Linearregler: Verlustleistung und Kühlkörper

Ein 7805 oder LM317 ist schnell eingebaut: drei Beinchen, zwei Kondensatoren, fertig. Der Haken zeigt sich erst im Betrieb. Ein Linearregler vernichtet die Differenz zwischen Eingangs- und Ausgangsspannung als Wärme, und schon bei wenigen hundert Milliampere wird das Gehäuse so heiß, dass der Regler über seine Übertemperatur-Abschaltung aussetzt. Der Rechner zeigt dir, wie viel Leistung der Regler verheizt, wie heiß sein Chip ohne Kühlkörper würde und welchen Wärmewiderstand ein Kühlkörper höchstens haben darf. Die Grundlagen dazu stehen unter Wärme, Wärmewiderstand und Kühlkörper.

So rechnet der Rechner

Durch den Regler fließt der Laststrom I, an ihm liegt die Differenz aus Eingangs- und Ausgangsspannung. Dazu kommt ein kleiner Ruhestrom I_q, den der Regler selbst braucht und der über den Masseanschluss abfließt. Die Verlustleistung ist:

Die Wärme fließt von der Sperrschicht (J) über das Gehäuse (C) und den Kühlkörper (H) in die Luft (A). Jeder Abschnitt ist ein Wärmewiderstand in K/W, und alle liegen in Reihe – wie Widerstände im Stromkreis:

Ohne Kühlkörper gibt das Datenblatt den Wärmewiderstand R_thJA direkt von der Sperrschicht zur Luft an. Der Rechner prüft beide Fälle. Den höchsten zulässigen Wärmewiderstand des Kühlkörpers bekommst du durch Umstellen:

Manche Datenblätter schreiben S (sink) statt H, also R_thSA und R_thCS. Gemeint ist dasselbe.

So benutzt du ihn

• Eingangs- und Ausgangsspannung: etwa „12 V“ und „5 V“. Nimm für U_ein den höchsten Wert, der vorkommt – bei einem ungeregelten Netzteil die Spannung im Leerlauf.
• Laststrom und Ruhestrom: etwa „0,8 A“ und „5 mA“. Beim LM317 fließt statt des Ruhestroms der Strom durch den Spannungsteiler; trag dann diesen ein.
• Umgebung T_A in °C: die Lufttemperatur um den Kühlkörper. Im geschlossenen Gehäuse sind 40 bis 50 °C realistischer als 25 °C.
• Regler und Gehäuse: füllt R_thJC, R_thJA und T_J,max mit Werten aus dem Datenblatt der L78-Reihe von ST. Änderst du einen Wert, rechnet der Rechner mit eigenen Werten.
• Übergang R_thCH: 0,5 K/W für Wärmeleitpaste, 1 bis 2 K/W für eine Isolierfolie.
• Dein Kühlkörper R_thHA: der Wert aus dem Datenblatt des Kühlkörpers, den du einsetzen willst.

Beispiel

Die Voreinstellungen: Ein 7805 im TO-220 macht aus 12 V die 5 V für eine Schaltung mit 0,8 A. Er hat 5 mA Ruhestrom, R_thJC = 5 K/W, R_thJA = 50 K/W und T_J,max = 125 °C. Im Gerät wird es 40 °C warm, der Regler sitzt mit Wärmeleitpaste (0,5 K/W) auf einem Kühlkörper mit 7 K/W.

Die 323 °C sind ein Rechenwert: So heiß wird der Chip nie, weil der Regler vorher abschaltet. Mit dem 7-K/W-Kühlkörper bleiben 14 K Reserve bis 125 °C. Der Kühlkörper selbst wird 80 °C warm – zu heiß zum Anfassen.

Weniger Wärme statt größerer Kühlkörper

Das Beispiel zeigt die Schwäche des Linearreglers: Von 9,7 W aus der Quelle kommen nur 4 W an der Schaltung an. Bevor du einen großen Kühlkörper einplanst, prüf die Alternativen:

• Eingangsspannung senken. Ein 7805 braucht etwa 2 V über der Ausgangsspannung. Mit 8 V statt 12 V am Eingang sinkt die Verlustleistung auf rund 2,4 W.
• Vorwiderstand. Ein Widerstand vor dem Regler übernimmt einen Teil der Spannungsdifferenz und damit der Wärme. Er muss so klein sein, dass bei größtem Strom und kleinster Eingangsspannung noch genug Spannung am Regler bleibt.
• Schaltregler. Ein Step-down-Wandler erreicht 85 bis 95 % Wirkungsgrad und braucht bei 0,8 A meist gar keinen Kühlkörper. Wie Regler grundsätzlich arbeiten, erklärt Konstantspannungsquelle.

Praxis und typische Fehler

• Mit 25 °C Umgebung rechnen: Im Gehäuse, neben anderen warmen Bauteilen oder im Sommer ist es deutlich wärmer. Jeder Kelvin mehr Umgebung fehlt bei der Reserve.
• Datenblattwerte verschiedener Hersteller mischen: Ein 7805 eines anderen Herstellers kann im TO-220 ein R_thJA von über 80 K/W haben. Nimm die Werte aus dem Datenblatt des Teils, das du verbaust.
• DPAK und D²PAK ohne Kupferfläche: Bei SMD-Gehäusen gilt R_thJA nur mit der Kupferfläche, die das Datenblatt nennt. Mit kleinem Pad wird es deutlich heißer.
• Isolierung vergessen: Die Metallfahne des TO-220 liegt beim 7805 an Masse, beim LM317 am Ausgang. Teilen sich mehrere Regler einen Kühlkörper, brauchst du Isolierscheiben – und die erhöhen R_thCH.
• Kühlkörperwerte zu optimistisch: Der Wert im Kühlkörper-Datenblatt gilt für senkrechte Rippen in freier Luft. Liegt der Kühlkörper flach oder eng im Gehäuse, wird er schlechter.

Die Ausgangsspannung eines LM317 aus R1 und R2 berechnest du mit dem Rechner für den LM317.

Häufige Fragen

• Welche Reserve ist sinnvoll? Plane 10 bis 20 K unter T_J,max ein. Jedes Grad weniger verlängert die Lebensdauer, auch die der Elkos daneben.
• Was bedeutet „unmöglich“ beim nötigen Wärmewiderstand? Dann reicht schon der Wärmewiderstand vom Chip zum Gehäuse, um T_J,max zu überschreiten. Kein Kühlkörper hilft; du musst die Verlustleistung senken.
• Kann ich die Platine als Kühlkörper nehmen? Bei SMD-Reglern ja, über Kupferflächen und thermische Vias. Für Leistungen über 1 bis 2 W wird es auf der Platine aber eng.
• Gilt das auch für Transistoren und MOSFETs? Die Wärmerechnung ist dieselbe. Nur die Verlustleistung bestimmst du anders, etwa aus Durchlasswiderstand und Strom.