Mon régulateur de tension linéaire surchauffe très rapidement

J'utilise un régulateur de tension 5 V / 2 A ( L78S05 ) sans dissipateur thermique. Je teste le circuit avec un microcontrôleur (PIC18FXXXX), quelques voyants et un avertisseur piezzo de 1 mA. La tension d'entrée est aprox. 24 VDC. Après avoir fonctionné pendant une minute, le régulateur de tension commence à surchauffer, ce qui signifie que je me brûlerai le doigt si je le laisse là plus d'une seconde. En quelques minutes, il commence à sentir une odeur de brûlure. Est-ce un comportement normal pour ce régulateur? Qu'est-ce qui pourrait le faire chauffer autant?

Autres composants utilisés dans ce circuit:

L1: filtre EMI BNX002-01

R2: varistance

F1: Fusible 0154004.DR

Résumé: Vous avez besoin d’un puits maintenant !!!! :-)
[et avoir aussi une résistance en série ne ferait pas de mal :-)]

Question bien posée Votre question est bien posée - beaucoup mieux que d’habitude.
Le schéma de circuit et les références sont appréciés.
Cela facilite beaucoup la réponse dès la première fois.
J'espère que c'est l'un ... :-)

C'est logique (hélas): le comportement est tout à fait attendu.
Vous surchargez thermiquement le régulateur.
Vous devez ajouter un dissipateur thermique si vous souhaitez l'utiliser de cette manière.
Vous auriez tout intérêt à bien comprendre ce qui se passe.

Puissance = Volts x Courant.

Pour un régulateur linéaire Puissance totale = Puissance en charge + Puissance en régulateur.

Régulateur V _chute = V _in - V _charge
Ici V _chute dans le régulateur = 24-5 = 19V.

Ici Puissance en = 24V x I _charge
Puissance en charge = 5V x I _charge
Puissance en régulateur = (24V-5V) x I _charge .

Pour 100 mA de courant de charge, le régulateur dissipera la _{chute de}
V x I _charge (24-5) x 0.1 A = 19 x 0.1 = 1.9 Watt.

How Hot ?: La page 2 de la fiche de données indique que la résistance thermique de la jonction à l'air ambiant (= air) est de 50 ° C par Watt. Cela signifie que pour chaque watt dissipé, vous obtenez une augmentation de 50 ° C. À 100 mA, vous auriez une dissipation d’ environ 2 watts ou une augmentation d’environ 2 x 50 = 100 ° C. L'eau bouillirait joyeusement sur le circuit intégré.

Le plus chaud que la plupart des gens peuvent conserver à long terme est de 55 ° C. Le vôtre est plus chaud que ça. Vous n'avez pas parlé d'eau bouillante (test de grésillement au doigt). Supposons que vous avez une température de ~~ 80 ° C. Supposons une température de l'air de 20 ° C (parce que c'est facile - quelques degrés dans les deux sens ne font que peu de différence.

T _élévation = T _cas -T _ambiante = 80-20 = 60 ° C. Dissipation = _élévation / R _th = 60/50 ~ = 1,2 Watt.

À 19 v, baisse de 1,2 W = 1,2 / 19 A = 0,0632 A ou environ 60 mA.

En d'autres termes, si vous utilisez environ 50 mA, vous obtiendrez une température du boîtier comprise entre 70 ° C et 80 ° C.

Vous avez besoin d'un radiateur .

Fixing It: La fiche de données page 2 indique que R _thj-case = la résistance thermique de jonction à boitier est 5C / W = 10% de jonction à l'air.

Si vous utilisez un dissipateur thermique de 10 C / W, le total R _th sera _{égal à} R _{_jc} + R _{c_amb} (ajoutez la jonction au cas par cas avec l’air).
= 5 + 10 = 15 ° C / Watt.
Pour 50 mA, vous obtiendrez 0,050 A x 19 V = 0,95 W ou une augmentation de 15 ° C / Watt x 0,95 ~ = augmentation de 14 ° C.

Même avec par exemple une augmentation de 20 ° C et une température ambiante de 25V, vous obtiendrez une température de radiateur de 20 + 25 = 45 ° C.
Le radiateur sera chaud mais vous pourrez le tenir sans (trop) souffrir.

Battre la chaleur:

Comme ci-dessus, la dissipation de chaleur dans un régulateur linéaire dans cette situation est de 1,9 Watt pour 100 mA ou de 19 Watt à 1A. C'est beaucoup de chaleur. À 1A, pour maintenir la température sous la température de l’eau bouillante (100 ° C) lorsque la température ambiante est à 25 ° C, il vous faut une résistance thermique globale ne dépassant pas (100 ° C à 25 ° C) / 19 Watt = 3,9 C / W. Comme la jonction avec le boîtier Rthjc est déjà supérieure à 3,9 à 5 C / W, vous ne pouvez pas conserver la jonction sous 100 ° C dans ces conditions. La jonction au boîtier seul à 19V et 1A ajoutera 19V x 1A x 5 C / W = augmentation de 95 ° C. Bien que le circuit intégré soit conçu pour permettre des températures atteignant 150 ° C, cela n’est pas bon pour la fiabilité et doit être évité dans la mesure du possible. Tout comme un exercice, pour JUSTE obtenir une température inférieure à 150 ° C dans le cas ci-dessus, le dissipateur thermique externe doit être de (150-95) C / 19W = 2,9 C / W. Cette' est réalisable mais est un dissipateur thermique plus grand que celui que vous espérez utiliser. Une alternative consiste à réduire l'énergie dissipée et donc la hausse de température.

Les moyens de réduire la dissipation de chaleur dans le régulateur sont les suivants:

(1) Utilisez un régulateur de commutation tel que la série de commutateurs simples NatSemi. Un régulateur à commutation performant avec une efficacité même de 70% réduira considérablement la dissipation de chaleur puisque seulement 2 Watt sont dissipés dans le régulateur!.
C'est-à-dire énergie en = 7.1 Watts. Sortie d'énergie = 70% = 5 watts. Courant à 5 watts à 5V = 1A.

Une autre option est un remplacement immédiat pour un régulateur à 3 bornes. L'image et le lien suivants proviennent de la partie mentionnée dans un commentaire de Jay Kominek . OKI-78SR 1,5A, 5V, régulateur de commutation à repli pour un LM7805 . 7V - 36V dans.

À 36 Volts in, 5V out, l'efficacité de 1,5 A est de 80%. Comme Pout = 5V x 1,5A = 7,5W = 80%, la puissance dissipée dans le régulateur est de 20% / 80% x 7,5W = 1,9 Watts. Très tolérable. Aucun dissipateur thermique requis et peut fournir 1,5A à 85 ° C. [[Errata: Je viens de remarquer que la courbe ci-dessous est à 3,3V. La partie 5V gère 85% à 1,5A, ce qui est mieux que ce qui précède.]]

(2) réduire la tension

(3) Réduire le courant

(4) Dissiper une partie de l'énergie externe au régulateur.

L'option 1 est la meilleure techniquement. Si ce n'est pas acceptable et si 2 et 3 sont fixés, l'option 4 est nécessaire.

Le système de dissipation externe le plus simple et (probablement le meilleur) est une résistance. Une résistance de puissance en série qui passe de 24 V à une tension que le régulateur acceptera au courant maximal fera le travail correctement. Notez que vous aurez besoin d’un condensateur de filtrage à l’entrée du régulateur en raison de la résistance rendant l’alimentation haute impédance. Dites environ 0,33uF, plus ne fera pas mal. Une céramique de 1 uF devrait suffire. Même un bouchon plus gros, comme un électrolytique en aluminium de 10 µF à 100 µF, devrait être bon.

Supposons que Vin = 24 V. Vregulateur en min = 8V (hauteur / absence de charge. Consultez la fiche technique. Le registre sélectionné indique 8V à <1A.) Iin = 1 A.

Baisse requise à 1A = 24 - 8 = 16V. Dites 15V pour être "sûr".
R = V / I = 15/1 = 15 ohms. Puissance = I ² * R = 1 x 15 = 15 watts.
Une résistance de 20 Watt serait marginale.
Une résistance de 25W + serait mieux.

Voici une résistance de 25W 15R au prix de 3,30 $ / 1 en stock sans plomb avec fiche technique ici . Notez que cela nécessite également un dissipateur de chaleur !!! Vous POUVEZ acheter gratuitement des résistances à l'air évaluées allant jusqu'à 100 watts. Ce que vous utilisez est votre choix mais cela fonctionnerait bien. Notez qu'il est évalué à 25 Watt commercial ou 20 Watt militaire donc à 15W il "va bien". Une autre option est une longueur appropriée de câble de résistance correctement monté et monté de manière appropriée. Il y a de fortes chances qu'un fabricant de résistances le fasse déjà mieux que vous.

Avec cet agencement:
Puissance totale = 24W
Puissance de la résistance = 15 Watt
Puissance de la charge = 5 Watt
Puissance du régulateur = 3 Watt

L'augmentation de la jonction du régulateur sera de 5 C / W x 3 = 15 ° C au dessus du cas. Vous devrez fournir un dissipateur thermique pour que le régulateur et le dissipateur thermique restent heureux, mais il s’agit désormais d’une «simple question d’ingénierie».

Exemples de dissipateur thermique:

21 degrés C (ou K) par Watt

7,8 C / W

Digikey - de nombreux exemples de dissipateur thermique, y compris ce dissipateur thermique 5.3 C / W

2,5 C / W

0,48 C / W !!!
119 mm de large x 300 mm de long x 65 mm de hauteur.
1 pied de long x 4.7 "de large x 2.6" de haut

Bon article sur la sélection du dissipateur thermique

Résistance thermique par convection forcée

Réduction de la dissipation du régulateur linéaire avec une résistance d'entrée série:

Comme indiqué ci-dessus, l'utilisation d'une résistance en série pour réduire la tension avant un régulateur linéaire peut réduire considérablement la dissipation dans le régulateur. Bien que le refroidissement d’un régulateur nécessite généralement des dissipateurs thermiques, il est possible d’obtenir des résistances refroidies par air qui sont capables de dissiper 10 watts ou plus sans nécessiter de dissipateur thermique. Ce n'est généralement pas une bonne idée de résoudre les problèmes de tension d'entrée élevée de cette manière, mais cela peut avoir sa place.

Dans l'exemple ci-dessous, une sortie LM317 5V 1A alimentée à partir de 12V. L'ajout d'une résistance permet de réduire de moitié la dissipation de puissance du LM317 dans les conditions les plus défavorables, en ajoutant une résistance d'entrée série montée en fil et refroidie par air.

Le LM317 nécessite une marge de sécurité de 2 à 2,5 V à des courants plus faibles ou disons 2,75 V dans des conditions de charge et de température extrêmes. (Voir Fig 3 dans la fiche technique , - copie ci-dessous).

Résistance LM317 ou chute de tension

Rin doit être dimensionné de manière à ne pas perdre de tension excessive lorsque V_12V est au minimum, Vdropout est le cas le plus défavorable pour les conditions et la chute de diode en série et la tension de sortie sont autorisées.

La tension aux bornes de la résistance doit toujours être inférieure à =

• Vin minimum

• moins de chute de Vdiode maximum

• moins d'abandon dans les pires situations relatives à la situation

• moins de tension de sortie

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

Pour 12V minimum Vin et disons 0,8V diode baisse et disons 1 ampère c'est
(12-0.8-2.75-5) / 1
= 3,45 / 1
= 3R45
= disons 3R3.

Puissance en R = I ^ 2R = 3,3W donc une partie de 5W serait marginalement acceptable et 10W serait meilleure.

La dissipation dans le LM317 passe de> 6 Watt à <3 Watt.

Un excellent exemple de résistance adaptée montée sur fil avec un fil métallique serait un membre de cette famille de résistances bobinées bien spécifiées de Yageo avec des éléments de 2 W à 40 W refroidis par air. Unités 10 Watt est en stock chez Digikey à US $ 0,63 / 1.

Résistance à la température ambiante et élévation de la température:

Il est agréable d’avoir ces deux graphiques de la fiche technique ci-dessus qui permettent d’estimer les résultats réels.

Le graphique de gauche montre qu'une résistance de 10 Watt fonctionnant à 3W3 = 33% de son débit. La puissance en watts a une température ambiante maximale de 150 ° C (environ 180 ° C si vous tracez le point de fonctionnement du graphique, mais le fabricant indique que la température maximale est de 150 ° C). permis.

Le deuxième graphique montre que l'élévation de température pour une résistance de 10 W fonctionnant à 3W3 sera d'environ 100 ° C au dessus de la température ambiante. Une résistance de 5 W de la même famille fonctionnerait à 66% de la capacité nominale et aurait une élévation de température de 140 ° C au dessus de la température ambiante. (Un 40W aurait environ 75C de montée mais 2 x 10W = moins de 50C et 10 x 2W seulement environ 25C !!!.

L’ augmentation décroissante de la température avec un nombre croissant de résistances ayant le même indice de puissance combiné dans chaque cas est probablement liée à l’action "loi cubique carrée" car il y a moins de surface de refroidissement par volume lorsque la taille augmente.

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

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Ajouté en août 2015 - Etude de cas:

Quelqu'un a posé la question raisonnable:

La charge capacitive relativement élevée (220 µF) n’est-elle pas une explication plus probable? Par exemple, le régulateur devient instable, les oscillations causent beaucoup de chaleur dissipée dans le régulateur. Dans la fiche technique, tous les circuits pour un fonctionnement normal ont uniquement un condensateur de 100 nF à la sortie.

J'ai répondu dans les commentaires, mais ils PEUVENT être supprimés en temps utile et c'est un ajout intéressant au sujet, alors voici les commentaires intégrés dans la réponse.

Dans certains cas, l'oscillation et l'instabilité du régulateur sont certainement un problème, mais dans ce cas-ci et dans de nombreux autres cas similaires, la raison la plus probable est un excès de dissipation.

La famille 78xxx est très ancienne et est antérieure aux régulateurs à faible chute de tension modernes et aux régulateurs alimentés en série (style LM317). La famille 78xxx est essentiellement inconditionnellement stable par rapport à Cout. En fait, ils n’en ont pas besoin pour un fonctionnement correct et la valeur de 0,1 µF souvent montrée est de fournir un réservoir permettant une gestion supplémentaire des surtensions ou des pointes.
Certaines des fiches de données associées indiquent en fait que Cout peut être "augmenté sans limite" mais je ne vois pas une telle note ici - mais aussi (comme je l’attendrais), il n’ya aucune note suggérant une instabilité à High Cout. La figure 33, à la page 31 de la fiche technique, montre l’utilisation d’une diode inversée pour "protéger contre les" charges de forte capacité ", c’est-à-dire des condensateurs avec une énergie suffisamment élevée pour causer des dommages s’ils sont déchargés dans la sortie, soit beaucoup plus que 0,1 µF .

Dissipation: à 24 et 5 Vout, le régulateur dissipe 19 mW par mA. Rthja est 50C / W pour le paquet TO220 donc vous obtiendrez une augmentation d'environ 1C par mA de courant.
Donc, avec par exemple une dissipation de 1 Watt dans de l'air ambiant à 20 ° C, le boîtier serait à environ 65 ° C (et pourrait être plus dépendant de l'orientation et de la localisation du boîtier). 65 ° C est légèrement au-dessus de la limite inférieure de la température "me brûler les doigts".
À 19 mW / mA, il faudrait 50 mA pour dissiper 1 Watt. La charge réelle dans l'exemple donné est inconnue - il affiche une DEL indicatrice à environ 8 ou 9 mA (si rouge) plus une charge du courant interne du régulateur utilisé (moins de 10 mA) + "PIC18FXXXX), quelques DEL ... "Ce total peut atteindre ou dépasser 50 mA selon le circuit PIC, ou PEUT être beaucoup plus petit. |

Dans l’ensemble, la famille de régulateurs, la tension différentielle, l’incertitude de refroidissement réelle, l’incertitude de Tambient, le chiffre typique C / W, etc. cas similaires. Il y a une chance que ce soit une instabilité pour des raisons moins évidentes, et une telle ne devrait jamais être rejetée sans une bonne raison, mais je commencerais par la dissipation.

Dans ce cas, une résistance d'entrée série (disons de 5W avec refroidissement à l'air) déplacerait une grande partie de la dissipation dans un composant mieux adapté pour la gérer.
Et / ou un modeste radiateur devrait faire merveille.

$\times$$\mu$

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

$R_{THJ-AMB}$

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

Il s’agit de la température de jonction, mais l’emballage n’est que de quelques degrés moins chaud ( = 5 ° C / W). C'est évidemment trop chaud au toucher; En règle générale (sans jeu de mots), environ 60 ° C, il devient trop chaud pour être touché. $R_{THJ-CASE}$

Alors ça explique ça. Bien qu'en théorie, les valeurs restent sûres, vous aurez peut-être un peu plus de dissipation nos valeurs sont un peu conservatrices , ce qui peut expliquer l’odeur de brûlé. $-$$-$

Que peut-on faire à ce sujet?

Utilisez un commutateur (SMPS). C'est la plus belle solution. Les commutateurs ont un rendement élevé, les tensions nominales pouvant être supérieures à 85%, de sorte que la dissipation sera beaucoup plus faible. Pour la charge estimée, elle sera de loin inférieure à 100 mW. Les commutateurs actuels sont faciles à utiliser, mais nécessitent une certaine attention lors de la sélection des composants et de la configuration du circuit imprimé. Celles-ci sont importantes pour l'efficacité, la disposition des panneaux est également importante pour le rayonnement. Il s'agit d'un module prêt à l'emploi, Jay et Russell, mais comparé ici à la taille d'un TO-220:

Ce module est disponible au prix de 10 USD, il n’est donc probablement pas intéressant de lancer le vôtre.

Autre solution: utilisez un dissipateur de chaleur , de préférence, pas un petit clip, avec suffisamment de pâte à chauffer pour assurer un bon contact thermique. Celui-ci a une résistance thermique de 3.1 ° C / W (au lieu de 50 ° C / W!) Et peut dissiper 9W à une élévation de température de 60 ° C.

Solution 3: utilisez une tension d'entrée inférieure . Peut ne pas être une option.

Solution 4: répartissez la dissipation sur plusieurs composants. Vous pouvez utiliser des régulateurs en cascade, comme utiliser un LM7815 entre le 24V et le L78S05. Ensuite, la différence de tension de 19 V devient 9 V pour le 7815 et 10 V pour le 78 S05, de sorte que la dissipation serait réduite de moitié par appareil. Un avantage supplémentaire est que vous obtenez une meilleure régulation de la ligne, si cela est important.

Une note finale: votre régulateur est une version spéciale capable de 2A, alors que le 7805 habituel peut délivrer 1A. Si vous envisagez d’utiliser la version 2A complète, j’envisagerais sérieusement le commutateur.

Edit
Russell a souligné la résistance en série dans sa réponse. Il s’agit bien d’une option viable, même si je ne la préfère pas. Je vais expliquer dans ma conclusion ci-dessous pourquoi pas.
Je voudrais ajouter quelque chose à propos de la dissipation pour cette solution, à partir de la résistance 15 de Russell . $\Omega$

P = V I, et quand il y a peu de courant, ce facteur dans l'équation maintient la puissance dissipée dans le régulateur basse, mais aussi lorsque le courant est élevé, la chute de tension à travers la résistance sera élevée, laissant une chute de tension plus petite sur le régulateur. régulateur, donnant également une faible dissipation. Entre ces deux, la dissipation sera plus élevée. $\times$

Il peut être prouvé que la dissipation dans le régulateur est maximale lorsqu'elle est égale à la dissipation dans la résistance, de sorte que

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

ou

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

par conséquent

$I = 0.633A$

ce qui est en accord avec ce que nous voyons dans le graphique. La dissipation dans la résistance et le régulateur est alors

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

Conclusion: même avec une résistance en série, la dissipation de puissance dans le régulateur peut être élevée, et on voit qu’elle est plus élevée pour 0.63A que pour 1A! Il est important de choisir la valeur de la résistance en fonction des besoins en courant attendus.
La distribution de l'alimentation sera égale dans les deux appareils et indépendante du courant si vous utilisez un deuxième régulateur au lieu d'une résistance. C'est pourquoi je n'aime pas trop la solution de résistance.

La chute de tension et l'absence de dissipateur thermique provoquent une dissipation importante. La fiche technique spécifie une résistance thermique de 50C / W Tja sans dissipateur thermique.

Un exemple approximatif - disons que vous utilisez 100 mA: (24-5) * 0.1 = 1.9W

1,9 * 50 = ~ 95 ° C d'augmentation au-dessus de la température ambiante, la température globale sera donc d'environ 115 ° C.

Vous pouvez améliorer les choses en ajoutant un dissipateur thermique, en abaissant la tension d'entrée ou en absorbant moins de courant dans votre circuit. Ou vous pouvez utiliser un régulateur de commutation. Pour une explication détaillée de la régulation linéaire et des considérations thermiques, voir ici: Guide du concepteur numérique concernant les régulateurs de tension linéaires et la gestion thermique

Est-ce un comportement normal pour ce régulateur?

Oui.

Qu'est-ce qui pourrait le faire chauffer autant?

La chaleur est causée par la chute de tension dans le régulateur et le courant qui le traverse. Puissance dissipée, Pd = (24V-5V) * Iout.

L'efficacité du régulateur est Vout / Vin = 5/24 = 0,21 ou 21%. En d'autres termes, pour chaque watt de sortie, vous avez besoin de 5 watt et cette différence est dissipée dans le régulateur.

Réduire la tension d'entrée aiderait cela.

Les régulateurs linéaires sont le moyen "rapide et sale" de le faire. Fonctionne et est bon marché et efficace. Ils travaillent en déchargeant l'excès d'énergie sous forme de chaleur, pas de conversion active ici. Obtenir 5v de 24v est une grosse goutte, ce n'est pas étonnant que cela vous brûle. Mon meilleur plan d'action est de passer à une tension inférieure, disons 12v ou même mieux, afin de minimiser les pertes. (Heck, je serais même obligé d'utiliser 5v et d'abandonner complètement le régulateur) D'autres choses, comme d'autres l'ont suggéré, sont les suivantes: ajouter un dissipateur de chaleur, une résistance en série ou passer à un régulateur à commutation (actif).

Cela a été une excellente discussion. J'ai pensé qu'il pourrait être utile de disposer d'un "banc d'essai" de simulation en ligne simple et gratuit, qui vous permet de saisir les paramètres de feuille de données pour votre régulateur linéaire, et qui vous indiquera les températures de fonctionnement en régime permanent et même transitoire. Ces paramètres incluent la tension de sortie, les caractéristiques thermiques (par exemple, rthj_case), plus les conditions de charge en charge.

Voici un lien vers le " Localisateur de température de régulateur linéaire ". Vous devez simplement faire une copie de la conception, puis apporter les modifications nécessaires à votre périphérique et à votre circuit.