= ([Temperatura na vrućoj tački, °C] - [Temperatura na hladnoj tački, °C]) / [Rasipana snaga, W]
To znači da ako se toplinska snaga od X W dovodi iz vruće točke u hladnu, a toplinski otpor je Y cg / W, tada će temperaturna razlika biti X * Y cg.
Formula za izračunavanje hlađenja elementa sile
Za slučaj izračunavanja odvođenja topline elektronskog energetskog elementa, isto se može formulirati na sljedeći način:
[Temperatura kristala energetskog elementa, GC] = [Temperatura okoline, °C] + [Rasipana snaga, W] *
Gdje [ Ukupna toplotna otpornost, Hz/W] = + [Toplotni otpor između kućišta i radijatora, Hz/W] + (za slučaj sa radijatorom),
ili [ Ukupna toplotna otpornost, Hz/W] = [Toplotni otpor između kristala i kućišta, Hz/W] + [Toplotni otpor između kućišta i okoline, Hz/W] (za kućište bez hladnjaka).
Kao rezultat proračuna, moramo dobiti takvu temperaturu kristala da je manja od maksimalno dozvoljene vrijednosti navedene u priručniku.
Gdje mogu dobiti podatke za obračun?
Toplinska otpornost između matrice i pakovanja za energetske elemente se obično navodi u priručniku. I to je označeno ovako:
Nemojte da vas zbuni činjenica da su mjerne jedinice K / W ili K / W napisane u priručniku. To znači da je ova vrijednost data u Kelvinima po vatu, u Hz po W bit će potpuno ista, odnosno X K / W \u003d X Hz / W.
Obično se u referentnim knjigama daje maksimalna moguća vrijednost ove vrijednosti, uzimajući u obzir tehnološku širinu. To nam je potrebno, jer moramo izvršiti proračun za najgori slučaj. Na primjer, maksimalni mogući termički otpor između kristala i kućišta tranzistora sa efektom polja snage SPW11N80C3 je 0,8 c/W,
Toplotni otpor između kućišta i hladnjaka zavisi od vrste slučaja. Tipične maksimalne vrijednosti prikazane su u tabeli:
| TO-3 | 1.56 |
| TO-3P | 1.00 |
| TO-218 | 1.00 |
| TO-218FP | 3.20 |
| TO-220 | 4.10 |
| TO-225 | 10.00 |
| TO-247 | 1.00 |
| DPACK | 8.33 |
Izolaciona podloga. Prema našem iskustvu, pravilno odabrana i postavljena izolacijska podloga udvostručuje toplinski otpor.
Toplotni otpor između kućišta/rashladnog elementa i okoline. Ovaj toplotni otpor, sa tačnošću prihvatljivom za većinu uređaja, prilično je jednostavno izračunati.
[Toplotni otpor, Hz/W] = [120, (gC * sq. cm) / W] / [Površina radijatora ili metalnog dijela tijela elementa, m2. cm].
Ovaj proračun je pogodan za uslove u kojima se elementi i radijatori ugrađuju bez stvaranja posebnih uslova za prirodni (konvekcija) ili veštački protok vazduha. Sam koeficijent je izabran iz našeg praktičnog iskustva.
Specifikacija većine hladnjaka sadrži toplinski otpor između hladnjaka i okoline. Dakle, u proračunu je potrebno koristiti ovu vrijednost. Ovu vrijednost treba izračunati samo ako se ne mogu pronaći tabelarni podaci o radijatoru. Često koristimo korištene hladnjake za sastavljanje uzoraka za otklanjanje grešaka, tako da nam ova formula mnogo pomaže.
Za slučaj kada se toplota odvodi preko kontakata štampane ploče, u proračunu se može koristiti i kontaktna površina.
Za slučaj kada se toplina uklanja kroz provodnike elektronskog elementa (obično diode i zener diode relativno male snage), površina izvoda se izračunava na osnovu promjera i dužine elektrode.
[Olovna površina, kv. cm.] = Pi * ([ Dužina desnog izlaza, vidi] * [Prečnik desnog izlaza, vidi] + [Dužina lijevog izlaza, vidi] * [Prečnik lijevog izlaza, vidi])
Primjer izračunavanja odvođenja topline iz zener diode bez radijatora
Neka zener dioda ima dva terminala prečnika 1 mm i dužine 1 cm. Neka rasipa 0,5 vati. onda:
Izlazna površina će biti oko 0,6 kvadratnih metara. cm.
Toplotni otpor između kućišta (terminala) i okoline bit će 120 / 0,6 = 200.
Toplinski otpor između kristala i kućišta (terminala) u ovom slučaju se može zanemariti, jer je mnogo manji od 200.
Pretpostavimo da će maksimalna temperatura na kojoj će uređaj raditi biti 40 °C. Tada je temperatura kristala = 40 + 200 * 0,5 = 140 °C, što je prihvatljivo za većinu zener dioda.
Online proračun hladnjaka - radijatora
Imajte na umu da se za pločaste radijatore mora izračunati površina obje strane ploče. Za PCB staze koje se koriste za odvođenje toplote, potrebno je uzeti samo jednu stranu, jer druga ne dolazi u kontakt sa okolinom. Za igličaste radijatore potrebno je približno procijeniti površinu jedne igle i ovu površinu pomnožiti s brojem igala.
Online proračun rasipanje toplote bez radijatora
Nekoliko elemenata na jednom radijatoru.
Ako je nekoliko elemenata ugrađeno na jedan hladnjak, onda proračun izgleda ovako. Prvo izračunavamo temperaturu radijatora pomoću formule:
[Temperatura hladnjaka, gc] = [Temperatura okoline, °C] + [Toplotni otpor između radijatora i okoline, Hz/W] * [Ukupna snaga, W]
[Temperatura kristala, c] = [Temperatura hladnjaka, gc] + ([Toplotni otpor između kristala i tijela elementa, Hz/W] + [Toplotni otpor između tijela elementa i radijatora, Hz/W]) * [Snaga koju rasipa element, W]
Utjecaj okoline komponente.
Možda površina bakra u gornjem sloju na koji je komponenta ugrađena utiče na performanse hlađenja. Drugi element koji može uticati je količina lema koja se koristi u instalaciji.
Tranzistor u DPAK paketu će se koristiti kao grijaći element snage 2.5 uto
Provjera utjecaja bakrene zone oko komponente (DPAK), temperatura matrice:
Zanimljivo je da se još 3 do 5 stepeni može postići jednostavnim nanošenjem više lema oko metalne ploče komponente (odvodna igla). Obično, prilikom montaže komponenti, ne vode računa o prijenosu topline kroz kontaktne površine, i to je greška. Oko dijela je najveća otpornost na gubitke i primjena lemljenja može biti prava pomoć.
Merenje kvaliteta prenosa toplote na štampanoj ploči.
Do sada je temperaturni gradijent zabilježen samo za jedan slučaj - bez učešća ventilatora. Ali s umjetnim hlađenjem, efikasnost PCB-a bi trebala pasti zbog otpora na gubitak topline duž ploče. Ponovimo test, ali dodajmo rad ventilatora sa vrlo malim i normalnim performansama (3,5 i 7 volti). Mijenjamo tranzistor u D2PAK da simuliramo grupu malih tranzistora.
"Vnt." je temperatura kristala, ostalo je uzeto iz poleđinaštampana ploča, tačka "0" ispod centra metalne ploče tranzistora ( D2PAK, 5 W).
| Fan | Vnt. | 0 | 2.5 | 5 | 7.5 | 10 | 12.5 | 15 | 17.5 | 20 | 22.5 | 25 | 27.5 | 30 |
| 0 | 66.2 | 38.7 | 38 | 37.1 | 35.7 | 34.3 | 32 | 30.4 | 26.3 | 25 | 24.2 | 23.5 | 20.9 | 19.7 |
| 3,5 V | 53.9 | 28.2 | 27.9 | 27 | 25.5 | 24.1 | 22.9 | 20 | 16 | 15 | 14.2 | 13.3 | 11.3 | 9.7 |
| 7 V | 47.7 | 22 | 21.8 | 21.5 | 20.2 | 19.2 | 18.1 | 16 | 12.2 | 11.5 | 10.7 | 10 | 8.2 | 7.2 |
Postoje blagi prekidi u monotonosti podataka, što je uzrokovano neujednačenošću štampana ploča.
Efektivna dužina radijatora ovisi o brzini puhanja, ako pođemo od granice smanjenja od pedeset posto, tada će radna dužina biti:
- Bez duvanja - 30 mm.
- Mala brzina puhanja (ventilator 3,5 V) - 22,5 mm.
- Velika brzina puhanja (ventilator 7 V) - 20 mm.
Napominjemo da su mjerenja vršena od centra do perifernog dijela, tako da je ukupna dužina duplo veća.
Orijentacija u prostoru i boja štampane ploče.
Štampana ploča obavlja funkciju hladnjaka i relativno je uspješna. Ali za radijator je važna orijentacija u prostoru i boja njegovog premaza. Prijenos topline se može izvršiti zagrijavanjem okolnog zraka ili zračenjem. Ako je radijator tamne boje, tada se povećava efikasnost prijenosa topline zračenjem, obećavaju da će poboljšati povrat do x1,7 puta. Možda obojite ploče u crno?
Postavljanje testa je jednostavno - višeslojna štampana ploča 25x40 mm (10 cm 2 x 2 strane), tranzistor u DPAK paketu je zalemljen u sredini. Snaga je ista kao iu drugim testovima sa ovim tranzistorom, 2,5 vati.
Dobijeni podaci su sažeti u tabeli:
Temperaturne neravnine unutar bočne strane ploče ne prelaze četiri stepena.
U početku je na štampanoj ploči bila crna zaštitna maska. Da bi se dobila svijetla boja, maska je uklonjena s obje strane. Teorija kaže da je to trebalo da dovede do pogoršanja efikasnosti za faktor 1,7, jer se prenos toplote zračenjem višestruko smanjio. U stvarnosti, pogoršanje performansi je bilo samo 25 posto. Prema teoriji, ravan hladnjak radi bolje u uspravnom položaju. Bez maske je samo 18 posto, a sa maskom se jedva primjećuje. Čini se da je maska pregusta i ometa prijenos topline.
Prosječna temperatura ploče je 50 stepeni (temperatura poleđine nije zanimljiva), snaga je 2,5 W, odavde možete izračunati toplotni otpor takvog "radijatora" - 20 stepeni po vatu sa površinom od 10 cm 2. Ili, na 200 cm 2 toplotni otpor je 1 stepen po vatu.
Ništa super neobično, definitivno ne vrijedi namjerno farbati ploču u crno. Ali to objašnjava ljubav proizvođača prema tamnim pločama.
Toplinska otpornost.
Za mjerenje toplinske otpornosti bit će potrebno mnogo kalibrirane opreme i materijala, što je prilično problematično, pa jednostavno mjerimo pad temperature na ispitnom materijalu. Kao generator topline uzimamo tranzistor u DPAK paketu snage 2,5 W. Njegova aktivna površina za rasipanje topline je približno 5x5 mm.
Gubitak topline mjeren je kao temperaturna razlika između tačaka "A" i "B".
Kontrolne tačke nisu dobro odabrane, ali ova metoda je dizajnirana da karakteriše sve materijale. Uzimaju se u obzir gubici topline na dva prijelaza medija i termalne paste.
Karakteristike mjerenja:
- Prilikom mjerenja gubitaka u pločama, grijaći element je zalemljen na njih, a naličje je očišćeno od oksida i premaza do čistog bakra.
- U slučajevima BGA i TSOP, izabrano je mesto bez poluprovodničkog kristala, na ivici.
- Mali fragment iz dizajna sistemske jedinice korišten je kao 'željezna ploča'.
- Termalni jastučići su uklonjeni sa hardvera, tako da tačne specifikacije nisu poznate. Crvena od brendiranog napajanja, siva - od uobičajenog kineskog "noname".
Rezultati:
| Materijal | Debljina, mm | Temperatura, stepeni | Smanjeno na 1 mm, stepeni |
| Višeslojni PCB | 1.5 | 10.3 | 6.9 |
| Dvostrani PCB | 1.5 | 69.4 | 46.3 |
| Paket BGA čipa | 0.76 | 18.8 | 24.7 |
| TSOP paket čipova | 0.98 | 31.7 | 32.3 |
| gvozdena ploča | 0.6 | 4.2 | 7 |
| Jastučić za prijenos topline (crveni) | 0.3 | 11.7 | 37.3 |
| Termalna podloga (siva) | 0.37 | 16.9 | 45.7 |
| Keramička brtva (bijela) | 0.64 | 4.9 | 7.6 |
Razlika u temperaturama između višeslojne i konvencionalne ploče je jednostavno divlja. Jasno je da FR4 ne provodi dobro toplotu, ali da bi tanki slojevi bakra bili toliko efikasni...
Ista toplotna provodljivost kućišta nije previše dobra, što je sasvim očekivano.
Prema termo jastučićima, brojevi takođe nisu baš lepi, ali ono što imaju jesu. Na njihovoj pozadini, keramika izgleda sjajno, ali se ne može koristiti kompjuterska tehnologija- jednostavno nema potrebe. Svrha termalnih jastučića je odabir različitih visina komponenti, a keramika je kruta i neće pomoći u ovom pitanju. Kakva je to keramika bila u mom slučaju, teško je reći. Sudeći po boji i termičkoj otpornosti, ovo je berilijumska keramika.
Kako koristiti tabelarne podatke? Da, vrlo je jednostavno - toplinska otpornost željeza je poznata, preostale brojke se proporcionalno preračunavaju.
Praktična upotreba
Za početak možete koristiti metodu za proračun radijatora na osnovu materijala objavljenog na web stranici electrosad.ru (pdf, 186 Kb). Ili se možete sjetiti pravila – ‘ne učitaj i nećeš učitati’. Fabrički radijatori imaju specifikacije, a kod domaće izrade ... možete koristiti pojednostavljene proračune, jer tačni proračuni nemaju smisla, previše je nepredvidivih parametara. Da li znate termičku otpornost kućišta ili PCB-a vaše matične ploče? No, toplinska provodljivost ploče ovisi, između ostalog, o praćenju njenih unutrašnjih slojeva. Pritom bi bilo dobro uzeti u obzir da ponekad nije sve dobro sa organizacijom duvanja.
Dakle, pojednostavljena računica. Ako trebate biti precizniji, onda koristite gornji link na metodologiju, a za ostala pitanja - avaj, samo samostalno istraživanje i čitanje dokumentacije o komponentama. Nažalost, "opće" preporuke su previše pojednostavljene, ponegdje divlje.
Tačka 1 - toplotna snaga.
Što se tiče procesorskih pretvarača napajanja, sve je prilično jednostavno, njihova efikasnost varira oko cifre od 80%. Istovremeno, treba odmah uzeti u obzir da su dizajnirani za određenu potrošnju energije, a kada se ova brojka prekorači (ili proporcionalno), efikasnost pretvorbe energije počinje opadati. Grubo govoreći, vrijedi uzeti efikasnost od 82% za smanjeno opterećenje i 76% normalnog opterećenja za veliko. Gubitak snage će biti 22 odnosno 32 posto izlazne snage. Proračune male snage je teže napraviti, čak i uz velika pojednostavljenja, jer su gubici u komponentama pretvarača proporcionalni kvadratu izlazne struje.
Na primjer, 120W TDP matična ploča ima procesor od 70W. U ovom slučaju opterećenje se ne povećava, očekuje se očekivana efikasnost od 82%. Istovremeno se iz izvora napajanja troši 70 * 100/82 = 85,4 W. Od ove brojke, 70 W ide na procesor, a 85,4-70 = 15,4 W se troši na elemente pretvarača.
Isti slučaj, ali korištenje moćnijeg (u smislu potrošnje) procesora sa overklokom, dat će malo drugačiju sliku. Ako troši 140 W (cifre su proizvoljne), onda se očekuje smanjenje efikasnosti pretvarača na 76%. Gubici će biti potpuno različite brojke: 140 * 100/76 = 184,2 W od izvora napajanja, ili 184,2-140 = 44,2 W do elemenata pretvarača.
Odmah želim napomenuti da nisu svi ovi gubici uzrokovani tranzistorima. Nešto, i to vrlo veliko, raspršuju induktori, tragovi i, malo - kondenzatori. Kako rezultujuću figuru podijeliti na tranzistore i sve ostalo? Sve u velikoj mjeri ovisi o korištenim komponentama. Recimo da se dvije trećine topline raspršuje u tranzistorima. Samo ne pitajte odakle vam broj. Plafon je potrebno zabijeliti.
Dakle, moramo razmotriti dvije opcije: 15,4x2 / 3 = 10 W i 44,2 * 2/3 = 29 W.
Stavka 2 je aktivna površina štampane ploče.
Uzmimo neku vrstu matične ploče i vidimo šta će to rezultirati.
Ova ploča koristi komponente u LFPAK paketu za efikasno odvođenje toplote u PCB. Odlično, proračuni se mogu izvesti bez većih komplikacija. Kada bi komponente bile loše u rasipavanju toplote na ploču, tada bi izračunavanje efikasnosti odvođenja toplote bilo izuzetno teško i bilo bi lakše ići direktno na izbor diskretnog hladnjaka, zanemarujući svojstva disipacije toplote ploče.
Prvo ćemo ukloniti ona područja koja ne mogu ukloniti toplinu iz pretvarača.
Ostaje izmjeriti preostalu površinu. Ako se ne uzme u obzir zona donjeg lijevog ruba sa natpisom 'BIOSTAR', onda se dobijaju dva pravougaonika - gornji 55x120 mm i desni 45x85 mm.
Ranije je razmatrana efikasnost odvođenja toplote štampanom pločom. Iz dobijenih rezultata pokazalo se da širina veća od 60 mm nije efikasna (dakle, lijeva strana ploče je zanemarena). U mom slučaju širina je 55 i 45 mm, što zadovoljava uslov bez ograničenja. Rezultat je površina 55x120 + 45x85 = 104 cm 2.
Postoji jedna nijansa koja se kvari opšti utisak. Činjenica je da se na ploči, osim pretvarača, nalaze i druge komponente, a griju i štampanu ploču. Radi reda, vrijedi napomenuti da ove komponente djeluju kao mali hladnjaki i također odvode toplinu. Na ovoj slici je utičnica za procesor, a ona (tačnije, procesor) je takođe zagrejana. Ali ne mnogo, termička zaštita procesora je postavljena na temperaturu od oko 60 stepeni na gornjem poklopcu. Što se tiče dna procesora, ono je ispod temperature poklopca. Pored toga, postoji sloj kontakata između dna procesora i štampane ploče, koji slabo prenose toplotu. Dakle, termalno grijanje iz procesora može se zanemariti.
Tačka 3 - površina i snaga po tranzistoru.
Konvertor ima deset faza, svaka sa tri tranzistora. Jasno je da gubici topline nisu ravnomjerno raspoređeni na sve komponente, ali proračuni su približni.
Jedan tranzistor zauzima 104 / (10 * 3) = 3,5 cm 2 površine štampane ploče. Snaga:
Prva opcija je 10 / (10 * 3) \u003d 0,33 W.
Druga opcija je 29 / (10 * 3) \u003d 0,97 W.
Izvinite, malo pojašnjenje o metodologiji. Ranije su razmatrane studije koristeći dovoljno velike dijelove štampane ploče, koji su višestruko veći od brojke od 3,5 cm 2 dobivene ovim proračunom. Znači li to da je prethodna studija bila pogrešna? Nimalo, pogledajte detaljnije sliku, tranzistori su sastavljeni u grupu, a toplina se odvodi prilično proširenim dijelom ploče (45 i 55 mm).
Stavka 4 - proračun radijatora.
S obzirom na snagu i pregrijavanje, potrebna površina može se izračunati. Da biste to učinili, morate odlučiti koliko će biti položeno za pregrijavanje. IN sistemska jedinica 35 stepeni se smatra normalnom temperaturom, iznad 50 stepeni komponenta se doživljava kao vruća. Ispada da 50-35 = 15 stepeni ostaje za pregrijavanje.
Imajte na umu da ova razmatranja utiču na temperaturu radijatora (štampane ploče), temperatura kristala će biti nešto viša.
Za početak, pokušajmo bez prisilnog protoka zraka.
Površina ploče (ili bolje rečeno, jedne strane) je već izračunata. Nadalje, ova brojka se mora pomnožiti sa 1,5, jer ploča ima dvije strane. Zašto ne duplo? Ovdje postoje dvije tačke:
- Prvo, druga strana matična ploča veoma efikasno raspršuje toplotu.
- Drugo, sama ploča nije napravljena od čistog bakra i ne radi tako efikasno zbog gubitaka.
Nakon izračunavanja efektivne površine (svedene na idealnu ploču), na nju se može primijeniti pojednostavljena formula za proračun - površina od 300 cm 2 zagrijava se za jedan stupanj kada se primijeni snaga od jednog vata. Ali možete još više jednostavno rješenje- prethodno izmjereno, za tamnu štampanu ploču (prirodno višeslojnu) faktor od 1 stepen po vatu pada na (jednu stranu) površine od 200 cm 2 .
Za najgori slučaj, 0,97 W, potrebna površina hladnjaka je 0,97*200/15 = 13 cm2.
Pa, vrijeme je za plakanje. Ako je na ploči bilo 13 cm 2 za tranzistor, onda nije bilo potrebe razmišljati o bilo kakvom radijatoru. I tako ... samo 3,5 cm 2.
Ako uzmemo manju snagu (prva opcija zahtijeva samo 0,33 W), tada će potrebna površina radijatora biti 0,33 * 200/15 = 4,4 cm 2.
Um. Ako ne koristite dodatni radijator, onda je prva opcija prilično funkcionalna, samo će pregrijavanje već biti 19 stupnjeva umjesto 15. Nije fatalno, temperatura samog tranzistora bit će 54 stupnja. Što se tiče drugog slučaja, odsustvo radijatora će reći vrlo oštro - pregrijavanje 56 stepeni ili temperatura od 91 stepen.
Razumljivo je zašto je proizvođač ove matične ploče ugradio hladnjak na tranzistori. Kao prva aproksimacija, za normalno funkcioniranje pretvarača potreban je radijator od 13 cm 2 * 30 \u003d 390 cm 2, prilično velike veličine. Pokušaću da napravim neopravdanu pretpostavku da radijator koji je instalirao proizvođač ima efektivnu površinu mnogo manju od zahtevane, što znači da će biti potrebe za dodatnim protokom vazduha.
zaključci
Rat je glupost, glavno su manevri!
Zaključci, drugi pokušaj.
Mmm…. Zaključci se možda uopšte ne pišu?
Gotovo sva kućišta imaju plastični (keramički) vrh, što otežava odvođenje topline kroz njega. Možete staviti radijator i/ili ga ispuhati snažnom strujom zraka, ali ipak će učinak ostati osrednji. Pa nisu za ovo, šta da se radi. Štaviše, stvar ne olakšava činjenica da je kristal dovoljno duboko ispod površine.
Ako paket koristi vezu provodnika tipa opisanog u odjeljku TSOP, onda bi materijal tijela trebao biti veći za debljinu provodnika i malu marginu iznad njih, radi električne izolacije. Ako su provodnici uvučeni duboko u kućište, nalaze se oko kristala (pogledajte sliku u odjeljku QFN), tada je i dalje potrebna značajna margina iznad kristala, jer se žice veze kristal-vodo dižu malo iznad poluprovodničku ploču. Zato nisam posebno testirao tako uobičajeni sklop kao što je drMOS - nema smisla. Ovo je i dalje isti "TSOP", prema načinu povezivanja strujnih vodova (a samim tim i debljini gornjeg poklopca preko kristala); i QFN, metodom disipacije toplote PCB-a.
I za odvođenje topline kroz ploču na dnu. Obično kućište, bez umetaka, nešto je podignuto iznad ploče i vrlo slabo odaje toplotu kroz dno. Praznina nije ostavljena ni za čiju naročitu štetu, to je tehnološki potrebno - može postojati lokalni defekt na štampanoj ploči (zaštitna maska, oznake, reljef višeslojne ploče), a postoji i varijacija u parametrima pri formiranju izvoda i proizvodnju paketa.
Glavni zadatak SMD paketa je da garantuje sigurno prianjanje provodnika, svih vodova, na jastučiće štampane ploče. Dakle, postoji jaz između kućišta i ploče. Mali je, ali su mu termoizolaciona svojstva "dobra". Ako komponenta generiše mnogo toplote, onda se može primeniti modifikovano izdanje kućišta, sa metalnom pločom na dnu. U ovom slučaju, poluvodički kristal je postavljen na ovu ploču, inače nema smisla ograditi vrt. Rješenje je dobro, ali zašto nije uobičajeno? Ako zaboravimo na malo povećanu cijenu kućišta i pakiranja kristala, ostaje vrlo ozbiljan problem - 'metalno' dno ometa usmjeravanje ploče.
Ne možete samo tako staviti na ploču, zaštitna maska ne može jamčiti odsustvo kratkog spoja. Čak i ako zavrtite ruke tehnologa i stavite ih, i dalje je loše - u modernoj elektronici, svi krugovi su linije i imaju vrlo određenu impedanciju. A budući da je donji metal direktno iznad provodnika, impedancija će se promijeniti i neće odgovarati izračunatoj. Ako se impedancija kola promijeni duž njegove dužine, dolazi do djelomičnih lokalnih refleksija i oblik signala je izobličen.
Stoga, ako se koristi kućište s metalom na dnu, tada se odgovarajuće područje ploče mora izolirati od traga. Obično, ako se na dnu nalazi metal, tada on zauzima značajan dio, što neizbježno utječe na kvalitetu krugova za praćenje - jednostavno je manje prostora. Stoga, iako su sami umetci korisni, nisu stavljeni iz objektivnih razloga. Međutim, vrijedno je napomenuti - u mikro krugovima se poluvodički kristali često ugrađuju na ploče za distribuciju topline, jednostavno nisu vidljivi, jer su izolirani u kućištu. Ovo poboljšava rasipanje topline, a spolja kućište izgleda tradicionalno.
Inače, jednom sam pogledao SDRAM čipove u TSOP paketu - koristili su ogroman poluvodički kristal, koji je pokrivao cijeli prostor paketa. Kristal je postavljen na tanku bakarnu ploču. Memorijski mikro krugovi su izuzetno osjetljivi na lokalno grijanje, pa je uvođenje ploče sasvim opravdano.
Prema rezultatima mjerenja nakupili su se neki opći zaključci, vrijeme je da ih prikupimo na jednom mjestu.
Tipovi kućišta utiču na mehanizam hlađenja. Ako paket ne obezbeđuje odvođenje toplote na ploču (TSOP, SOIC i slično), onda se ne treba oslanjati na efikasno odvođenje toplote pomoću štampane ploče. U slučaju kućišta s razvijenom površinom, možete se osloniti na protok zraka. U suprotnom ćete morati ugraditi dodatni radijator.
Termo jastučići su zli, njihova štetna suština se jasno ogleda u mjerenjima. U nizu slučajeva, uvođenje ovog elementa dovodi do lošijeg rezultata nego bez radijatora. Nažalost, kada se koristi grupni radijator koji je zajednički za nekoliko slučajeva, ovo zlo se ne može izbjeći - barem malo, ali kućišta se razlikuju po debljini, a termo jastučić je dizajniran da nadoknadi razliku. Neki slučajevi jednostavno obavezuju upotrebu termalnih jastučića, jer imaju metalni vrh koji ima električni kontakt sa strujnim krugom.
Lokalni radijatori su bolji od grupnih radijatora, jer ne zahtijevaju korištenje termalnih jastučića, ali veličina i oblik takvog radijatora moraju biti odgovarajući - veliki volumen (točnije, površina), rijetke i visoke igle ili peraje. Uobičajena veličina komponente je 5x5 ... 10x10 mm, što otežava odabir pristojnog radijatora. Pogledajte rezultate ispitivanja, radijatori 10 cm 2 ... 20 cm 2 ne mogu imati značajan učinak bez prisilnog strujanja zraka, a to su već vrlo velike konstrukcije.
Ako se komponenta pregrije, efikasnije je primijeniti protok zraka nego ugraditi hladnjak. Razlog je trivijalan - veliki toplotni otpor kroz gornji poklopac. Kućišta jednostavno nisu dizajnirana za odvođenje topline kroz gornji dio. Da još ne govorimo o DirectFET pakovanju, jer to nije baš uobičajeno. Steta.
10.1. Namjena radijatora- odstranjuju toplinu iz poluvodičkih uređaja, što omogućava smanjenje temperature p-n spojeva i na taj način smanjuje njen utjecaj na radne parametre uređaja. Koriste se lamelarni, rebrasti i pin radijatori.Za poboljšanje odvođenja toplote, poluprovodni uređaj je najbolje pričvrstiti direktno na radijator.Ako je neophodna električna izolacija uređaja od šasije, radijator se montira na šasiju preko izolacionih zaptivki. Kapacitet zračenja radijatora zavisi od stepena crnila materijala (ili njegove površine) od kojeg je radijator napravljen:
Što je veći stepen crnila, efikasnije će biti rasipanje toplote.
10.2. pin hladnjak- vrlo efikasan hladnjak za poluvodičke uređaje. Za njegovu proizvodnju potrebni su lim od duraluminija debljine 4-6 mm i aluminijska žica promjera 3-5 mm.
Na površini prethodno obrađene radijatorske ploče, rupe za pinove, vodovi tranzistora (ili dioda) i montažni vijci su označeni središnjim probojom. Udaljenost između središta rupa (razmak) za igle u nizu i između redova treba biti jednaka 2-2,5 promjera korištene aluminijske žice. Promjer rupa je odabran na takav način da žica ulazi u njih s najmanjim mogućim razmakom. Na poleđini su rupe upuštene na dubinu od 1-1,5 mm.
Trn se izrađuje od čelične šipke dužine 80-100 mm i prečnika V-10 mm, za koju se na kraju šipke izbuši rupa prečnika 0,1 mm većeg od prečnika žice. Dubina rupe trebala bi biti jednaka visini budućih klinova radijatora.
Rice. 10.1. Krimp za igle radijatora
Zatim se izrezuje potreban broj praznih iglica. Da biste to učinili, komad žice se umetne u otvor trna i odsječe rezačima žice tako da duljina kraja koji strši iz trna bude 1-1,5 mm veća od debljine ploče. Trn se stegne u škripac s rupom prema gore, u rupu se umetne zatič za klin, na čiji se izbočeni kraj stavlja ploča s prednje strane i zakiva laganim udarcima čekića, pokušavajući popuniti udubljenje upuštača. Dakle, sve igle su instalirane.
Pin hladnjak se može napraviti i korištenjem malo drugačijeg načina umetanja pinova u rupe na osnovnoj ploči. Izrađuje se čelični preklop, čiji je crtež za igle promjera 3 i dužine do 45 mm prikazan na sl. 10.1. Radni dio krimpa treba očvrsnuti. Zatik se ubacuje u otvor na bazi radijatora, baza se postavlja na nakovanj, na vrh igle se stavlja krimp i udara čekićem. Oko igle se formira prstenasti žlijeb, a sam klin je čvrsto zasađen u rupu.
Ako je potrebno napraviti dvostrani radijator, tada su potrebna dva takva stezanja: u jedan od njih se umetne igla, koja se postavlja na nakovanj s rupom prema gore, baza radijatora je nanizana, a drugi stezalj se stavlja top. Udarac čekićem po gornjem krimpu, zatik se fiksira s obje strane odjednom. Na ovaj način moguće je proizvoditi radijatore i od aluminijumskih i od legura bakra. I konačno, igle se mogu instalirati pomoću lemljenja. Da biste to učinili, uzmite bakrenu ili mesinganu žicu promjera 2-4 mm kao materijal. Jedan kraj igle je kalajisan za dužinu veću od debljine ploče za 1-2 mm. Promjer rupa na ploči treba biti takav da se kalajisane igle uklapaju u njih bez puno napora.
Tečni fluks se uvodi u osnovne rupe (tabela 9.2), umetnu se igle i svaki od njih se zalemi snažnim lemilom. Na kraju rada radijator se ispere acetonom.
Rice. 10.2. Radijator za snažan tranzistor
10.3. Radijator od bakarnog lima 1-2mm debljine mogu se napraviti za moćne tranzistore kao što su P210, KT903 i drugi u sličnim slučajevima. Da biste to učinili, iz bakra je izrezan krug promjera 60 mm, u sredini radnog komada su označene rupe za montažu tranzistora i njegovih vodova. Zatim se u radijalnom smjeru škarama za metal izrezuje krug za 20 mm, dijeleći ga na 12 dijelova duž obima. Nakon ugradnje tranzistora, svaki sektor se okreće za 90° i savija prema gore.
10.4. Radijator za tranzistore velike snage tip KT903, KT908 i drugi u sličnim slučajevima mogu biti izrađeni od aluminijumskog lima debljine 2 mm (sl. 10.2). Navedene dimenzije radijatora daju površinu zračeće površine dovoljnu za disipaciju snage na tranzistoru do 16 W.
Rice. 10.3. Radijator za tranzistor male snage: a-scan; b- opšti pogled
10.5. Radijator za tranzistore male snage može se izraditi od lima crvenog bakra ili mesinga debljine 0,5 mm u skladu sa crtežima na sl. 10.3. Nakon svih rezova, razvrtač se namotava u cijev pomoću trna odgovarajućeg promjera. Zatim se radni komad čvrsto stavi na kućište tranzistora i pritisne opružnim prstenom, prethodno savijajući bočne montažne uši. Prsten je izrađen od čelične žice prečnika 0,5-1 mm. Umjesto prstena, možete koristiti traku od bakarne žice. Zatim se bočne uši savijaju prema dolje, urezano "perje" radnog komada savija se prema van do željenog kuta - i radijator je spreman.
10.6. Radijator za tranzistore serije KT315, KT361 može se napraviti od trake od bakra, aluminija ili kalaja širine 2-3 mm veće od širine kućišta tranzistora (slika 10.4). Tranzistor je zalijepljen u radijator epoksidnim ili drugim ljepilom dobre toplinske provodljivosti. Za bolji termički kontakt između kućišta tranzistora i radijatora, potrebno je ukloniti lak sa kućišta na mjestima dodira, ugraditi ga u radijator i zalijepiti sa što manjim razmakom. Instalirajte tranzistor sa hladnjakom na ploču, kao i obično, dok donje ivice hladnjaka trebaju biti naslonjene na ploču. Ako je širina trake 7 mm, a visina radijatora (od kalajisane ploče debljine 0,35 mm) 22 mm, tada se pri snazi disipacije od 500 mW temperatura radijatora na mjestu gdje se nalazi tranzistor zalijepljen ne prelazi 55 °C.
10.7. Krhki metalni hladnjak na primjer, od lima duralumina, izrađuju se u obliku seta ploča (slika 10.5). U proizvodnji brtvi i ploča radijatora potrebno je osigurati da na rubovima rupa i na rubovima ploča nema neravnina. Kontaktne površine zaptivki i ploča pažljivo su brušene na sitnozrnatom brusnom papiru, polažući ga na ravno staklo. Ako nije potrebno izolirati kućište tranzistora od kućišta uređaja, tada se radijator može montirati na zid kućišta uređaja ili na unutarnju pregradu bez izolacijskih brtvi, što osigurava efikasniji prijenos topline.
10.8. Montaža dioda tipa D226 na radijator ili na hladnjaku. Diode su pričvršćene prirubnicom. Katodni vod se odgriza na samom dnu, a dno se pažljivo čisti sitnozrnatim brusnim papirom dok se ne dobije čista, ravna površina. Ako je potrebno napustiti katodni terminal, tada se u radijatoru izbuši rupa za terminal, lak se skida sa dna acetonom i rub (obruč) diode pažljivo se turpija u ravnini s dnom radi bolje termičke obrade kontakt između diode i radijatora.
10.9. Poboljšanje termičkog kontakta između tranzistora i hladnjaka će osigurati više snage na tranzistoru.
Ponekad je, posebno pri korištenju livenih radijatora, teško, a ponekad čak i nemoguće, ukloniti školjke i druge površinske nedostatke na mjestu termičkog kontakta (popraviti ga). U ovom slučaju, olovna brtva će pomoći. Olovna ploča se pažljivo valja ili spljošti između dvije glatke ravne šipke do debljine od oko 10,5 mm i zaptivka se izrezuje na potrebnu veličinu i oblik. Obje strane su očišćene fino zrnatim brusnim papirom, ugrađenim ispod tranzistora i sklop je čvrsto stisnut vijcima. Zaptivka ne bi trebalo da bude deblja od 1 mm, jer je toplotna provodljivost olova niska.
10.10. Zacrnjenje aluminijumskih radijatora. Da bi se poboljšala efikasnost prijenosa topline radijatora, njegova površina je obično mat i tamna. Pristupačan način zacrnjenje - tretman radijatora u vodenoj otopini željeznog klorida.
Za pripremu otopine potrebna je jednaka količina praha željeznog klorida i vode. Radijator se očisti od prašine, prljavštine, temeljito odmasti benzinom ili acetonom i uroni u otopinu. Držite u rastvoru 5-10 minuta. Boja radijatora je tamno siva. Obrada se mora obavljati u dobro provetrenom prostoru ili na otvorenom.
DA LI STE ZNALI?
10.11.
Toplinski režim tranzistora male snage može se olakšati stavljanjem torusa ("upravljača") na metalno kućište tranzistora - spirale upletene od bakrene, mesingane ili brončane žice promjera 0,5-1,0 mm.
10.12.
Dobar hladnjak može biti metalno kućište uređaja ili njegove unutrašnje pregrade.
10.13.
Ravnomjernost jastučića hladnjaka se provjerava tako što se baza tranzistora premaže s malo boje i nanese na površinu jastučića. Izbočene kontaktne površine. jastučići hladnjaka će biti ofarbani.
10.14.
Da bi se osigurao dobar termički kontakt, površina tranzistora pored radijatora može se podmazati mazivom koji se ne suši, kao što je silikon. To će smanjiti toplinski otpor kontakta za jedan i pol do dva puta.
10.15.
Radi poboljšanja uslova hlađenja, radijator mora biti postavljen tako da ne ometa konvekcijske tokove zraka: rebra hladnjaka su vertikalna, a strana na kojoj se nalazi tranzistor mora biti sa strane, a ne ispod ili iznad.
Postoji parametar kao što je toplinska otpornost. Pokazuje za koliko stupnjeva se predmet zagrijava ako se u njemu oslobodi 1 W snage. Nažalost, ovaj parametar se rijetko navodi u priručniku za tranzistore. Na primjer, za tranzistor u paketu TO-5, toplinski otpor je 220°C po 1 W. To znači da ako se 1 vat snage oslobodi u tranzistoru, on će se zagrijati za 220°C. Ako dopustimo zagrijavanje na ne više od 100 ° C, na primjer, za 80 ° C u odnosu na sobnu temperaturu, tada dobivamo da se na tranzistoru ne smije osloboditi više od 80/220 = 0,36 W. U budućnosti ćemo smatrati prihvatljivim zagrijavanje tranzistora ili tiristora za najviše 80 ° C.
Postoji gruba formula za izračunavanje toplotnog otpora hladnjaka Q = 50/VS °C/W, (1) gdje je S površina hladnjaka, izražena u kvadratnim centimetrima. Odavde se površina može izračunati pomoću formule S = 2.
Razmotrimo, kao primjer, proračun toplinskog otpora konstrukcije prikazane na slici. Dizajn hladnjaka se sastoji od 5 aluminijskih ploča sklopljenih u paketu. Pretpostavimo da je W = 20 cm, D = 10 cm, a visina (nije prikazana na slici) 12 cm, svaka "izbočina" ima površinu 10x12 = 120 cm2, a uzimajući u obzir obje strane 240 cm2. Deset "izbočina" ima površinu od 2400 cm2, a ploča ima dvije stranice x 20 x 12 = 480 cm2. Ukupno dobijemo S=2880 cm2. Prema formuli (1) izračunavamo Q=0,93°C/W. Uz dopušteno zagrijavanje od 80 ° C, dobivamo snagu disipacije od 80 / 0,93 \u003d 90 W.
Sada napravimo obrnuti proračun.
Pretpostavimo da vam treba napajanje sa izlaznim naponom od 12 V i strujom od 10 A. Nakon ispravljača imamo 17 V, dakle, pad napona na tranzistoru je 5 V, što znači da je snaga na njemu 50 W. Dozvoljenim zagrevanjem od 80°C dobijamo potrebnu toplotnu otpornost Q=80/50=1,6°C/W. Tada prema formuli (2) određujemo S = 1000 cm2.
Književnost
Konstruktor br. 4/2000
- Slični članci
Prijavite se sa:
Slučajni članci
- 20.09.2014
Opće informacije o električnom ožičenju Električno ožičenje je skup žica i kablova sa pripadajućim elementima, nosećim i zaštitnim konstrukcijama. Skriveno ožičenje ima niz prednosti u odnosu na otvoreno ožičenje: sigurnije je i izdržljivije, zaštićeno od mehaničkih oštećenja, higijensko i ne zatrpava zidove i stropove. Ali je skuplji i teže ga je zamijeniti ako je potrebno. …
- 27.09.2014
Na osnovu K174UN7 moguće je sastaviti ne složeni generator sa 3 podopsega: 20…200, 200…2000 i 2000…20000Hz. POS određuje frekvenciju generisanih oscilacija, izgrađen je na elementima R1-R4 i C1-C6. Krug negativne povratne sprege koji smanjuje nelinearnu distorziju signala i stabilizira njegovu amplitudu formiran je otpornikom R6 i žaruljom sa žarnom niti H1. Sa naznačenim ocenama kola ...
O zaštiti električna kola od pogrešnog polariteta napajanja pomoću tranzistora s efektom polja, sjetio sam se da sam dugo imao neriješen problem automatsko isključivanje baterija iz punjač kada je potonji bez napona. I postao sam znatiželjan da li je moguće primijeniti sličan pristup u drugom slučaju, gdje se također od pamtivijeka dioda koristila kao element za zaključavanje.
Ovaj članak je tipičan vodič za biciklizam, jer. govori o razvoju kola, čija je funkcionalnost odavno implementirana u milijune gotovih uređaja. Stoga se zahtjev ne odnosi na ovaj materijal kao nešto potpuno utilitarno. Umjesto toga, to je jednostavno priča o tome kako elektronski uređaj: od realizacije potrebe do radnog prototipa kroz sve prepreke.
čemu sve ovo?
Kod redundantnog niskonaponskog napajanja jednosmerna struja najlakši način uključiti olovnu bateriju je kao pufer, samo paralelno sa izvorom električne energije, kao što se radilo u automobilima prije nego što su imali složene "mozkove". Baterija, iako ne radi u najoptimalnijem načinu rada, uvijek je napunjena i ne zahtijeva nikakvo prebacivanje napajanja kada se mrežni napon isključi ili uključi na PSU ulazu. U nastavku, detaljnije o nekim problemima ovakvog uključivanja i pokušaju njihovog rješavanja.Pozadina
Prije nekih 20 godina ovo pitanje nije bilo na dnevnom redu. Razlog za to je bio strujni krug tipičnog mrežnog napajanja (ili punjača), koji je sprečavao da se baterija isprazni do svojih izlaznih kola kada se napajanje iz mreže isključi. da vidimo najjednostavnije kolo blok sa poluvalnim ispravljanjem:Sasvim je očito da će ista dioda koja ispravlja naizmjenični napon mrežnog namota također spriječiti pražnjenje baterije do sekundarnog namota transformatora kada je napon napajanja isključen. Mostno kolo punovalnog ispravljača, iako nešto manje očigledno, ima potpuno ista svojstva. Čak i upotreba parametarskog regulatora napona sa strujnim pojačalom (poput široko rasprostranjenog 7812 čipa i njegovih analoga) ne mijenja situaciju:
Zaista, ako pogledate pojednostavljeni dijagram takvog stabilizatora, postaje jasno da emiterski spoj izlaznog tranzistora igra ulogu iste diode za zatvaranje, koja se zatvara kada napon na izlazu ispravljača nestane, i zadržava punjenje baterije sigurno i zdravo.
Međutim, u poslednjih godina sve se promijenilo. Transformatorska napajanja sa parametarskom stabilizacijom zamijenjena su kompaktnijim i jeftinijim prekidačkim AC/DC naponskim pretvaračima, koji imaju mnogo veću efikasnost i omjer snage/težine. Ali uz sve prednosti, ova napajanja imaju jedan nedostatak: njihova izlazna kola imaju mnogo složenije strujno kolo, koje obično ne pruža zaštitu od obrnute struje iz sekundarnog kruga. Kao rezultat toga, kada se takav izvor koristi u sustavu oblika "PSU -> bafer baterija -> opterećenje", kada je mrežni napon isključen, baterija se počinje intenzivno prazniti u izlazne krugove PSU-a.
Najjednostavniji način (dioda)
Najjednostavnije rješenje je korištenje diode s Schottky barijerom uključenom u prekid pozitivne žice koja povezuje PSU i bateriju:
Međutim, glavni problemi takvog rješenja već su izneseni u gore navedenom članku. Osim toga, ovaj pristup može biti neprihvatljiv zbog činjenice da je 12-voltnoj olovnoj bateriji potreban napon od najmanje 13,6 volti za rad u pufer modu. A skoro pola volta koji padne na diodu može učiniti ovaj napon banalno nedostižnim u kombinaciji sa postojećim napajanjem (samo moj slučaj).
Sve nas to tjera da tražimo alternativne načine automatskog prebacivanja, koji bi trebali imati sljedeća svojstva:
- Mali pad napona naprijed u uključenom stanju.
- Sposobnost da izdrži, bez značajnog zagrijavanja, jednosmjernu struju koju troši iz jedinice za napajanje opterećenjem i međuspremnom baterijom u uključenom stanju.
- Visok obrnuti pad napona i niska vlastita potrošnja kada je isključen.
- Normalno isključeno stanje, tako da kada se napunjena baterija poveže na sistem koji je prvobitno bez napona, ne počne da se prazni.
- Automatski prijelaz u uključeno stanje kada se priključi mrežni napon, bez obzira na prisutnost i nivo napunjenosti baterije.
- Najbrži automatski prijelaz u isključeno stanje u slučaju nestanka struje.
Naivno rješenje (DC relej)
Prilikom analize zahtjeva, svako ko je makar i malo "upoznat" doći će na ideju da u tu svrhu koristi elektromagnetski relej, koji je sposoban fizički zatvoriti kontakte pomoću magnetskog polja stvorenog kontrolnom strujom u namotu. . I vjerovatno će čak i skicirati ovako nešto na salveti:
U ovom krugu, normalno otvoreni kontakti releja su zatvoreni samo kada struja prolazi kroz namotaj spojen na izlaz napajanja. Međutim, ako prođete kroz listu zahtjeva, ispada da ovaj krug ne odgovara paragrafu 6. Uostalom, ako su kontakti releja jednom bili zatvoreni, gubitak mrežnog napona neće dovesti do njihovog otvaranja, iz razloga da namotaj (a sa njim i cijeli izlazni krug PSU) ostane spojen na bateriju preko istih kontakata! Postoji tipičan slučaj pozitivne povratne sprege, kada je upravljačko kolo direktno povezano sa izvršnim kolom, i kao rezultat, sistem dobija svojstva bistabilnog okidača.
Dakle, takav naivan pristup nije rješenje problema. Štaviše, ako logično analiziramo trenutnu situaciju, lako možemo doći do zaključka da u intervalu “PSU -> bafer baterija”, u idealnim uslovima, ne može postojati drugo rješenje osim ventila koji provodi struju u jednom smjeru. Zaista, ako ne koristimo nikakav vanjski kontrolni signal, onda bez obzira na to što radimo u ovoj tački u krugu, bilo koji od naših sklopnih elemenata, kada se jednom uključi, učinit će električnu energiju koju proizvodi baterija nerazlučivom od električne energije, koju generiše blok ishrana.
Zaobilaznica (AC relej)
Nakon što shvati sve probleme iz prethodnog paragrafa, osoba koja “pipa” obično dolazi na novu ideju o korištenju samog izvora napajanja kao jednosmjernog provodnog ventila. Zašto ne? Uostalom, ako PSU nije reverzibilni uređaj, a napon baterije koji se dovodi na njegov izlaz ne stvara izmjenični napon od 220 volti na ulazu (kao što se događa u 100% slučajeva stvarnih krugova), tada ova razlika može koristiti kao kontrolni signal za sklopni element:
Bingo! Svi zahtjevi su ispunjeni i jedino što je potrebno za to je relej koji može zatvoriti kontakte kada se na njega dovede mrežni napon. Ovo može biti poseban AC relej koji je nominiran za mrežni napon. Ili običan relej sa vlastitim mini-PSU-om (ovdje je dovoljan bilo koji niz bez transformatora s jednostavnim ispravljačem).
Moglo bi se slaviti pobjedu, ali mi se ova odluka nije svidjela. Prvo, potrebno je nešto spojiti direktno na mrežu, što nije dobro u smislu sigurnosti. Drugo, činjenica da ovaj relej mora prebacivati značajne struje, vjerovatno do nekoliko desetina ampera, a to čini cijeli dizajn ne tako trivijalnim i kompaktnim kao što se u početku moglo činiti. I treće, šta je sa tako pogodnim tranzistorom sa efektom polja?
Prvo rješenje (FET + mjerač napona baterije)
Potraga za elegantnijim rješenjem problema dovela me je do spoznaje da baterija koja radi u bafer modu na naponu od oko 13,8 volti, bez vanjskog “dopunjavanja”, brzo gubi svoj izvorni napon čak i u nedostatku opterećenje. Ako se počne prazniti na PSU-u, tada u prvoj minuti vremena gubi najmanje 0,1 volta, što je više nego dovoljno za pouzdano fiksiranje najjednostavnijim komparatorom. Općenito, ideja je sljedeća: kapija preklopnog FET-a se kontrolira pomoću komparatora. Jedan od ulaza komparatora povezan je sa stabilnim izvorom napona. Drugi ulaz je spojen na razdjelnik napona napajanja. Štaviše, omjer podjele je odabran tako da napon na izlazu razdjelnika kada je PSU uključen bude približno 0,1...0,2 volta veći od napona stabiliziranog izvora. Kao rezultat toga, kada je PSU uključen, napon iz razdjelnika će uvijek prevladati, ali kada je mreža isključena, kako napon baterije pada, on će se smanjiti proporcionalno ovom padu. Nakon nekog vremena, napon na izlazu razdjelnika bit će manji od napona stabilizatora i komparator će prekinuti strujni krug pomoću tranzistora s efektom polja.Primjer dijagrama takvog uređaja:
Kao što vidite, direktni ulaz komparatora povezan je sa stabilnim izvorom napona. Napon ovog izvora u principu nije bitan, glavno je da bude unutar dozvoljenih ulaznih napona komparatora, ali je zgodno kada je oko pola napona baterije, odnosno oko 6 volti. Inverzni ulaz komparatora spojen je na djelitelj napona PSU, a izlaz na kapiju komutacijskog tranzistora. Kada napon na invertiranom ulazu premaši napon direktnog ulaza, izlaz komparatora povezuje kapiju FET-a sa uzemljenjem, uzrokujući da se tranzistor uključi i zatvori krug. Nakon nestanka struje, nakon nekog vremena, napon baterije opada, zajedno s njim opada i napon na inverznom ulazu komparatora, a kada je ispod nivoa na direktnom ulazu, komparator „okida“ gejt tranzistora sa uzemljenje i time prekinuti strujni krug. U budućnosti, kada napajanje ponovo "oživi", napon na invertiranom ulazu će trenutno porasti na normalan nivo i tranzistor će se ponovo otvoriti.
Za praktična implementacija Za ovo kolo korišten je LM393 čip koji imam. Ovo je vrlo jeftin (manje od deset centi u maloprodaji), ali u isto vrijeme ekonomičan i prilično dobrih performansi dvostruki komparator. Prihvata napone do 36 volti, ima prijenosni omjer od najmanje 50 V/mV, a njegovi ulazi imaju prilično visoku impedanciju. Prvi komercijalno dostupan P-kanalni MOSFET FDD6685 velike snage uzet je kao prekidački tranzistor. Nakon nekoliko eksperimenata, ovo praktična šema prekidač:
U njemu je apstraktni izvor stabilnog napona zamijenjen vrlo stvarnim parametarskim stabilizatorom od otpornika R2 i zener diode D1, a razdjelnik je napravljen na osnovu podešavanja otpornika R1, koji vam omogućava da prilagodite faktor podjele do željene vrijednosti. Budući da komparatorski ulazi imaju vrlo značajnu impedanciju, otpor prigušenja u stabilizatoru može biti veći od stotinu kOhm, što minimizira struju curenja, a time i ukupnu potrošnju uređaja. Vrijednost otpornika za podešavanje uopće nije kritična, a bez ikakvih posljedica za performanse kruga, može se odabrati u rasponu od deset do nekoliko stotina kOhm. Zbog činjenice da je izlazni krug komparatora LM393 izgrađen prema otvorenom kolektorskom krugu, za njegovo funkcionalno dovršenje potreban je i otpornik opterećenja R3 s otporom od nekoliko stotina kOhm.
Podešavanje uređaja se svodi na postavljanje položaja motora trim-otpornika na poziciju u kojoj napon na kraku 2 mikrokola prelazi napon na kraku 3 za oko 0,1...0,2 volta. Da biste ga postavili, bolje je ne ulaziti u krugove visoke impedancije s multimetrom, već jednostavno postavljanjem klizača otpornika u donji (prema dijagramu) položaj, spojite jedinicu za napajanje (ne spajamo bateriju još), i, mjereći napon na pinu 1 mikrokola, pomaknite kontakt otpornika prema gore. Čim napon naglo padne na nulu, unapred podešavanje može se smatrati završenim.
Ne biste trebali težiti isključivanju na minimalnoj razlici napona, jer će to neizbježno dovesti do nepravilnog rada kruga. U realnim uslovima, naprotiv, potrebno je namjerno potcijeniti osjetljivost. Činjenica je da kada se opterećenje uključi, napon na ulazu kruga neizbježno pada zbog nesavršene stabilizacije u PSU-u i konačnog otpora spojnih žica. To može dovesti do činjenice da će pretjerano osjetljiv uređaj smatrati takav pad kao isključenje PSU-a i prekinuti strujni krug. Kao rezultat toga, PSU će biti spojen samo kada nema opterećenja, a baterija će morati raditi ostatak vremena. Istina, kada se baterija malo isprazni, unutarnja dioda tranzistora s efektom polja će se otvoriti i struja iz PSU-a će početi teći u krug kroz nju. Ali to će dovesti do pregrijavanja tranzistora i do činjenice da će baterija raditi u režimu dugog potpunjenja. Općenito, konačnu kalibraciju treba izvršiti pod realnim opterećenjem, kontrolirajući napon na pinu 1 mikrokola i ostavljajući malu marginu za pouzdanost kao rezultat.
Značajni nedostaci ove šeme su relativna složenost kalibracije i potreba da se izdrži potencijalni gubitak snage baterije da bi radila ispravno.
Posljednji nedostatak je proganjao i nakon nekog razmišljanja doveo me do ideje da ne mjerim napon baterije, već direktno smjer struje u krugu.
Drugo rješenje (tranzistor sa efektom polja + mjerač smjera struje)
Neki lukavi senzori mogu se koristiti za mjerenje smjera struje. Na primjer, Hall senzor koji registrira vektor magnetskog polja oko vodiča i omogućava vam da odredite ne samo smjer, već i jačinu struje bez prekidanja strujnog kruga. Međutim, zbog nedostatka takvog senzora (i iskustva sa takvim uređajima), odlučeno je da se pokuša izmjeriti predznak pada napona na FET kanalu. Naravno, u otvorenom stanju, otpor kanala se mjeri u stotinkama oma (ovo je cijela ideja za ovo), ali je, ipak, prilično konačan i možete pokušati igrati na njemu. Dodatni argument u prilog ovakvom rješenju je nepostojanje potrebe za finim podešavanjem. Na kraju krajeva, mjerit ćemo samo polaritet pada napona, a ne njegovu apsolutnu vrijednost.Prema najpesimističnijim proračunima, sa otporom otvorenog kanala tranzistora FDD6685 od oko 14 mΩ i diferencijalnom osjetljivošću komparatora LM393 iz "min" stupca od 50 V / mV, imat ćemo pun napon od 12 volti. na izlazu komparatora pri struji kroz tranzistor nešto preko 17 mA. Kao što vidite, vrijednost je sasvim realna. U praksi bi trebalo da bude za red veličine manje, jer je tipična osetljivost našeg komparatora 200 V/mV, otpor kanala tranzistora u realnim uslovima, uzimajući u obzir instalaciju, verovatno neće biti manji od 25 mΩ , a ljuljanje upravljačkog napona na kapiji ne smije biti veće od tri volta.
Apstraktna implementacija bi izgledala otprilike ovako:
Ovdje su ulazi komparatora povezani direktno na pozitivnu magistralu na suprotnim stranama tranzistora s efektom polja. Kada struja prolazi kroz njega u različitim smjerovima, naponi na ulazima komparatora će se neizbježno razlikovati, a znak razlike će odgovarati smjeru struje, a veličina njenoj jačini.
Na prvi pogled, krug se ispostavlja izuzetno jednostavnim, ali ovdje postoji problem s napajanjem komparatora. Ona leži u činjenici da ne možemo napajati mikrokolo direktno iz istih kola koje mora mjeriti. Prema tablici sa podacima, maksimalni napon na ulazima LM393 ne bi trebao biti veći od napona napajanja minus dva volta. Ako se ovaj prag prekorači, komparator prestaje da primjećuje razliku napona između direktnog i inverznog ulaza.
Postoje dva potencijalna rješenja problema. Prvi, očigledan, je povećanje napona napajanja komparatora. Druga stvar koja vam pada na pamet, ako malo razmislite, je podjednako sniziti upravljačke napone pomoću dva razdjelnika. Evo kako bi to moglo izgledati:
Ova šema pleni svojom jednostavnošću i sažetošću, ali, nažalost, nije ostvariva u stvarnom svijetu. Činjenica je da imamo posla s razlikom napona između ulaza komparatora od samo nekoliko milivolti. Istovremeno, širenje otpora otpornika čak i najviše klase tačnosti iznosi 0,1%. Sa minimalno prihvatljivim omjerom dijeljenja od 2 do 8 i razumnim puni otpor 10 kΩ djelitelj, greška mjerenja će dostići 3 mV, što je nekoliko puta veće od pada napona na tranzistoru pri struji od 17 mA. Upotreba “trimera” u jednom od razdjelnika ne dolazi u obzir iz istog razloga, jer nije moguće odabrati njegov otpor s točnošću većom od 0,01% čak ni kada se koristi precizan višeokretni otpornik (plus , ne zaboravite na vremenski i temperaturni pomak). Osim toga, kao što je već spomenuto, teoretski ovo kolo uopće ne bi trebalo kalibrirati zbog njegove gotovo „digitalne“ prirode.
Na osnovu gore navedenog, u praksi postoji samo opcija sa povećanjem napona napajanja. U principu, to i nije toliki problem, s obzirom na to da postoji ogroman broj specijaliziranih mikro krugova koji vam omogućuju da sa samo nekoliko dijelova izgradite pojačivač za željeni napon. Ali tada će se složenost uređaja i njegova potrošnja gotovo udvostručiti, što bismo željeli izbjeći.
Postoji nekoliko načina da se napravi pojačivač male snage. Na primjer, većina integriranih pretvarača pretpostavlja korištenje samoinduktivnog napona male induktorice povezane u seriju s prekidačem "power" koji se nalazi direktno na kristalu. Ovaj pristup je opravdan relativno snažnom konverzijom, na primjer, za napajanje LED diode sa strujom od desetine miliampera. U našem slučaju to je očigledno suvišno, jer je potrebno osigurati struju od samo jednog miliampera. Kolo za udvostručenje istosmjernog napona s upravljačkim ključem, dva kondenzatora i dvije diode je mnogo prikladnije za nas. Princip njegovog rada može se razumjeti prema shemi:
U prvom trenutku, kada je tranzistor zatvoren, ne dešava se ništa zanimljivo. Struja iz naponske tračnice kroz diode D1 i D2 ulazi u izlaz, zbog čega je napon na kondenzatoru C2 čak nešto niži od napona koji se dovodi na ulaz. Međutim, ako se tranzistor uključi, kondenzator C1 teče kroz diodu D1 i tranzistor se puni skoro do napona napajanja (minus naprijed pad preko D1 i tranzistora). Sada, ako ponovo zatvorimo tranzistor, ispada da je napunjeni kondenzator C1 povezan serijski sa otpornikom R1 i napajanjem. Kao rezultat toga, njegov napon će se povećati naponu napajanja i, nakon što je pretrpio neke gubitke u otporniku R1 i diodi D2, napunit će C2 do gotovo udvostručenog Uin. Nakon toga, cijeli ciklus se može započeti ispočetka. Kao rezultat toga, ako se tranzistor redovno uključuje, a izvlačenje energije iz C2 nije preveliko, od 12 volti se dobije oko 20 volti po cijeni od samo pet dijelova (ne računajući ključ), među kojima nema nijednog namotaj ili ukupni element.
Za implementaciju takvog duplera, pored već navedenih elemenata, potreban nam je generator oscilacija i sam ključ. Možda se čini da je ovo puno detalja, ali zapravo nije, jer već imamo gotovo sve što nam treba. Nadam se da niste zaboravili da LM393 sadrži dva komparatora? A činjenica da smo do sada koristili samo jedan od njih? Uostalom, komparator je i pojačalo, što znači da ako ga prihvatite pozitivnim povratne informacije By naizmjenična struja, pretvorit će se u generator. Istovremeno, njegov izlazni tranzistor će se redovno otvarati i zatvarati, savršeno igrajući ulogu udvostručenog ključa. Evo šta dobijamo kada pokušamo da sprovedemo svoje planove:
U početku, ideja o opskrbi generatora naponom koji on zapravo stvara tokom rada može izgledati prilično divlja. Međutim, ako bolje pogledate, možete vidjeti da generator u početku dobiva struju preko dioda D1 i D2, što je sasvim dovoljno da se pokrene. Nakon što dođe do generiranja, udvostruč počinje s radom, a napon napajanja se postepeno povećava na oko 20 volti. Ovaj proces traje ne više od jedne sekunde, nakon čega generator, a sa njim i prvi komparator, dobijaju snagu koja je znatno veća od radnog napona kola. Ovo nam daje priliku da direktno izmjerimo razliku napona između izvora i odvoda tranzistora sa efektom polja i postignemo naš cilj.
Evo konačne šeme našeg prekidača:
Nema tu šta da se objašnjava, sve je gore opisano. Kao što vidite, uređaj ne sadrži niti jedan element za podešavanje i, ako je pravilno sastavljen, odmah počinje s radom. Uz već poznate aktivne elemente, dodane su samo dvije diode, za koje možete koristiti bilo koje diode male snage s maksimalnim povratnim naponom od najmanje 25 volti i maksimalnom strujom naprijed od 10 mA (na primjer, široko rasprostranjena 1N4148, koji se može zalemiti sa stare matične ploče).
Ovo kolo je testirano na matičnoj ploči, gdje se pokazalo da je potpuno funkcionalno. Dobijeni parametri su u potpunosti u skladu sa očekivanjima: trenutno prebacivanje u oba smjera, nema neodgovarajućeg odziva kada je opterećenje priključeno, potrošnja struje iz baterije je samo 2,1 mA.
Jedna od opcija rasporeda PCB-a je također priložena. 300 dpi, pogled sa strane na detalje (tako da trebate ispisati zrcalnu sliku). Tranzistor sa efektom polja montiran sa strane provodnika.
Sastavljen uređaj, potpuno spreman za ugradnju:
Uzgajao sam ga na starinski način, pa je ispao malo kriv, ali ipak uređaj već nekoliko dana redovno obavlja svoje funkcije u strujnom krugu do 15 ampera bez ikakvih znakova pregrijavanja.
Učitavanje...