Почему стабилизатор греется и как посчитать радиатор
Линейный стабилизатор не «греется от старости»: он отдаёт теплом разницу входа и выхода, умноженную на ток. Считаем мощность, температуру кристалла и нужный радиатор по даташиту.
Содержание
Линейный стабилизатор греется потому, что гасит разницу между входным и выходным напряжением: мощность потерь P = (Uвх − Uвых) · I. При входе 12 В, выходе 5 В и токе 0,5 А получается 3,5 Вт, и корпус TO-220 без радиатора перегревается: температура кристалла Tj = Tокр + P · Rθ.
Чтобы кристалл не превысил допустимое, нужно посчитать тепловое сопротивление радиатора по формуле RθSA = (Tj − Tокр) / P − RθJC − RθCS. Либо понизить входное напряжение, либо перейти на импульсный преобразователь.
Ниже — формулы, данные из даташитов, пример расчёта с радиатором, таблица нагрева без радиатора, способы уменьшить тепло и ошибки.
Почему стабилизатор напряжения сильно греется
Линейный стабилизатор — это управляемый резистор между входом и выходом. Нагрузке нужно, например, 5 В, а на входе 12 В: оставшиеся 7 В «гасятся» на самой микросхеме.
Ток через неё тот же, что и через нагрузку, так что выделяется мощность
P = (Uвх − Uвых) × Iнагрузки
(плюс небольшая мощность собственного потребления). Числовой пример для 12 В, 5 В и 0,5 А дан выше: 7 × 0,5 = 3,5 Вт.
Поэтому «греется» — не дефект, а свойство схемы. Если тепла много, понижают входное напряжение или переходят на импульсный преобразователь. Когда что выбирать, разбираем в статье о DC-DC и линейных стабилизаторах.
Что говорят даташиты
Для LM317 (Texas Instruments, SLVS044Z) и LM7805 (Texas Instruments LM340/LM7805) даташиты дают такие значения.
| Параметр | LM317 | LM7805 |
|---|---|---|
| Перепад вход–выход в рабочем режиме | 3…40 В | падение 2 В при 1 А, 25 °C |
| Выходной ток | 10 мА…1,5 А | до 1,5 А |
| Рабочая температура перехода | 0…125 °C | 0…125 °C |
| Тепловое отключение | есть | выше 150 °C |
| RθJA, TO-220 | 23,5 (KCS) и 37,9 (KCT) °C/Вт | 23,9 °C/Вт (таблица) и 54 °C/Вт (примечание) |
| RθJC (низ корпуса), TO-220 | 0,1 (KCS) и 4,2 (KCT) °C/Вт | 1,7 °C/Вт (таблица) и 4 °C/Вт (примечание) |
Для других стабилизаторов (КР142ЕН5А, AMS1117) числа берите из их даташитов: принцип расчёта тот же. Для AMS1117 в SOT-223 даташит Advanced Monolithic Systems указывает RθJA 90 °C/Вт и гарантированную мощность не более 1,2 Вт.
Значения RθJA в таблице относятся к стандартным условиям теста. Для голого корпуса в воздухе надёжнее брать большее значение, например 54 °C/Вт для TO-220.
Как посчитать радиатор
Температура кристалла складывается из температуры воздуха и перепада на трёх участках: корпус микросхемы, прокладка и радиатор.
Tj = Tокр + P × (RθJC + RθCS + RθSA)
- RθJC— переход–корпус, из даташита.
- RθCS— корпус–радиатор через термопасту и изолирующую прокладку; зависит от прокладки, возьмите 1–2 °C/Вт как допущение и уточните у производителя.
- RθSA— радиатор–воздух, это то, что вы подбираете.
- Tj— температура кристалла; держите её ниже предела из даташита с запасом.
Из формулы выражаем нужное тепловое сопротивление радиатора:
RθSA = (Tj − Tокр) / P − RθJC − RθCS
Пример (условный). Блок питания внутри корпуса, Tокр = 40 °C, P = 3,5 Вт. Хотим держать кристалл не выше 100 °C, чтобы до предельных 125 °C остался запас.
Допустимое общее сопротивление: (100 − 40) / 3,5 ≈ 17,1 °C/Вт. Вычитаем RθJC = 4 °C/Вт (LM7805, примечание даташита) и 1,5 °C/Вт на прокладку: RθSA ≈ 17,1 − 4 − 1,5 ≈ 11,6 °C/Вт. Это небольшая алюминиевая пластина или стандартный ребристый радиатор.
Все эти формулы проще посчитать нашим калькулятором радиатора: он подставит ваши числа и покажет, укладываетесь ли вы в предел.
Температура без радиатора
Условия примера: корпус TO-220 (LM7805), RθJA = 54 °C/Вт, Tокр = 40 °C. Tj = 40 + P · 54.
| P, Вт | Tj, °C | Что происходит |
|---|---|---|
| 0,5 | 67 | работает спокойно |
| 1 | 94 | работает |
| 1,5 | 121 | у предела рабочего диапазона 125 °C |
| 2 | 148 | выше рабочего диапазона |
| 3,5 | 229 | выше 150 °C: срабатывает тепловое отключение |
Если взять RθJA = 23,9 °C/Вт из таблицы, для 3,5 Вт получится 40 + 3,5 · 23,9 ≈ 124 °C. Но эта цифра справедлива только для условий теста, поэтому на реальном корпусе без радиатора рассчитывайте на худшее.
Как уменьшить нагрев
Лучший способ — уменьшить мощность потерь, а не радиатор.
- Понизьте входное напряжение.Минимальный перепад вход–выход у LM317 — 3 В по даташиту; запас сверх этого — чистый нагрев. Для 5 В на выходе LM317 достаточно 8 В на входе, а не 15.
- Разделите ступени.Грубо понизьте трансформатором (другой отвод вторичной обмотки) или резистором, а точную стабилизацию оставьте микросхеме.
- Перейдите на импульсный модуль.Если перепад большой и ток заметный, КПД DC-DC выше, тепла меньше.
- Улучшите отвод тепла.Нормальная термопаста, плоская поверхность радиатора, вертикальное положение рёбер.
Каждый шаг уменьшает P или RθSA, и вместе они дают запас.
Типовые ошибки
- Считают по току, забыв про перепад.Опасно именно большое напряжение на входе, а не ток сам по себе.
- Забывают про изолирующую прокладку.Она добавляет тепловое сопротивление, а язычок корпуса соединён с землёй или выходом (смотрите даташит): на общий радиатор без прокладки его класть нельзя.
- Ставят радиатор в закрытый корпус без вентиляции.Температура воздуха внутри выше, чем в комнате.
- Мерят нагрев «на ощупь».Палец не отличит 70 °C от 130 °C. Лучше мультиметр с термопарой.
- Не проверяют режим короткого замыкания.При КЗ мощность может вырасти до максимума; защита у микросхемы есть, но радиатор должен выдержать.
- Берут RθJA из таблицы для голого корпуса.Значение справедливо для условий теста, а в воздухе оно хуже.
Что в итоге
Нагрев линейного стабилизатора определяется разницей входа и выхода, умноженной на ток. Считайте P, выбирайте радиатор по формуле, а если получается слишком много — снижайте входное напряжение или переходите на импульсный модуль.
Пример такой сборки — лабораторный блок питания с защитой от КЗ.
Частые вопросы
Нормально ли, что 7805 горячий?
Если P = (Uвх − 5) · I около 1 Вт и выше, то да. Без радиатора при 54 °C/Вт и 40 °C вокруг кристалл нагреется до 94 °C.
Если корпус обжигает при малом токе, проверьте входное напряжение: возможно, оно выше нужного.
Какой радиатор нужен для LM317?
Рассчитайте P, затем RθSA = (Tj − Tокр) / P − RθJC − RθCS. Например, для P = 3,5 Вт при 100 °C на кристалле и 40 °C вокруг нужно примерно 11–12 °C/Вт.
Радиаторы в российских магазинах радиодеталей указывают тепловое сопротивление в паспорте; берите значение не больше расчётного.
Греется ли стабилизатор без нагрузки?
Немного. Ток покоя LM7805 по даташиту до 8 мА, при 12 В на входе это 12 · 0,008 ≈ 0,1 Вт.
Для LM317 есть минимальный ток нагрузки 3,5 мА typ, 10 мА max: без него регулировка не гарантируется.
Как снизить нагрев, не меняя микросхему?
Понизьте входное напряжение: у LM317 перепад не менее 3 В, а у LM7805 падение 2 В. Всё сверх этого уходит в тепло.
Можно поставить резистор перед стабилизатором: он возьмёт часть напряжения на себя, но тепло просто переместится в резистор.
Нужен ли радиатор для AMS1117?
Для SOT-223 по даташиту RθJA 90 °C/Вт, а гарантированная мощность — 1,2 Вт. Тепло отводится в основном через медную площадку на плате.
Если перепад большой, например 12 В → 3,3 В при 0,3 А (2,6 Вт), лучше взять импульсный модуль.
