Wersja elektroniczna artykułu

ELEKTRYKA
Zeszyt 3 (215)
2010
Rok LVI
Krzysztof GÓRECKI, Janusz ZARĘBSKI
Katedra Elektroniki Morskiej, Akademia Morska w Gdyni
WPŁYW WARUNKÓW CHŁODZENIA NA CHARAKTERYSTYKI
LINIOWEGO STABILIZATORA NAPIĘCIA
Streszczenie. W pracy przedstawiono wyniki pomiarów ilustrujących wpływ
zjawiska samonagrzewania na charakterystyki monolitycznego liniowego stabilizatora
napięcia 723. Przedstawiono są idealne i rzeczywiste warunki chłodzenia rozwaŜanego
stabilizatora napięcia umieszczonego w obudowach DIL14 oraz TO-5 i pracującego
z radiatorem oraz bez radiatora. Uzyskane wyniki pomiarów ilustrują silny wpływ
samonagrzewania na charakterystyki układów aplikacyjnych rozwaŜanego stabilizatora.
Słowa kluczowe: liniowe stabilizatory napięcia, samonagrzewanie
THE INFLUENCE OF COOLING CONDITIONS ON CHARACTERISTICS
OF THE LINEAR VOLTAGE REGULATOR
Summary. In the paper the results of experimental investigations showing the
influence of the selfheating phenomenon on characteristics of the monolithic voltage
regulator 723 are presented. The ideal and real cooling conditions of the voltage regulator
mounted in the packages DIL14 and TO-5 operating with a heat-sink and without any
heat-sink are considered. The obtained results of measurements show a strong influence
of selfheating on the output and transfer characteristics of the application circuits of the
considered regulator.
Keywords: linear voltage regulators, selfheating
1. WPROWADZENIE
Liniowe i impulsowe stabilizatory napięcia są powszechnie wykorzystywane w układach
zasilających [1, 2, 11]. Oczywiście, stabilizatory impulsowe cechują się wyŜszą sprawnością
energetyczną, ale z drugiej strony stanowią one źródło zakłóceń elektromagnetycznych [8].
Dlatego liniowe stabilizatory napięcia są nadal stosowane ze względu na krótki czas
odpowiedzi na impulsową zmianę prądu obciąŜenia lub napięcia wejściowego oraz niski
poziom tętnień napięcia wyjściowego [11].
20
K. Górecki, J. Zarębski
Wśród monolitycznych liniowych stabilizatorów napięcia występują układy o ustalonej
wartości napięcia wyjściowego oraz stabilizatory uniwersalne o programowanej wartości tego
napięcia. Do uniwersalnych stabilizatorów napięcia o działaniu ciągłym naleŜy m.in.
stabilizator 723 produkowany obecnie przez wielu producentów pod róŜnymi nazwami, np.
LM723 (National Semiconductor), µA723 (Texas Instruments), MAA723 (Tesla), UL7523
(CEMI). Stabilizator ten umoŜliwia stabilizację napięcia wyjściowego w zakresie od 2 do
37 V przy prądzie obciąŜenia 150 mA [2, 8, 20]. Wykorzystanie rozwaŜanego stabilizatora
w układach aplikacyjnych, opisanych m.in. w pracach [10, 11], umoŜliwia znaczne
rozszerzenie zakresu stabilizowanych napięć i prądów.
Stabilizator 723 jest dostępny w dwóch rodzajach obudów – obudowie dwurzędowej
DIL14 oraz w obudowie metalowej TO-5. Jak wynika m.in. z prac [3, 4, 12],
samonagrzewanie istotnie wpływa na charakterystyki stabilizatorów o działaniu ciągłym.
Z drugiej strony wiadomo, Ŝe o przyroście temperatury wnętrza elementu ponad temperaturę
otoczenia decyduje rezystancja termiczna Rth. Wartość tego parametru zaleŜy m.in. od rodzaju
obudowy oraz wielkości radiatora zamocowanego do tej obudowy [7].
W niniejszej pracy przedstawiono wyniki pomiarów charakterystyk statycznych
rozwaŜanego stabilizatora 723 i przedyskutowano wpływ zjawiska samonagrzewania oraz
warunków chłodzenia obudowy badanego elementu na przebieg tych charakterystyk.
2. BADANE UKŁADY
Budowę i zasadę działania rozwaŜanego stabilizatora przedstawiono m.in. w pracach [1,
4, 9, 10], a typowe układy aplikacyjne opisano w pracach [1, 4, 10].
Do badań wybrano dwa, zalecane przez producenta, układy aplikacyjne rozwaŜanego
stabilizatora, których schematy pokazano na rys. 1 oraz na rys. 2. W układzie z rys. 1
nominalna wartość napięcia wyjściowego wynosi 5 V, a w układzie z rys. 2 – 30 V.
Rys. 1. Układ aplikacyjny stabilizatora 723 o nominalnym napięciu wyjściowym równym 5 V
Fig. 1. The application circuit of the voltage regulator 723 of the nominal output voltage equal to 5 V
Wpływ warunków chłodzenia…
21
Rys. 2. Układ aplikacyjny stabilizatora 723 o nominalnym napięciu wyjściowym równym 30 V
Fig. 2. The application circuit of the voltage regulator 723 of the nominal output voltage equal to 30 V
3. WYNIKI POMIARÓW
Przeprowadzono pomiary charakterystyk rozwaŜanego stabilizatora pracującego w układach aplikacyjnych pokazanych na rys. 1 i 2 przy róŜnych warunkach chłodzenia tego stabilizatora. Wyznaczono zarówno charakterystyki izotermiczne rozwaŜanego stabilizatora,
odpowiadające idealnym warunkom chłodzenia tego elementu, jak i charakterystyki
nieizotermiczne, uwzględniające wzrost temperatury wnętrza stabilizatora na skutek zjawiska
samonagrzewania.
Charakterystyki izotermiczne uzyskano wykorzystując impulsową metodę pomiaru
i system pomiarowy opisany w pracy [5]. Wykonano pomiary dla stabilizatora umieszczonego w obudowie plastykowej DIL14 oraz w obudowie metalowej TO-5, przy czym dla
obudowy TO-5 zmierzono charakterystyki dla stabilizatora bez radiatora oraz dla stabilizatora
umieszczonego na radiatorze wykonanym z płyty aluminiowej o wymiarach 100x90x10 mm.
Zgodnie z danymi katalogowymi, rozwaŜany stabilizator umieszczony w obudowie
DIL14 charakteryzuje się rezystancją termiczną Rth = 150 K/W, natomiast w obudowie TO-5
wykazuje rezystancję termiczną Rth = 165 K/W.
Wyniki pomiarów układu z rys. 1 przedstawiono na rys. 3-7, a wyniki pomiarów układu
z rys. 2, na rys. 8–10. Na rysunkach 3-10 linią kreskową oznaczono charakterystyki
izotermiczne, natomiast linią ciągłą – charakterystyki nieizotermiczne.
Na rys. 3 przedstawiono charakterystyki wyjściowe stabilizatora z rys. 1, a na rys. 4 –
odpowiadające im zaleŜności temperatury obudowy TC stabilizatora od prądu wyjściowego.
Temperaturę tę zmierzono za pomocą pirometru Optex ST-3.
Jak widać na rys. 3, maksymalna wartość prądu wyjściowego stabilizatora jest silną
funkcją warunków chłodzenia. Na charakterystykach izotermicznych prąd ten przekracza
140 mA, a na charakterystykach nieizotermicznych zmierzonych dla stabilizatora w obudowie
TO-5 nieznacznie przekracza 80 mA.
22
K. Górecki, J. Zarębski
Na rys. 4 widać wyraźnie, Ŝe przy tej samej wartości prądu wyjściowego przyrost
temperatury obudowy stabilizatora w obudowie TO-5 jest prawie dwukrotnie większy niŜ dla
stabilizatora w obudowie DIL14.
6
obudowa DIL14
5
Uwy [V]
4
obudowa TO5
bez radiatora
3
obudowa TO5
z radiatorem
2
Ta = 22 oC
Uwe = 12 V
1
obudowa TO5
0
0
20
40
60
80
100
120
140
160
Iwy [mA]
Rys. 3. Charakterystyki wyjściowe stabilizatora 723 pracującego w układzie z rys. 1
Fig. 3. The measured output characteristics of the voltage regulator 723 operating in the application
circuit from Fig. 1
120
Ta = 22 oC
Uwe = 12 V
100
obudowa TO5
bez radiatora
TC [oC]
80
obudowa
DIL14
60
40
obudowa TO5
z radiatorem
20
0
0
20
40
60
80
100
120
140
160
Iwy [mA]
Rys. 4. ZaleŜności temperatury obudowy stabilizatora 723 pracującego w układzie z rys. 1 od prądu
wyjściowego
Fig. 4. The measured dependences of the case temperature of the voltage regulator 723 operating in
the application circuit from Fig. 1 on the output current
Warto zauwaŜyć, Ŝe na charakterystykach pokazanych na rys. 3 obserwuje się w pewnym
zakresie „podcięcie”, które jest spowodowane przez zadziałanie układu zabezpieczenia
nadprądowego wbudowanego w rozwaŜanym stabilizatorze.
Z kolei, na rys. 5 pokazano charakterystyki przenoszenia stabilizatora z rys. 1 przy
rezystancji obciąŜenia R0 = 80 Ω, a na rys. 6 – odpowiadające im zaleŜności temperatury
obudowy stabilizatora od napięcia wejściowego.
Jak moŜna zauwaŜyć, zakres zmian napięcia wejściowego, w którym jest stabilizowane
napięcie wyjściowe, zaleŜy od warunków chłodzenia tego układu. W warunkach
izotermicznych zakres stabilizacji jest ograniczony tylko od dołu napięciem Uwe równym
około 9 V. Uwzględnienie zjawiska samonagrzewania powoduje, Ŝe zakres stabilizacji
Wpływ warunków chłodzenia…
23
wykazuje równieŜ ograniczenie od góry przy napięciu Uwe równym około 35 V dla obudowy
DIL14 oraz zaledwie 20 V przy obudowie TO-5.
Na rys. 6 widać, Ŝe w zakresie zmian napięcia wejściowego, w którym obserwuje się
ujemne nachylenie charakterystyki przejściowej stabilizatora, temperatura obudowy
stabilizatora przekracza 120oC.
6
5
obudowa DIL14
obudowa TO5
bez radiatora
Uwy [V]
4
3
2
Ta = 22 oC
R0 = 80 Ω
1
0
0
10
20
30
40
50
Uwe [V]
Rys. 5. Charakterystyki przejściowe stabilizatora 723 w układzie z rys. 1 przy R0 = 80 Ω
Fig. 5. The measured transfer characteristics of the voltage regulator 723 operating in the application
circuit from Fig. 1 at R0 = 80 Ω
160
R0 = 80 Ω
140
o
Ta = 22 C
TC [oC]
120
obudowa TO5
bez radiatora
100
obudowa
DIL14
80
60
40
20
0
0
10
20
30
40
50
Uwe [V]
Rys. 6. ZaleŜności temperatury obudowy stabilizatora 723 w układzie z rys. 1 od napięcia wejściowego
Fig. 6. The measured dependences of the case temperature of the voltage regulator 723 operating in
the application circuit from Fig. 1 on the input voltage
W przedstawionym na rys. 5 przykładzie wykazano, Ŝe samonagrzewanie moŜe zawęzić
zakres stabilizacji. Na rys. 7 pokazano charakterystyki przejściowe stabilizatora z rys. 1 przy
rezystancji obciąŜenia R0 = 39 Ω. Jak widać, na skutek samonagrzewania układ stracił
zdolność do stabilizowania napięcia wyjściowego. Tymczasem w warunkach izotermicznych
układ ten poprawnie stabilizuje napięcie.
Rysunek 8 przedstawia zmierzone charakterystyki wyjściowe stabilizatora z rys. 2, a na
rys. 9 – odpowiadające im zaleŜności temperatury obudowy stabilizatora od prądu wyjściowego. Jak widać, podobnie jak w przypadku układu z rys. 1, na skutek samonagrzewania
24
K. Górecki, J. Zarębski
maleje wartość dopuszczalnego prądu wyjściowego. MoŜna zauwaŜyć, Ŝe w zakresie, w
którym uaktywnia się zabezpieczenie nadprądowe, charakterystyka wykazuje duŜo większe
nachylenie niŜ dla układu z rys. 1. W zakresie tym jest widoczny równieŜ silny wzrost
temperatury obudowy stabilizatora.
6
obudowa DIL14
Ta = 22 oC
R0 = 39 Ω
5
Uwy [V]
obudowa TO5
obudowa
DIL14
4
3
obudowa TO5
bez radiatora
2
1
0
0
5
10
15
20
25
30
35
40
Uwe [V]
Rys. 7. Charakterystyki przejściowe stabilizatora 723 w układzie z rys. 1 przy R0 = 39 Ω
Fig. 7. The measured transfer characteristics of the voltage regulator 723 operating in the application
circuit from Fig. 1 at R0 = 39 Ω
35
obudowa DIL14
30
Uwy [V]
25
obudowa TO5
bez radiatora
20
obudowa TO5
15
obudowa
DIL14
10
o
Ta = 22 C
Uwe = 35 V
5
0
0
20
40
60
80
100
120
140
160
Iwy [mA]
Rys. 8. Charakterystyki wyjściowe stabilizatora 723 pracującego w układzie z rys. 2
Fig. 8. The measured output characteristics of the voltage regulator 723 operating in the application
circuit from Fig.2
Na rys. 10 pokazano charakterystyki przejściowe stabilizatora z rys. 2 przy rezystancji
obciąŜenia R0 = 358 Ω, a na rys. 11 – odpowiadające im zaleŜności temperatury obudowy
stabilizatora od napięcia wejściowego.
Jak widać na rys.10, przy duŜej wartości nominalnej napięcia wyjściowego (równej około
30 V) występuje wąski zakres stabilizacji tego napięcia. W szczególności, na charakterystyce
zmierzonej dla stabilizatora w obudowie TO-5, po przekroczeniu przez napięcie wejściowe
wartości około 37 V, następuje gwałtowny spadek wartości napięcia wyjściowego do
zaledwie 13 V. Dalszy wzrost napięcia wejściowego powoduje dalsze zmniejszanie się
napięcia wyjściowego.
Wpływ warunków chłodzenia…
25
140
o
obudowa TO5
bez radiatora
Ta = 22 C
Uwe = 35 V
120
o
TC [ C]
100
80
60
40
obudowa
DIL14
20
0
0
20
40
60
80
100
120
140
Iwy [mA]
Rys. 9. ZaleŜności temperatury obudowy stabilizatora 723 pracującego w układzie z rys. 2 od prądu
wyjściowego
Fig. 9. The measured dependences of the case temperature of the voltage regulator 723 operating in
the application circuit from Fig. 2 on the output current
35
obudowa DIL14
Ta = 22 oC
R0 = 358 Ω
30
Uwy [V]
25
obudowa TO5
bez radiatora
20
15
10
5
0
0
10
20
30
40
50
60
Uwe [V]
Rys. 10. Charakterystyki przejściowe stabilizatora 723 w układzie z rys. 2
Fig. 10. The measured transfer characteristics of the voltage regulator 723 operating in the application
circuit from Fig. 2
160
R0 = 358 Ω
140
Ta = 22 oC
TC [oC]
120
100
obudowa TO5
bez radiatora
80
obudowa
DIL14
60
40
20
0
0
10
20
30
40
50
60
Uwe [V]
Rys. 11. ZaleŜności temperatury obudowy stabilizatora 723 pracującego w układzie aplikacyjnym
z rys. 2 od napięcia wejściowego
Fig. 11. The measured dependences of the case temperature of the voltage regulator 723 operating in
the application circuit from Fig.2 on the input voltage
26
K. Górecki, J. Zarębski
Obserwując na rys. 11 zaleŜność TC(Uwe), moŜna zauwaŜyć, Ŝe szybkiemu wzrostowi
temperatury obudowy stabilizatora towarzyszy gwałtowny spadek wartości napięcia
wyjściowego stabilizatora. Warto zauwaŜyć, Ŝe temperatura obudowy, po osiągnięciu
wartości 150oC, stabilizuje się.
4. PODSUMOWANIE
W pracy przedstawiono wyniki badań eksperymentalnych wpływu warunków chłodzenia
monolitycznego stabilizatora napięcia 723 na charakterystyki układów aplikacyjnych tego
stabilizatora. Przedstawione wyniki badań dowodzą, iŜ na skutek zjawiska samonagrzewania
następuje istotne ograniczenie wartości dopuszczalnego prądu wyjściowego oraz dopuszczalnego napięcia wejściowego. Wpływ samonagrzewania na rozwaŜane charakterystyki
jest silniej widoczny w układzie o wyŜszej wartości nominalnego napięcia wyjściowego.
Porównując charakterystyki uzyskane dla róŜnych warunków chłodzenia rozwaŜanego
stabilizatora, moŜna stwierdzić, Ŝe stosowanie obudowy TO-5 jest znacznie mniej efektywne
niŜ stosowanie obudowy DIL14. Dopiero umieszczenie obudowy TO-5 na duŜym radiatorze
pozwala uzyskać podobne charakterystyki do tych, które uzyskuje się dla stabilizatora
w obudowie DIL14.
W zakresie temperatur obudowy przekraczających 120oC badany stabilizator pracuje
w zakresie ograniczania wartości prądu wyjściowego, co skutkuje zmianą kształtu jego
charakterystyk wyjściowych i przejściowych.
BIBLIOGRAFIA
1.
2.
3.
4.
5.
Borkowski A.: Zasilanie urządzeń elektronicznych. WKiŁ, Warszawa 1990.
Ferenczi Ö.: Zasilanie układów elektronicznych. Zasilacze ze stabilizatorami o pracy
ciągłej. Przetwornice DC-DC. WNT, Warszawa 1988.
Górecki K., Zarębski J.: Analiza wpływu samonagrzewania na charakterystyki liniowego
stabilizatora napięcia z tranzystorem MOS. „Elektronika” 2009, Nr 3, s. 103-106.
Górecki K., Zarębski J.: Influence of selfheating on characteristics of linear voltage
regulators with a power MOS transistor. XXXII International Conference on
Fundamentals of Electrotechnics and Circuit Theory IC-SPETO 2009, Ustroń 2009,
p. 69-70.
Górecki K., Zarębski J.: Układ do automatycznego pomiaru nieizotermicznych
charakterystyk statycznych elementów półprzewodnikowych. „Metrologia i Systemy
Pomiarowe: 2000, t. VII, z. 1, s. 45-57.
Wpływ warunków chłodzenia…
27
6.
Górecki K., Zarębski J.: The Influence of Cooling Conditions on Characteristics of the
Linear Voltage Regulator. XXXIII International Conference on Fundamentals of
Electrotechnics and Circuit Theory IC-SPETO 2010, Ustroń 2010, p. 57-58.
7. Górecki K., Zarębski J., M. Piotrowicz: Pomiary parametrów termicznych
monolitycznego stabilizatora napięcia MAA723. Zeszyty Naukowe Akademii Morskiej
w Gdyni, 2004, Nr 53, s. 121-128.
8. Mohan N., Undeland T. M., Robbins W. P.: Power Electronics: Converters, Applications,
and Design. John Wiley &Sons, New York 1995.
9. Przekop M.: Badanie właściwości stabilizatorów serii 723. Praca dyplomowa
magisterska, Wydział Elektryczny, Akademia Morska w Gdyni, 2003.
10. Rudnicki C.: Układy scalone w sprzęcie elektroakustycznym. Wydawnictwo NOTSigma, Warszawa 1987.
11. Tietze U., Schenk Ch.: Układy półprzewodnikowe. WNT, Warszawa 1996.
12. Zarębski J., Górecki K.: The Electrothermal Macromodel of MA7800 Monolithic
Positive Voltage Regulators Family. “International Journal of Numerical Modelling:
Electronic Networks, Devices and Fields”, 2006, Vol. 19, No. 4, p. 331-343.
Recenzent: Prof. dr hab. inŜ. Marian Pasko
Wpłynęło do Redakcji dnia 15 września 2010 r.
Abstract
The paper refers the influence of the selfheating phenomenon on characteristics of the
linear monolithic voltage regulator 723. Regulators 723 situated in two types of cases: plastic
DIL14 and metal TO-5, are considered. For the metal case, the operating of the regulator 723
situated on the heat-sink and without it is considered. Two typical application circuits of the
regulator 723 making possible obtaining the dc output voltage of the values equal to 5 V and
30 V, respectively, are investigated.
The results of measurements of the output and transfer characteristics of the application
circuits of the considered voltage regulator prove that selfheating strongly influence on these
characteristics. For example, there is visible on the output characteristics that as the result of
selfheating, the maximum value of the output current decreases. Because of the voltage
regulator situated in the case DIL14 has the smaller value of the thermal resistance than the
same regulator situated in the case TO-5, changes of the maximum value of the voltage
regulator output current resulting from selfheating are higher for the regulator situated in the
case TO-5.
In turn, as it is visible on the transfer characteristics, the range of the input voltage at
which the voltage regulator output voltage is equal to its nominal value is restricted by
28
K. Górecki, J. Zarębski
selfheating. For example, for the circuit of the nominal value of the output voltage equal to 5
V, at the ideal cooling conditions the nominal value of the output voltage is obtained for the
input voltage tending to even 50 V, and for the same voltage regulator situated in the case
TO-5 operating without any heat-sink, the nominal output voltage obtained for the input
voltage is smaller than 20 V. In the extreme case, at the small value of the load resistance, it is
not possible to obtain the nominal value of the voltage regulator output voltage as the result of
selfheating.
The presented results prove that at the designing of the voltage regulators with the
monolithic integrated circuit 723 and to assure efficient dissipation of heat generated in this
integrated circuit the selfheating phenomenon one should be taken into account.