condensador de filtro en la entrada del regulador debido a que la resistencia hace que el suministro sea de alta impedancia. Diga alrededor de 0.33uF, más no hará daño. Una cerámica de 1 uF debería funcionar. Incluso una tapa más grande, como un electrolítico de aluminio de 10 uF a 100 uF, debería ser buena.

Suponga que Vin = 24 V. Vregulador en min = 8 V (margen/caída. Consulte la hoja de datos. El registro seleccionado dice 8 V a <1 A.) Iin = 1 A.

Caída requerida en 1A = 24 - 8 = 16V. Di 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 25 W 15R con 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! PUEDE comprar resistencias nominales de aire libre de hasta 100 de Watts. Lo que uses es tu elección, pero esto funcionaría bien. Tenga en cuenta que tiene una potencia nominal de 25 vatios comercial o militar de 20 vatios, por lo que a 15 W "va bien". Otra opción es una longitud adecuada de cable de resistencia con la clasificación adecuada montado correctamente. Lo más probable es que un fabricante de resistencias ya lo haga mejor que usted.

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

El aumento de la unión del regulador será de 5 °C/W x 3 = 15 °C por encima de la caja. 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 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 de disipadores de calor.

Resistencia térmica del disipador de convección forzada

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

Como se indicó 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 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, un suministro de 1A de salida de 5V LM317 operado desde 12V. Agregar una resistencia puede reducir a más de la mitad la disipación de energía en el LM317 en las peores condiciones al agregar una resistencia de entrada en serie montada en un cable enfriado por aire económico.

El LM317 necesita un margen de 2 a 2,5 V con corrientes más bajas o, por ejemplo, 2,75 V en condiciones extremas de carga y temperatura. (Consulte la Fig. 3 en la hoja de datos , copiada a continuación).

LM317 headroom o caída de voltaje

Rin debe dimensionarse de tal 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 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 Vdiodo

• Menos Deserción en el peor de los casos relevante para la situación

• menos voltaje de salida

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

Para Vin mínimo de 12 V, y diga una caída de diodo de 0,8 V y diga 1 amperio, eso es
(12-0,8-2,75-5)/1
= 3,45/1
= 3R45
= digamos 3R3.

Potencia en R = I^2R = 3,3 W, por lo que una parte de 5 W sería marginalmente aceptable y 10 W sería mejor.

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

Un excelente ejemplo de una resistencia enfriada por aire montada en un conductor de alambre adecuada sería un miembro de esta familia de resistencias de alambre bobinado de Yageo muy bien especificada con miembros clasificados de 2 W a 40 W enfriados por aire. Hay unidades de 10 vatios en stock en Digikey a 0,63 USD/1.

Calificaciones de temperatura ambiente del resistor 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 potencia tiene una temperatura ambiente permitida 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 se permite el 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 de la temperatura ambiente. Una resistencia de 5 W de la misma familia estaría funcionando al 66 % del valor nominal y tendría un aumento de temperatura de 140 °C por encima de la temperatura ambiente. (Un 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 aumento decreciente de la temperatura con un número creciente de resistencias con la misma potencia nominal combinada en cada caso se relaciona presumiblemente 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, haciendo que el regulador se vuelva inestable, las oscilaciones provocan una gran disipación de calor 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 eliminarse a su debido tiempo y esta es una adición valiosa al tema, por lo que aquí están los comentarios editados en la respuesta.

En algunos casos, la oscilación y la inestabilidad del regulador son sin duda un problema pero, en este caso y en muchos casos, 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 picos o 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 de la página 31 de la hoja de datos, se muestra el uso de un diodo inverso para "proteger contra" cargas de alta capacitancia ", es decir, capacitores con suficiente energía 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 paquete TO220, por lo que obtendría un aumento de APROXIMADAMENTE 1 °C por mA de corriente.
Entonces, con una disipación de, digamos, 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 la 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 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. |

En general, dada la familia de reguladores, el voltaje diferencial, la incertidumbre de enfriamiento real, la incertidumbre Tambient, la figura típica de C/W y más, parece que la pura disipación es una razón razonable para lo que ve en este caso, y para 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 debe rechazarse sin una buena razón, pero comenzaría con la disipación.

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

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 (estimación): 10 mA (corriente de tierra para el 78S05) + 60 mA (algunos LED) + 10 mA ($\mu$C + zumbador) = 80mA. Después

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

que es mucho para cualquier paquete, y eso es lo mínimo, es posible que esté usando más que eso. Supongo que usas la versión TO-220, que tiene un$R_{THJ-AMB}$( resistencia térmica ) de 50°C/W. Esto significa que por cada vatio 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 del troquel suba a 150 °C, pero eso es una clasificación máxima absoluta , por lo que la mantendremos a 130 °C para estar seguros. Después

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

Esta es la temperatura de 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 los 60°C se vuelve demasiado caliente para tocarla.

Así que 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?

Utilice un conmutador (SMPS). Esta es la mejor solución. Los conmutadores tienen una alta eficiencia, para las tensiones 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 los 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 comparado con el tamaño de un TO-220:

Este módulo está disponible por USD 10, por lo que probablemente no valga la pena crear uno propio.

Otra solución: utilice un disipador de calor , preferiblemente no 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 9 W 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: distribuir la disipación en varios componentes. Puede conectar reguladores en cascada, como usar un LM7815 entre 24V 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 añadir algo sobre la disipación de esta solución, a partir de los 15 de Russell$\Omega$resistor.

PAG = 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 en la resistencia será alta, dejando una caída de voltaje más pequeña en el regulador, dando también un disipación baja. 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 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

$I = 0.633A$

lo cual 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 utilices un segundo regulador en lugar de una resistencia. Es por eso que no me gusta tanto la solución de resistencia.

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

Un ejemplo aproximado: supongamos 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 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 lineales y gestión térmica

¿Es este un comportamiento normal para este regulador?

Sí.

¿Qué podría causar 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 eficaz. Funcionan descargando el exceso de energía en forma de calor, sin 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 voltaje más bajo, 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 prueba" de simulación en línea simple y gratuito que le permita ingresar los parámetros de la hoja de datos para su regulador lineal en particular, y le indicará las temperaturas de funcionamiento en estado estable e incluso transitorio. Estos parámetros incluyen el voltaje de salida, las características térmicas (p. ej., rthj_case), más las condiciones de carga y 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 que se ajuste a su dispositivo y circuito en particular.