Calore, temperatura di giunzione e dropout di un AMS1117, LM1117, 7805, LM317 o di un LDO a basso consumo come l’MCP1700, a partire dalla tensione d’ingresso e dal carico. Accanto al risultato: i componenti più efficienti per lo stesso lavoro.
Un regolatore lineare trasforma in calore tutta la differenza di tensione. Questi componenti sprecano meno, chiedono meno margine o consumano meno a riposo. Quelli adatti ai tuoi valori sono segnalati; le stime usano valori tipici dei datasheet.
Adesso (AMS1117): 125 mA dall’ingresso e 1,1 W di calore.
Converte la differenza di tensione invece di bruciarla. AP63203 (3,3 V) e AP63205 (5 V): ingresso 3,8–32 V, 2 A, 22 µA a riposo, efficienza fino all’88 % anche a 5 mA. TPS62160: 3–17 V, 1 A, 17 µA. I moduli economici usano l’LM2596 (150 kHz, 5 mA di consumo proprio, 73 % da 12 a 5 V a 3 A) o l’MP1584, che MPS non consiglia più per i nuovi progetti.
AP6320x: circa 41 mA dall’ingresso e 99 mW di calore.
Moduli switching con i piedini nell’ordine del 78xx (ingresso, massa, uscita) che entrano nell’impronta TO-220 e non vogliono dissipatore. R-78E5.0-0.5: ingresso 7–28 V, 500 mA, 82–92 % di efficienza a pieno carico. TSR 1-2450: 6,5–36 V, 1 A, fino al 94 %. Esistono anche le versioni a 3,3 V.
R-78E3.3-0.5: circa 45 mA dall’ingresso e 0,15 W di calore.
I moduli ESP32 funzionano da 3,0 a 3,6 V, e 3,6 V è anche il loro massimo assoluto. Una cella LiFePO4 resta intorno a 3,2–3,3 V per quasi tutta la scarica, quindi può alimentare il modulo direttamente, senza perdite e senza corrente di riposo. Una carica standard però finisce a 3,65 V, sopra quel massimo: usa un caricatore che si ferma sotto i 3,6 V e un circuito che stacca il modulo a 3,0 V. Mai con una cella Li-ion: 4,2 V sono decisamente troppi.
Solo se l’alimentazione resta sempre entro i 3,0–3,6 V del modulo, come una cella LiFePO4 caricata sotto i 3,6 V e staccata a 3,0 V.
Tiene 3,3 V mentre una cella Li-ion scende da 4,2 a 3,0 V: abbassa la tensione quando la cella è carica e la alza quando è scarica, così usi tutta la batteria. TPS63802: ingresso 1,3–5,5 V, 2 A a 3,3 V da 2,3 V in su, 11 µA a riposo. TPS63020: 1,8–5,5 V, 2 A a 3,3 V sopra 2,5 V, 25 µA.
Non per questi valori: ingresso 1,3–5,5 V, fino a 2 A.
Dropout di centinaia di millivolt invece di circa 1 V. TLV755P: 150 mV tipici a 500 mA, ingresso fino a 5,5 V, 25 µA. AP2112K: 250 mV a 600 mA, fino a 6 V, 55 µA. Da una cella Li-ion tengono 3,3 V fino a circa 3,45–3,55 V.
Non per questi valori: ingresso 1,45–5,5 V (TLV755P) o 2,5–6 V (AP2112K), fino a 600 mA.
Per nodi a batteria che dormono quasi sempre. TPS62740: 360 nA a riposo ed efficienza fino al 90 % a 10 µA, ingresso 2,2–5,5 V, 300 mA, uscita 1,8–3,3 V. TPS62840: 60 nA, 1,8–6,5 V, 750 mA. Quando la tensione della batteria si avvicina a quella d’uscita, la collegano direttamente all’uscita (modalità 100 %).
Non per questi valori: ingresso 1,8–6,5 V, uscita fino a 3,6 V, fino a 750 mA.
Lo stesso calore di qualsiasi regolatore lineare, ma 1–4 µA a riposo invece di circa 5 mA. MCP1700: 1,6 µA, 250 mA, fino a 6 V. HT7333: 4 µA, 250 mA, fino a 12 V. XC6206: 1 µA, 200 mA, fino a 6 V. Per un ESP32 con il Wi-Fi non bastano: Espressif chiede un’alimentazione da almeno 500 mA. Usali per sensori e microcontrollori senza radio, oppure scegli un LDO da 500 mA.
Non per questi valori: ingresso 2,3–6 V (MCP1700) o fino a 12 V (HT7333), fino a 250 mA.
Solo 1 °C di margine: al banco va bene, ma in una scatola chiusa o d’estate arriva al limite. Punta ad almeno 25 °C di margine.
| Calore nel regolatore | 1,1 W: 1,04 W dalla caduta di tensione e 60 mW per il suo consumo |
|---|---|
| Temperatura di giunzione | 124 °C = 25 °C + 1,1 W × 90 °C/W |
| Ingresso minimo per regolare | 4,4 V a 500 mA: 3,3 V più 1,1 V di dropout. Il tuo ingresso scende fino a 11,4 V. |
| Consumo proprio | 5 mA, cioè 120 mAh al giorno |
| Corrente di picco | 500 mA su 900 mA massimi |
| Tensione d’ingresso | 12 V su 15 V massimi |
| Potenza dissipabile | 1,11 W con 25 °C di temperatura ambiente e 90 °C/W |
Per ridurre il calore alimentalo con una tensione più bassa (5 V invece di 12 V), oppure lascia la caduta grossa a un convertitore switching e al regolatore solo l’ultimo tratto. Anche una resistenza in serie all’ingresso porta fuori dal regolatore parte del calore, purché al picco di corrente l’ingresso resti sopra il minimo indicato nei risultati.
Per un componente in SOT-223 o SOT-23 il dissipatore è il rame della scheda. TI ha misurato l’LM1117 in SOT-223 a 136 °C/W su una piazzola di circa 8 mm² e a 66 °C/W con 6,5 cm² di rame: collega la linguetta a un’area di rame ampia, con via verso gli altri strati.
Il Wi-Fi assorbe corrente con picchi brevi, a raffiche. Espressif chiede un’alimentazione capace di erogare almeno 500 mA, e un condensatore di riserva vicino al modulo aiuta il regolatore a reggerli.
Monta i condensatori indicati nel datasheet: ad alcuni regolatori servono per restare stabili. L’AMS1117 vuole 22 µF al tantalio in uscita e l’LM1117 almeno 10 µF al tantalio, mentre l’MCP1700 è stabile con 1 µF ceramico.
Un regolatore lineare non aggiunge rumore di commutazione. Per questo spesso se ne lascia uno dopo un convertitore buck per ADC, audio e radio, mentre il buck si occupa della caduta grossa.
Un regolatore lineare porta tutta la corrente del carico e fa cadere su di sé la differenza tra ingresso e uscita. Tutta quella potenza diventa calore, più la piccola corrente che il regolatore usa per funzionare (la corrente di riposo).
P = (Vin − Vout) × Icarico + Vin × Iq Tj = Ta + P × θJA η = (Vout × Icarico) ÷ (Vin × (Icarico + Iq))
Esempio: un AMS1117-3.3 che da 12 V alimenta un ESP32 con il Wi-Fi acceso (120 mA). P = 8,7 V × 0,12 A + 12 V × 5 mA = 1,1 W. In SOT-223, a 90 °C/W, la giunzione arriva a 25 + 99 = 124 °C, proprio al limite di 125 °C. L’efficienza è del 26 %: tre quarti della potenza diventano calore.
Per funzionare, un regolatore ha bisogno di un po’ di tensione ai suoi capi. Se l’ingresso scende sotto la tensione d’uscita più il dropout, l’uscita scende insieme all’ingresso. I componenti bipolari come l’AMS1117 e il 7805 chiedono circa 1,1 V e 2 V; gli LDO CMOS come l’MCP1700 da decine a qualche centinaio di millivolt, che crescono con la corrente. La verifica usa la corrente di picco e la tensione d’ingresso minima, perché è lì che il regolatore cede per primo.
Vin,min = Vout + Vdropout(Ipicco)
Esempio: un AMS1117-3.3 vuole 3,3 + 1,1 = 4,4 V. Dall’USB (4,75 V o più) funziona; da una cella Li-ion, che scende da 4,2 V a 3,0 V, non regola mai come dovrebbe.
Tj = Ta + P × (θJC + θCS + θSA) θSA ≤ (Tjmax − 25 °C − Ta) ÷ P − θJC − θCS
In aria libera un 7805 in TO-220 ha θJA = 50 °C/W: con 25 °C di temperatura ambiente arriva a 125 °C dissipando 2 W. Su un dissipatore il calore passa per il contenitore (θJC, 5 °C/W), per il contatto (θCS, circa 1 °C/W con pasta termica, valore ipotizzato qui) e per il dissipatore (θSA, dal suo datasheet). Il calcolatore dimensiona il dissipatore per lasciare 25 °C di margine sotto il limite.
| Componente | Contenitore | Dropout | A riposo | Corrente max | Ingresso max | θJA |
|---|---|---|---|---|---|---|
| AMS1117 | SOT-223 | 1,1 V / 800 mA | 5 mA | 900 mA | 15 V | 90 °C/W |
| LM1117 | SOT-223 | 1,2 V / 800 mA | 5 mA | 800 mA | 15 V | 61,6 °C/W |
| 78xx (L7805…) | TO-220 | 2 V / 1 A | 8 mA | 1,5 A | 35 V | 50 °C/W |
| 78Lxx (78L05…) | TO-92 | 1,7 V / 40 mA | 3,8 mA | 100 mA | 30 V | 156 °C/W |
| LM317 | TO-220 | 2 V / 1 A | 5 mA | 1,5 A | 40 V (ingresso − uscita) | 50 °C/W |
| MCP1700 | SOT-23 | 178 mV / 250 mA | 1,6 µA | 250 mA | 6 V | 336 °C/W |
| MCP1700 | TO-92 | 178 mV / 250 mA | 1,6 µA | 250 mA | 6 V | 160 °C/W |
| HT73xx (HT7333…) | SOT-89 | 90 mV / 40 mA | 4 µA | 250 mA | 12 V | 200 °C/W |
| XC6206 | SOT-23 | 250 mV / 100 mA | 1 µA | 200 mA | 6 V | 200 °C/W |
| AP2112K | SOT-23-5 | 250 mV / 600 mA | 55 µA | 600 mA | 6 V | 184 °C/W |
| TLV755P | SOT-23-5 | 150 mV / 500 mA | 25 µA | 500 mA | 5,5 V | 231 °C/W |
Valori tipici a 25 °C dai datasheet dei produttori (AMS, Texas Instruments, STMicroelectronics, Microchip, Holtek, Torex, Diodes). Il dropout massimo garantito è più alto: 1,3 V per l’AMS1117. Ogni produttore misura la θJA sulla propria scheda di prova, quindi i valori sono confrontabili solo a grandi linee.
I contenitori piccoli smaltiscono il calore attraverso il rame su cui sono saldati. TI ha misurato l’LM1117 in SOT-223 a 136 °C/W con una piazzola di circa 8 mm² e a 66 °C/W con 6,5 cm² (un pollice quadrato) di rame; AMS indica da 55 a 80 °C/W per l’AMS1117 a seconda dell’area di rame. Il valore del datasheet dà l’ordine di grandezza, il resto lo decide il rame della tua scheda.
Un regolatore lineare è economico, piccolo e silenzioso: la sua uscita non ha ondulazione di commutazione, ed è per questo che si usa ancora per ADC, audio e radio, spesso dopo un convertitore switching. Ha senso quando la differenza di tensione è piccola o la corrente è bassa. Con una caduta grande (da 12 V a 3,3 V) o centinaia di milliampere, un convertitore buck spreca molto meno. In un dispositivo a batteria che dorme quasi sempre conta la corrente di riposo: 1,6 µA per un MCP1700, circa 5 mA per un AMS1117.
P = (Vin − Vout) × Icarico + Vin × Iq. Da 12 V a 3,3 V con 120 mA fanno 8,7 V × 0,12 A = 1,04 W, più 12 V × 5 mA = 0,06 W per un AMS1117: 1,1 W in tutto. Moltiplica per la θJA e aggiungi la temperatura ambiente per avere la temperatura di giunzione.
Perché brucia tutta la differenza di tensione. Da 12 V con 120 mA dissipa 1,1 W, e in SOT-223 a 90 °C/W vuol dire circa 100 °C sopra l’ambiente. Da 5 V lo stesso carico dà 0,23 W e circa 21 °C sopra l’ambiente. Abbassa la tensione d’ingresso o usa un convertitore buck.
No. Gli serve circa 1,1 V di margine, quindi almeno 4,4 V in ingresso, mentre una cella Li-ion scende da 4,2 V a 3,0 V. Usa un LDO CMOS a basso dropout (il TLV755P ha 150 mV a 500 mA, quindi regola fino a circa 3,45 V) oppure, per sfruttare tutta la batteria, un convertitore buck-boost come il TPS63802.
Da 12 V a 5 V con 500 mA dissipa 7 V × 0,5 A + 12 V × 8 mA = 3,6 W. Per restare 25 °C sotto il limite di 125 °C con una temperatura ambiente di 25 °C, la θSA deve essere al massimo 75 ÷ 3,6 − 5 − 1 = 15 °C/W. Senza dissipatore arriverebbe a 25 + 3,6 × 50 = 205 °C e scatterebbe la protezione termica.
Sì. I moduli Recom R-78E e Traco TSR 1 hanno i piedini nello stesso ordine (ingresso, massa, uscita), entrano nell’impronta TO-220 e non vogliono dissipatore. Controlla l’intervallo d’ingresso (R-78E5.0-0.5: 7–28 V, 500 mA) e monta i condensatori richiesti dal datasheet del modulo.
Da una cella LiFePO4 sì, con qualche accortezza: i moduli ESP32 accettano da 3,0 a 3,6 V (3,6 V è anche il loro massimo assoluto) e la cella resta intorno a 3,2–3,3 V per quasi tutta la scarica. Una carica standard finisce a 3,65 V, quindi usa un caricatore che si ferma sotto i 3,6 V e stacca il modulo a 3,0 V. Da una cella Li-ion no: a 4,2 V supera di molto il massimo.
Sì: quando la caduta di tensione è piccola (da 5 V a 3,3 V con poca corrente), quando il circuito è sensibile ai disturbi (ADC, audio, radio), o quando ingombro e costo contano più dell’efficienza. Una combinazione comune è un buck che scende vicino alla tensione voluta, seguito da un LDO a basso rumore.