선형 전압 레귤레이터가 매우 빠르게 과열됩니다

히트 싱크가없는 5V / 2A 전압 조정기 ( L78S05 )를 사용하고 있습니다. 마이크로 컨트롤러 (PIC18FXXXX), 몇 개의 LED 및 1mA 피에조 버저로 회로를 테스트하고 있습니다. 입력 전압은 aprox입니다. DC24V 1 분 동안 작동 한 후 전압 조정기가 과열되기 시작하여 손가락을 1 초 이상 유지하면 손가락이 화상을 입습니다. 몇 분 안에 타는 것처럼 냄새가 나기 시작합니다. 이 조절기의 정상적인 동작입니까? 무엇이 그렇게 가열 될 수 있습니까?

이 회로에 사용 된 다른 구성 요소 :

L1 : BNX002-01 EMI 필터

R2 : 바리스터

F1 : 퓨즈 0154004.DR

요약 : 지금 HEATSINK가 필요합니다 !!!!! :-)
[그리고 직렬 저항을 가지고 있으면 아프지 않을 것입니다 :-)]

잘 질문 된 질문 귀하의 질문은 평소보다 훨씬 좋습니다.
회로도 및 기준이 인정된다.
이렇게하면 처음에 좋은 대답을하기가 훨씬 쉬워집니다.
잘만되면 이것은 하나입니다 ... :-)

의미가 있습니다 (alas) : 동작이 완전히 예상됩니다.
조절기에 열 과부하가 발생했습니다.
이 방식으로 방열판을 사용하려면 방열판을 추가해야합니다.
무슨 일이 일어나고 있는지 잘 이해하면 큰 도움이됩니다.

전력 = 볼트 x 전류.

선형 레귤레이터의 경우 전력 총계 = 부하 전력 + 레귤레이터 전력.

레귤레이터 V _드롭 = V _in -V _부하
여기서 레귤레이터 V _드롭 = 24-5 = 19V.

여기서 전원 입력 = 24V x I _부하
전원로드 = 5V x I _부하
레귤레이터 전원 = (24V-5V) x I _부하 .

100 mA의 부하 전류에 대해 레귤레이터는
V _drop x I _load (24-5) x 0.1 A = 19 x 0.1 = 1.9 Watt 를 소산 시킵니다.

얼마나 뜨겁습니까? : 데이터 시트 2 페이지에 접합부에서 주변부 (= 공기)까지의 열 저항이 와트 당 50 도라고 나와 있습니다. 이것은 소비하는 모든 와트에 대해 50도 상승합니다. 100mA에서 약 2 와트의 손실 또는 약 2 x 50 = 100C의 상승이 있습니다. IC에서 물이 행복하게 끓을 것입니다.

대부분의 사람들이 장기적으로 유지할 수있는 가장 인기있는 것은 55C입니다. 당신보다 더 뜨겁습니다. 끓는 물에 대해서는 언급하지 않았습니다 (젖은 손가락 시즐 테스트). ~ 80C의 케이스 온도를 가정합니다. 20C 공기 온도를 가정합시다 (쉽기 때문에 몇 가지 방법으로도 차이가 거의 없습니다.

T _상승 = T _경우 -T _주변 = 80-20 = 60 ° C. 소산 = T _상승 / R _th = 60/50 ~ = 1.2 와트.

19v 드롭시 1.2W = 1.2 / 19A = 0.0632A 또는 약 60mA.

즉 , 약 50mA를 그리는 경우 케이스 온도가 70 ° C-80 ° C 범위입니다.

방열판이 필요합니다 .

고정 : 데이터 시트 2 페이지에 R _{thj 케이스} = 접합부 간 열 저항은 5C / W = 접합부 대 공기의 10 %입니다.

10 C / W 히트 싱크를 사용하는 경우 총 R _th 는 R _{_jc} + R _{c_amb입니다} (사례에 따라 접점을 공기로 연결).
= 5 + 10 = 15 ° C / 와트.
50mA의 경우 0.050A x 19V = 0.95W 또는 15 ° C / Watt x 0.95 ~ = 14 ° C 상승이됩니다.

20 ° C 상승 및 25V 주변 온도에서도 20 + 25 = 45 ° C 히트 싱크 온도를 얻을 수 있습니다.
방열판은 뜨거울 것이지만 (너무 많은) 고통없이 붙잡을 수 있습니다.

더위 때리기 :

위와 같이이 상황에서 선형 레귤레이터의 방열은 100mA 당 1.9W 또는 1A에서 19W입니다. 그것은 많은 열입니다. 1A에서 주변 온도가 25C 일 때 끓는 물 (100 ° C)의 온도에서 온도를 유지하려면 (100 ° C-25 ° C) / 19W = 3.9C / 이하의 전체 열 저항이 필요합니다. W. 케이스 Rthjc에 대한 접합부가 5 C / W에서 이미 3.9보다 크므로이 조건에서는 접합부를 100 ° C 미만으로 유지할 수 없습니다. 19V 및 1A에서 단독으로 접합하면 19V x 1A x 5C / W = 95 ° C 상승이 추가됩니다. IC는 150 ° C의 높은 온도를 허용하는 등급이지만 신뢰성에 좋지는 않으며 가능한 경우 피해야합니다. 연습과 마찬가지로, 위의 경우 150 ° C 미만으로하려면 외부 방열판이 (150-95) C / 19W = 2.9C / W 여야합니다. 그' 달성 할 수 있지만 사용하고자하는 것보다 더 큰 방열판입니다. 대안은 소비되는 에너지와 그에 따른 온도 상승을 줄이는 것입니다.

레귤레이터에서 방열을 줄이는 방법은 다음과 같습니다.

(1) NatSemi 단순 스위처 시리즈와 같은 스위칭 레귤레이터를 사용하십시오. 효율이 70 %에 불과한 성능 스위칭 레귤레이터는 레귤레이터에서 2W 만 방출되므로 열 손실을 크게 줄입니다.
즉, 에너지 = 7.1 와트. 에너지 출력 = 70 % = 5W. 5V = 1A에서 5W의 전류.

또 다른 옵션은 3 단자 레귤레이터를위한 사전 제작 된 드롭 인 교체입니다. 다음 이미지와 링크는 Jay Kominek의 의견에서 언급 된 부분 에서 가져온 것 입니다. LM7805를위한 OKI-78SR 1.5A, 스위칭 조정기 대체품의 5V 드롭 드롭 . 7V-36V 인치

36V 입력, 5V 출력에서 ​​1.5A 효율은 80 %입니다. Pout = 5V x 1.5A = 7.5W = 80 %이므로 레귤레이터에서 소비되는 전력은 20 % / 80 % x 7.5W = 1.9 와트입니다. 매우 견딜 수 있습니다. 방열판이 필요하지 않으며 85 ° C에서 1.5A를 제공 할 수 있습니다. [[Errata : 아래 곡선이 3.3V에 있음을 알았습니다. 5V 부품은 1.5A에서 85 %를 관리하므로 위의 것보다 낫습니다.]]

(2) 전압을 줄이십시오

(3) 전류를 줄입니다

(4) 레귤레이터 외부의 일부 에너지를 분산시킵니다.

옵션 1은 기술적으로 최고입니다. 이것이 허용되지 않고 2 & 3이 수정되면 옵션 4가 필요합니다.

가장 쉽고 (아마도 가장 좋은) 외부 소산 시스템은 저항기입니다. 24V에서 레귤레이터가 최대 전류에서 허용하는 전압으로 떨어지는 직렬 전력 저항이 제대로 작동합니다. 만약 필터 캐패시터 원하는 것에주의 에 의한 공급을 하이 임피던스의 저항으로 조절기에 입력한다. 약 0.33uF라고 말하면 더 아프지 않을 것입니다. 1 uF 세라믹이해야합니다. 10 uF ~ 100 uF 알루미늄 전해액과 같은 더 큰 캡이라도 좋습니다.

Vin = 24V라고 가정합니다. 최소 = 8V의 조절기 (헤드 룸 / 드롭 아웃. 데이터 시트를 확인하십시오. 선택된 reg는 <1A에서 8V를 나타냄) Iin = 1A.

1A = 24-8 = 16V에서 필요한 강하. "안전"하다고 15V라고 말하십시오.
R = V / I = 15/1 = 15 옴. 전력 = I ² * R = 1 x 15 = 15W.
20W 저항은 한계가 있습니다.
25W + 저항이 더 좋습니다.

여기 에 데이터 시트가 있는 $ 3.30 / 1 재고 가있는 25W 15R 저항기가 있습니다 . 이것은 또한 방열판이 필요합니다 !!! 최대 100 와트의 무료 공기 정격 저항을 구입할 수 있습니다. 당신이 사용하는 것은 당신의 선택이지만 이것은 잘 작동합니다. 이 제품은 25WW 상용 또는 20W 군용으로 등급이 매겨져 15W에서 "잘 작동"합니다. 다른 옵션은 적절하게 장착 된 적절한 길이의 적절한 정격 저항 와이어입니다. 승률은 이미 저항 제조업체가 당신보다 더 잘하고 있습니다.

이 구성으로 :
총 전력 = 24W
저항 전력 = 15W
부하 전력 = 5W
레귤레이터 전력 = 3W

레귤레이터 접합 상승은 5 C / W x 3 = 15 ° C 이상입니다. 레귤레이터와 히트 싱크를 행복하게 유지하려면 히트 싱크를 제공해야하지만 이제는 "엔지니어링의 문제"입니다.

방열판 예 :

와트 당 21 ° C (또는 K)

7.8 C / W

Digikey- 이 5.3 C / W 히트 싱크를 포함한 많은 히트 싱크 예

2.5 C / W

0.48 C / W !!!
폭 119mm x 길이 300mm x 높이 65mm
1 피트 길이 x 4.7 "폭 x 2.6"높이

방열판 선택 에 관한 좋은 기사

강제 대류 가열 열 저항

직렬 입력 저항으로 선형 레귤레이터 손실 감소 :

위에서 언급 한 바와 같이, 선형 레귤레이터 이전에 직렬 저항을 사용하여 전압을 강하 시키면 레귤레이터의 손실을 크게 줄일 수있다. 레귤레이터를 냉각하는 데 일반적으로 히트 싱크가 필요하지만, 히트 싱크없이 10 와트 이상의 전력을 소비 할 수있는 공랭식 저항을 저렴하게 얻을 수 있습니다. 이러한 방식으로 높은 입력 전압 문제를 해결하는 것은 일반적으로 좋은 생각이 아니지만 대신 사용할 수 있습니다.

아래 예에서 LM317 5V 출력 1A 전원은 12V에서 작동합니다. 저항을 추가하면 저렴한 공랭식 와이어 장착 직렬 입력 저항을 추가하여 최악의 조건에서 LM317의 전력 소비를 절반 이상 줄일 수 있습니다.

LM317은 낮은 전류에서 2 ~ 2.5V 헤드 룸이 필요하거나 극한의 부하 및 온도 조건에서 2.75V를 말합니다. ( 아래에 복사 된 데이터 시트의 그림 3 참조).

LM317 헤드 룸 또는 드롭 아웃 전압

린은 V_12V가 최소 일 때 과도한 전압을 떨어 뜨리지 않도록 크기를 조정해야하며, 조건에서 Vdropout은 최악의 경우이며 직렬 다이오드 강하 및 출력 전압이 허용됩니다.

저항의 전압은 항상 =보다 작아야합니다.

• 최소 Vin

• 최대 Vdiode 감소

• 상황과 관련된 최악의 사례 드롭 아웃

• 적은 출력 전압

따라서 Rin <= (v_12-Vd-2.75-5) / Imax.

12V 최소 Vin의 경우 0.8V 다이오드 드롭이라고 말하고 1 amp out이라고 말하면
(12-0.8-2.75-5) / 1
= 3.45 / 1
= 3R45
= 3R3입니다.

R = I ^ 2R = 3.3W의 전력이므로 5W 부품은 거의 수용 가능하고 10W가 더 좋습니다.

LM317의 손실은> 6W에서 <3W로 떨어집니다.

적합한 와이어 리드 장착 공냉식 저항기의 훌륭한 예는 2W ~ 40W 등급의 공랭식 등급을 갖는 이 권 선형 저항기 제품군 중 하나 입니다. Digikey는 10 Watt 단위로 US $ US3.

저항 주변 온도 등급 및 온도 상승 :

실제 결과를 추정 할 수있는 위의 데이터 시트에있는이 두 그래프가 있으면 좋을 것입니다.

왼쪽 그래프는 3W3에서 작동하는 10W 저항기 = 속도의 33 % 와트가 허용 주변 온도를 최대 150C (그래프에서 작동 점을 플롯하지만 제조업체가 150C max는 허용됩니다.

두 번째 그래프는 3W3에서 작동하는 10W 저항의 온도 상승이 주변 온도보다 약 100C 높음을 보여줍니다. 동일한 제품군의 5W 저항은 정격의 66 %에서 작동하며 주변 온도보다 140C 높은 온도 상승을 보입니다. (40W는 약 75C 상승하지만 2 x 10W = 50C 미만, 10 x 2W는 약 25C !!!입니다.

각 경우에 동일한 결합 전력 정격을 갖는 저항의 수가 증가함에 따라 온도 상승 이 감소 하는 것은 크기가 증가함에 따라 부피당 냉각 표면적이 적기 때문에 "평방 큐브 법"동작과 관련이있을 수 있습니다.

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

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2015 년 8 월 추가-사례 연구 :

누군가 합리적인 질문을했습니다.

상대적으로 높은 용량 성 부하 (220 µF)를 설명하지 않습니까? 예를 들어, 레귤레이터가 불안정하게되고, 진동하면 레귤레이터에서 많은 열이 방출됩니다. 데이터 시트에서 정상 작동을위한 모든 회로에는 출력에 100nF 커패시터 만 있습니다.

나는 의견에 대답했지만, 그것들은 적시에 삭제 될 수 있으며 이것은 주제에 가치있는 추가 사항이므로 답변에 편집 된 의견은 다음과 같습니다.

어떤 경우에는 레귤레이터의 진동 및 불안정성이 문제이지만,이 경우와 마찬가지로 많은 경우에 가장 큰 원인은 과도한 손실입니다.

78xxx 제품군은 매우 오래되었으며 최신 저 드롭 아웃 조절기 및 직렬 전원 (LM317 스타일)을 모두 사용합니다. 78xxx 제품군은 본질적으로 Cout과 관련하여 무조건 안정적입니다. 실제로는 적절한 작동을 위해 필요하지 않으며 0.1uF는 추가 서지 또는 스파이크 처리를위한 저장소를 제공하는 경우가 많습니다.
관련 데이터 시트 중 일부에서는 실제로 Cout이 "무제한으로 증가 할 수있다"고 말하지만 여기서는 그런 메모를 보지 못합니다. 그러나 기대했던대로 높은 Cout에서 불안정성을 나타내는 메모는 없습니다. 데이터 시트의 31 페이지에있는 그림 33에서 "높은 정전 용량 부하", 즉 출력으로 방전 될 때 손상을 입힐 수있는 충분한 에너지를 가진 커패시터, 즉 0.1 uF를 초과하는 역 다이오드 사용을 보여줍니다. .

소산 : 24 Vin 및 5 Vout에서 레귤레이터는 mA 당 19mW를 소산합니다. Rthja는 TO220 패키지의 경우 50C / W이므로 전류 mA 당 약 1C 상승합니다.
따라서 20C 주변 공기에서 1W의 전력 손실로 인해 케이스의 온도는 약 65C입니다 (케이스의 방향과 위치에 따라 다를 수 있음). 65C는 "손가락 태우기"온도의 하한보다 약간 높습니다.
19mW / mA에서는 1W를 소산하는 데 50mA가 소요됩니다. 주어진 예제의 실제 부하는 알 수 없습니다-그는 약 8 또는 9 mA (적색 인 경우)의 표시기 LED와 사용 된 조정기 내부 전류 (10 mA 미만) + "PIC18FXXXX"부하, 몇 개의 LED를 보여줍니다 ... "PIC 회로에 따라 총계가 50mA에 도달하거나 초과 할 수 있습니다. |

전반적으로 레귤레이터 제품군, 차동 전압, 실제 냉각 불확실성, 앰비언트 불확실성, C / W 전형적인 수치 등이이 경우에 볼 수 있고 선형 레귤레이터를 사용하는 많은 사람들이 경험하는 합리적인 이유 인 것 같습니다. 비슷한 경우. 덜 분명한 이유로 불안정성이있을 가능성이 있으며, 정당한 이유없이 거부해서는 안되지만 소멸을 시작합니다.

이 경우 직렬 입력 저항 (예 : 5W 정격 공기 냉각)은 소산의 대부분을 처리하기에 더 적합한 구성 요소로 옮길 수 있습니다.
그리고 / 또는 적당한 히트 싱크는 놀랍습니다.

소모 전력 조절기에 그것을 가로 질러 전압 그것을 통한 전류. 전압은 24V-5V = 19V입니다. 전류 (추측 치) : 10mA (78S05의 접지 전류) + 60mA (몇 개의 LED) + 10mA ( C + 부저) = 80mA. 그때$\times$$\mu$

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

어떤 패키지에도 많이 사용되는 것이 가장 적습니다. 최소한 그 이상을 사용하고있을 수도 있습니다. ( 열 저항 )이 50 ° C / W 인 TO-220 버전을 사용한다고 가정합니다 . 이것은 모든 와트에 대해 접합부 (전자 다이의 핫스팟)를 소멸시킬 때 패키지 주변의 (자유 흐름) 공기보다 50 ° C 더 뜨겁다는 것을 의미합니다. 다이 온도는 150 ° C까지 올라갈 수 있지만 절대 최대 등급이므로 안전을 위해 130 ° C로 유지합니다. 그때 $R_{THJ-AMB}$

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

이 온도는 접합 온도이지만 패키지의 온도는 몇도 낮습니다 ( = 5 ° C / W). 이것은 너무 뜨겁기 때문에 너무 뜨겁습니다. 일반적으로 60 ° C 주위는 너무 뜨거워서 만질 수 없습니다. $R_{THJ-CASE}$

그래서 그것은 설명합니다. 이론적으로 값이 아직 안전하지만 당신은 좀 더 손실이있을 수 있습니다 우리의 가치는 조금 보수적 , 즉 번제 냄새를 설명 할 수 있도록. $-$$-$

그것에 대해 무엇을 할 수 있습니까?

스위처 (SMPS)를 사용하십시오 . 이것이 가장 좋은 해결책입니다. 스위처는 정격 전압이 85 % 이상일 때 효율이 높기 때문에 소비 전력이 훨씬 낮아집니다. 추정 부하의 경우 100mW보다 훨씬 적습니다. 오늘날의 스위처는 사용하기 쉽지만 구성 요소를 선택할 때와 PCB 레이아웃에주의를 기울여야합니다. 이것들은 효율성에 중요하며 보드 레이아웃은 방사선에 중요합니다. 이것은이다 준비가 내장 된 모듈 제이 또한 러셀이 언급하지만, 여기의 크기에 비해 TO-220 :

이 모듈은 미화 10 달러에 구입할 수 있으므로 직접 구매하는 것이 좋습니다.

다른 해결 방법 : 적절한 열 접촉을 보장하기에 충분한 열 페이스트가 포함 된 작은 클립 온이 아닌 방열판을 사용하십시오 . 이 제품 은 3.1 ° C / W (50 ° C / W에서 다운)의 열 저항을 가지며 60 ° C 온도 상승시 9W를 소멸시킬 수 있습니다.

해결 방법 3 : 낮은 입력 전압을 사용하십시오 . 옵션이 아닐 수 있습니다.

해결 방법 4 : 여러 구성 요소에 분산 을 분산시킵니다 . 24V와 L78S05 사이에 LM7815를 사용하는 것처럼 조정기를 캐스케이드 할 수 있습니다. 그런 다음 19V 전압 차이는 7815의 경우 9V, 78S05의 경우 10V가되므로 장치 당 절반의 손실이 발생합니다. 추가 이점은 중요한 경우 훨씬 더 나은 라인 조절을 받는다는 것입니다.

마지막 참고 사항 : 레귤레이터는 2A가 가능한 특수 버전이며 일반적인 7805는 1A를 제공 할 수 있습니다. 전체 2A를 사용할 계획이라면 스위처를 진지하게 고려할 것입니다.

편집
Russell은 그의 대답에서 직렬 저항을 지적했으며 실제로 그것을 선호하지는 않지만 실제로 실행 가능한 옵션이기도합니다. 나는 왜 내 결론에 설명하지 않겠는가.
Russell의 15 저항 에서 시작 하여이 솔루션의 소산에 대해 뭔가를 추가하고 싶습니다 . $\Omega$

P = V I이며, 방정식에 해당 요소가 적 으면 레귤레이터의 소비 전력을 낮게 유지하지만 전류가 높으면 저항 양단의 전압 강하가 커져서 레귤레이터, 저손실도 제공합니다. 이 둘 사이에서 소산이 더 높아질 것이다. $\times$

레귤레이터의 소산이 저항의 소산과 동일 할 때 최대가된다는 것을 증명할 수 있습니다.

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

또는

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

따라서

$I = 0.633A$

그래프에서 보는 것과 일치합니다. 그러면 저항과 레귤레이터의 손실이

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

결론 : 직렬 저항을 사용하더라도 레귤레이터의 전력 손실이 높을 수 있으며 1A보다 0.63A가 더 높습니다! 예상 전류 요구 사항에 따라 저항 값을 선택하는 것이 중요합니다. 저항 대신 두 번째 레귤레이터를 사용하면
전력 분배가 두 장치에서 동일 하며 전류 와 무관합니다 . 그렇기 때문에 저항 솔루션을 좋아하지 않습니다.

전압 강하 및 방열판이 없어서 상당한 손실이 발생합니다. 데이터 시트는 히트 싱크가없는 열 저항 50C / W Tja를 지정합니다.

대략적인 예-100mA를 사용한다고 가정하십시오. (24-5) * 0.1 = 1.9W

1.9 * 50 = ~ 95도 주변 온도 이상으로 상승하므로 전체 온도는 약 115 ℃입니다.

히트 싱크를 추가하거나 입력 전압을 낮추거나 회로에서 전류를 덜 싱킹하여 상황을 개선 할 수 있습니다. 또는 스위칭 레귤레이터를 사용할 수 있습니다. 선형 조정 및 열 고려 사항에 대한 자세한 설명은 다음을 참조하십시오. 선형 전압 조정기 및 열 관리 디지털 디자이너 안내서

이 조정기의 정상적인 동작입니까?

예.

무엇이 그렇게 가열 될 수 있습니까?

열은 레귤레이터 양단의 전압 강하와이를 통과하는 전류로 인해 발생합니다. 전력 손실, Pd = (24V-5V) * Iout.

레귤레이터의 효율은 Vout / Vin = 5 / 24 = 0.21 또는 21 %입니다. 다시 말해, 1 와트의 출력마다 5 와트의 입력이 필요하며 그 차이는 레귤레이터에서 사라집니다.

입력 전압을 낮추면 도움이됩니다.

선형 레귤레이터는 "빠르고 더러운"방법입니다. 효과적이고 저렴합니다. 그들은 과도한 전력을 열로 버리고 여기에서 능동적으로 변환하지 않습니다. 24v에서 5v를 얻는 것은 큰 하락입니다. 최선의 조치는 손실을 최소화하기 위해 12V 또는 9V와 같은 낮은 전압 공급 장치로 전환하는 것입니다. (허크, 나는 단지 5V를 사용하고 레귤레이터를 완전히 버려야 할 것입니다.) 다른 사람들이 제안한 다른 것들은 방열판, 직렬 저항을 추가하거나 스위칭 (액티브) 레귤레이터로 전환하는 것입니다.

이것은 훌륭한 토론이었습니다. 특정 선형 레귤레이터에 대한 데이터 시트 매개 변수를 입력 할 수있는 단순하고 무료 온라인 시뮬레이션 "테스트 벤치"를 보유하면 정상 상태 및 심지어 일시적인 작동 온도를 알려주는 것이 도움이 될 것이라고 생각했습니다. 이 파라미터에는 출력 전압, 열 특성 (예 : rthj_case) 및 입력 전압 조건 부하가 포함됩니다.

다음은 " Linear Regulator Temperature Finder "에 대한 링크 입니다. 설계를 복사 한 다음 특정 장치 및 회로에 맞게 변경해야합니다.