источник питания – Регулятор напряжения слишком горячий, чтобы до него можно было дотронуться

Задавать вопрос

спросил 9 лет, 11 месяцев назад

Изменено 8 лет, 10 месяцев назад

Просмотрено 29 тысяч раз

\$\начало группы\$

Я работаю над проектом RGB LED. Я использую это в качестве источника питания: https://www.sparkfun.com/products/114 Он использует LM317, который, согласно техническому описанию, может выдавать до 1,5 А. Я использую следующие светодиоды: http://www.adafruit.com/products/314

И блок питания, который я использую, — 12 В постоянного тока, 2 А.

Вот в чем проблема. Если у меня загорелись только все красные части светодиодов (у меня 8 светодиодов), примерно через минуту регулятор напряжения стал слишком горячим, чтобы до него можно было дотронуться, и я отключил его, когда он начал странно пахнуть.

Я прикрепил монету к части радиатора регулятора напряжения (знаю, это не очень хорошо, но я все еще жду, когда прибудут какие-нибудь подходящие радиаторы, которые я заказал), и примерно через минуту она тоже стала слишком горячей, чтобы ее можно было коснуться.

Как это может быть? Каждая красная часть светодиода потребляет 20 мА, умножая на 8, получаем 160 мА. Значит, схема не потребляет слишком много тока, не так ли? Я использую резисторы 150 Ом для каждого светодиода.

Почему так сильно греется и что я делаю не так?

Спасибо

(Кроме того, если я запитаю все красные, зеленые и синие части всех 8 светодиодов, регулятор напряжения станет невероятно горячим)

(Я только что прочитал об использовании «переключающих» регуляторов производят меньше тепла, будет ли это лучше?)

• блок питания
• регулятор напряжения
• RGB
• теплозащита

\$\конечная группа\$

0

\$\начало группы\$

Линейный регулятор рассеивает тепло пропорционально количеству напряжения, которое он должен упасть, и количеству тока, протекающего через него.

Входное питание = 12 В

Вариант A:

Выход В _вых = 3,3 В
В _{f красный} = 2,1 В
Ток = (В _вых – В _f ) / R = 7,5 мА на светодиод = 60 мА всего
Мощность, рассеиваемая регулятором , P = (V _{, вход} – V _{, выход} ) x I = 522 мВт

В этом случае линейный регулятор рассеивает более половины ватта. Добавьте зеленый и синий каналы, и рассеяние увеличится в три раза.

Опция B:

Выход В _вых = 5 Вольт
В _{f красный} = 2,1 Вольт
Ток = (В _вых – В _f ) / R = 19,33 мА на светодиод = 154,67 мА всего
Мощность, рассеиваемая регулятором, P = (V _{, вход} – V _{, выход} ) x I = 1082,67 мВт

В этом случае линейный регулятор рассеивает более 1 Вт. 1 Вт — это значительная мощность, излучаемая в виде тепла. Регулятор становится слишком горячим для прикосновения в этом случае. Добавление зеленого и синего каналов сделает ситуацию намного хуже.

Рекомендации:

1. Используйте макетный блок питания в режиме 3,3 В до тех пор, пока не будет подключен хороший радиатор, даже 7,5 мА на канал светодиода должны обеспечить разумное освещение от светодиодов.
2. Переключитесь на импульсный регулятор постоянного тока или понижающий регулятор, они тратят гораздо меньше энергии в виде тепла.

\$\конечная группа\$

\$\начало группы\$

Проблема:
Вы питаете LM317 12 В, и он выдает 5 В при 160 мА.
Итак, 12 В – 5 В = 7 В при 160 мА, которые lm317 должен рассеивать (тепло).

P(ватт) = I * U
= 0,160 A * 7 В
= 1,12 Вт тепла

В техническом описании LM317 указано: , температура перехода к окружающей среде составляет 80 °C/Вт (без радиатора)
, поэтому общее тепловое сопротивление составляет: 85 °C/Вт

Повышение температуры составляет: 1,12 Вт * 85 °C/Вт = 95,2 °C
При комнатной температуре 21 °C температура корпуса будет 116,2 °C
LM317 имеет защиту, поэтому он начинает отключаться, когда становится горячим.

Рекомендации:

Вам действительно нужен лучший радиатор ИЛИ меньшее потребление тока ИЛИ меньшее входное напряжение ИЛИ …

\$\конечная группа\$

2

\$\начало группы\$

Да, LM317 может выдерживать ток до 1,5 А, но при снижении напряжения с 12 В до 5 В ему необходимо избавиться от 10,5 Вт тепла! Это невозможно сделать без существенного радиатора.

Даже при 160 мА, потребляемых вашими красными светодиодами, регулятор рассеивает более 1 Вт. Его температура будет повышаться до тех пор, пока количество тепла, передаваемого воздуху, не сравняется с количеством тепла, выделяемого. Если площадь поверхности, на которой это может произойти, невелика, температура быстро поднимется выше максимального номинала устройства. Монета добавляет немного площади (и немного тепловой массы), но этого недостаточно.

\$\конечная группа\$

2

\$\начало группы\$

Указанный максимальный ток, который может обеспечить LM317, требует, чтобы микросхема избавлялась от тепла, которое она должна выделять для «выпаривания» разницы напряжений. Вы не говорите, какое выходное напряжение у LM317, я полагаю, 5В. Это означает, что каждая часть светодиода, которую вы включаете, заставляла LM317 рассеивать 0,02 * (12 – 5 ) = 0,14 Вт. Корпус TO220 без дополнительного радиатора может рассеивать ~1 Вт (но будет греться!). Для 24 светодиодных деталей это 3,4 Вт. Это требует приличного радиатора для LM317.

Радиатор можно рассчитать так же, как резистор. Вы хотите рассеять 4 Вт при разнице температур, скажем, в 40 градусов C. Следовательно, вам нужен радиатор (максимум) 40 градусов / 4 Вт = 10C/Вт. Это не очень большой.

Вы не сообщили подробностей о своей схеме, но могут быть другие варианты

• с использованием блока питания с выходным напряжением 9 В вместо 12 В или даже с источником питания с выходным напряжением 5 В

• , если вы используете драйверы с открытым коллектором в стиле 2803: запитайте светодиоды напрямую от 12В. Это не уменьшит общую рассеиваемую мощность, но распределит ее по всем резисторам.

• использовать небольшой импульсный преобразователь для получения напряжения 5 В

(Я убрал предложение последовательно ставить светодиоды одного цвета, потому что это невозможно с RGB-светодиодами, и Лойд, похоже, хочет управлять светодиодами по отдельности.)

\$\конечная группа\$

5

источник питания – Мой линейный регулятор напряжения очень быстро перегревается

Резюме: ВАМ НУЖЕН РАДИАТОР СЕЙЧАС !!!!! 🙂
[и резистор не помешает 🙂 ]

---

Хорошо заданный вопрос Ваш вопрос задан хорошо – намного лучше, чем обычно.
Принципиальная схема и ссылки приветствуются.
Это значительно упрощает правильный ответ с первого раза.
Надеюсь, это один… 🙂

Логично (увы): Поведение вполне ожидаемое.
Вы перегреваете регулятор.
Вам нужно добавить радиатор, если вы хотите использовать его таким образом.
Вам бы очень помогло правильное понимание того, что происходит.

Мощность = Вольт x Ток.

Для линейного регулятора Суммарная мощность = мощность в нагрузке + мощность в регуляторе.

Регулятор В _{падение} = В _в – В _{нагрузка}
Здесь В _{падение} в регуляторе = 24-5 = 19В.

Здесь Мощность на входе = 24 В x I _{нагрузки}
Мощность на нагрузке = 5 В x I _{нагрузки}
Мощность на регуляторе = (24 В-5 В) x I _{нагрузки} .

При токе нагрузки 100 мА регулятор рассеивает
В _{падение} x I _{нагрузка} (24-5) x 0,1 A = 19 x 0,1 = 1,9 Вт.

Насколько горячо?: На странице 2 технического описания указано, что тепловое сопротивление от перехода к окружающей среде (= воздуху) составляет 50 градусов C на ватт. Это означает, что на каждый рассеиваемый ватт вы получаете повышение температуры на 50 градусов по Цельсию. При 100 мА у вас было бы около рассеивание 2 Вт или примерно 2 x 50 = повышение температуры на 100°C. Вода кипела бы счастливо на IC.

Максимальная температура, которую большинство людей может удерживать в течение длительного времени, составляет 55°C. У тебя горячее. Вы не упомянули кипяток (испытание на шипение мокрых пальцев). Предположим, у вас температура корпуса ~~ 80°C. Предположим, что температура воздуха 20°C (потому что это просто – несколько градусов в любом случае мало что меняют.

T _рост = T _корпус -T _{окружающая среда} = 80°C – 20°C = 60°C. Рассеивание = T _подъем /R _th = 60/50 ~= 1,2 Вт.

В 19 летv падение 1,2 Вт = 1,2/19 А = 0,0632 А или около 60 мА.

т.е. если вы потребляете около 50 мА, вы получите температуру корпуса в диапазоне 70°C – 80°C градусов.

Вам нужен радиатор .

Крепление:

В техпаспорте на странице 2 указано R _{thj-корпус} = тепловое сопротивление от перехода к корпусу 5C/W = 10% перехода к воздуху.

Если вы используете радиатор, скажем, 10 C/W, то общая сумма R _th составит R _{_jc} + R _{c_amb} (добавьте соединение к корпусу с воздухом).
= 5+10 = 15°C/Ватт.
Для 50 мА вы получите 0,050 А x 19 В = 0,95 Вт или повышение на 15°C/Ватт x 0,95 ~= повышение на 14°C.

Даже при повышении температуры на 20°C и напряжении 25В вы получите температуру радиатора 20+25 = 45°C.
Радиатор будет горячим, но вы сможете удерживать его без (слишком сильной) боли.

Преодоление тепла:

Как и выше, тепловыделение в линейном регуляторе в этой ситуации составляет 1,9 Вт на 100 мА или 19Ватт на 1А. Это много тепла. При 1А, чтобы поддерживать температуру ниже температуры кипящей воды (100°C) при температуре окружающей среды 25°C, вам потребуется общее тепловое сопротивление не более (100°C-25°C)/19 Вт = 3,9. °С/Вт. Поскольку Rthjc перехода к корпусу уже больше 3,9 при 5°C/Вт, вы не можете поддерживать температуру перехода ниже 100°C в этих условиях. Только соединение с корпусом при 19 В и 1 А добавит 19 В x 1 А x 5°C/Вт = повышение температуры на 95°C. Несмотря на то, что ИС рассчитана на работу при температурах до 150 °C, это не очень хорошо для надежности, и этого следует избегать, если это вообще возможно. Просто в качестве упражнения, чтобы ТОЛЬКО получить температуру ниже 150 ° C в приведенном выше случае, внешний радиатор должен быть (150-95)°С/19Вт = 2,9°С/Вт. Это достижимо, но это больший радиатор, чем вы надеетесь использовать. Альтернативой является уменьшение рассеиваемой энергии и, следовательно, повышение температуры.

Способы уменьшения рассеивания тепла в регуляторе:

(1) Используйте импульсный регулятор, такой как серия простых переключателей NatSemi. Импульсный регулятор производительности даже с КПД всего 70% значительно снизит тепловыделение, так как в регуляторе рассеивается всего 2 Вт!
т. е. Энергия в = 7,1 Вт. Выходная энергия = 70% = 5 Вт. Ток при 5 Вт при 5В = 1А.

Другим вариантом является готовая замена 3-контактного регулятора. Следующее изображение и ссылка взяты из части , упомянутой в комментарии Джея Коминека . OKI-78SR 1,5 А, падение напряжения 5 В в импульсном стабилизаторе для замены LM7805. 7В – 36В вход.

При входе 36В, выходе 5В, КПД 1,5А составляет 80%. Поскольку Pout = 5 В x 1,5 А = 7,5 Вт = 80 %, мощность, рассеиваемая стабилизатором, составляет 20 %/80 % x 7,5 Вт = 1,9 Вт. Очень терпимо. Радиатор не требуется, и он может выдавать 1,5 А при 85 градусах Цельсия. [[Ошибка: Только что заметил, что кривая ниже соответствует 3,3 В. Часть 5 В управляет 85% при 1,5 А, поэтому она лучше, чем указанная выше.]]

(2) Уменьшить напряжение

(3) Уменьшить ток

(4) Рассеять часть энергии, внешней по отношению к регулятору.

Вариант 1 технически лучше. Если это неприемлемо и если 2 и 3 исправлены, то необходим вариант 4.

Самая простая и (вероятно, лучшая) внешняя система рассеяния — это резистор. Последовательный силовой резистор, который падает с 24 В до напряжения, которое регулятор может принять при максимальном токе, хорошо справится со своей задачей. Обратите внимание, что вам понадобится конденсатор фильтра на вход регулятора из-за сопротивления, делающего источник питания высоким импедансом. Скажем около 0,33 мкФ, больше не помешает. Подойдет керамика 1 мкФ. Даже конденсатор большего размера, такой как алюминиевый электролитический конденсатор емкостью от 10 мкФ до 100 мкФ, должен подойти.

Предположим, что Vin = 24 В. Мин. напряжение регулятора V = 8 В (запас/отключение. См. технические данные. В выбранном регистре указано 8 В при <1 А.) Iin = 1 А.

Требуемое падение напряжения при 1 А = 24–8 = 16 В. Скажем 15V, чтобы быть “безопасным”.
R = V/I = 15/1 = 15 Ом. Мощность = I ² *R = 1 х 15 = 15 Вт.
Резистор на 20 Вт был бы предельным.
Лучше бы 25Вт + резистор.

Вот резистор 25 Вт 15R по цене $3,30/1 в наличии без свинца с техническим описанием здесь. Обратите внимание, что для этого также нужен радиатор!!! Вы МОЖЕТЕ купить резисторы номиналом до 100 Вт бесплатно. Что вы используете, это ваш выбор, но это будет работать хорошо. Обратите внимание, что он рассчитан на 25 Вт для коммерческих или 20 Вт для военных, поэтому при 15 Вт он «хорошо работает». Еще вариант подходящей длины правильно подобранный резистивный провод смонтирован соответствующим образом. Скорее всего, производитель резисторов уже делает это лучше, чем вы.

При таком расположении:
Общая мощность = 24 Вт
Мощность резистора = 15 Вт
Мощность нагрузки = 5 Вт
Мощность регулятора = 3 Вт . Вам нужно будет предоставить радиатор, чтобы регулятор и радиатор были довольны, но теперь это «просто инженерный вопрос».

---

Примеры радиаторов:

21 градус °C (или °K) на ватт

7,8 °C/Вт

Digikey — много примеров радиаторов, включая этот 5,3 C/ Вт радиатор

2,5° C/Вт

0,48°C/Вт!!!
Ширина 119 мм, длина 300 мм, высота 65 мм.
1 фут в длину x 4,7 дюйма в ширину x 2,6 дюйма в высоту

Хорошая статья по выбору радиатора

Тепловое сопротивление радиатора с принудительной конвекцией

---

Уменьшение рассеяния на линейном регуляторе с помощью последовательного входного резистора:

Как отмечалось выше, использование последовательного резистора для снижения напряжения перед линейным регулятором может значительно уменьшить рассеяние на регуляторе. В то время как для охлаждения регулятора обычно требуются радиаторы, можно дешево приобрести резисторы с воздушным охлаждением, способные рассеивать 10 или более Вт без радиатора. Обычно не рекомендуется решать проблемы с высоким входным напряжением таким образом, но он может иметь место.

В приведенном ниже примере источник питания LM317 5 В с выходом 1 А работает от 12 В. Добавление резистора может более чем вдвое уменьшить рассеиваемую мощность в LM317 в наихудших условиях за счет добавления дешевого последовательного входного резистора с воздушным охлаждением. 2R = 3,3 Вт, поэтому часть на 5 Вт будет минимально приемлемой, а 10 Вт будет лучше.

Рассеивание в LM317 падает с > 6 Вт до < 3 Вт.

Прекрасным примером подходящего резистора с воздушным охлаждением, монтируемого на проволочном выводе, может быть представитель семейства резисторов с проволочной обмоткой Yageo с номиналом от 2 Вт до 40 Вт с воздушным охлаждением. Устройства мощностью 10 Вт есть в наличии на Digikey по цене 0,63 долл. США за 1 шт.

---

Номинальная температура окружающей среды резистора и превышение температуры:

Приятно иметь эти два графика из таблицы данных выше, которые позволяют оценить реальные результаты.

На левом графике показано, что резистор мощностью 10 Вт работает при 3W3 = 33% от своей мощности. Допустимая температура окружающей среды составляет до 150 C (фактически около 180 C, если вы нанесете рабочую точку на график, но производитель говорит Максимально допустимая температура 150 C.

Второй график показывает, что повышение температуры для резистора мощностью 10 Вт, работающего при 3W3, будет примерно на 100 °C выше температуры окружающей среды. повышение температуры на 140°C по сравнению с окружающей средой (при мощности 40 Вт будет повышение температуры примерно на 75°C, но 2 x 10 Вт = ниже 50°C и 10 x 2 Вт только при температуре около 25°C !!!.

снижение повышения температуры с увеличением количества резисторов с одинаковой комбинированной номинальной мощностью в каждом случае предположительно связано с действием «закона квадрата в кубе», поскольку площадь охлаждающей поверхности на единицу объема уменьшается по мере увеличения размера.

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

________________________________________

Добавлено в августе 2015 г. — Практический пример:

90 002 Кто-то задал резонный вопрос:

Не является ли более вероятным объяснением относительно высокая емкостная нагрузка (220 мкФ)? Например. вызывая неустойчивость регулятора, колебания, вызывающие рассеивание большого количества тепла в регуляторе. В даташите все схемы для нормальной работы имеют на выходе только конденсатор 100 нФ.

Я ответил в комментариях, но они МОГУТ быть удалены со временем, и это стоящее дополнение к теме, поэтому вот комментарии, отредактированные в ответ.

В некоторых случаях колебания и нестабильность регулятора, безусловно, являются проблемой, но в этом случае и во многих подобных случаях наиболее вероятной причиной является избыточное рассеяние.

Семейство 78xxx очень старое и предшествует как современным регуляторам с малым падением напряжения, так и серийным регуляторам с питанием (в стиле LM317). Семейство 78xxx принципиально безусловно устойчиво по отношению к Cout. На самом деле им ничего не нужно для правильной работы, а 0,1 мкФ, часто показанные, предназначены для обеспечения резервуара для обеспечения дополнительной обработки скачков или пиков.
В некоторых соответствующих спецификациях действительно говорится, что Cout можно “увеличивать без ограничений”, но я не вижу здесь такого примечания, но также (как я и ожидал) нет примечания, указывающего на нестабильность при высоком Cout. На рис. 33 на странице 31 таблицы данных показано использование обратного диода для «защиты от «нагрузок с высокой емкостью» — т. Е. Конденсаторов с достаточно высокой энергией, чтобы вызвать повреждение при разряде на выходе — т. е. намного больше, чем 0,1 мкФ.

Рассеивание: При 24 Vin и 5 Vout регулятор рассеивает 19мВт на мА. Rthja составляет 50 C / Вт для пакета TO220, поэтому вы получите повышение ПРИБЛИЗИТЕЛЬНО на 1 ° C на мА тока.
Таким образом, при рассеянии, скажем, 1 Вт при температуре окружающего воздуха 20°C температура корпуса будет около 65°C (и может быть больше, в зависимости от ориентации и расположения корпуса). 65°C несколько выше нижнего предела температуры «обжечь палец».
При 19 мВт/мА потребуется 50 мА, чтобы рассеять 1 Вт. Фактическая нагрузка в приведенном примере неизвестна – он показывает светодиодный индикатор примерно на 8 или 9 мА (если красный) плюс нагрузка используемого внутреннего тока регулятора (менее 10 мА) + “PIC18FXXXX), несколько светодиодов.