私の線形電圧調整器は非常に速く過熱しています

ヒートシンクなしで5 V / 2 Aの電圧レギュレータ（L78S05）を使用しています。マイクロコントローラ（PIC18FXXXX）、いくつかのLED、1 mAのピエゾブザーを使用して回路をテストしています。入力電圧は約です。24 VDC。電圧レギュレータは1分間動作した後、過熱し始めます。つまり、1秒以上保持すると指が火傷します。数分以内に、焼けたような臭いがし始めます。これはこのレギュレーターの通常の動作ですか？何がそんなに熱くなりますか？

この回路で使用される他のコンポーネント：

L1：BNX002-01 EMIフィルター

R2：バリスタ

F1：ヒューズ0154004.DR

要約：今すぐヒートシンクが必要です!!!!! :-)
[そして、直列抵抗器を使用しても害はありません:-)]

よく聞かれる質問あなたの質問はよく聞かれます-いつもよりずっといいです。
回路図と参考文献を歓迎します。
これにより、初めて良い答えを出すのがずっと簡単になります。
うまくいけば、これは1つです... :-)

それは理にかなっています（alas）：動作は完全に期待されています。
レギュレータに熱的な過負荷がかかっています。
この方法でヒートシンクを使用する場合は、ヒートシンクを追加する必要があります。
何が起こっているのかを適切に理解することで、大きな恩恵を受けるでしょう。

電力=ボルトx電流。

線形レギュレータの場合、合計電力=負荷の電力+レギュレータの電力。

レギュレータのV _ドロップ = V _in -V _負荷
ここで、レギュレータのV _ドロップ = 24-5 = 19V。

ここで、Power in = 24V x I _load
Power in load = 5V x I _load
Power inulator =（24V-5V）x I _load。

負荷電流が100 mAの場合、レギュレータは
V _降下 x I _負荷（24-5）x 0.1 A = 19 x 0.1 = 1.9ワットを消費します。

How Hot ?:データシートの2ページ目では、接合部から周囲（=空気）への熱抵抗は50℃/ワットであると書かれています。これは、消費するワットごとに50度C上昇することを意味します。100 mAでは、約 2ワットの消費または約2 x 50 = 100Cの上昇があります。ICで水が楽しく沸騰します。

ほとんどの人が長期に耐えられる最も熱いのは55Cです。あなたのものはそれよりも熱いです。あなたはそれを沸騰水に言及しませんでした（ウェットフィンガーシズルテスト）。~~ 80Cのケース温度があると仮定しましょう。20Cの気温を想定しましょう（簡単だからです-どちらの方法でも数度はほとんど違いがありません）。

T _上昇 = T _ケース -T _周囲 = 80-20 = 60°C。散逸= T _上昇 / R _th = 60 / 50〜= 1.2ワット。

19V低下時1.2 W = 1.2 / 19 A = 0.0632 Aまたは約60 mA。

つまり、約50 mAを消費する場合、ケース温度は70°C〜80°Cの範囲になります。

ヒートシンクが必要です。

修正方法：データシート2ページには、R _thj-case =接合部からケースまでの熱抵抗が5C / W =接合部から空気までの10％と記載されています。

たとえば10 C / Wのヒートシンクを使用する場合、合計R _thはR _{_jc} + R _{c_ambになります} （ジャンクションをケース_ツーケース_{ツーエアに}追加）。
= 5 + 10 = 15°C /ワット。
50 mAの場合、0.050A x 19V = 0.95W、または15°C / Watt x 0.95〜= 14°Cの上昇になります。

たとえば20°Cの上昇と25Vの周囲温度でも、20 + 25 = 45°Cのヒートシンク温度になります。
ヒートシンクは熱くなりますが、痛みを感じることなく（過度に）保持することができます。

熱を打つ：

上記のように、この状況でのリニアレギュレータの熱放散は、100 mAあたり1.9ワットまたは1 Aで19ワットです。それは多くの熱です。1Aでは、周囲温度が25℃のときに温度を沸騰水の温度（100°C）未満に保つために、（100°C-25°C）/ 19ワット= 3.9C /以下の全体的な熱抵抗が必要です。 W ジャンクション-ケース間のRthjcは5 C / Wですでに3.9を超えているため、これらの条件ではジャンクションを100°C以下に保つことはできません。19Vと1Aでのケースとジャンクションだけでは、19V x 1A x 5 C / W = 95°C上昇します。ICは150°Cの温度に耐えることができますが、これは信頼性に良くないため、可能な限り避けるべきです。演習として、上記の場合に150°C未満にするには、外部ヒートシンクは（150-95）C / 19W = 2.9 C / Wである必要があります。それ' 達成可能ですが、使用したいと思うよりも大きなヒートシンクです。別の方法は、消費されるエネルギーを減らし、温度上昇を抑えることです。

レギュレーターの熱放散を減らす方法は次のとおりです。

（1）NatSemiシンプルスイッチャーシリーズなどのスイッチングレギュレーターを使用します。効率がわずか70％の高性能スイッチングレギュレータは、レギュレータで2ワットしか消費されないため、熱放散を劇的に削減します！
すなわち、エネルギー= 7.1ワット。エネルギー消費= 70％= 5ワット。5V = 1Aで5ワットの電流。

もう1つのオプションは、3端子レギュレータのドロップイン交換品です。次の画像とリンクは、Jay Kominekのコメントで言及されている部分からのものです。OKI-78SR 1.5A、LM7805の5Vドロップスイッチングレギュレーターの代替品。7V-36Vインチ

36ボルト入力、5V出力、1.5A効率は80％です。Pout = 5V x 1.5A = 7.5W = 80％であるため、レギュレーターで消費される電力は20％/ 80％x 7.5W = 1.9ワットです。とても耐えられる。ヒートシンクは不要で、85℃で1.5Aを供給できます。[[正誤表：下の曲線は3.3Vです。5V部分は1.5Aで85％を管理するため、上記よりも優れています。]]

（2）電圧を下げる

（3）電流を減らす

（4）レギュレーター外部のエネルギーを散逸させます。

技術的にはオプション1が最適です。これが受け入れられず、2と3が修正される場合、オプション4が必要です。

最も簡単で（おそらく最良の）外部消費システムは抵抗です。24Vからレギュレーターが最大電流で受け入れる電圧まで降下する直列電力抵抗器は、うまく機能します。あなたはフィルタコンデンサを必要することに注意してくださいで供給高インピーダンスを作る抵抗によるレギュレータへの入力。約0.33uFと言っても、それ以上は問題ありません。1 uFのセラミックで十分です。10 uFから100 uFのアルミ電解などのより大きなキャップでも良いはずです。

Vin = 24 Vと仮定します。Vregulatorin min = 8V（ヘッドルーム/ドロップアウト。データシートを確認してください。選択されたregは<1Aで8Vと言います。）Iin = 1A。

1A = 24-8 = 16Vで必要なドロップ。15Vが「安全」であると言います。
R = V / I = 15/1 = 15オーム。電力= I ² * R = 1 x 15 = 15ワット。
20ワットの抵抗はわずかです。
25W +抵抗の方が良いでしょう。

データシート付きの鉛フリー在庫で価格が$ 3.30 / 1の 25W 15R抵抗器はこちらです。これにはヒートシンクも必要です!!! 最大100ワットの空気定格抵抗を無料で購入できます。使用するのはあなたの選択ですが、これはうまくいくでしょう。25ワットの商用または20ワットの軍事用定格であるため、15Wで「順調」であることに注意してください。別のオプションは、適切に取り付けられた適切な定格の抵抗線の適切な長さです。オッズは、抵抗の製造業者がすでにこれをあなたより上手く行っていることです。

この構成では、
合計電力= 24W
抵抗電力= 15ワット
負荷電力= 5ワット
レギュレータ電力= 3ワット

レギュレータの接合部上昇は、ケースより5 C / W x 3 = 15°C高くなります。レギュレーターとヒートシンクを快適に保つためにヒートシンクを用意する必要がありますが、これは「エンジニアリングの問題」です。

ヒートシンクの例：

ワットあたり21℃（またはK）

7.8 C / W

Digikey- この5.3 C / Wヒートシンクを含む多くのヒートシンクの例

2.5 C / W

0.48 C / W !!!
幅119mm x長さ300mm x高さ65mm
長さ1フィートx幅4.7 "x高さ2.6"

ヒートシンクの選択に関する良い記事

強制対流加熱熱抵抗

直列入力抵抗を使用してリニアレギュレータの消費電力を削減する：

前述のように、リニアレギュレータの前に直列抵抗を使用して電圧を下げると、レギュレータの消費電力を大幅に削減できます。通常、レギュレータの冷却にはヒートシンクが必要ですが、ヒートシンクを必要とせずに10ワット以上を放散できる空冷抵抗器を安価に入手できます。通常、この方法で高入力電圧の問題を解決することはお勧めできませんが、代わりに使用できます。

以下の例では、LM317の5V出力1A電源が12Vで動作します。抵抗器を追加すると、安価な空冷ワイヤマウントの直列入力抵抗器を追加することにより、最悪の場合の条件下でLM317の消費電力を半分以上にできます。

LM317には、低電流で2〜2.5Vのヘッドルームが必要であり、極端な負荷および温度条件では2.75Vが必要です。（データシートの図3を参照-下にコピー）。

LM317ヘッドルームまたはドロップアウト電圧

Rinは、V_12Vが最小のときに過剰な電圧を降下させないようにサイズを決定する必要があり、Vdropoutは条件の最悪のケースであり、直列ダイオードの降下と出力電圧が許容されます。

抵抗両端の電圧は、常に=未満でなければなりません

• 最小ビン

• 最大Vdiodeドロップ

• 状況に関連する最悪のケースのドロップアウトが少ない

• より少ない出力電圧

したがって、Rin <=（v_12-Vd-2.75-5）/ Imax。

12Vの最小Vinの場合、0.8Vのダイオード降下と1アンペアの出力
（12-0.8-2.75-5）/ 1
= 3.45 / 1
= 3R45
= 3R3と言います。

R = I ^ 2R = 3.3Wの電力であるため、5Wの部品はわずかに許容でき、10Wの方が優れています。

LM317の消費電力は、6ワット以上から3ワット未満に低下します。

空冷抵抗器に取り付けられた適切なリード線の優れた例は、この適切に指定されたYageo巻線抵抗器のメンバーであり、2W〜40Wの空冷定格のメンバーです。10ワットのユニットは、Digikeyで$ 0.63 / 1で在庫されています。

抵抗周囲温度定格と温度上昇：

上記のデータシートのこれら2つのグラフを使用すると、実際の結果を推定できます。

左側のグラフは、3W3 =レートの33％で動作する10ワットの抵抗器が、ワット数の許容周囲温度が最大150 Cであることを示しています（グラフに動作点をプロットする場合、メーカーが150 C maxは許可された。

2番目のグラフは、3W3で動作する10W抵抗器の温度上昇が周囲温度より約100°C高いことを示しています。同じファミリの5W抵抗器は定格の66％で動作し、周囲温度より140℃高い温度上昇があります。（40Wは約75C上昇しますが、2 x 10W = 50C未満で10 x 2Wは約25Cのみです!!!

減少サイズの増加に伴って体積あたりのより少ない冷却表面積が存在するように、それぞれの場合に同一の複合ワット数定格を有する抵抗の増加と温度上昇は、「2乗3乗の法則」作用におそらく関連しています。

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

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2015年8月追加-ケーススタディ：

誰かが合理的な質問をしました：

比較的高い容量性負荷（220 µF）の説明ではないでしょうか。例えば、レギュレーターが不安定になり、発振によりレギュレーターで多くの熱が放散されます。データシートでは、通常動作のすべての回路の出力には100 nFのコンデンサしかありません。

私はコメントで答えましたが、それらはやがて削除されるかもしれません、そして、これは主題への価値のある追加であるので、ここに答えに編集されたコメントがあります。

場合によっては、レギュレータの発振と不安定性が問題になることもありますが、この場合とそれに似た多くの場合、最も可能性の高い理由は過剰消費です。

78xxxファミリは非常に古く、最新の低ドロップアウトレギュレータとシリーズ電源（LM317スタイル）レギュレータの両方より前のものです。78xxxファミリは、Coutに関して本質的に無条件に安定しています。実際、これらは適切な動作に必要なものではありません。0.1uFは、余分なサージやスパイクを処理するためのリザーバーを提供するためによく使用されます。
関連するデータシートのいくつかでは、実際にCoutを「制限なしに増やすことができる」と言っていますが、ここにはそのような注記はありませんが、高Coutでの不安定性を示唆する注記はありません。データシートの31ページの図33では、「高容量負荷」から保護する逆ダイオードの使用を示しています。つまり、出力に放電すると損傷を引き起こすのに十分なエネルギーを持つコンデンサ、つまり0.1 uFをはるかに超える。

消費： 24 Vinおよび5 Voutでは、レギュレータはmAあたり19 mWを消費します。TO220パッケージの場合、Rthjaは50C / Wであるため、電流mAあたり約1C上昇します。
したがって、20℃の周囲空気での消費電力が1ワットの場合、ケースは約65℃になります（さらに、ケースの向きと位置によります）。65℃は「指を焼く」温度の下限をやや上回っています。
19 mW / mAでは、1ワットの消費に50 mAかかります。与えられた例の実際の負荷は不明です-約8または9 mA（赤の場合）のインジケータLEDに加えて、使用されるレギュレータ内部電流の負荷（10 mA未満）+「PIC18FXXXX）、いくつかのLED ... 「その合計は、PIC回路に応じて50 mAに達するか、それを超える可能性があります。|

全体として、レギュレーターファミリー、差動電圧、実際の冷却の不確実性、周囲の不確実性、C / Wの標準値などを考慮すると、この場合に彼が目にするもの、そしてリニアレギュレーターを使用する多くの人々が経験することの合理的な理由のように思われます同様のケース。それほど明白でない理由のために不安定である可能性があり、正当な理由がなければそのようなものは決して拒否されるべきではありませんが、私は消散から始めます。

この場合、直列入力抵抗（たとえば、空冷で5W定格）は、消費電力の多くを、それに対処するのにより適したコンポーネントに移動します。
そして/またはささやかなヒートシンクは驚くほど動作するはずです。

消費される電力のレギュレータでは、それの両端の電圧であるそれを流れる電流。電圧は24V-5V = 19Vです。電流（推定）：10mA（78S05の接地電流）+ 60mA（LEDが少ない）+ 10mA（ C +ブザー）= 80mA。それから$\times$$\mu$

$P = 19V \times 80mA = 1.5W$

これはどのパッケージにとっても多くのことであり、それは最低限のことであり、それ以上を使用している可能性があります。TO_220バージョンを使用すると仮定します。TO-220バージョンの（熱抵抗）は50°C / Wです。これは、ジャンクション（電子ダイのホットスポット）を消費するワットごとに、パッケージ周辺の（自由に流れる）空気よりも50°C高温になることを意味します。ダイ温度は150°Cまで上昇できますが、絶対最大定格なので、安全のために130°Cに保ちます。それから $R_{THJ-AMB}$

$T_{J} = T_{AMB} + 1.5W \times 50°C/W = 30°C + 75°C = 105°C$

これはジャンクション温度ですが、パッケージの温度は数度低くなっています（ = 5°C / W）。これは明らかに触れるには暑すぎます。経験則（しゃれは意図していません）は、60°C前後で熱くなりすぎて触れられなくなることです。 $R_{THJ-CASE}$

それで説明できます。理論的には、値はまだ安全ですが、もう少し消散する可能性があります私たちの値は少し保守的です、それは焦げた臭いを説明するかもしれません。 $-$$-$

それについて何ができますか？

スイッチャー（SMPS）を使用します。これが最も良い解決策です。定格電圧が85％を超える可能性があるため、スイッチャーの効率は高いため、消費電力ははるかに低くなります。推定負荷の場合、100mWよりはるかに小さくなります。今日のスイッチャーは使いやすいですが、コンポーネントを選択するときやPCBレイアウトのために注意が必要です。これらは効率にとって重要であり、基板レイアウトも放射に対して重要です。これは、ジェイとラッセルが言及した既製のモジュールですが、ここではTO-220のサイズと比較します。

このモジュールは10米ドルで利用できるため、独自にロールバックする価値はおそらくないでしょう。

その他の解決策：適切な熱接触を確保するのに十分なヒートペーストで、できれば小さなクリップオンではなく、ヒートシンクを使用します。これは3.1°C / W（50°C / Wから減少！）の熱抵抗を持ち、60°Cの温度上昇で9Wを放散できます。

解決策3：より低い入力電圧を使用します。オプションではない場合があります。

解決策4：散逸を複数のコンポーネントに分散します。24VとL78S05の間にLM7815を使用するなど、レギュレーターをカスケード接続できます。次に、19Vの電圧差は7815で9V、78S05で10Vになるため、デバイスあたりの消費電力は半分になります。追加の利点は、それが重要である場合、はるかに優れた回線規制が得られることです。

最後の注意：レギュレーターは2A対応の特別なバージョンですが、通常の7805は1Aを供給できます。フル2Aを使用する場合は、スイッチャーを真剣に検討します。

編集
ラッセルは彼の答えで直列抵抗を指しており、私もそれを好まないが、それは確かに実行可能なオプションです。以下の結論で説明します。
Russellの15抵抗器から始めて、このソリューションの消費について何かを追加したいと思います。 $\Omega$

P = V Iであり、式に含まれる電流が少ない場合、レギュレータの消費電力を低く保ちますが、電流が大きい場合、抵抗器の電圧降下が大きくなり、電圧降下が小さくなりますまた、低消費電力を提供します。これら2つの間で、消費は大きくなります。 $\times$

レギュレーターの消費電力は、抵抗の消費電力と等しいときに最大になることが証明できます。

$I^2 \times 15\Omega = (24V - V_R - 5V) \times I$

または

$I \times 15\Omega = 19V - I \times 15\Omega$

そのため

$I = 0.633A$

これは、グラフに表示されるものと一致します。その場合、抵抗とレギュレータの両方の損失は

$P = I^2 \times R = 0.633A^2 \times 15\Omega = 6W!$

結論：直列抵抗を使用しても、レギュレータの電力消費は大きくなる可能性があり、1Aよりも0.63Aの方が高いことがわかります。予想される電流要件に応じて抵抗器の値を選択することが重要です。抵抗の代わりに2番目のレギュレーターを使用する
と、電力の分布は両方のデバイスで等しくなり、電流とは無関係になります。それが抵抗ソリューションがあまり好きではない理由です。

電圧降下があり、ヒートシンクがないため、大きな損失が生じています。データシートには、ヒートシンクなしの50C / W Tjaの熱抵抗が指定されています。

大まかな例-100mAを使用している場合：（24-5）* 0.1 = 1.9W

1.9 * 50 =周囲温度から約95度上昇するため、全体の温度は約115℃になります。

ヒートシンクを追加するか、入力電圧を下げるか、回路内のシンク電流を減らすことで改善できます。または、スイッチングレギュレータを使用できます。線形レギュレーションおよび熱に関する考慮事項の詳細な説明については、次を参照してください： 線形電圧レギュレータおよび熱管理に関するデジタル設計者ガイド

これはこのレギュレーターの通常の動作ですか？

はい。

何がそんなに熱くなりますか？

熱は、レギュレータの電圧降下と、レギュレータを流れる電流によって発生します。消費電力、Pd =（24V-5V）* Iout。

レギュレータの効率は、Vout / Vin = 5/24 = 0.21または21％です。つまり、1ワットの出力ごとに5ワットの入力が必要であり、その差はレギュレーターで消費されます。

入力電圧を下げるとこれに役立ちます。

リニアレギュレータは、それを行うための「迅速で汚れた」方法です。機能し、安価で効果的です。過剰な電力を熱としてダンプすることで機能し、ここではアクティブな変換は行いません。24vから5vを取得することは大きな低下であり、それがあなたを燃やしているのも不思議ではありません。私の最善の行動は、損失を最小限に抑えるために、より低い電圧の電源、たとえば12vまたはさらに良い9vに切り替えることです。（まあ、私は5vを使用してレギュレータを完全に放棄することさえ強制されます）他の人が示唆している他のものは、ヒートシンク、直列抵抗、またはスイッチング（アクティブ）レギュレータへのスイッチを追加することです。

これは素晴らしい議論でした。特定のリニアレギュレータのデータシートパラメーターを入力できる、シンプルで無料のオンラインシミュレーション「テストベンチ」があれば役立つと思います。また、定常状態の温度と過渡的な動作温度もわかります。これらのパラメーターには、出力電圧、熱特性（rthj_caseなど）、および負荷と入力電圧条件が含まれます。

「リニアレギュレータ温度ファインダー」へのリンクはこちらです。デザインのコピーを作成し、特定のデバイスや回路に合わせて変更を加えるだけです。