Aumentar la capacidad actual de un regulador lineal puede ser más difícil de lo que parece y puede que no valga la pena el esfuerzo.
Aumentar la capacidad actual de un regulador lineal puede ser más difícil de lo que parece y puede que no valga la pena el esfuerzo.
En mi última columna, mostré un ejemplo del uso del regulador LM7805 para entregar 5 V a 1,5 A desde un suministro de 12 V. Al final de esa columna, llegué a la conclusión de que, en estas condiciones, el regulador disipa 10,5 W, pero sin el disipador solo puede disipar 5,23 W.
Ahora, este ejemplo puede parecer un poco extremo, pero el escenario no es poco común (piense en los cargadores de automóviles para teléfonos móviles) y muestra por qué los reguladores de conmutación se han vuelto tan populares. Hay más para aprender aquí relacionado con otras aplicaciones, así que continuemos con este ejemplo.
Aparte, la placa que se muestra arriba usa resistencias de caída, como se explica en la siguiente sección, pero no tiene nada que ver con esta columna en sí. Esta es una placa de microcontrolador AVR que diseñé hace unos años. El regulador es U7 (paquete TO92 cerca de la esquina inferior izquierda) y R15 es la resistencia de caída que utilicé para reducir el consumo de energía del regulador.
¿Debo bajar el voltaje de entrada?
Como recordatorio, nosotros Hoja de datos LM340 Del sitio web de TI como base para la discusión. Entonces, continuando con este ejemplo, necesitaría reducir el voltaje de entrada o agregar un disipador de calor y usar los componentes especificados para esta aplicación en particular.
Primero, considere bajar el voltaje de entrada. ¿Cuánto se debe reducir para obtener la corriente de salida deseada con el consumo de energía deseado?
Ⅴinmax = 5 + 5,23/1,5 = 8,48 V
Esto significa reducir el voltaje de entrada original de 12 V en 3,52 V. Si usa una resistencia para hacer esto, necesitará una resistencia de 2,4 Ω que disipe 5,4 W. Pero no puedo obtener una resistencia de 2,4 Ω con ese vataje. Lo más parecido es una pieza de 2.4Ω 10W como se ve en la figura. esta hoja de datos.
Esta es una gran resistencia y resalta el hecho desagradable de que usar un regulador lineal en esta aplicación desperdiciará una cantidad significativa de energía. Por cierto, mirar el gráfico en la primera página de la hoja de datos de esta resistencia muestra información interesante y útil. La curva de reducción de potencia muestra que las piezas de 10 W solo son buenas para 10 W por debajo de 40 °C, por lo que es bueno que esté usando un poco más de la mitad de la potencia nominal.
Por otro lado, el gráfico de aumento de temperatura muestra que a la mitad de la potencia nominal, esta resistencia experimenta un aumento de temperatura de aproximadamente 140 °C. Esto es lo suficientemente caliente como para quemarte los dedos y chamuscar tu PCB. El uso de una resistencia de mayor potencia ayudará a reducir la temperatura, pero aumentará tanto el costo como el tamaño.
¿Debo usar un disipador de calor?
En este ejemplo, reducir el voltaje de entrada parece poco práctico, así que veamos cómo agregar un disipador de calor.volver a Hoja de datos LM340echemos un vistazo más de cerca a la sección de información térmica de la siguiente manera:
Esta sección presenta una variedad de información confusa.En la última columna usé RθJA Número de paquetes TO-220 (unión a ambiente) al determinar que solo se pueden disipar con seguridad 5,23 W a 25 °C. Estoy considerando un disipador de calor, así que me gustaría usar R.θJC (unión a la caja) número. “Pero espera”, dices. “Hay dos números, arriba y abajo. ¿Cuál quieres usar?
Admito que esto me confundió un poco, ya que normalmente espero que el TO-220 se monte verticalmente en la placa (de hecho, si está usando un disipador de calor, es posible que desee montar la pieza de esa manera, creo) . Sin embargo, hay otra opción. Esto es para aplanar la pieza de modo que las lengüetas de la caja descansen sobre el tablero y los cables se doblen para encajar en el tablero. En este caso, usamos R porque sabemos que la pestaña está en la parte inferior y la pestaña es donde queremos conectar el disipador de calor.θJC(bot) número, 1,7°C/W.
En este punto, necesitamos aprender un poco más sobre cómo funcionan estos valores de resistencia térmica. Para hacer esto, es conveniente reorganizar la ecuación para obtener el aumento de temperatura punto a punto para una disipación de potencia dada:
ΔT = Rθ *PAGD.
Mirándolo de esta manera, podemos ver que cuanto menor es la resistencia térmica, menor es el aumento de temperatura. Esto significa que 1,7 °C/W es un número muy bueno, pero solo lo obtenemos de un cruce a otro. Para alcanzar la temperatura ambiente, se debe sumar la resistencia térmica del disipador. Además, se debe usar un compuesto disipador de calor o una almohadilla térmica con resistencia térmica para garantizar una transferencia de calor eficiente entre el regulador y el disipador de calor.
Estoy buscando una almohadilla térmica para el paquete TO-220 que encontré esta parte Tiene una resistencia térmica de 1,28°C/W. Ahora calculemos la resistencia térmica requerida del disipador de calor. Sabemos que el aumento de temperatura máximo posible es de 150 – 25 = 125 °C y el consumo de energía es de 10,5 W. Entonces, reorganizando la fórmula, vemos que la resistencia térmica máxima se puede determinar como:
rθMAX = 125/10,5 = 11,9 °C/W
Esto incluye la unión a la carcasa y la carcasa al disipador térmico (almohadilla térmica), por lo que es necesario restar esos números. Habiendo hecho esto, encontramos que necesitamos un disipador de calor con una resistencia térmica máxima de 8.92°C/W.
Elegir el disipador de calor adecuado
Busca más y encontrarás este catálogo Disipador de calor fabricado por Aavid Thermalloy.Como puede ver, este catálogo tiene una muy buena Cómo utilizar este catálogo Guía para la página 2. Índice por número de pieza y otro Índice por enfriamiento del dispositivo y resistencia térmicaMe gusta cuando los fabricantes hacen que sea fácil encontrar lo que estás buscando.
Desplácese hacia abajo hasta la sección TO-220 para ver los diversos disipadores de calor disponibles para la pieza T0-220. Estos están ordenados por resistencia térmica, por lo que puede reducirlos fácilmente a lo que le parezca apropiado. Por ejemplo, tome un disipador de calor de canal (7022BG) que reclama una resistencia térmica de 6.5.
Quizás agregar un disipador de calor externo al paquete SMD sea más difícil y menos efectivo, pero la PCB se puede usar para disipar el calor.Ofertas de Infineon esta linda discusión Aprenda a usar PCB para disipar el calor de los dispositivos SMD.
Continúe desplazándose hasta la página correspondiente del catálogo para ver la hoja de datos de media página de esta pieza. Esta media página tiene un dibujo dimensional, una representación del exterior montado en un paquete TO-220, información de pedido y un gráfico con dos curvas. Mirando las fotos y las dimensiones, podemos ver que este disipador térmico es considerablemente más grande que el paquete TO-220 en el que está instalado (esto puede afectar el diseño de la PCB). Ahora dirija su atención a la gráfica. Esta es la clave para determinar si este disipador cumple con sus necesidades.
Tenga en cuenta las flechas en la curva. Sin las flechas, este gráfico sería confuso. Comencemos con una curva descendente con una flecha apuntando hacia arriba a la derecha. En la parte superior aumenta la velocidad del viento ya la derecha hay resistencia térmica. Lo que esto significa es que si un ventilador sopla aire a través del disipador de calor, el disipador de calor tiene una menor resistencia térmica y el calor se transfiere de manera más eficiente. Desafortunadamente, esta curva no muestra la resistencia térmica sin el ventilador. Para hacerlo, debemos confiar en el número especificado por el índice del que elegimos esta parte.
La segunda curva (hacia arriba) (la que tiene la flecha apuntando hacia la parte inferior izquierda) muestra el aumento de temperatura de la superficie de montaje (donde se monta el regulador) para una cantidad constante de disipación de calor. Como era de esperar, cuanto más calor disipamos, mayor es la temperatura. De acuerdo con esta curva, 10,5 W da un aumento de temperatura de poco más de 70 °C.
Ahora, siempre me gusta realizar controles de cordura en mis datos, así que calculemos la temperatura en cada punto de la ruta de calor. Si la temperatura del aire es de 25 °C, la temperatura del disipador de calor de 6,5 °C/W viene dada por:
tdisipador de calor = 6,5 * 10,5 + 25 = 93,25°C
La caja del regulador debe ser una T.caso = 1,28 * 10,5 + 93,25 = 106,69°C
Finalmente, la temperatura de unión debe ser T.Unión = 1,7 * 10,5 + 106,69 = 124,54°
Por lo tanto, nosotros poder Con un disipador lo suficientemente grande, puede obtener 1,5 A de este regulador lineal, pero los cálculos solo son válidos a temperatura ambiente. Si desea que esto funcione a temperaturas más altas, tendrá que volver a hacer los cálculos y necesitará un disipador de calor aún más grande.
¿Debo usar un regulador de conmutación?
Si pierde los puntos extraídos de la discusión anterior, no querrá usar un regulador lineal para esta aplicación. Para obtener la cantidad de corriente requerida para una caída de voltaje dada, se debe usar un regulador de conmutación.
Los reguladores lineales siguen siendo útiles en aplicaciones de baja potencia, especialmente aquellas con bajas caídas de voltaje. Por ejemplo, si necesita generar 5V desde 9V a 50mA, consumirá solo 0.2W. Esto puede ser una buena compensación por la simplificación.
No usaré el ejemplo anterior en un diseño real, pero hacer estos cálculos me dio una buena manera de hacer un análisis térmico. Esto se puede aplicar a muchos otros tipos de piezas. Por ejemplo, los transistores de potencia, los diodos e incluso los FPGA pueden beneficiarse del análisis térmico.
Creo que pasamos suficiente tiempo con los reguladores. Al menos un rato. Por supuesto, como beneficio adicional, también analizamos las resistencias y los disipadores de calor y por qué necesitamos hojas de datos para estas piezas. En la siguiente columna, pasaremos a otra clase de componentes. Mientras tanto, agradecemos sus preguntas y comentarios.