Letar spänningsstabilisator. (Enligt ”Worst case scenario”)

[Fransson]

Hej alla vänner, och god fortsättning på det nya året.

Sitter med ett projekt där jag började med att slentrianmässigt slänga in en 7805:a (med ospecificerade bokstäver) i TO-220 kapsel enligt devisen ”det borde räcka”.

Men efter att ha suttit och rotat kortet några dagar tycker jag att den tar för mycket plats och tänker. ”De här kretsarna kan inte dra över 100mA. Om jag byter till TO-92 så sparar jag massa utrymme.”

Sen börjar jag tänka på värmen, effektförlusten och inspänningen. TO-92 har ju ganska dålig värmeavledningsförmåga (hög termisk resistans) och omgivningstemperaturen kan bli ganska hög där den ska sitta. Så det blir till och leta efter något annat.

En ytmonterad kapsel kanske. En ytmonterad kapsel borde kunna utnyttja en kopparyta på kretskortet för att förbättra kylningen.

Nu har jag suttit och bläddrat omväxlande i olika datablad på Internet, sökt på Elfa's hemsida, och kliat mig i huvudet. Nu är jag trött och kommer inte att göra mer i kväll. Men jag fortsätter nog i morgon eller på söndag. Under tiden tänkte jag att någon nattuggla kanske ville ha något att fundera på.

OK... För att närma mig frågan...
Här är scenariot:
Tänk er ett fordon (t.ex. en bil) stillastående mitt i solen på sommaren det är sannolikt att temperaturen kan nå upp emot 60-65°C i fordonet. Kretskortet (inkl. spänningsstabilisatorn) sitter i en tät (IP 65) plastlåda. Så kretsens ambient temperatur under ”worst case” förhållande (med egenuppvärming) kan gott närma sig 80-85°C.

Lägg till det att motorn rusar och generatorn laddar ”för fullt”. Spänningen uppgår lätt till 15+V. Med marginal för eventuella ”störningar” kan vi räkna med 20V. (Jag kommer att sätta en zenerdiod för att lösa ut säkringen om en maximal spänning överskrids.)

Alltså:
20V – 5V = 15V spänningsfall över spänningsstabilisatorn.
100mA maximal ström.
Ger 1,5W som ska kylas bort.
Detta utan att maximal junction temperaturen överskrids vid en ambient temperatur på 85°C.

Är det någon som redan har gjort detta? Som har en färdig lösning, med en liten, ytmonterad krets som utnyttjar kretskortet för kylning?

Annars fortsätter jag att leta själv.

PS. Har övervägt switch regulator men det ökade antalet komponenter (var av en stor spole) verkar motverka syftet, att spara utrymme på kortet. DS.

[chrilleman]

Hej,

först: ”De här kretsarna kan inte dra över 100mA. Om jag byter till TO-92 så sparar jag massa utrymme.” -Ta reda på hur mkt ström som behövs.

Sen finns det ju två alternativ precis som du själv kommit fram till.

1) Använda en linjär-regulator. Du byter till TO-92 kapsel för att spara utrymme, den termiska resistansen ökar eftersom kapseln är mindre. En ytmonterad ger troligen lägre termisk resistans (högre till luft eftersom kapseln är mindre men totalt lägre med kylning via kortet).. kanske kan du limma på någon form av kylfläns med termiskt lim för att öka på kylningen men ändå få det mindre än TO-220 kapseln (kan ju även gälla TO-92 kapseln).

2) Använd en switch-regulator, om du behöver lite ström och väljer en med hög frekvens kan det bli en liten induktans.

Hur som helst så är det viktigt att du ta reda på hur mkt ström som behövs först.

//Chrilleman

[blueint]

Mät!

* Motorutrymmets temperatur på en solig dag (60 .. 65 °C)
* IP65 lådans termiska resistans [°C/W]
* Faktiskt strömförbrukning [mA]

Eftersom motorutrymmet utgör så stort termiskt flöde och massa så bör effektregulatorn ha försumbar inverkan. Så om du mäter lådans termiska resistans och tar med regulator-till-lådresistans. Samt att kretsen gissningsvis har en maximal chipstemperatur på ca 125 °C. Det är bara att räkna på det

[JimmyAndersson]

Fransson:
"Har övervägt switch regulator men det ökade antalet komponenter (var av en stor spole) verkar motverka syftet"

Kikat på Simple Switcher och liknande? De behöver oftast inget annat än en (eller två) liten konding.

Min favorit just nu är AS2954. Länk till tråd med mer info och datablad.
De klarar 250mA. (Ca 0,3 V dropout vid 250 mA.)


(För er som bara går igenom "Aktiva trådar": Det är ingen déjà vu. Jag *har* skrivit om den tidigare idag. )

[Fransson]

Ursäkta att det fått gå så lång tid utan kommentarer. Är lite pressat på jobbet just nu så mina hobby får lida.

Till er som tycker att påståendet att "De här kretsarna kan inte dra över 100mA" och att jag bör mäta strömmen, säger jag att designen fortfarande befinner sig på "pappers-stadiet" (fast "pappret" (och hela skrivbordet för den delen) finns bara i datorn ). Det finns inget att mäta på.

Men för de som vill försöka uppskatta strömmen kan jag säga att det som ska strömförsörjas är:
* En CD4097Bx t.ex denna.
* En 74HC238D t.ex. 73-903-47.
* Samt en ännu inte fastställd OP-Amp med goda rail to rail egenskaper.
* Kan eventuellt tillkomma en indikator-LED. (Ca 2-5 mA eller mindre beroende på typ.)
That's it!

Men egentligen spelar den verkliga förbrukningen ingen roll när man dimensionerar efter ett "worst case scenario" (förutom att den måste vara mindre än maxströmmen). Jag ska ju dimensionera efter maxströmmen. (Som begränsas av regulatorns inbyggda skyddskretsar.)
Temperaturen är en uppskattning och jag har inte den blekaste aning om vad temperaturen kan komma att vara där projektet kan tänkas hamna. Det enda jag vet är att jag vill konstruera med bredas möjliga (rimliga) marginal.

När jag googlade 78L05 i förr-förra vekan hittade jag denna PDF.
Ungefär mitt på sidan 2 finner jag rubriken THERMAL DATA där jag kan jämföra den termiska resistansen för olika kapslar. Tyvärr kan jag inte finna någon 78L05 i SOT-89 kapsel på ELFA.

>JimmyAndersson.
250 mA verkar jätte kul men kapseln är fortfarande TO-92 så frågan kvarstår. Klarar den att leverera tillräckligt med ström när Ambient temperaturen närmar sig 80-85°C?

Är det någon som har något annat tipps?

Jag har förvisso lyckats routa mig runt TO-220 kapseln så ett byte är inte strikt nödvändigt längre. Men det är fortfarande intressant att utöka min "repertoar" av kretsar som jag behärskar. Konstruktionsprocessen brukar ju börja med att jag med hjälp av en blandning av erfarenhet och magkänsla väljer en spänningsstabilisator som jag behärskar. Bygger en första prototyp. Mäter ström förbrukningen. Räknar på effektförlusten och värmeutvecklingen. Gör eventuella justeringar vid behov.

Ibland kommer man till en utmaning som kräver att man lär sig nya saker (och tur är väl det, livet vore ju så tråkigt annars ). Och om man delar med sig så kan flera lära sig på en gång. Därför tänker jag fortsätta den hör tråden tills jag har hittat och lärt mig en ny, mindre och helst ytmonterad lösning. Även om jag kanske inte behöver den i just det här projektet, kan kunskapen komma till nytta i framtiden, för mig och/eller andra forumister.

[JimmyAndersson]

Just det där med TO92 och att avleda värme är lite klurigt.
Visserligen finns det kylvingar till dem, men det hade varit bättre om man kunde montera dem på en större yta.
Jag har tänkt experimentera med olika sätt att montera TO92-kapslar mot större kylfläns,
för användning till 1wire-komponenter (DS1820) men jag är bara i löda-kablar-fasen än..

Men! När det gäller AS2954 så finns den i 5st olika kapselformer. Titta i databladet igen.
TO263, TO92, TO220, SOIC (8 pin SMD) och SOT223 (3 pin SMD).
Titta på "Note 9" på sida 3 och "Heatsink requirements" på sida 5 för mer info om kylyta och temperatur.


Intressant tråd förresten! Jag förstår helt klart hur du resonerar.

[Henry]

Om du slipar ner den platta sidan så kommer du rätt snart ner till substratet som själva chipet är fastsatt mot men det är dock ingen risk att du drar det med dig då det sitter på andra sidan. Slipar du sedan ytan spegelblank med fint sandpapper så får du en perfekt direkt kontakt med chipet som ger en bra bättre värmeledningsförmåga än genom expoxin.

Gjorde så en gång för många år sedan då jag inte hade en kraftigare hemma än en TO-92 men det fungerade hur bra som helst, utan kylflänsen så stängde den dock av sig direkt.

[4kTRB]

Du kan montera ett stående motstånd innan ingången
på TO-92 regulatorn som plockar upp en del av spänningen/effekten.
Ett 1W motsånd behöver inte ta så mycket plats och behöver inte kylas.

[Fransson]

JimmyAndersson>
"Note 9" på sida 3 handlar bara om tre kapslar: TO92, och SOIC (8 pin SMD) (eller är det bara två?).
"Heatsink requirements" på sida 5 innehåller en massa beräkningar som det var trevligt att bli påmind om igen. (Ser där att jag ”råkade försumma” jordströmmen när jag beräknade förlusteffekten i mitt första inlägg. ) Den enda ”hårda” fakta jag hittade där var i följande citat:
”If the θ(J-A) is 60°C/W or higher, the device could be operated without a heatsink. If the value is below 60°C/W then the heatsink is required.”
Jag tror att den uppgiften hör till TO-220 kapseln. Både för att ”magkänslan” säger att θ(J-A) = 60°C/W passar bra på TO-220 fritt i luften. Och att TO-220 är den enda kapseln som ”normalt” förses med kylfläns.
Jag antar att Sipex tycker att övriga kapslar ”är enligt standard” och att man ska leta reda på θ(J-C) i något ”kapseldatablad”.

Ett litet räkneexempel med uppgifter från mitt första inlägg och datablad:

PTOTAL = 1,5W
TJ (MAX) = 125°C
TA (MAX) = 85°C

TR (MAX) = 125 – 85 = 40°C
θ(J-A) = 40 / 1,5 = 26,666...7°C/W

Det utesluter TO-92 ganska tydligt.
TO-220 kan fungera men kräver kylning.
Den 78L05 i SOT-89 kapsel som jag länkade till i mitt förra inlägg har en θ(J-C) på 15°C/W. Det innebär att man måste ha θ(C-A) som är mindre än ca 11°C/W.

Är det rimligt att komma under 11°C/W med kretskortet som kylare?
Hur stor kopparyta (cm² eller mm²) behövs? Enkelsidigt? Eller dubbelsidigt med ”termo-vior”?
Var kan jag hitta ”kapseldatablad” för TO-263 och SOT-223?

Henry>
Intressant tipps, ska lägga det på minnet.

4kTRB>
Det har jag använt i ett tidigare projekt. Då hade jag två stabiliserade spänningar och en ”stabil” strömförbrukning. Så då var det lätt att dimensionera motståndet för lagom spänningsfall.
Här, med en eventuell signal-LED och en fordons matning som kan variera mellan 10V och 15V (och i värsta fall upp till 20V) är det svårare.

Och ett stort TACK för allt engagemang.

[Fransson]

Efter som fredagskvällar verka vara bra kvällar att få svar på forumet så passar jag på att bumpa min tråd.

Redovisar även lite av mina Google-resultat.
Sipex Corporation, som enligt sodjan's datablad tillverkade AS2954, har endera gått ihop med, eller blivit uppköpt av Exar Corporation. Exar Corporation har i sin produktportfölj ”SPX2954, 250mA Low Dropout Voltage Regulator” som verkar vara en omdöpt version av AS2954. Datablad finns här.

I det nya databladet finns, ungefär mitt på sidan 3, en lista över Thermal Resistance ΘJA (det vill säga till ”omgivande luft”) för alla kapslar. Tyvärr är alla för höga enligt räkneexemplet ovan. Men jag tror att siffrorna gäller ”fritt i luften” dvs utan kylare. Därför vill jag veta den ”interna” termiska resistansen (Junction to Case) för kapslarna. Den borde vara betydligt lägre.

Så... Det jag vill ha hjälp med är:
1. Hitta korrekt Thermal Resistance ΘJC (Junction to Case) för aktuella kapslar.
2. Hitta information om hur man dimensionerar/beräknar kretskortsyta som kylare. Då kanske jag själv kan besvara några av frågorna i inlägget ovan.

[eqlazer]

Figur 24 visar hur junction to air ändras med kopparytan för LM2931
http://www.onsemi.com/pub_link/Collateral/LM2931-D.PDF

Det kanske kan ge en hint om hur din regulator fungerar?

[Borre]

Vill minnas att databladet för LM317 från National har en massa beräkningar för det där.

[limpan4all]

Det enkla svaret som funkar som en bra tumregel är "max en Watt och det behövs en kvadrattum koppar vid 35um, en och en halv Watt om man har koppar på båda sidorna och minst 20 termiska viahål".
Sen kan man ju räkna på det hela, men man kommer fram till ungefär samma sak.

[Icecap]

Med de komponenter du anger räcker en 7805 i SO8 alldeles utmärkt. Kylas den inte nog kommer den termiska säkring i kretsen att släcka ner, du kan alltså inte använda denna lösning till ett livsuppehållande system.

Men en switch-lösning är inget med skrymmande spolar, det räcker med en modern switchregulator + en mindre spole och lite krafs men det är svårt att konkurrera med platsen en SO8 tar. Lägger man till kylytor är det dock en annan sak, där kan switc-lösningen sannolikt vinna eller minst ligga lika.

Så att förkasta en switchad lösning är baserat på okunnighet, man ska bara välja en lösning med hög switchfrekvens och dom finns det ett antal av. Med de äldre versioner av Simple Switchers när man lätt spolar på 300µH som är ganska skrymmande men med de nyare versioner med kanske 500kHz switchfrekvens är saken en helt annan, där kan en spole ligga på kanske 22µH vilket är synnerligt lagom storlek att dölja någonstans.

Och jag har inte sett någon Simple Switchers lösning med enbart ett par kondensatorer...