APDahlen Applications Engineer
信頼性が高く長寿命の電子デバイスには、適切な冷却が不可欠です。しかし残念ながら、試作品の設計段階で熱への配慮が見落とされがちです。この技術記事では、バインダークリップをヒートシンクとして使用してTO-220パッケージ半導体を冷却する簡単なヒントを紹介しています。その証拠に、図1と2に示す熱画像をご覧ください。ここでは、間に合わせのヒートシンクが半導体の表面積を大幅に拡大し、7805レギュレータもわずかに温度が低いことがわかります。ヒートシンクは、TO-220レギュレータを60°F（約15.6°C）冷却しています。
図1： TO-220パッケージレギュレータとバインダークリップヒートシンクの熱画像。ヒートシンクがレギュレータよりわずかに低温であることがわかります。
注意： 間に合わせのバインダークリップヒートシンクは、TO-220デバイスの金属タブと電気的に絶縁されていません。金属タブは通常TO-220デバイスのセンターピンに接続されていることを思い出してください。デバイスによっては、グランド電位や高電圧になる可能性があります。必ずデバイスのデータシートを参照してください。また、電子機器で作業する場合は、すべての適切な地域、州、および連邦政府のガイドラインに従ってください。
図2： 熱過負荷限界に近づいて危険な動作状態の7805レギュレータの熱画像。この画像は図1と同じ電気的条件下で撮影されました。レギュレータはかなり高温になっています。
デモ回路の説明
デモ回路を図3に示します。ここでは、7805レギュレータ（TO-220パッケージ）がブレッドボードに取り付けられています。このレギュレータには、図4に示すように7V DCに設定されたB&K Precisionの1550電源から電圧が供給されます。負荷として、2つの10Ω 2W抵抗が並列に接続されています。
この回路の計算は比較的簡単です。並列抵抗は5Ωの負荷を形成します。この5Ωの負荷を駆動するレギュレータの出力を5V DCとすると、電流は1Aと計算されます。7805はリニアレギュレータなので、入力電流は出力電流と同じになることを思い出してください。7V DC入力を考えると、レギュレータの総損失は（7V - 5V） X 1A = 2Wと計算されます。2Wは大した電力ではないように思われるかもしれませんが、レギュレータの熱抵抗65°C/Wを考慮すると相当なものです。結果は図2に明確に示されており、レギュレータは沸騰水よりも熱くなります。
技術的なヒント： 回路の試作に関連する思考プロセスは、必ずしも生産と同じではありません。試作回路では、完成品の製造には適さないような手抜きをすることができます。この記事で取り上げた7805レギュレータの発熱は、サイズの小さい負荷抵抗と同様、その一例です。これはデモとしては機能しますが、完成品では動作温度を低く保ち、デバイスの寿命を長くするために、より大きな部品とヒートシンクが必要となります。
図3： テスト回路は7805レギュレータと2つの10Ω並列接続抵抗で構成されています。レギュレータは7V DC電源（図示していません）で駆動されます。
サーモグラフィでヒートシンクの動作を確認
図4は今回のデモに使用した機器の全体像です。これには旧型のFluke Ti32サーモグラフィも含まれています。Ti32の後継機種としてTiS55+をFlukeでは提案しています。
図4： バインダークリップヒートシンクの有効性を検証するために使用した機器（被試験回路と旧型のFluke Ti32サーモグラフィを含みます）
サーモグラフィには手動フォーカスリングがあり、細かい部分に赤外線カメラの焦点を合わせることができます。得られた画像は、図1（ヒートシンク付きレギュレータ）と図2（ヒートシンクなし）に示されています。Fluke SmartView Classicソフトウェアを使って、画像を同じカラースケールに調整しました。
結果は、間に合わせのヒートシンクがレギュレータに有効であることを示しています。ヒートシンクを使用した場合、温度は60°F（約15.6°C）低くなっています。図1を見ると、ヒートシンクの温度が高いことがわかります。これは、ヒートシンクがTO-220レギュレータと適度に熱接触し、周囲に熱を放射していることを示しています。
おわりに
間に合わせのバインダークリップヒートシンクは使いやすく、熱画像にあるように適度な冷却が得られます。回路の試作をする際に、バッグの中に小道具として入れておくと便利なツールです。
この記事の最後にある問題に答えて、7805レギュレータと電気回路の熱特性に関する知識をテストしてください。いつものように、下のスペースにコメントや提案を残してください。
ご健闘をお祈りします。
APDahlen
著者について
Aaron Dahlen 氏、LCDR USCG（退役）は、DigiKeyでアプリケーションエンジニアを務めています。彼は、技術者およびエンジニアとしての27年間の軍役を通じて構築されたユニークなエレクトロニクスおよびオートメーションのベースを持っており、これは12年間（一部、軍での経験を織り交ぜて）教鞭をとったことよってさらに強化されました）。ミネソタ州立大学Mankato校でMSEEの学位を取得したDahlen氏は、ABET認定EEプログラムで教鞭をとり、EETプログラムのプログラムコーディネーターを務め、軍の電子技術者にコンポーネントレベルの修理を教えてきました。彼はミネソタ州北部の自宅に戻り、このような記事のリサーチやエレクトロニクスとオートメーションに関する教育記事の執筆を楽しんでいます。
経験に注目
部品レベルの修理に豊富な経験を持つDahlenは、トラブルシューティングのテクニックと最良の実践方法について深く掘り下げた内容を提供します。彼のコンテンツは、修理スキルや電子部品の理解を深めようとする技能者や技術者にとって、特に価値のあるものです。同様の記事は、ブレッドボード回路製作の決定版ガイドにも掲載されています。
LinkedInでAaron Dahlenとつながります。
問題
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熱抵抗とは何ですか？
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ヒートシンクを追加した場合、熱抵抗は増加しますか、それとも減少しますか？
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入力電圧が12V DCに上昇したときに5V DCレギュレータで消費される電力を計算してください。一定の5Ω負荷を想定します。
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前の問題に関連して、これはTO-220 7805リニアレギュレータにとって妥当な動作条件ですか？
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DigiKeyの製品から、7805用の異なるヒートシンクを少なくとも3つ探してください。各ヒートシンクについて、ヒートシンクが7805レギュレータにどのように取り付けられるかを説明してください。また、可能であれば、ヒートシンクがPCBまたはシャーシにどのように物理的に取り付けられるかも説明してください。
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正誤問題：この記事で紹介されているバインダークリップヒートシンクは、レギュレータから電気的に絶縁されています。絶縁されていない場合、ヒートシンクの電圧はいくらですか？
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サーマルグリス、マイカ絶縁体、サーマルパッドなどの製品の目的は何ですか？熱抵抗への影響を説明してください。
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サーモグラフィに適用される「熱感度」という用語について調べてください。
Fluke FLK-Ti55の熱感度を華氏で表してください。 -
この資料に掲載されている熱画像は未補正のものです。「放射率補正」について調べ、図2がどのように誤解を招くか説明してください。
ヒント： 金属タブとレギュレータの黒色エポキシ樹脂の放射率を比較してください。
批判的思考を使う問題
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連続2Wを消費する抵抗器を含む製品を製造しているとします。抵抗器にはどの電力定格を選択しますか？ また、決定する際にはどのような項目を考慮しましたか？
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7805レギュレータのドロップイン代替品の「スイッチング電源」を探してください。このエネルギー効率の良い代替品の消費電力を計算してください。
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Fluke Ti32やTi55のような測定器に音声記録モードが搭載されているのはなぜですか？
ヒント： 個々の温度測定を多数含むサーモグラフィ検査を行うという、機器の使用目的を考えてみてください。また、関連する問題として、その機器にはQRコード化された資産タグを読み取る機能についても考えてみてください。 -
熱の議論に高度が関係しますか？
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ヒートシンクの物理的な向きの影響を説明してください。
ヒント： 対流 -
ヒートシンクにブラックアルマイト処理が施されているものと、アルミむき出しのものがあるのはなぜですか？
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あなたの回路が10秒間のバースト電流を必要とし、その後低静止電流期間が長く続くとします。回路を冷やしながらコストを抑えるには、どのようなタイプのヒートシンクを推奨しますか？
ヒント： 熱容量
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追加オプション
WA-T220-101E (WA-T220-101E-ND)は、よく使われているTO-220クリップオンヒートシンクです。
WA-T247-101E (WA-T247-101E-ND)は、よく使われているTO-247クリップオンヒートシンクです。
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