Regulatory napięcia vs wydzielane ciepło, czyli: Grzeje się!

Autor: Dondu

Artykuł jest częścią cyklu: Regulatory napięcia (stabilizatory)

Początkujący elektronik, często już w pierwszym swoim urządzeniu natrafia na problem gorących, wręcz parzących obudów regulatorów napięcia (popularnie zwanych stabilizatorami). Ratuje się pokaźnych rozmiarów radiatorem lub szuka "większego" regulatora napięcia.

To normalne i każdy hobbysta i nie tylko przez to przeszedł - ja także w latach 80-tych XX wieku :-)

O ile wtedy nie było regulatorów LDO, ani dobrze zaopatrzonych sklepów z częściami (kupowałem na bazarze w Katowicach na straganie, jak ziemniaki), o tyle teraz mamy olbrzymie pole do popisu w tym zakresie.

Jak bardzo jest to istotny temat, znajdziesz w jednym z początkowych komentarzy pod niniejszym artykułem:

Adam
Przyznam że po przeczytaniu tematu wydawał mi się on tak banalny że aż nie wart omówienia, po przeczytaniu go teraz wiem że się myliłem ;) Dzięki.

Kontynuując więc odpowiadanie na pytania czytelników, zajmiemy się kolejnym pytaniem kol. liquee:

liquee
A jak już idziemy tym tropem, to może w kolejnych artykułach napisać coś jak sobie radzić z wydzielanym ciepłem? Na jaki typ obudowy się zdecydować, jak dobrać radiator, albo jak zrealizować odprowadzanie ciepła na płytce w przypadku stabilizatorów smd?

W niniejszym artykule odpowiem na część jego pytań, gdyż akurat jestem w trakcie pisania artykułu o robocie RoDonM8, w którym musimy skorzystać z tej wiedzy.

W poprzednim artykule dot. RoDonM8, dokonaliśmy bilansu zapotrzebowania na prąd z regulatora LDO znajdującego się w module głównym. Z bilansu wyszło, że powinniśmy się przygotować na 400mA. W pierwszym komentarzu do tamtego artykułu Olek poruszył istotną sprawę:

Olek
400mA - no no, to ze stabilizatora może się zrobić niezła grzałka :).

Czy aby na pewno? Postarajmy się to ustalić na podstawie wiedzy i dokumentacji.

Na początek prowokacyjnie wrzucę tabelkę z wynikami obliczeń, które znajdziesz w artykule:

Zestawienie wyników obliczeń przykładów w artykule.

Dlaczego i kiedy regulator napięcia się grzeje?

Zaczniemy od zrozumienia dlaczego regulator napięcia się grzeje. Częściowo wytłumaczyłem to w artykule: Regulatory napięcia vs prąd spoczynkowy

Chodzi o moc wydzielaną w regulatorze w postaci ciepła. W poniższych rozważaniach pominiemy prąd Quiescent Current opisany w powyższym linku. Możemy to zrobić, ponieważ omawiamy przypadek, w którym wartość tego prądu jest mała w stosunku do prądu pobieranego przez nas z regulatora.

Moc wydzielona na regulatorze będzie więc wynikać ze spadku napięcia na regulatorze i prądu pobieranego z regulatora:

Spadek napięcia na regulatorze wynosi:

a wydzielona na regulatorze moc (w postaci ciepła):

Mamy ustaloną moc, teraz należy wywnioskować z dokumentacji, co to dla nas oznacza. Posłużymy się najczęściej wybieranym przez początkujących regulatorem napięcia jakim jest regulator z rodziny L7805.

Zaczniemy od tego, że z reguły regulator ma kilka rodzajów obudów:

Dlaczego? Ponieważ każda ma różne kształty według standardu pozwalające na różne zastosowania. Dla nas bardzo istotnym jest metalowy element odprowadzający wytwarzane przez regulator ciepło:

Elementy te są większe lub mniejsze, przez co różne typy obudowy regulatora są w stanie odprowadzić różne ilości ciepła. Szukamy więc tabelki, w której znajdziemy jakieś parametry dot. temperatury w zależności od rodzaju obudowy. Znajdujemy:

Parametry rezystancji termicznych regulatora L7805.

W tabeli znajdują się dwa parametry:

• Thermal resistance junction-case,
• Thermal resistance junction-ambient.

To bardzo istotne dla nas parametry i ich dotyczy niniejszy artykuł!

Słowo rezystancja kojarzy się nam z oporem. Skoro parametr dotyczy temperatury, to oznacza opór w przewodzeniu temperatury. Aby zrozumieć co one oznaczają przyda się poniższy rysunek

Na rysunku widać złącze (ang. Junction) tranzystora regulującego prąd wyjściowy. Złącze grzeje się, a ciepło poprzez obudowę oddawane jest na zewnątrz, czyli do otoczenia (ang. Ambient). 

Literka T to temperatura, stąd TJ oznacza temperaturę złącza, a TA otoczenia.

Teraz możemy już łatwo zrozumieć nazwę angielską Thermal resistance junction-ambient jako Rezystancja temperaturowa złącze-otoczenie.

Dlaczego rezystancja?

To także jest proste - gdyby regulator nie miał obudowy nic by mu nie przeszkadzało w oddawaniu ciepła do otoczenia. Jednakże z wiadomych względów musi mieć obudowę, a ta stawia opór utrudniając oddawanie ciepła.

Dlatego też oba parametry oznaczone są jako R (ang. Resistance):

• RthJC (JC - skrót od Junction-Case),
• RthJA (JA - skrót od Junction-Ambient).

Skoro rezystancja termiczna utrudnia oddawanie ciepła to znaczy, że temperatura w środku (na złączu) zacznie rosnąć. Jak bardzo?

Na to właśnie odpowiada parametr parametr Thermal resistance junction-ambient, który podawany jest w ºC/W (stopni Celsjusza na jeden wat wydzielonej na złączu mocy).

Załóżmy, że obudową którą zastosujemy jest DPAK. Odczytujemy wartość RthJA :

Parametry rezystancji termicznych regulatora L7805.

Ale jak to przełożyć na nasz problem, czyli poparzony lub nie palec dotykający regulatora?

Skorzystamy ze wzoru na rezystancję termiczną złącze-otoczenie (JA - ang Junction-Ambient):

θ to grecka Theta, ale w dokumentacji najczęściej oznacza się jako Rth. Możemy więc nasz wzór zapisać bardziej czytelnie:

Po przekształceniu  możemy z niego obliczyć temperaturę jaką osiągnie złącze (TJ):

Podstawy więc jeszcze w miejsce mocy zależność prądu wyjścia i spadku napięcia na regulatorze, a otrzymamy bardzo użyteczny dla nas wzór:

a podstawiając za ΔU spadek napięcia pomiędzy wejściem, a wyjściem regulatora otrzymujemy:

I to już jest dla nas bardzo zrozumiała zależność RthJA podanego w dokumentacji, który rozumiemy
następująco (przy założeniu na początku artykułu dot. Quiescent Current):

Temperatura złącza zwiększa się względem temperatury otoczenia o wartość rezystancji termicznej złącze-otoczenie pomnożonej przez wydzieloną moc, która zależy od różnicy napięć pomiędzy wejściem i wyjściem regulatora oraz prądu pobieranego na jego wyjściu.


Próg graniczny

Skoro wiemy już jaką temperaturę osiągnie złącze w naszych warunkach eksploatacyjnych, to zapewne domyślasz się, że brakuje nam jeszcze jednej istotnej informacji. Powinniśmy wiedzieć, jaka jest graniczna temperatura złącza, przy której ulegnie ono uszkodzeniu lub prąd wyjściowy regulatora zostanie ograniczony poprzez wbudowane w regulator zabezpieczenia.

Powinniśmy więc przyjmować, że faktyczna temperatura złącza nie może przekroczyć maksymalnej:

Uff ... dotarliśmy do określenia zależności pokazującej, jak mamy korzystać z regulatora i dokumentacji, żeby nie przekroczył maksymalnej temperatury złącza.

Szukamy więc tabeli maksymalnych parametrów i znajdujemy dwie istotne informacje:

Po pierwsze (na niebiesko) mamy informację, że jest wbudowany ogranicznik, który nie pozwoli przekroczyć ustalonej fabrycznie łącznej mocy wydzielonej na regulatorze ani maksymalnego prądu. To dobrze, ale oznacza to, że ten konkretny regulator jeżeli stwierdzi taką sytuację, to ograniczy wydajność prądową na wyjściu, co skutkować może niepoprawną pracą Twojego urządzenia.

Po drugie (na zielono) w tabelce  temperatura złącza podczas pracy (ang: Operating junction temperature range) nie może przekroczyć 150ºC. 

Możemy więc zapisać, że dla regulatora L7805 w obudowie DPAK pracującego w otoczeniu o temperaturze np. 25ºC mamy następujące ograniczenie:

Uff ... dotarliśmy do sedna sprawy, czyli zależności pokazującej, jak mamy korzystać z regulatora, żeby nie przekroczyć maksymalnej temperatury złącza. 

Junction-ambient vs Junction-case i inne

Do tej pory omawiałem parametr Thermal resistance junction-ambient, ale jeżeli popatrzysz ponownie na rysunek:

to stwierdzisz zapewne, że ciepło oddawane do otoczenia w stronę podłoża (np. PCB, ma utrudnioną ucieczkę), czyli napotyka na kolejny opór. Tym oporem jest to rezystancja termiczna płytki PCB, którą można znaleźć w dokumentacji producenta - niestety tylko teoretycznie :-(

Ustalenie parametrów przewodności cieplnej posiadanego laminatu (PCB) na bazie jego dokumentacji w większości przypadków jest niemożliwe, nie tylko z braku takiej dokumentacji, ale nawet z braku wiedzy, kto jest producentem laminatu (brak oznaczeń).

Dlatego też przyjmuje się, że w takiej sytuacji wykorzystujemy parametr Thermal resistance junction-ambient tak dobierając prąd i napięcia, by nie zbliżać się zbytnio do górnej granicy temperatury złącza, jaka określona jest w dokumentacji.

Ponieważ w niniejszym artykule omawiamy regulatory napięcia, to wspomniałem wcześniej o elemencie odprowadzającym ciepło, czyli metalowej wstawce w jednej ze ścian regulatora:

W związku z tym nasz rysunek powinien wyglądać następująco:

Jasnoczerwony obszar to element metalowy odprowadzający ciepło ze złącza. Nasz drugi parametr określa opór w odprowadzaniu ciepła ze złącza poprzez metalową płytkę na zewnątrz, a jest nim właśnie: Thermal resistance junction-case RthJC.

Zapewne domyślasz się, że w takiej sytuacji należy się spodziewać znacznie lepszego odprowadzania ciepła, więc ponownie zaglądamy do tabeli i dla obudowy np. TO-220 faktycznie mamy 5ºC/W zamiast 50ºC/W:

Parametry rezystancji termicznych regulatora L7805.

czyli 10 razy mniej (!), a to oznacza 10x szybsze odprowadzanie ciepła co jest oczywiste, patrząc na obudowę TO-220.

Ale z drugiej strony znowu mamy opór w postaci laminatu, dlatego zapamiętaj:

Jeżeli regulator napięcia z metalowym elementem odprowadzającym ciepło przylutujesz do płytki PCB, to do obliczeń przyjmuj Thermal resistance junction-ambient, a nie Thermal resistance junction-case!!!

Thermal resistance junction-case wykorzystuje się tylko w przypadku, gdy regulator ma podłączony radiator!!!

Jeżeli zrobisz inaczej możesz spodziewać się kłopotów.

By łatwiej zapamiętać różnice między dwoma parametrami przyglądnijmy się obudowom D²PAK i TO-3 w zestawieniu z tabelką parametrów:

Zauważ, że D²PAK ma lepszy parametr dla JC od obudowy TO-3, czyli lepiej odprowadza ciepło do elementu metalowego obudowy (mniejsza rezystancja termiczna złącze-obudowa). Z tego parametru można by wywnioskować, że ten mały szkrab (D²PAK), generalnie lepiej odprowadza ciepło niż ten sam regulator w wielkiej metalowej obudowie TO-3. Nic bardziej mylnego, ponieważ drugi parametr (czyli rezystancja JA) pokazuje, że odprowadzanie przez D²PAK ciepła na zewnątrz, jest o wiele gorsze (większa rezystancja JA) od obudowy TO-3.


Podsumowanie

Problem odprowadzania ciepła jest znacznie szerszy i stosuje się go nie tylko do regulatorów napięcia, ale także do innych elementów generujących ciepło, jak wzmacniacze, tranzystory,  itp. Powyżej omówiłem tylko to, co jest niezbędne dla przeciętnego hobbysty.

---

Czas przejść do praktyki

U początkujących często spotykamy więc taki przypadek:

Załóżmy, że układem jest regulator L7805 jest w obudowie DPAK i pracuje w temperaturze otoczenia 30ºC (np. w obudowie zasilacza). Podstawiamy do naszego magicznego wzoru i liczymy temperaturę (TJ), czyli do jakiej rozgrzeje się nasze złącze w regulatorze:

co jest większe niż dopuszczalne dla tego regulatora 150ºC, które ustaliliśmy na podstawie tabeli Absolute Maximum Ratings.

Wniosek - zadziała zabezpieczenie i prąd zostanie zmniejszony lub pojawi się trochę dymu ... i wydatki :-)


No to zastosujmy inny typ obudowy!

Jak wspomniałem na początku artykułu, początkujący poparzywszy sobie palec, szuka ratunku w innym typie obudowy, do którego będzie w razie problemów mógł podłączyć radiator.

Policzmy więc, jak zachowa się ten regulator w przypadku zastosowania obudowy TO-220 bez dokręconego radiatora, tak samo zamontowanego jak poprzednio, czyli przylutowany do płytki. Sprawdzamy w tabelce parametr RthJA dla tego typu obudowy i liczymy:

czyli mieści się w granicach, ale palec nadal się przypieka, a w powietrze wypuszczamy nasze złotówki w postaci zamienionej na ciepło, do którego wytworzenia zużywamy:

No to dodajmy radiator!

Następnym krokiem początkującego jest dodanie radiatora, ale to krok w złą stronę, ponieważ:

• zwiększamy koszt budowy urządzenia,  
• zwiększamy objętość i ciężar urządzenia, 
• zwiększamy koszt pracy urządzenia (energia kosztuje, a grosz do grosza ...),
• itp.

Dlatego pominiemy ten punkt, tym bardziej, na temat radiatorów pisane są całe książki :-)



No to może zmniejszmy napięcie zasilające regulator?

To jest właściwa droga! Ale ... no właśnie zawsze jest jakieś, ale. :-)

Przypominasz sobie artykuł o parametrze Dropout Voltage? Jeśli nie to przerwij czytanie niniejszego artykułu i przeczytaj ten dość krótki: LDO - Regulatory napięcia "z bonusem"

Sprawdzamy jaką wartość dla naszego regulatora ma parametr Dropout Voltage:

Parametr Dropout Voltage regulatora L7805.

Czyli musimy być przygotowani nawet na 2,5V. Stąd nasze źródło zasilające regulator nie powinno mieć mniejszego napięcia niż:

Czyli niżej już nie możemy zejść z napięciem zasilania regulatora L7805 :-(

Liczymy więc jaką temperaturę będzie miało nasze złącze dla niższego napięcia zasilania regulatora, dla przykładowych obudów:

1. Obudowa DPAK:

Wprawdzie przez zmniejszenie napięcia temperatura spadła ze 190ºC do 130ºC i jest to już temperatura dopuszczalna dla tej obudowy (mniejsze niż 150ºC), to jednak nadal bardzo wysoka i może narażać nasze urządzenie lub niektóre jego elementy na przegrzanie w szczególności, gdy jest zamknięte w obudowie.

2. Obudowa TO-220:

Tutaj jest już znacznie lepiej i można tak spokojnie pracować (ponieważ jest to nieco więcej niż połowa maksymalnej temperatury pracy), godząc się na straty energii, choć już znacznie mniejsze.



Ratunek, to regulatory LDO!!!

Skoro problemem, o który rozbiliśmy się zmniejszając napięcie zasilające regulator jest parametr Dropout Voltage, na poziomie 2,5V dla zastosowanego regulatora  L7805, to nadszedł czas na zastosowanie regulatora LDO.

Zrobimy to na przykładzie regulatora LF50C w obudowie DPAK. Szukamy tabelki z w/w parametrem:

Parametr Dropout Voltage regulatora LF50C.

i przyjmujemy maksymalny, czyli 0,7V. Możemy więc teoretycznie zasilić nasze urządzenie ze źródła napięcia o wartości 5,7V i nadal na wyjściu regulatora będziemy mieli pełne 5V.

Następnie sprawdzamy parametr dot. rezystancji temperaturowej złącze-otoczenie oraz maksymalną temperaturę pracy:

Parametry temperaturowe regulatora z rodziny LFxx.

i obliczamy:

Wow! Mieścimy się bez problemu w granicy 125ºC dla regulatora tej rodziny i jest to znacznie mniej niż w przypadku regulatora L7805 w większej obudowie TO-220!

Tak to właśnie jest następny zysk ze stosowania regulatorów LDO. Niewielki spadek napięcia (Dropout Voltage) powoduje, że możemy zmniejszyć napięcie zasilające urządzenie, co rekompensuje się:

• mniejszymi kosztami budowy urządzenia,
• mniejszymi zużyciem energii co zmniejsz koszty eksploatacji,
• i mniej zanieczyszczamy środowisko dymem z kominów elektrowni i ciepłem przez nie i nasz regulator emitowanym, bo ziarnko do ziarnka ... wiem, wiem przynudzam, ale w przyszłości będziesz inżynierem i pamiętaj o tym :-)

Dla porządku sprawdźmy jeszcze obudowę TO-220 Dla tego samego regulatora LF50C:

... teraz już można spokojnie dotknąć palcem i trzymać :-)


Podsumowanie

Aby ułatwić porównanie obliczeń w tym długim artykule przygotowałem zestawienie:

Zestawienie wyników obliczeń przykładów w artykule.

Warto kombinować i zmniejszać napięcie zasilania urządzeń :-)

Podobne zestawienie powinieneś zrobić pod kątem straty energii (mocy), którą wypuszczasz w powietrze jako ciepło, w szczególności, gdy zasilasz urządzenie z akumulatora.

---

Nie zawsze możemy zmniejszyć napięcie zasilające!

Tak, czasami po prostu nie ma możliwości zmniejszenia napięcia zasilającego urządzenie. W takiej sytuacji albo Matkę Naturę i kieszeń użytkownika obciążymy dodatkowymi kosztami, albo szukamy małych zasilaczy impulsowych lub przetwornic, którymi zasilimy układ sterujący naszego urządzenia rozdzielając zasilania.