¿Qué parámetros afectan la temperatura del regulador de voltaje?

1. Diferencia de voltaje entre entrada y salida
2. Corriente de salida
3. Corriente de tierra (solo un poco)
4. Paquete
5. Temperatura ambiente

Como dice Oli, un regulador lineal se comporta como una resistencia variable

y entonces la disipación de potencia se define como

$P = V \cdot I$

A 18 V de entrada, 5 V de salida y una corriente de carga de 1 A que es de 13 W. Tenga en cuenta que la carga solo consumirá 5 W, por lo que el regulador lineal no es muy eficiente aquí. La eficiencia se puede calcular como

$\eta = \dfrac{V_{OUT} \cdot I}{V_{IN} \cdot (I + I_Q)} \approx \dfrac{V_{OUT}}{V_{IN}}$

$I_Q$es la corriente de tierra y será de un máximo de 8 mA para el LM7805. Para una corriente de carga de 1 A, eso es menos del 1 % y luego simplemente lo ignoramos, pero para una carga de 50 mA, eso es 16 %, y ya no es despreciable. Reguladores más recientes, esp. Los LDO tienen una corriente de tierra más baja, a menudo no más del 1 % de la carga, también con corrientes de carga más bajas.

Entonces, ¿cuándo vamos a hablar de la temperatura? Estoy llegando a eso :-). Hay resistencias de todas las formas y tamaños, desde una 01005 (que mide 0,4 mm de largo y pesa 40 µg) hasta resistencias que pueden disipar kilovatios. Este tipo

es una resistencia de 100 W. Incluso si no ha experimentado esto usted mismo, puede imaginar que la disipación de 100 mW en el 01005 causará una temperatura más alta que en la resistencia de 100 W montada en el chasis. Y esto tiene mucho que ver con la capacidad térmica , que es el calor específico. $\times$peso. El calor específico de un material se expresa en J/(g K), y esto nos da una idea de a qué se refiere: la energía (en joules) para calentar 1 g del material en 1 K.

La resistencia 01005 consistirá principalmente en una cerámica que tiene un calor específico (muy conveniente) alrededor de 1 J/(g K). Entonces, esa resistencia de 40 µg se calentará 25 °C si agrega 1 mJ de energía, eso es 1 mW durante 1 segundo. La hoja de datos dice que tiene una potencia máxima de 31 mW, ¿no subirá la temperatura a 775 °C en 1 segundo? No, porque no solo disipará energía, sino que también perderá parte de ella en el medio ambiente, para la resistencia SMD, principalmente la PCB.

Entonces, agregar energía aumentará la temperatura, pero la pérdida de energía la disminuirá nuevamente. El aumento de temperatura es una función lineal de la energía añadida, pero la energía drenada depende de la diferencia de temperatura con el entorno: cuanto mayor sea la diferencia de temperatura, más calor se perderá. A medida que aumenta la temperatura, se perderá más y más energía hasta que se alcance un equilibrio: el calor agregado es igual al calor drenado y la temperatura no aumentará más.

La pérdida de calor está determinada por la resistencia térmica . Al igual que la resistencia eléctrica determina el flujo de corriente junto con la diferencia de voltaje, el flujo de calor está determinado por la resistencia térmica y la diferencia de temperatura. Entonces tiene sentido expresar la resistencia térmica en K/W (o °C/W si quieres, es lo mismo porque es un valor relativo). Y aquí finalmente volvemos al LM7805. La hoja de datos dice

$R_{\theta J C}$= 5 K/W (Unión a Caja)
$R_{\theta J A}$= 65 K/W (Unión a Aire o Ambiente)

Esa es una gran diferencia. La unión significa el troquel del IC, la caja es el paquete. Esa resistencia es baja porque la transferencia de calor se da por conducción , los materiales están en contacto directo. La unión con el aire se produce por convección y es mucho menos eficiente, porque el aire no puede transportar mucho calor. Pero nos tendremos que hacer con los 65 K/W. Léalo como "en equilibrio, la disipación de 1 W hará que la matriz esté 65 ° C más caliente que el entorno.

Ahora hay dos formas de hacer el cálculo. O comienza con la temperatura ambiente y dice, por ejemplo, que no será superior a 50 °C. (En el recinto hará más calor que en la sala de estar). Entonces la temperatura de unión será de 50 °C + 65 °C = 115 °C. La hoja de datos dice que el rango máximo absoluto para la temperatura de funcionamiento es de 125 °C, por lo que no nos da mucho margen. ¡Y solo estamos disipando 1 W aquí!
O se vuelve a calcular a partir del máximo permitido de 125 °C, y luego la temperatura ambiente puede llegar a los 60 °C. Esto no me gusta mucho, porque no tienes espacio para la cabeza.

¿No teníamos 13 W para disipar? Ni siquiera voy a calcular eso; estará demasiado caliente. Solución: disminuir la resistencia térmica. No se puede hacer mucho al respecto de la unión de 5 K/W, pero sí se puede hacer con los 65 K/W: use un disipador de calor. Debido a que tiene mucho más contacto con el aire su resistencia térmica puede ser mucho menor. ¿Qué necesitamos? (115 °C - 50 °C)/13 W = 5 K/W. Pan comido parece; puedes encontrar disipadores de calor alrededor de 1 K/W. Pero también está la resistencia térmica entre la carcasa y el disipador de calor, y eso ya puede ser de unos pocos K/W. No se especifica porque depende completamente de cómo montes el disipador en el regulador. Tendrás que usar pasta de transferencia de calor, también conocida como grasa térmica.

Creo que encontrará lo que desea saber y mucho más en Mi regulador de voltaje lineal se sobrecalienta muy rápido . Mi respuesta es la más popular (por qué no es obvio) para que otros la consideren útil.

PERO la breve respuesta a su pregunta es que

• El aumento de temperatura es causado por la adición de energía térmica a un sistema.

• Las temperaturas más altas casi siempre conducen a tasas más altas de pérdida de energía.

• Entonces, un sistema que necesita perder energía térmica, en un sistema de estado estable, aumentará la temperatura hasta que la tasa de energía que sale = la tasa de energía que entra.

Tenga en cuenta la energía = potencia x tiempo.

En el caso de un regulador, la entrada de energía es caída de voltaje x corriente
= (Vin - Vout) x corriente.

En tus ejemplos -

• Para entrada de 18v y salida de 5v, la entrada de energía es (18-5) x 1A = 13 vatios.

• Para entrada de 7 V y salida de 5 V, la entrada de energía es (7-5) x 1A = 2 vatios.

Entonces, el primer sistema tiene 6,5 veces más potencia de entrada, por lo tanto, 6,5 veces más energía en un período dado.

Un regulador lineal actúa como una resistencia variable que se establece en el valor correcto (usando retroalimentación) para regular el voltaje. Esto significa que disipa cualquier exceso de energía en forma de calor. Entonces, los parámetros a tener en cuenta son Vin - Vout e Iout (también hay una pequeña cantidad disipada por la corriente de control que no se tiene en cuenta aquí).

Por ejemplo, en su primer caso de salida de 1 A y entrada de 18 V, la potencia disipada (solo en el elemento de paso) es:

(Vin - Vout) * Iout = (18V - 5V) * 1A = 13W!! Esto necesitaría un disipador de calor/ventilador serio.

En el segundo ejemplo:

(7V - 5V) * 1A = 2W

Para calcular el aumento de temperatura, observamos los valores de resistencia térmica que se dan en la hoja de datos . Para el 7805 en un paquete TO-220 tenemos una Rθja de 65°C por vatio. Esto significa que (sin un disipador de calor) la temperatura de la unión aumentará 65° por cada vatio disipado.

Entonces, para nuestro segundo ejemplo, el aumento de temperatura será:

2 * 65 = 130 °C por encima de la temperatura ambiente. Si la temperatura ambiente es de 25°C entonces tenemos una temperatura de 155°C. Demasiado alto, por lo que se necesita un disipador de calor. Para una introducción a la selección de disipadores de calor, aquí hay un documento razonable.