Wann sollte ein Kühlkörper für einen Spannungsregler verwendet werden?

Manchmal verwende ich in kleinen Projekten Spannungsregler mit 8V- oder 5V-Ausgängen wie LM7805. Die Leistung ist I * V, aber ich frage mich, wann wirklich ein Kühlkörper benötigt wird. Manchmal beträgt der Stromfluss vom Reglerausgang 1 mA, in einem anderen Projekt jedoch 20 mA oder mehr. Gibt es eine Faustregel, wann Sie sich Gedanken über das Heizen und die Verwendung eines Kühlkörpers machen sollten? Angenommen, die Betriebszeit beträgt 12 Stunden.

Meine persönliche Faustregel lautet, dass ein TO-220 3-poliger Linearregler keinen Kühlkörper für weniger als 600 mW (vertikale Montage) benötigt. Das basiert auf industriellem Service und hoher Zuverlässigkeit, ist also eine konservative Zahl.

Wenn es mehr sein muss, dann mache ich die Berechnungen und möglicherweise sogar Tests und entscheide, was am besten ist.

Sie können einen moderaten Kupferguss durchführen und einen (oberflächenmontierten) TO-252 verwenden, um eine bessere Wärmeleistung als einen TO-220 ohne Kühlkörper zu erzielen - häufig angegeben bei 65 ° C / W in Luft. Das kostet nichts außer ein bisschen Leiterplattenfläche - keine Kosten für Verbindungselemente, Montagearbeit oder Kühlkörper, keine zusätzlichen (sekundären) Vorgänge und zusätzliche Möglichkeiten für Montagearbeiter, Dinge zu vermasseln.

Meiner Meinung nach ist es an der Zeit, zumindest eine Schaltversorgung in Betracht zu ziehen, wenn Sie kurz davor sind, einen Kühlkörper für einen Linearregler zu benötigen, es sei denn, Sie haben spezielle Anforderungen wie niedrige EMI.

Einfach genug.

Das Teiledatenblatt gibt die Wärmewiderstände an. Betrachtet man ein LM7805-Datenblatt von Fairchild (nur das erste, das bei einer Suche auftaucht), so beträgt der Wärmewiderstand 5 ° C / W-Verbindung zum Gehäuse und 65 ° C / W-Verbindung zur Luft.

Die maximale Betriebstemperatur beträgt 125 ° C. Wenn sich das Gerät in einer Umgebung mit 25 ° C befindet, können Sie einen Anstieg um 100 ° C bewältigen (obwohl einige Dinge normalerweise bei maximaler Betriebstemperatur abfallen), sodass Sie nur 1,5 W (100 ° C / 65 ° C / W) ohne Kühlkörper abführen können. Wenn Ihre Eingangsversorgung 30 V beträgt, sind das vielleicht 60 mA. Wenn der Eingang 12 V beträgt, entspricht er eher 214 mA. Wenn Ihr Eingang 8 V beträgt, sind es 500 mA. (Alle bei 25 ° C Umgebungstemperatur.)

Wenn Sie das Beispiel in die andere Richtung bearbeiten, zeigt Ihr Kommentar eine 24-V-Versorgung und eine Verlustleistung von 0,38 W an. 0.38W * 65 C/W = 24.7 CSie können dies also bis zu einer Umgebungstemperatur von 100,3 ° C ohne Kühlkörper betreiben.

BEARBEITEN: In all den oben genannten Fällen habe ich offensichtlich den Stromverbrauch des Reglers von 5,5 bis 6 mA (bei voller Eingangsspannung) vernachlässigt, der sich weit unten im Datenblatt befindet und die Leistungslast erhöht. In Ihrem 24-V-Beispiel würde dies Ihren Umgebungssicherheitsbereich auf etwa 90 ° C senken

Wenn Sie einen Kühlkörper hinzufügen, erhalten Sie die 5C / W-Verbindung zum Gehäuse (Wärmewiderstand) sowie einen bestimmten Wärmewiderstand vom Gehäuse zum Kühlkörper (beeinflusst durch Wärmeleitpaste, Isolatoren oder nicht usw.) und schließlich den günstigere Luftbeständigkeit des Kühlkörpers.

Wenn also die Schnittstelle 2C / W und der Kühlkörper 10C / W ist, haben Sie insgesamt 5 + 2 + 10 = 17C / W von der Verbindungsstelle zur Luft mit Schnittstelle und Kühlkörper.

Wenn der 7805 über ein geerdetes Gehäuse / eine geerdete Lasche verfügt, kann er leicht an der Seite eines Metallgehäuses / -gehäuses angeschraubt werden, um auf Wunsch einen "freien Kühlkörper" zu erhalten. Wenn Sie beim Prototyping Teile mit thermischem Überlastschutz verwenden (der im Datenblatt angegeben, aber nicht konkretisiert ist), können Sie "nur sehen, ob das Teil heiß wird und heruntergefahren wird", obwohl Sie die Zahlen vor Abschluss des Entwurfs ausführen sollten, insbesondere seit Prototypen haben oft eine bessere natürliche Konvektion als ein fertiges Produkt.

Einfaches Beispiel

ZB https://www.fairchildsemi.com/datasheets/lm/LM7805.pdf

1. Berechnen Sie die Verlustleistung im LDO. Beispielsweise betragen 8 V bis 5 V bei 100 mA 0,3 W (Spannungsdifferenz multipliziert mit dem Durchschnittsstrom).

2. Berechnen Sie den Temperaturanstieg an Luft (kein Kühlkörper): 65 ° C / W * 0,3 W = 20 ° C.

3. Schauen Sie sich die schlechteste Umgebungstemperatur an: zB ~ 40 ° C.

4. Die maximale Gehäusetemperatur beträgt 40 ° C + 20 ° C = 60 ° C und liegt damit unter der maximalen Betriebstemperatur.

Beachten Sie, dass dieser Temperaturanstieg für diesen sehr kleinen Spannungsabfall recht gering ist. Aus diesem Grund wird normalerweise ein Kühlkörper für stärkere Ströme oder größere Spannungsabfälle empfohlen. Ich würde sagen, dass vielleicht 10% der LDOs, die ich insgesamt gesehen habe, einen Kühlkörper haben.

Aber:

• Der Kühlkörper ist eine zusätzliche Komponente und erhöht die Stücklistenkosten.
• Es ist schwer und muss ordnungsgemäß montiert werden, um mechanische Stöße während des Betriebs oder Transports zu absorbieren

Die Verlustleistung ist der Spannungsabfall , dh Eingangsspannung - Ausgangsspannung * der Eingangsstrom.

Das Datenblatt gibt die maximale Sperrschichttemperatur und einen Wärmewiderstand zum Gehäuse in ° C / W an. Dies ist der Temperaturanstieg gegenüber der Umgebungstemperatur (wenn Sie also in den Tropen arbeiten, haben Sie eine höhere Umgebungstemperatur), wenn sich das Gerät in der Umgebung befindet freie Luft ohne Kühlkörper

Vorausgesetzt, die Berechnungen geben eine Sperrschichttemperatur von weniger als max an, benötigen Sie keinen Kühlkörper

Die Betriebszeit ist normalerweise kein Problem - es sei denn, Ihre Anwendung arbeitet nur einige Sekunden, wenn die thermische Verzögerung zu einem geringeren Anstieg an der Kreuzung führt.