¿Cuándo usar un disipador térmico para un regulador de voltaje?

A veces, en proyectos pequeños, estoy usando reguladores de voltaje con salidas de 8 V o 5 V, como LM7805. El poder es I * V pero me pregunto cuándo se necesita realmente un disipador térmico. A veces, el flujo de corriente desde la salida del regulador es de 1 mA, pero en otro proyecto de 20 mA o más. ¿Existe una regla general sobre cuándo preocuparse por el calentamiento y considerar usar un disipador térmico? Considere que el tiempo de operación es de 12 horas.

Mi regla general es que un regulador lineal de 3 terminales TO-220 no necesita un disipador térmico de menos de 600 mW (montaje vertical). Eso se basa en el servicio industrial y la alta confiabilidad, por lo que es un número conservador.

Si necesita ser más que eso, entonces hago los cálculos, y posiblemente incluso las pruebas, y decido qué es lo mejor.

Puede hacer un vertido de cobre moderado y usar un TO-252 (montaje en superficie) y obtener un mejor rendimiento térmico que un TO-220 sin disipador térmico, a menudo cotizado a 65 ° C / W en aire. Eso no cuesta nada, excepto un poco de área de PCB: sin sujetadores, mano de obra de ensamblaje o costos de disipador de calor a considerar, sin operaciones adicionales (secundarias) y formas adicionales para que los trabajadores de ensamblaje arruinen las cosas.

En mi opinión, si está cerca de necesitar un disipador de calor para un regulador lineal, es hora de considerar al menos un suministro de conmutación a menos que tenga requisitos especiales, como un bajo EMI.

Suficientemente simple.

La hoja de datos de la pieza especificará resistencias térmicas. En cuanto a la hoja de datos LM7805 de Fairchild (solo la primera en aparecer en una búsqueda), la resistencia térmica es la unión 5C / W a la carcasa y la unión 65C / W al aire.

La temperatura máxima de funcionamiento es de 125C. Si el dispositivo se encuentra en un entorno de 25 ° C, puede manejar un aumento de 100 ° C (aunque algunas cosas se caen a la temperatura máxima de funcionamiento, por lo general), por lo que aproximadamente 1,5 W (100 ° C / 65 ° C / W) será todo lo que puede disipar sin un disipador de calor. Si su suministro de entrada es de 30V, eso es quizás 60mA; si la entrada es de 12V es más como 214 mA; Si su entrada es de 8V, es de 500mA. (Todo a 25 ° C ambiente).

Trabajando el ejemplo en la otra dirección, su comentario indica un suministro de 24V y una disipación de 0.38W; 0.38W * 65 C/W = 24.7 C, por lo que puede ejecutarlo hasta una temperatura ambiente de 100.3 C sin un disipador térmico.

EDITAR: en todo lo anterior, evidentemente, he descuidado el uso actual del regulador de 5.5-6 mA (a voltaje de entrada completo), ubicado muy por debajo de la hoja de datos, lo que aumenta la carga de energía; en su ejemplo de 24 V esto reduciría su rango de seguridad ambiental a aproximadamente 90 C

Cuando agrega un disipador de calor, tendrá la unión de 5C / W a la carcasa (resistencia térmica) más una cierta cantidad de resistencia térmica desde la carcasa hasta el disipador térmico (influenciado por grasa térmica, aislantes o no, etc.) y finalmente La resistencia más favorable del disipador de calor al aire.

Entonces, si la interfaz es 2C / W y el disipador térmico es 10C / W, tendría un total de 5 + 2 + 10 = 17C / W desde la unión al aire con interfaz y disipador térmico.

Con el 7805 con una caja / pestaña con conexión a tierra, es fácil atornillarlo al costado de una caja / chasis de metal para obtener un "disipador de calor libre" si lo desea. Al crear prototipos, si usa piezas con protección contra sobrecarga térmica (que se afirma pero no se detalla en la hoja de datos), puede "ver si la pieza se calienta y se apaga", aunque debe ejecutar los números antes de finalizar el diseño, especialmente desde los prototipos a menudo tienen mejor convección natural que un producto terminado.

Ejemplo simple

Por ejemplo, https://www.fairchildsemi.com/datasheets/lm/LM7805.pdf

1. Calcule la disipación de potencia en el LDO. Por ejemplo, 8V a 5V a 100 mA es 0.3 W (diferencia de voltaje multiplicada por la corriente promedio).

2. Calcule el aumento de temperatura al aire (sin disipador térmico): 65 ° C / W * 0.3 W = 20 ° C

3. Observe la peor temperatura ambiente de funcionamiento: por ejemplo, ~ 40 ° C

4. La temperatura máxima de la carcasa será de 40 ° C + 20 ° C = 60 ° C, que está por debajo de la temperatura máxima de funcionamiento.

Tenga en cuenta que este aumento de temperatura es bastante pequeño para esta caída de voltaje muy pequeña. Es por eso que generalmente se recomienda un disipador de calor para corrientes más pesadas o caídas de voltaje más grandes. Yo diría que tal vez el 10% de los LDO que he visto en total tienen un disipador térmico.

Pero:

• El disipador térmico es un componente adicional y aumenta el costo de la lista de materiales.
• Es pesado y debe montarse correctamente para absorber los golpes mecánicos durante la operación o el transporte.

La potencia disipada es la caída de voltaje, es decir, voltaje de entrada - voltaje de salida * la corriente de entrada.

La hoja de datos indicará la temperatura máxima de la unión y una resistencia térmica a la carcasa en ° C / W Este será el aumento de temperatura desde el ambiente (por lo tanto, si está operando en los trópicos, tiene un ambiente más alto) si el dispositivo está en aire libre sin disipador de calor

Siempre que los cálculos den una temperatura de unión menor que la máxima, no necesita un disipador de calor

El tiempo de funcionamiento no suele ser un problema, a menos que su aplicación solo funcione durante unos segundos, cuando el retraso térmico provocará un aumento menor en la unión.