چرا رگولاتور 7805 داغ می‌شود؟ محاسبه اتلاف و هیت‌سینک

خرید L7805CV در ایران و خرید خارجی

مدل مرجع این آموزش STMicroelectronics L7805CV، خروجی ۵ ولت، پکیج TO-220 است. نام عمومی «7805» برای تطبیق سازنده، حدود حرارتی و پکیج کافی نیست؛ 78L05 کوچک‌تر یا TO-220FP را بدون بررسی جای آن انتخاب نکنید.

وضعیت موجودی، گزارش تاریخ‌دار فروشنده است، نه تضمین تحویل یا اصالت. هیت‌سینک را بعد از تعیین اتلاف و شرایط نصب انتخاب کنید؛ ظاهر بزرگ‌تر به‌تنهایی مشخصه حرارتی نیست.

رگولاتور خطی با اختلاف ولتاژ چه می‌کند؟

رگولاتور خطی با کنترل افت روی عنصر داخلی، ولتاژ خروجی را در محدوده تنظیم‌شده نگه می‌دارد. در تقریب ساده، جریان ورودی تقریباً برابر جریان بار به‌علاوه جریان مصرف داخلی قطعه است. بخش بزرگی از توان اختلاف ورودی و خروجی در خود رگولاتور تلف می‌شود.

پس ۱۲ ولت ورودی برای خروجی ۵ ولت، ذاتاً «بهتر» از ۹ ولت نیست. در جریان یکسان، اختلاف بیشتر معمولاً اتلاف بیشتری ایجاد می‌کند. البته کم‌کردن ورودی هم حد دارد: اگر فضای کافی برای تنظیم باقی نماند، خروجی دیگر در محدوده مطلوب نمی‌ماند. این دو مسئله، اتلاف حرارتی و کمبود هد‌روم، باید با هم دیده شوند.

اتلاف توان 7805 را مرحله‌به‌مرحله حساب کنیم

ابتدا ولتاژ و جریان واقعی زیر بار را مشخص کنید، نه فقط برچسب آداپتور. با فرض خروجی دقیقاً ۵ ولت و صرف‌نظر از جریان داخلی، مثال‌های زیر به دست می‌آیند:

توان بار را با اتلاف قطعه اشتباه نگیرید. در ردیف دوم، بار ۲٫۵ وات می‌گیرد، ولی رگولاتور تقریباً ۳٫۵ وات گرما تولید می‌کند. راندمان ایدئال این تبدیل خطی 5/12 ≈ 41.7% است.

رابطه کامل‌تر PD ≈ (VIN − VOUT) × IOUT + VIN × IQ است. اگر برای یک مثال آموزشی جریان داخلی را ۸ میلی‌آمپر فرض کنیم، اتلاف ردیف دوم به 3.5 + 12 × 0.008 = 3.596 W می‌رسد. این فرض جای مقدار قطعه در دما و بار واقعی را نمی‌گیرد.

مقاومت حرارتی یعنی چه؟

مقاومت حرارتی با واحد درجه سلسیوس بر وات، ارتباط تقریبی توان تلف‌شده و افزایش دما را بیان می‌کند. θJA مسیر اتصال داخلی یا Junction تا محیط است؛ θJC مسیر اتصال داخلی تا بدنه. این دو عدد را به‌جای هم استفاده نکنید.

در یک برآورد ماندگار ساده، TJ ≈ TA + PD × θJA. اگر صرفاً برای مدل از TA = 25°C و θJA = 50°C/W استفاده کنیم، ۰٫۷ وات حدود ۳۵ درجه افزایش می‌دهد. اما ۳٫۵ وات، دمای محاسباتی ۲۰۰ درجه می‌دهد؛ این نتیجه خارج از محدوده کاری مدل و قطعه است و هشدار نامناسب‌بودن دفع حرارت است، نه پیش‌بینی کار پایدار در ۲۰۰ درجه.

θJA به برد، جریان هوا، محفظه و روش نصب وابسته است؛ عدد جدول دیتاشیت را دمای اندازه‌گیری‌شده برد خودتان ندانید. دمای سطح بدنه هم همان دمای Junction نیست. راهنمای رسمی TI درباره دفع حرارت، مسیرهای حرارتی را توضیح می‌دهد.

یک مثال برای انتخاب اولیه هیت‌سینک

فرض کنیم تبدیل ۱۲ به ۵ ولت با بار ۵۰۰ میلی‌آمپر، اتلاف آموزشی ۳٫۵۹۶ وات و دمای محیط داخل محفظه ۴۰ درجه داشته باشیم. هدف طراحی را ۱۰۰ درجه Junction می‌گذاریم؛ این هدف انتخاب ماست، نه نقل حد بیشینه دیتاشیت.

در مدل ساده سری، مسیر شامل θJC + θCS + θSA است: قطعه تا بدنه، رابط بدنه تا هیت‌سینک و هیت‌سینک تا هوا. برای TO-220 مرجع ST مقدار θJC برابر ۵ درجه بر وات است؛ θCS را فقط برای این مثال ۱ درجه بر وات فرض می‌کنیم.

θSA ≤ (100 − 40)/3.596 − 5 − 1 ≈ 10.7°C/W

این عدد، نقطه شروع انتخاب است. مشخصه هیت‌سینک باید در همان جهت نصب و جریان هوای موردنظر معتبر باشد و حاشیه طراحی هم لازم است. پد عایق، فشار نصب و کیفیت تماس می‌توانند θCS را عوض کنند. مدل سری، همه مسیرهای موازی دفع حرارت را توصیف نمی‌کند؛ انتخاب نهایی به اندازه‌گیری در محفظه واقعی نیاز دارد.

چرا جریان اسمی ۱٫۵ آمپر کافی نیست؟

عدد جریان خروجی به شرایط الکتریکی و حرارتی وابسته است. امکان تأمین جریان در یک آزمون مشخص به معنی تحویل همان جریان با ورودی دلخواه، بدون خنک‌کاری و داخل جعبه بسته نیست. اختلاف ورودی و خروجی و محدوده ایمن عنصر داخلی نیز مهم‌اند.

حفاظت حرارتی و محدودکننده جریان، جای طراحی دفع حرارت را نمی‌گیرند. خروجی که پس از مدتی افت می‌کند یا قطع‌و‌وصل می‌شود، می‌تواند نشانه ورود به حفاظت باشد، اما از روی این علامت به‌تنهایی علت قطعی را اعلام نکنید؛ ورودی، جریان و دما را بررسی کنید. برای تفاوت حدود مطلق و شرایط آزمون، آموزش خواندن دیتاشیت را ببینید.

ولتاژ ورودی، Dropout و خازن‌ها

L7805CV یک رگولاتور با افت بسیار کم نیست. در جدول L7805C مرجع ST، Dropout حدود ۲ ولت در جریان ۱ آمپر و Junction برابر ۲۵ درجه، مقدار نوعی است؛ آن را تضمین ثابت برای همه بارها و دماها ندانید. ورودی ۵ ولتی برای خروجی تنظیم‌شده ۵ ولتی این قطعه، هد‌روم لازم را ندارد.

ریپل و افت کابل ممکن است کمینه ورودی را از مقدار نامی پایین‌تر بیاورند. در مقابل، بیشینه بی‌باری یا گذرای منبع می‌تواند اتلاف یا تنش را بیشتر کند. هر دو انتهای دامنه ورودی مهم‌اند.

در شرایط آزمون مرجع از خازن ورودی ۰٫۳۳ میکروفاراد و خروجی ۰٫۱ میکروفاراد استفاده شده است. نیاز بای‌پس، نوع خازن، طول مسیر و بار گذرا را با بخش کاربرد دیتاشیت تطبیق دهید. خازن بزرگ‌تر، ۳٫۵ وات اتلاف ماندگار را حذف نمی‌کند. برای سیم‌کشی پایه‌ها و اتصال تب فلزی، شکل دقیق پکیج در همان دیتاشیت را بررسی کنید.

چه زمانی مبدل Buck را بررسی کنیم؟

وقتی اختلاف ولتاژ و جریان زیاد است، مبدل کاهنده سوئیچینگ می‌تواند گزینه‌ای برای کاهش اتلاف باشد. تصمیم فقط حرارتی نیست: ریپل، EMI، جریان گذرا، حداقل بار، فضای برد و چیدمان هم باید بررسی شوند. برای یک جریان کم و حساسیت به نویز، رگولاتور خطی ممکن است همچنان انتخاب مناسبی باشد.

برای مقایسه آموزشی، اگر خروجی ۲٫۵ وات باشد و صرفاً راندمان یک مبدل فرضی را ۹۰٪ بگذاریم، توان ورودی حدود ۲٫۷۸ و اتلاف کل مبدل حدود ۰٫۲۸ وات می‌شود. این راندمان، اندازه‌گیری یا وعده عملکرد یک ماژول بازار نیست؛ دیتاشیت و آزمون بار همان مبدل لازم‌اند.

بررسی عملی و پرسش‌های رایج

1. ولتاژ ورودی و خروجی را زیر بار و در طول زمان ثبت کنید. میانگین مصرف را جای پیک جریان نگذارید.
2. اتلاف را از مقادیر واقعی برآورد و دمای محیط نزدیک برد را اندازه بگیرید. مشخص کنید آزمون در هوای آزاد است یا داخل جعبه.
3. با بار کنترل‌شده، روش اندازه‌گیری دما و زمان رسیدن به حالت پایدار را ثبت کنید. داغی را با لمس دست به‌عنوان دماسنج یا معیار پذیرش نسنجید.
4. پس از تغییر ورودی، هیت‌سینک یا محفظه، دوباره در شرایط موردنظر بررسی کنید. برای مسائل گذرای تغذیه، آموزش عیب‌یابی تغذیه و Brownout مکمل این تحلیل ماندگار است.

منابع و روش تدوین

• ST L78، سند DS0422 Rev 38: جدول L7805C، داده حرارتی TO-220، پکیج و مدارهای کاربرد.
• TI SLVA462؛ Understanding Thermal Dissipation and Design of a Heatsink.

منابع و لینک خرید در ۱۷ اکتبر ۲۰۲۶ بررسی شدند. متن و نمودار تألیفی با کمک ابزارهای هوش مصنوعی و بررسی منابع تهیه شده‌اند. اعداد، محاسبات با فرض‌های مشخص‌اند؛ اندازه‌گیری حرارتی یا آزمون فیزیکی این مدار انجام نشده است.