Quando usar um dissipador de calor para um regulador de tensão?

Às vezes, em pequenos projetos, estou usando reguladores de tensão com saídas de 8V ou 5V, como o LM7805. O poder é I * V, mas estou me perguntando quando realmente é necessário um dissipador de calor. Às vezes, o fluxo de corrente da saída do regulador é de 1mA, mas em outro projeto, 20mA ou mais. Existe uma regra de ouro para quando se preocupar com aquecimento e a possibilidade de usar um dissipador de calor? Considere que o tempo de operação é de 12 horas.

Minha regra pessoal é que um regulador linear de 3 terminais TO-220 não precisa de um dissipador de calor por menos de 600mW (montagem vertical). Isso se baseia no serviço industrial e na alta confiabilidade, por isso é um número conservador.

Se precisar ser mais do que isso, eu faço os cálculos, e possivelmente até os testes, e decido o que é melhor.

Você pode fazer um vazamento moderado de cobre e usar um (montagem em superfície) TO-252 e obter melhor desempenho térmico do que um TO-220 sem dissipador de calor - geralmente cotado a 65 ° C / W no ar. Isso não custa nada, exceto um pouco da área de PCB - sem prendedores, mão de obra de montagem ou custos de dissipador de calor a serem considerados, nenhuma operação (secundária) extra e maneiras extras para os trabalhadores da montagem estragar tudo.

Na minha opinião, se você estiver perto de precisar de um dissipador de calor para um regulador linear, é hora de pelo menos considerar uma fonte de comutação, a menos que você tenha requisitos especiais, como EMI baixo.

Simples o suficiente.

A folha de dados da peça especificará resistências térmicas. Observando uma folha de dados LM7805 da Fairchild (apenas a primeira a aparecer em uma pesquisa), a resistência térmica é uma junção de 5C / W ao gabinete e uma junção de 65C / W ao ar.

A temperatura máxima de operação é 125C. Se o dispositivo estiver em um ambiente de 25 ° C, você poderá lidar com um aumento de 100 ° C (embora algumas coisas caiam à temperatura operacional máxima, normalmente), então cerca de 1,5 W (100 ° C / 65 ° C / W) será tudo o que você pode dissipar sem um dissipador de calor. Se sua fonte de entrada for 30V, talvez 60mA; se a entrada é de 12V, é mais como 214 mA; se sua entrada é 8V, é 500mA. (Tudo a 25C ambiente.)

Trabalhando o exemplo na outra direção, seu comentário indica uma fonte de 24V e uma dissipação de 0,38W; 0.38W * 65 C/W = 24.7 C, para que você possa executar isso em um ambiente de 100,3 C sem um dissipador de calor.

EDIT: Em todas as situações acima, negligenciei evidentemente o uso atual do regulador de 5,5-6mA (na tensão de entrada total), localizado bem abaixo da folha de dados, o que aumenta a carga de energia; no seu exemplo de 24V, isso reduziria sua faixa de ambiente seguro para cerca de 90 ° C

Ao adicionar um dissipador de calor, você terá a junção 5C / W na caixa (resistência térmica) mais uma certa resistência térmica da caixa ao dissipador de calor (influenciado por graxa térmica, isoladores ou não, etc.) e, finalmente, o resistência mais favorável do dissipador de calor ao ar.

Portanto, se a interface for 2C / W e o dissipador de calor for 10C / W, você terá um total de 5 + 2 + 10 = 17C / W da junção ao ar com a interface e o dissipador de calor.

Com o 7805 com uma caixa / guia aterrada, é fácil prendê-lo na lateral de uma caixa / chassi de metal para obter um "dissipador de calor livre", se desejado. Ao prototipar, se estiver usando peças com proteção contra sobrecarga térmica (que é reivindicada, mas não detalhada na folha de dados), você pode "apenas ver se a peça esquenta e desliga", embora você deva executar os números antes de finalizar o design, especialmente desde os protótipos geralmente têm melhor convecção natural do que um produto acabado.

Exemplo Simples

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

1. Calcule a dissipação de energia no LDO. Por exemplo, 8V a 5V a 100 mA é 0,3 W (diferença de tensão vezes a corrente média).

2. Calcular a elevação da temperatura no ar (sem dissipador de calor): 65 ° C / W * 0,3 W = 20 ° C

3. Veja a pior temperatura operacional de ambiente: por exemplo, ~ 40 ° C

4. A temperatura máxima da caixa será de 40 ° C + 20 ° C = 60 ° C, abaixo da temperatura máxima de operação.

Observe que esse aumento de temperatura é muito pequeno para essa queda de tensão muito pequena. É por isso que um dissipador de calor é normalmente recomendado para correntes mais pesadas ou quedas de tensão maiores. Eu diria que talvez 10% dos LDOs que eu vi no total tenham um dissipador de calor.

Mas:

• O dissipador de calor é um componente adicional e aumenta o custo da BOM.
• É pesado e precisa ser montado corretamente para absorver choques mecânicos durante a operação ou transporte

A energia dissipada é a queda de tensão, ou seja, tensão de entrada - tensão de saída * a corrente de entrada.

A folha de dados indicará a temperatura máxima da junção e uma resistência térmica ao gabinete em ° C / W. Essa será a elevação da temperatura do ambiente (por isso, se você estiver operando nos trópicos, terá um ambiente mais alto) se o dispositivo estiver em ar livre sem dissipador de calor

Desde que os cálculos ofereçam uma temperatura de junção menor que a máxima, você não precisa de um dissipador de calor

Normalmente, o tempo de operação não é um problema - a menos que seu aplicativo funcione apenas por alguns segundos, quando o atraso térmico levar a um aumento menor na junção.