= ([Temperatur am Hotspot, °C] - [Temperatur am kalten Punkt, °C]) / [Verlustleistung, W]

Dies bedeutet, dass, wenn eine Wärmeleistung von X W von einem heißen Punkt zu einem kalten Punkt geliefert wird und der Wärmewiderstand Y cg / W beträgt, die Temperaturdifferenz X * Y cg beträgt.

Formel zur Berechnung der Abkühlung eines Kraftelements

Für den Fall der Berechnung der Wärmeabfuhr eines elektronischen Leistungselements lässt sich diese wie folgt formulieren:

[Kristalltemperatur des Leistungselements, GC] = [Umgebungstemperatur, °C] + [Verlustleistung, W] *

Wo [ Gesamter thermischer Widerstand, Hz / W] = + [Thermischer Widerstand zwischen dem Gehäuse und dem Kühler, Hz / W] + (für den Fall mit Heizkörper),

oder [ Gesamter thermischer Widerstand, Hz / W] = [Thermischer Widerstand zwischen Quarz und Gehäuse, Hz / W] + [Thermischer Widerstand zwischen dem Gehäuse und der Umgebung, Hz / W] (für Gehäuse ohne Kühlkörper).

Als Ergebnis der Berechnung müssen wir eine solche Kristalltemperatur erhalten, dass sie unter dem im Nachschlagewerk angegebenen maximal zulässigen Wert liegt.

Woher bekomme ich die Daten für die Berechnung?

Thermischer Widerstand zwischen Chip und Gehäuse für Leistungselemente ist in der Regel im Nachschlagewerk angegeben. Und es ist so gekennzeichnet:

Lassen Sie sich nicht davon verwirren, dass die Maßeinheiten K / W oder K / W im Nachschlagewerk geschrieben sind. Dies bedeutet, dass dieser Wert in Kelvin pro Watt angegeben wird, in Hz pro W ist er genau gleich, dh X K / W \u003d X Hz / W.

Üblicherweise geben Nachschlagewerke unter Berücksichtigung der technologischen Verbreitung den maximal möglichen Wert dieses Wertes an. Wir brauchen sie, da wir die Berechnung für den Worst Case durchführen müssen. Beispielsweise beträgt der maximal mögliche thermische Widerstand zwischen Quarz und Gehäuse des Leistungs-Feldeffekttransistors SPW11N80C3 0,8 c/W,

Thermischer Widerstand zwischen Gehäuse und Kühlkörper hängt von der Fallart ab. Typische Maximalwerte sind in der Tabelle dargestellt:

ZU-3	1.56
ZU-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

Isolierkissen. Unserer Erfahrung nach verdoppelt eine richtig ausgewählte und installierte Dämmplatte den Wärmewiderstand.

Thermischer Widerstand zwischen Gehäuse/Kühlkörper und Umgebung. Dieser Wärmewiderstand ist mit einer für die meisten Geräte akzeptablen Genauigkeit recht einfach zu berechnen.

[Thermischer Widerstand, Hz / W] = [120, (gC * cm²) / W] / [Die Fläche des Heizkörpers oder des Metallteils des Elementkörpers, sq. cm].

Diese Berechnung eignet sich für Bedingungen, bei denen Elemente und Heizkörper installiert werden, ohne besondere Bedingungen für natürliche (Konvektion) oder künstliche Luftströmung zu schaffen. Der Koeffizient selbst wird aus unserer praktischen Erfahrung gewählt.

Die Spezifikation der meisten Kühlkörper enthält den Wärmewiderstand zwischen Kühlkörper und Umgebung. In der Berechnung ist es also notwendig, diesen Wert zu verwenden. Dieser Wert sollte nur berechnet werden, wenn keine tabellarischen Angaben zum Heizkörper vorhanden sind. Wir verwenden oft gebrauchte Kühlkörper, um Debug-Beispiele zusammenzustellen, daher hilft uns diese Formel sehr.

Für den Fall, dass Wärme über die Kontakte der Leiterplatte abgeführt wird, kann auch die Kontaktfläche in die Berechnung eingesetzt werden.

Für den Fall, dass Wärme durch die Leitungen eines elektronischen Elements (typischerweise Dioden und Zenerdioden mit relativ geringer Leistung) abgeführt wird, wird die Fläche der Leitungen basierend auf dem Durchmesser und der Länge der Leitung berechnet.

[Lead-Bereich, sq. cm.] = Pi * ([ Länge des rechten Ausgangs, siehe] * [Rechter Auslassdurchmesser, siehe] + [Länge des linken Ausgangs, siehe] * [Linker Auslassdurchmesser, siehe])

Ein Beispiel für die Berechnung der Wärmeabfuhr von einer Zenerdiode ohne Kühler

Lassen Sie die Zenerdiode zwei Anschlüsse mit einem Durchmesser von 1 mm und einer Länge von 1 cm haben und 0,5 Watt abführen. Dann:

Die Ausgangsfläche beträgt etwa 0,6 qm. cm.

Der Wärmewiderstand zwischen dem Gehäuse (Klemmen) und der Umgebung beträgt 120 / 0,6 = 200.

Der Wärmewiderstand zwischen dem Quarz und dem Gehäuse (Klemmen) kann in diesem Fall vernachlässigt werden, da er viel weniger als 200 beträgt.

Nehmen wir an, dass die maximale Temperatur, bei der das Gerät betrieben wird, 40 °C beträgt. Dann ist die Kristalltemperatur = 40 + 200 * 0,5 = 140 °C, was für die meisten Zenerdioden akzeptabel ist.

Online-Berechnung Kühlkörper - Heizkörper

Bitte beachten Sie, dass bei Plattenheizkörpern die Fläche beider Seiten der Platte berechnet werden muss. Bei Leiterbahnen zur Wärmeabfuhr muss nur eine Seite genommen werden, da die andere nicht mit der Umgebung in Kontakt kommt. Bei Nadelstrahlern muss die Fläche der Knochennadel ungefähr geschätzt und diese Fläche mit der Anzahl der Nadeln multipliziert werden.

Online-Berechnung der Wärmeabgabe ohne Heizkörper

Mehrere Elemente an einem Strahler.

Wenn mehrere Elemente auf einem Kühlkörper installiert sind, sieht die Berechnung so aus. Zuerst berechnen wir die Temperatur des Heizkörpers mit der Formel:

[Kühlertemperatur, gc] = [Umgebungstemperatur, °C] + [Thermischer Widerstand zwischen Heizkörper und Umgebung, Hz / W] * [Gesamtleistung W]

[Kristalltemperatur, c] = [Kühlertemperatur, gc] + ([Thermischer Widerstand zwischen dem Kristall und dem Körper des Elements, Hz / W] + [Thermischer Widerstand zwischen dem Körper des Elements und dem Strahler, Hz / W]) * [Vom Element abgegebene Leistung W]

Einfluss der Umgebung des Bauteils.

Möglicherweise beeinflusst die Kupferfläche in der obersten Schicht, auf der das Bauteil verbaut ist, die Kühlleistung. Das zweite Element, das Auswirkungen haben kann, ist die Menge an Lot, die bei der Installation verwendet wird.

Als Heizelement wird ein Transistor in einem DPAK-Gehäuse mit einer Leistung von verwendet 2.5 Di

Überprüfung des Einflusses der Kupferzone um das Bauteil (DPAK), Die-Temperatur:

Interessanterweise können weitere 3 bis 5 Grad erreicht werden, indem einfach mehr Lot um die Metallplatte des Bauteils (Drain-Pin) aufgetragen wird. Normalerweise kümmern sie sich bei der Montage von Komponenten nicht um die Wärmeübertragung durch die Kontaktflächen, und das ist ein Fehler. Rund um das Teil ist der größte Verlustwiderstand und das Auftragen von Lot kann eine echte Hilfe sein.

Messung der Qualität der Wärmeübertragung auf einer Leiterplatte.

Bisher wurde der Temperaturgradient nur für einen Fall aufgezeichnet – ohne Beteiligung eines Lüfters. Bei künstlicher Kühlung sollte die Effizienz der Leiterplatte jedoch aufgrund des Wärmeübertragungsverlustwiderstands entlang der Platine sinken. Wiederholen wir den Test, fügen aber den Lüfterbetrieb mit einer sehr kleinen und normalen Leistung (3,5 und 7 Volt) hinzu. Wir ändern den Transistor zu D2PAK, um eine Gruppe kleiner Transistoren zu simulieren.

"Vnt." ist die Kristalltemperatur, der Rest wird entnommen Rückseite Leiterplatte, Punkt "0" unter der Mitte der Metallplatte des Transistors ( 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

Es gibt leichte Brüche in der Monotonie in den Daten, die durch eine Ungleichmäßigkeit verursacht werden Leiterplatte.

Die effektive Länge des Kühlers hängt von der Blasgeschwindigkeit ab. Wenn wir von der Grenze einer fünfzigprozentigen Reduzierung ausgehen, beträgt die Arbeitslänge:

Ohne Blasen - 30 mm.
Niedrige Blasgeschwindigkeit (Lüfter 3,5 V) - 22,5 mm.
Hohe Blasgeschwindigkeit (Lüfter 7 V) - 20 mm.

Bitte beachten Sie, dass von der Mitte zum Rand gemessen wurde, daher ist die Gesamtlänge doppelt so groß.

Orientierung in Raum und Farbe der Leiterplatte.

Die Leiterplatte erfüllt die Funktion eines Kühlkörpers und ist relativ erfolgreich. Aber für einen Heizkörper sind die Orientierung im Raum und die Farbe seiner Beschichtung wichtig. Die Wärmeübertragung kann durch Erwärmung der Umgebungsluft oder durch Strahlung erfolgen. Wenn der Heizkörper eine dunkle Farbe hat, erhöht sich die Effizienz der Wärmeübertragung durch Strahlung, sie versprechen eine bis zu x1,7-fache Verbesserung der Rendite. Vielleicht die Bretter schwarz lackieren?

Der Testaufbau ist einfach - eine mehrschichtige Leiterplatte 25x40 mm (10 cm 2 x 2 Seiten), in der Mitte ist ein Transistor im DPAK-Gehäuse eingelötet. Die Leistung ist die gleiche wie in anderen Tests mit diesem Transistor, 2,5 Watt.

Die erhaltenen Daten sind in der Tabelle zusammengefasst:

Die Temperaturungleichmäßigkeit innerhalb der Seite der Platine übersteigt vier Grad nicht.

Auf der Leiterplatte befand sich zunächst eine schwarze Schutzmaske. Um eine helle Farbe zu erhalten, wurde die Maske von beiden Seiten entfernt. Die Theorie besagt, dass dies zu einer Verschlechterung des Wirkungsgrades um den Faktor 1,7 hätte führen müssen, weil die Wärmeübertragung durch Strahlung um ein Vielfaches abgenommen hat. In Wirklichkeit betrug der Leistungsabfall nur 25 Prozent. Laut Theorie funktioniert ein flacher Kühlkörper in aufrechter Position besser. Ohne Maske sind es nur 18 Prozent, mit Maske kaum wahrnehmbar. Es sieht so aus, als wäre die Maske zu dick und stört die Wärmeübertragung.

Die durchschnittliche Temperatur der Platine beträgt 50 Grad (die Temperatur der Rückseite ist nicht interessant), die Leistung beträgt 2,5 W, von hier aus können Sie den Wärmewiderstand eines solchen "Heizkörpers" berechnen - 20 Grad pro Watt bei einer Fläche von 10cm2. Oder bei 200 cm 2 beträgt der Wärmewiderstand 1 Grad pro Watt.

Nichts Außergewöhnliches, es lohnt sich definitiv nicht, das Board absichtlich schwarz zu lackieren. Aber das erklärt die Vorliebe der Hersteller für dunkle Boards.

Thermischer Widerstand.

Um den Wärmewiderstand zu messen, sind viele kalibrierte Geräte und Materialien erforderlich, was ziemlich problematisch ist, also messen wir einfach den Temperaturabfall am Testmaterial. Als Wärmeerzeuger nehmen wir einen Transistor in einem DPAK-Gehäuse mit einer Leistung von 2,5 W. Seine aktive Wärmeabfuhrfläche beträgt ca. 5x5 mm.

Der Wärmeverlust wurde als Temperaturdifferenz zwischen den Punkten "A" und "B" gemessen.

Die Kontrollpunkte sind nicht sehr gut gewählt, aber dieses Verfahren ist darauf ausgelegt, alle Materialien zu charakterisieren. Wärmeverluste an den beiden Übergängen von Medien und Wärmeleitpaste werden berücksichtigt.

Merkmale der Messungen:

Bei der Messung von Verlusten in Platinen wurde das Heizelement darauf gelötet und die Rückseite von Oxiden und Beschichtungen auf reines Kupfer gereinigt.
Bei BGA- und TSOP-Gehäusen wurde ein Platz ohne Halbleiterkristall am Rand gewählt.
Als „Eisenplatte“ wurde ein kleines Fragment aus dem Design der Systemeinheit verwendet.
Die Wärmeleitpads wurden von der Hardware entfernt, daher sind die genauen Spezifikationen nicht bekannt. Rot von einem Markennetzteil, grau - vom üblichen chinesischen "Noname".

Ergebnisse:

Material	Dicke, mm	Temperatur, Grad	Reduziert auf 1 mm, Grad
Mehrschichtige Leiterplatte	1.5	10.3	6.9
Doppelseitige Leiterplatte	1.5	69.4	46.3
BGA-Chip-Paket	0.76	18.8	24.7
TSOP-Chip-Paket	0.98	31.7	32.3
Eisenplatte	0.6	4.2	7
Wärmeübertragungspad (rot)	0.3	11.7	37.3
Wärmeleitpad (grau)	0.37	16.9	45.7
Keramikdichtung (weiß)	0.64	4.9	7.6

Der Temperaturunterschied zwischen einem Multilayer und einem herkömmlichen Board ist einfach wild. Es ist klar, dass FR4 Wärme nicht gut leitet, aber damit dünne Kupferschichten so effektiv sind ...

Die gleiche Wärmeleitfähigkeit der Gehäuse ist nicht allzu gut, was durchaus zu erwarten ist.

Laut Wärmeleitpads sind die Zahlen auch nicht sehr schön, aber was sie haben, ist, was sie sind. Keramik sieht vor ihrem Hintergrund einfach toll aus, kann aber nicht verwendet werden Computertechnologie- es besteht einfach keine Notwendigkeit. Der Zweck von Wärmeleitpads besteht darin, unterschiedliche Höhen von Komponenten zu wählen, und Keramik ist starr und wird in dieser Angelegenheit nicht helfen. Was für Keramik in meinem Fall war, ist schwer zu sagen. Nach Farbe und Wärmebeständigkeit zu urteilen, handelt es sich um Beryllium-Keramik.

Wie werden Tabellendaten verwendet? Ja, es ist ganz einfach - der Wärmewiderstand von Eisen ist bekannt, die restlichen Zahlen werden proportional neu berechnet.

Praktischer Nutzen

Zu Beginn können Sie die Methode zur Berechnung des Heizkörpers anhand des auf der Website electrosad.ru (pdf, 186 Kb) veröffentlichten Materials verwenden. Oder Sie können sich an die Regel erinnern: „Laden Sie nicht, und Sie werden nicht laden“. Werksheizkörper haben technische Eigenschaften, und mit hausgemacht ... können Sie vereinfachte Berechnungen verwenden, da genaue Berechnungen keinen Sinn machen, es gibt zu viele unvorhersehbare Parameter. Kennen Sie den thermischen Widerstand des Gehäuses oder der Leiterplatte Ihres speziellen Motherboards? Die Wärmeleitfähigkeit der Platte hängt aber unter anderem von der Beschaltung ihrer Innenlagen ab. Gleichzeitig wäre es gut zu berücksichtigen, dass mit der Organisation des Blasens manchmal nicht alles gut ist.

Also vereinfachte Rechnung. Wenn es genauer werden soll, dann nutzen Sie bitte den obigen Link zur Methodik, und für andere Fragen - leider nur eigenständige Recherche und Lektüre der Dokumentation zu den Komponenten. Leider sind die "allgemeinen" Empfehlungen zu einfach, an manchen Stellen wild.

Punkt 1 - Wärmeleistung.

Bei Prozessor-Stromrichtern ist alles ganz einfach, ihr Wirkungsgrad schwankt um die 80%. Gleichzeitig sollte sofort berücksichtigt werden, dass sie für eine bestimmte Leistungsaufnahme ausgelegt sind und bei Überschreiten dieser Zahl (oder proportional) die Effizienz der Energieumwandlung zu sinken beginnt. Grob gesagt lohnt es sich, bei reduzierter Last einen Wirkungsgrad von 82 % und bei großer Last 76 % einer normalen Last anzunehmen. Der Leistungsverlust beträgt 22 bzw. 32 Prozent der Ausgangsleistung. Berechnungen für kleine Leistungen sind selbst bei starken Vereinfachungen schwieriger durchzuführen, da die Verluste in den Umrichterkomponenten proportional zum Quadrat des Ausgangsstroms sind.

Beispielsweise hat ein 120-W-TDP-Motherboard einen 70-W-Prozessor. In diesem Fall wird die Last nicht erhöht, es wird ein erwarteter Wirkungsgrad von 82 % erwartet. Gleichzeitig werden 70 * 100/82 = 85,4 W von der Stromquelle verbraucht. Davon gehen 70 W an den Prozessor und 85,4-70 = 15,4 W werden an den Wandlerelementen abgeführt.

Derselbe Fall, aber die Verwendung eines leistungsstärkeren (in Bezug auf den Verbrauch) Prozessors mit Übertaktung, ergibt ein etwas anderes Bild. Wenn es 140 W verbraucht (Zahlen sind willkürlich), sinkt der Wirkungsgrad des Wandlers voraussichtlich auf 76%. Die Verluste werden völlig andere Zahlen sein: 140 * 100/76 = 184,2 W von der Stromquelle oder 184,2-140 = 44,2 W zu den Wandlerelementen.

Ich möchte gleich darauf hinweisen, dass nicht alle diese Verluste durch Transistoren verursacht werden. Etwas, und zwar ein sehr großes, wird durch Induktivitäten, Leiterbahnen und ein wenig durch Kondensatoren zerstreut. Wie kann man die resultierende Zahl in Transistoren und den Rest aufteilen? Es hängt alles sehr stark von den verwendeten Komponenten ab. Nehmen wir an, zwei Drittel der Wärme werden in den Transistoren abgeführt. Frag bloß nicht, woher die Nummer kommt. Die Decke muss weiß getüncht werden.

Wir müssen also zwei Optionen in Betracht ziehen: 15,4 x 2 / 3 \u003d 10 W und 44,2 * 2/3 \u003d 29 W.

Punkt 2 ist die aktive Fläche der Leiterplatte.

Nehmen wir eine Art Motherboard und sehen, was daraus wird.

Dieses Board verwendet Komponenten in einem LFPAK-Gehäuse, um Wärme effektiv in die PCB abzuleiten. Super, die Berechnungen lassen sich ohne großen Aufwand durchführen. Wenn die Komponenten die Wärme schlecht an die Platine ableiten könnten, wäre die Berechnung der Effizienz der Wärmeableitung äußerst schwierig, und es wäre einfacher, direkt zur Wahl eines diskreten Kühlkörpers überzugehen und die Wärmeableitungseigenschaften der Platine zu ignorieren.

Zuerst entfernen wir die Bereiche, die keine Wärme vom Konverter abführen können.

Es bleibt, die verbleibende Oberfläche zu messen. Wenn Sie die Zone der unteren linken Kante mit der Aufschrift „BIOSTAR“ nicht berücksichtigen, erhalten Sie zwei Rechtecke - das obere 55 x 120 mm und das rechte 45 x 85 mm.

Früher wurde die Effizienz der Wärmeabfuhr durch eine Leiterplatte betrachtet. Aus den erhaltenen Ergebnissen ging hervor, dass eine Breite von mehr als 60 mm nicht effektiv war (daher wurde die linke Seite der Platte ignoriert). In meinem Fall beträgt die Breite 55 und 45 mm, was die Bedingung ohne Einschränkungen erfüllt. Das Ergebnis ist eine Fläche von 55x120 + 45x85 = 104 cm 2.

Es gibt eine Nuance, die verdirbt Gesamteindruck. Tatsache ist, dass sich auf der Platine außer dem Wandler noch weitere Bauteile befinden, die auch die Leiterplatte erwärmen. Der Ordnung halber sei angemerkt, dass diese Bauteile als kleine Kühlkörper fungieren und auch Wärme abführen. In diesem Bild gibt es einen Prozessorsockel, und er (genauer gesagt der Prozessor) wird auch beheizt. Aber nicht viel, der Wärmeschutz des Prozessors ist auf eine Temperatur von etwa 60 Grad auf der oberen Abdeckung eingestellt. Die Unterseite des Prozessors liegt unter der Temperatur des Deckels. Außerdem befindet sich zwischen der Unterseite des Prozessors und der Leiterplatte eine Kontaktschicht, die die Wärme nicht sehr gut überträgt. Daher kann die thermische Erwärmung durch den Prozessor vernachlässigt werden.

Punkt 3 - Fläche und Leistung pro Transistor.

Der Wandler hat zehn Phasen mit jeweils drei Transistoren. Es ist klar, dass die Wärmeverluste nicht gleichmäßig auf alle Komponenten verteilt sind, aber die Berechnungen sind ungefähr.

Ein Transistor macht 104 / (10 * 3) = 3,5 cm 2 der Leiterplattenfläche aus. Leistung:
Die erste Option ist 10 / (10 * 3) \u003d 0,33 W.
Die zweite Option ist 29 / (10 * 3) \u003d 0,97 W.

Entschuldigung, eine kleine Erläuterung zur Methodik. Bisher wurden Untersuchungen mit ausreichend großen Ausschnitten der Leiterplatte erwogen, die um ein Vielfaches größer sind als die bei dieser Berechnung erhaltene Zahl von 3,5 cm 2 . Bedeutet dies, dass die vorherige Studie falsch war? Überhaupt nicht, sehen Sie sich das Bild genauer an, die Transistoren sind in einer Gruppe zusammengebaut und die Wärme wird durch einen ziemlich verlängerten Abschnitt der Platine (45 und 55 mm) abgeführt.

Punkt 4 - Berechnung des Heizkörpers.

Bei gegebener Leistung und Überhitzung lässt sich die benötigte Oberfläche berechnen. Dazu müssen Sie entscheiden, wie viel für die Überhitzung festgelegt werden soll. IN Systemeinheit 35 Grad gelten als Normaltemperatur, über 50 Grad wird das Bauteil als heiß empfunden. Es stellt sich heraus, dass 50-35 = 15 Grad für eine Überhitzung übrig bleiben.

Bitte beachten Sie, dass diese Überlegungen die Temperatur des Heizkörpers (Leiterplatte) beeinflussen, die Temperatur des Kristalls wird etwas höher sein.

Versuchen wir zunächst einmal, auf Zwangsbelüftung zu verzichten.

Die Oberfläche der Platte (oder besser gesagt einer Seite) wurde bereits berechnet. Außerdem muss diese Zahl mit 1,5 multipliziert werden, da das Brett zwei Seiten hat. Warum nicht verdoppeln? Hier gibt es zwei Punkte:

Zuerst die Kehrseite Hauptplatine leitet die Wärme sehr effektiv ab.
Zweitens besteht die Platine selbst nicht aus reinem Kupfer und arbeitet aufgrund von Verlusten nicht so effizient.

Nach Berechnung der wirksamen Fläche (reduziert auf eine ideale Platte) kann darauf eine vereinfachte Berechnungsformel angewendet werden - eine Fläche von 300 cm 2 erwärmt sich um ein Grad, wenn eine Leistung von einem Watt angelegt wird. Aber Sie können noch mehr tun einfache Lösung- vorher gemessen, bei einer dunklen Leiterplatte (natürlich mehrlagig) fällt auf (einer Seite) einer Fläche von 200 cm 2 ein Faktor von 1 Grad pro Watt.

Für den ungünstigsten Fall, 0,97 W, beträgt die erforderliche Kühlkörperfläche 0,97*200/15 = 13 cm2.

Nun, es ist Zeit zu weinen. Wenn für den Transistor 13 cm 2 auf der Platine wären, brauchte man nicht an einen Radiator zu denken. Und so ... nur 3,5 cm 2.

Wenn wir eine geringere Leistung nehmen (die erste Option erforderte nur 0,33 W), beträgt die erforderliche Kühlerfläche 0,33 * 200/15 = 4,4 cm 2.

Äh. Wenn Sie keinen zusätzlichen Kühler verwenden, ist die erste Option recht funktionsfähig, nur die Überhitzung beträgt bereits 19 Grad statt 15. Nicht tödlich, die Temperatur des Transistors selbst beträgt 54 Grad. Was den zweiten Fall betrifft, wird das Fehlen eines Heizkörpers sehr hart aussagen - Überhitzung von 56 Grad oder einer Temperatur von 91 Grad.

Es ist verständlich, warum der Hersteller dieses Motherboards einen Kühlkörper auf den Transistoren installiert hat. In erster Näherung wird für die normale Funktion des Konverters ein Kühler von 13 cm 2 * 30 \u003d 390 cm 2 benötigt, eine ziemlich große Größe. Ich werde versuchen, eine unvernünftige Annahme zu treffen, dass der vom Hersteller installierte Kühler eine viel geringere wirksame Oberfläche als erforderlich hat, was bedeutet, dass ein zusätzlicher Luftstrom erforderlich ist.

Schlussfolgerungen

Krieg ist Quatsch, Hauptsache Manöver!

Fazit, zweiter Anlauf.

Mhm …. Schlussfolgerungen werden überhaupt nicht geschrieben, vielleicht?

Fast alle Gehäuse haben eine Oberseite aus Kunststoff (Keramik), wodurch es schwierig ist, Wärme durch sie abzuleiten. Sie können einen Heizkörper aufstellen und / oder mit einem starken Luftstrom blasen, aber die Wirkung bleibt dennoch mittelmäßig. Nun, dafür sind sie nicht vorgesehen, was kann man tun. Außerdem wird die Sache nicht dadurch erleichtert, dass der Kristall tief genug unter der Oberfläche liegt.

Wenn das Gehäuse eine Verbindung von Leitern des im Abschnitt TSOP beschriebenen Typs verwendet, sollte das Material des Körpers um die Dicke der Leiter und einen kleinen Rand darüber für die elektrische Isolierung höher sein. Wenn die Leads tief in das Gehäuse eingelassen sind, sie sind um den Quarz herum (siehe Bild im QFN-Bereich), dann ist immer noch ein erheblicher Spielraum über dem Quarz erforderlich, da die Drähte der Quarz-zu-Lead-Verbindung etwas nach oben ragen die Halbleiterplatte. Deshalb habe ich eine so gängige Baugruppe wie drMOS nicht separat getestet - es macht keinen Sinn. Dies ist immer noch derselbe "TSOP", entsprechend der Methode zum Anschließen von Stromkabeln (und damit der Dicke der oberen Abdeckung über dem Kristall); und QFN, durch PCB-Wärmeableitungsverfahren.

Und für die Wärmeableitung durch die Platte an der Unterseite. Ein gewöhnliches Gehäuse ohne Einsätze steht etwas über der Platine und gibt die Wärme sehr schlecht über den Boden ab. Die Lücke wurde zu keinem besonderen Schaden belassen, sie ist technologisch erforderlich - es können lokale Fehler auf der Leiterplatte auftreten (Schutzmaske, Markierungen, Relief der Mehrschichtplatte), und es gibt eine Variation der Parameter bei der Formung der Zuleitungen und Herstellung des Pakets.

Die Hauptaufgabe des SMD-Gehäuses besteht darin, einen sicheren Sitz der Leads, aller Leads, auf den Pads der Leiterplatte zu gewährleisten. Daher gibt es eine Lücke zwischen dem Gehäuse und der Platine. Es ist klein, aber seine Wärmedämmeigenschaften sind „gut“. Wenn das Bauteil viel Wärme erzeugt, kann eine modifizierte Gehäuseausführung mit einer Metallplatte im Boden verwendet werden. In diesem Fall wird der Halbleiterkristall auf dieser Platte montiert, ansonsten macht es keinen Sinn, den Garten einzuzäunen. Die Lösung ist gut, aber warum ist sie nicht üblich? Wenn wir die leicht erhöhten Kosten für das Gehäuse und die Verpackung des Kristalls vergessen, bleibt ein sehr ernstes Problem bestehen - der 'Metall'-Boden stört die Führung der Platine.

So ein Gehäuse kann man nicht einfach auf die Platine stellen, die Schutzmaske kann die Kurzschlussfreiheit nicht garantieren. Selbst wenn Sie die Hände von Technologen verdrehen und sie anziehen, ist es immer noch schlecht - in der modernen Elektronik sind alle Schaltkreise Leitungen und sie haben eine sehr bestimmte Impedanz. Und da sich das untere Metall direkt über den Leitern befindet, ändert sich die Impedanz und stimmt nicht mit der berechneten überein. Ändert sich die Impedanz des Stromkreises entlang seiner Länge, so treten teilweise lokale Reflexionen auf und die Signalform wird verzerrt.

Wenn also ein Gehäuse mit Metall im Boden verwendet wird, muss der entsprechende Bereich der Platine von der Leiterbahn isoliert werden. Wenn sich Metall im Boden befindet, nimmt es normalerweise einen erheblichen Teil davon ein, was sich unweigerlich auf die Qualität der Verfolgung von Schaltkreisen auswirkt - es ist einfach weniger Platz vorhanden. Obwohl die Einsätze selbst nützlich sind, werden sie daher nicht aus sachlichen Gründen eingesetzt. Es ist jedoch erwähnenswert, dass Halbleiterkristalle in Mikroschaltungen häufig auf Wärmeverteilungsplatten installiert sind, sie sind einfach nicht sichtbar und im Gehäuse isoliert. Das verbessert die Wärmeableitung und äußerlich sieht das Gehäuse traditionell aus.

Übrigens habe ich mir einmal SDRAM-Chips in einem TSOP-Gehäuse angesehen - sie verwendeten einen riesigen Halbleiterkristall, der den gesamten Raum des Gehäuses abdeckte. Der Kristall wurde auf eine dünne Kupferplatte montiert. Speichermikroschaltkreise sind äußerst empfindlich gegenüber lokaler Erwärmung, daher ist die Einführung einer Platte durchaus gerechtfertigt.

Aufgrund der Messergebnisse haben sich einige allgemeine Schlussfolgerungen angesammelt, es ist Zeit, sie an einem Ort zu sammeln.

Gehäusetypen beeinflussen den Kühlmechanismus. Wenn das Gehäuse keine Wärmeabfuhr zur Platine bietet (TSOP, SOIC und ähnliches), dann sollten Sie sich nicht auf eine effiziente Wärmeabfuhr durch die Leiterplatte verlassen. Bei einem Gehäuse mit entwickelter Oberfläche können Sie sich auf den Luftstrom verlassen. Andernfalls müssen Sie einen zusätzlichen Kühler installieren.

Wärmeleitpads sind böse, ihre schädliche Essenz spiegelt sich deutlich in den Messungen wider. In einigen Fällen führt die Einführung dieses Elements zu einem schlechteren Ergebnis als ganz ohne Kühler. Bei Verwendung eines Gruppenstrahlers, der mehreren Gehäusen gemeinsam ist, kann auf dieses Übel leider nicht verzichtet werden - zumindest ein wenig, aber die Gehäuse unterscheiden sich in der Dicke, und das Wärmeleitpad soll den Unterschied ausgleichen. Einige Gehäuse erfordern einfach die Verwendung von Wärmeleitpads, da sie eine Metalloberseite haben, die elektrischen Kontakt mit der Schaltung hat.

Lokale Strahler sind besser als Gruppenstrahler, da sie keine Wärmeleitpads erfordern, aber die Größe und Form eines solchen Strahlers muss angemessen sein - ein großes Volumen (genauer gesagt eine Oberfläche), seltene und hohe Nadeln oder Lamellen. Die übliche Bauteilgröße liegt bei 5x5 ... 10x10 mm, was die Auswahl eines ordentlichen Radiators erschwert. Sehen Sie sich die Testergebnisse an, Heizkörper von 10 cm 2 ... 20 cm 2 können ohne forcierten Luftstrom keine signifikante Wirkung haben, und das sind bereits sehr große Strukturen.

Wenn eine Komponente überhitzt, ist es effizienter, einen Luftstrom anzuwenden, als einen Kühlkörper zu installieren. Der Grund ist trivial - ein großer Wärmewiderstand durch die obere Abdeckung. Gehäuse sind einfach nicht für die Wärmeableitung über die Oberseite ausgelegt. Lassen Sie uns noch nicht über das DirectFET-Packaging sprechen, da es nicht sehr verbreitet ist. Es ist schade.

10.1. Zweck von Heizkörpern- Wärme von Halbleiterbauelementen entfernen, was es ermöglicht, die Temperatur von p-n-Übergängen zu reduzieren und dadurch ihre Auswirkung auf die Betriebsparameter von Bauelementen zu reduzieren. Es werden Lamellen-, Rippen- und Nadelradiatoren verwendet.Um die Wärmeableitung zu verbessern, wird am besten ein halbleitendes Bauteil direkt am Radiator befestigt.Wenn eine elektrische Isolierung des Geräts vom Gehäuse erforderlich ist, wird der Radiator durch isolierende Dichtungen am Chassis befestigt. Die Wärmeabstrahlungskapazität des Heizkörpers hängt vom Schwärzungsgrad des Materials (oder seiner Oberfläche) ab, aus dem der Heizkörper besteht:

Je größer der Schwärzungsgrad ist, desto effizienter ist die Wärmeableitung.

10.2. Pin-Kühlkörper- ein sehr effizienter Kühlkörper für Halbleiterbauelemente. Für seine Herstellung werden Duraluminiumbleche mit einer Dicke von 4-6 mm und Aluminiumdraht mit einem Durchmesser von 3-5 mm benötigt.
Auf der Oberfläche der vorbehandelten Kühlerplatte werden die Löcher für die Stifte, die Anschlüsse der Transistoren (oder Dioden) und die Befestigungsschrauben mit einem Körner markiert. Der Abstand zwischen den Mitten der Löcher (Abstand) für die Stifte in einer Reihe und zwischen Reihen sollte gleich 2-2,5 Durchmesser des verwendeten Aluminiumdrahts sein. Der Durchmesser der Löcher ist so gewählt, dass der Draht mit möglichst geringem Spalt in sie eintritt. Auf der Rückseite sind die Löcher 1-1,5 mm tief angesenkt.
Aus einer Stahlstange mit einer Länge von 80-100 mm und einem Durchmesser von V-10 mm wird ein Dorn hergestellt, für den am Ende der Stange ein Loch mit einem Durchmesser von 0,1 mm größer als der Drahtdurchmesser gebohrt wird. Die Tiefe des Lochs sollte der Höhe der zukünftigen Kühlerstifte entsprechen.

Reis. 10.1. Crimp für Kühlerstifte

Dann wird die erforderliche Anzahl von Stiftrohlingen geschnitten. Dazu wird ein Stück Draht in das Loch des Dorns eingeführt und mit einem Drahtschneider so abgeschnitten, dass die Länge des aus dem Dorn herausragenden Endes 1-1,5 mm größer ist als die Dicke der Platte. Der Dorn wird mit dem Loch nach oben in einen Schraubstock eingespannt, ein Stiftrohling wird in das Loch eingeführt, auf dessen hervorstehendes Ende eine Platte auf die Vorderseite gelegt und mit leichten Hammerschlägen vernietet wird, wobei versucht wird, die Vertiefung des Senkers zu füllen. Somit sind alle Pins installiert.
Der Pin-Kühlkörper kann auch mit einer etwas anderen Art des Einsetzens der Pins in die Löcher in der Grundplatte hergestellt werden. Es wird ein Stahlcrimp hergestellt, dessen Zeichnung für Stifte mit einem Durchmesser von 3 und einer Länge von bis zu 45 mm in Abb. 10.1. Der Arbeitsteil des Crimps sollte gehärtet sein. Der Stift wird in das Loch im Kühlersockel eingeführt, der Sockel wird auf den Amboss gelegt, ein Crimp wird auf den Stift gelegt und mit einem Hammer geschlagen. Um den Stift herum ist eine Ringnut ausgebildet, und der Stift selbst ist fest in das Loch eingesetzt.
Wenn ein doppelseitiger Heizkörper hergestellt werden muss, sind zwei solcher Crimps erforderlich: Ein Stift wird in einen von ihnen eingeführt, mit dem Loch nach oben auf dem Amboss installiert, der Heizkörpersockel wird aufgereiht und der zweite Crimp wird angelegt Spitze. Mit einem Hammerschlag auf den oberen Crimp wird der Stift von beiden Seiten gleichzeitig fixiert. Auf diese Weise ist es möglich, Heizkörper sowohl aus Aluminium- als auch aus Kupferlegierungen herzustellen. Und schließlich können die Stifte durch Löten installiert werden. Nehmen Sie dazu als Material Kupfer- oder Messingdraht mit einem Durchmesser von 2-4 mm. Ein Ende des Stifts ist auf eine Länge verzinnt, die um 1-2 mm größer ist als die Dicke der Platte. Der Durchmesser der Löcher in der Platte sollte so sein, dass die verzinnten Stifte ohne großen Kraftaufwand hineinpassen.
Flüssiges Flussmittel wird in die Basislöcher eingeführt (Tabelle 9.2), Stifte werden eingeführt und jeder von ihnen wird mit einem starken Lötkolben gelötet. Am Ende der Arbeit wird der Kühler mit Aceton gewaschen.

Reis. 10.2. Kühler für einen leistungsstarken Transistor

10.3. Kupferblechheizkörper 1-2 mm dick können für leistungsstarke Transistoren wie P210, KT903 und andere in ähnlichen Fällen hergestellt werden. Dazu wird aus Kupfer ein Kreis mit einem Durchmesser von 60 mm ausgeschnitten, in der Mitte des Werkstücks Löcher zur Montage des Transistors und seiner Zuleitungen markiert. Dann wird in radialer Richtung mit einer Metallschere ein Kreis von 20 mm geschnitten und entlang des Umfangs in 12 Teile geteilt. Nach dem Einbau des Transistors wird jeder Sektor um 90° gedreht und hochgebogen.

10.4. Kühler für Hochleistungstransistoren Typ KT903, KT908 und andere in ähnlichen Fällen können aus Aluminiumblech mit einer Dicke von 2 mm hergestellt werden (Abb. 10.2). Die angegebenen Abmessungen des Strahlers liefern die Fläche der strahlenden Oberfläche, die für eine Verlustleistung am Transistor bis zu 16 W ausreicht.

Reis. 10.3. Kühler für einen Niederleistungstransistor: a-scan; b- Gesamtansicht

10.5. Kühler für Niederleistungstransistoren kann aus Rotkupfer- oder Messingblech mit einer Dicke von 0,5 mm gemäß den Zeichnungen in Abb. 10.3. Nachdem alle Schnitte durchgeführt wurden, wird die Reibahle mit einem Dorn mit entsprechendem Durchmesser zu einem Rohr gerollt. Dann wird das Werkstück fest auf das Transistorgehäuse gelegt und mit einem Federring gedrückt, nachdem zuvor die seitlichen Befestigungsohren gebogen wurden. Der Ring besteht aus Stahldraht mit einem Durchmesser von 0,5-1 mm. Anstelle eines Rings können Sie auch ein Kupferdrahtband verwenden. Dann werden die Seitenohren nach unten gebogen, die eingeschnittenen "Federn" des Werkstücks im gewünschten Winkel nach außen gebogen - und fertig ist der Heizkörper.

10.6. Strahler für Transistoren der Serien KT315, KT361 kann aus einem Streifen aus Kupfer, Aluminium oder Zinn mit einer Breite von 2-3 mm mehr als die Breite des Transistorgehäuses hergestellt werden (Abb. 10.4). Der Transistor wird mit Epoxid oder einem anderen Kleber mit guter Wärmeleitfähigkeit in den Kühler geklebt. Für einen besseren thermischen Kontakt zwischen dem Transistorgehäuse und dem Kühler ist es erforderlich, das Gehäuse an den Kontaktstellen zu entlacken, in den Kühler einzubauen und mit möglichst geringem Spalt zu verkleben. Installieren Sie den Transistor mit dem Kühlkörper wie gewohnt auf der Platine, wobei die Unterkanten des Kühlkörpers an der Platine anliegen sollten. Wenn die Breite des Streifens 7 mm beträgt und die Höhe des Strahlers (aus verzinntem Blech mit einer Dicke von 0,35 mm) 22 mm beträgt, dann ist bei einer Verlustleistung von 500 mW die Temperatur des Strahlers an der Stelle, an der sich der Transistor befindet verklebt 55 °C nicht überschreitet.

10,7. Zerbrechlicher Kühlkörper aus Metall Beispielsweise werden sie aus Duraluminiumblech in Form eines Plattensatzes hergestellt (Abb. 10.5). Bei der Herstellung von Dichtungen und Kühlerplatten muss sichergestellt werden, dass an den Kanten der Löcher und an den Kanten der Platten keine Grate vorhanden sind. Die Kontaktflächen der Dichtungen und Platten werden sorgfältig [auf feinkörnigem Sandpapier geschliffen und auf ein flaches Glas gelegt. Wenn es nicht erforderlich ist, das Transistorgehäuse vom Gerätegehäuse zu isolieren, kann der Kühler an der Wand des Gerätegehäuses oder an einer inneren Trennwand ohne Isolierdichtungen montiert werden, was eine effizientere Wärmeübertragung gewährleistet.

10.8. Montage von Dioden Typ D226 am Kühler oder auf einem Kühlkörper. Die Dioden werden mit einem Flansch befestigt. Das Kathodenkabel wird ganz unten abgebissen und die Unterseite wird vorsichtig auf einem feinkörnigen Sandpapier gereinigt, bis eine saubere, ebene Oberfläche erhalten wird. Wenn es notwendig ist, den Kathodenanschluss zu verlassen, wird ein Loch für den Anschluss in den Kühler gebohrt, der Lack wird mit Aceton vom Boden entfernt und der Rand (Rand) der Diode wird zur besseren Wärme sorgfältig bündig mit dem Boden gefeilt Kontakt zwischen Diode und Strahler.

10.9. Verbesserung des thermischen Kontakts zwischen dem Transistor und dem Kühlkörper sorgt für mehr Verlustleistung am Transistor.
Manchmal, insbesondere bei der Verwendung von Gussheizkörpern, ist es schwierig, manchmal sogar unmöglich, Schalen und andere Oberflächenfehler an der Stelle des thermischen Kontakts zu entfernen (um ihn zu verbessern). In diesem Fall hilft eine Bleidichtung. Die Bleiplatte wird sorgfältig zwischen zwei glatten Flachstäben auf eine Dicke von etwa 10,5 mm gewalzt oder geglättet und die Dichtung wird auf die erforderliche Größe und Form zugeschnitten. Beide Seiten davon werden mit einem feinkörnigen Schleifpapier gereinigt, unter dem Transistor installiert und die Baugruppe mit Schrauben fest zusammengedrückt. Die Dichtung sollte nicht dicker als 1 mm sein, da die Wärmeleitfähigkeit von Blei gering ist.

10.10. Schwärzung von Aluminiumheizkörpern. Um die Wärmeübertragungseffizienz des Heizkörpers zu verbessern, wird seine Oberfläche normalerweise matt und dunkel gemacht. Erschwinglicher Weg Schwärzung - Behandlung des Kühlers in einer wässrigen Eisenchloridlösung.
Zur Herstellung der Lösung wird ein gleiches Volumen Eisenchloridpulver und Wasser benötigt. Der Kühler wird von Staub, Schmutz gereinigt, gründlich mit Benzin oder Aceton entfettet und in eine Lösung getaucht. 5-10 Minuten in der Lösung belassen. Die Farbe des Heizkörpers ist dunkelgrau. Die Verarbeitung muss in einem gut belüfteten Bereich oder im Freien erfolgen.

WISSEN SIE?

10.11. Das thermische Regime von Transistoren mit geringer Leistung kann erleichtert werden, indem ein Torus ("Lenkrad") auf das Metallgehäuse des Transistors gesetzt wird - eine Spirale aus Kupfer-, Messing- oder Bronzedraht mit einem Durchmesser von 0,5 bis 1,0 mm.
10.12. Ein guter Kühlkörper kann das Metallgehäuse des Geräts oder seine internen Leitbleche sein.
10.13. Die Ebenheit des Kühlkörperpads wird überprüft, indem die Basis des Transistors mit etwas Farbe bestrichen und auf die Oberfläche des Pads aufgetragen wird. Vorstehende Kontaktflächen. Die Kühlerpads werden lackiert.
10.14. Um einen guten thermischen Kontakt sicherzustellen, kann die an den Kühler angrenzende Oberfläche des Transistors mit einem nicht trocknenden Schmiermittel, wie z. B. Silikon, geschmiert werden. Dadurch wird der Wärmewiderstand des Kontakts um das Eineinhalb- bis Zweifache reduziert.
10.15. Um die Kühlbedingungen zu verbessern, muss der Kühler so positioniert werden, dass er die Konvektionsluftströme nicht behindert: Die Kühlerlamellen sind vertikal, und die Seite, auf der sich der Transistor befindet, muss seitlich sein und nicht darunter oder darüber.

Es gibt einen solchen Parameter wie den Wärmewiderstand. Sie zeigt an, um wie viel Grad sich ein Objekt erwärmt, wenn 1 W Leistung darin freigesetzt wird. Leider wird dieser Parameter in Transistor-Nachschlagewerken selten angegeben. Bei einem Transistor im TO-5-Gehäuse beträgt der Wärmewiderstand beispielsweise 220 °C pro 1 W. Das bedeutet, wenn 1 Watt Leistung im Transistor freigesetzt wird, erwärmt sich dieser um 220°C. Wenn wir eine Erwärmung auf nicht mehr als 100 ° C zulassen, beispielsweise um 80 ° C relativ zur Raumtemperatur, erhalten wir, dass nicht mehr als 80/220 \u003d 0,36 W am Transistor freigesetzt werden sollten. In Zukunft halten wir es für akzeptabel, den Transistor oder Thyristor um nicht mehr als 80 ° C zu erwärmen.

Es gibt eine grobe Formel zur Berechnung des Wärmewiderstands eines Kühlkörpers Q = 50/ VS °C/W, (1) wobei S die Oberfläche des Kühlkörpers ist, ausgedrückt in Quadratzentimetern. Daraus lässt sich die Oberfläche nach der Formel S = 2 berechnen.
Betrachten Sie als Beispiel die Berechnung des Wärmewiderstands der in der Abbildung gezeigten Struktur. Das Design des Kühlkörpers besteht aus 5 Aluminiumplatten, die in einem Paket montiert sind. Angenommen B = 20 cm, T = 10 cm und Höhe (in der Abbildung nicht gezeigt) 12 cm, jeder "Vorsprung" hat eine Fläche von 10x12 = 120 cm2 und unter Berücksichtigung beider Seiten 240 cm2. Zehn "Vorsprünge" haben eine Fläche von 2400 cm2, und die Platte hat zwei Seiten x 20 x 12 = 480 cm2. Insgesamt erhalten wir S=2880 cm2. Nach Formel (1) berechnen wir Q=0,93°C/W. Bei einer zulässigen Erwärmung von 80 ° C erhalten wir eine Verlustleistung von 80 / 0,93 \u003d 90 W.

Machen wir nun die Rückrechnung.
Angenommen, Sie benötigen ein Netzteil mit einer Ausgangsspannung von 12 V und einem Strom von 10 A. Nach dem Gleichrichter haben wir 17 V, daher beträgt der Spannungsabfall am Transistor 5 V, was bedeutet, dass die Leistung darauf 50 beträgt W. Bei zulässiger Erwärmung um 80°C erhalten wir den geforderten Wärmewiderstand Q=80/50=1,6°C/W. Dann bestimmen wir nach Formel (2) S = 1000 cm2.

Literatur
Konstrukteur Nr. 4/2000

Ähnliche Artikel

Einloggen mit:

Zufällige Artikel

20.09.2014
allgemeine InformationenÜber elektrische Verkabelung Elektrische Verkabelung ist eine Sammlung von Drähten und Kabeln mit den dazugehörigen Befestigungen, Stütz- und Schutzstrukturen. Versteckte elektrische Leitungen haben eine Reihe von Vorteilen gegenüber offener Verkabelung: Sie sind sicherer und langlebiger, vor mechanischen Beschädigungen geschützt, hygienisch und stören Wände und Decken nicht. Aber es ist teurer und bei Bedarf schwieriger zu ersetzen. …
27.09.2014
Auf der Basis von K174UN7 ist eine Montage nicht möglich komplexer Generator mit 3 Teilbereichen: 20…200, 200…2000 und 2000…20000Hz. Der POS bestimmt die Frequenz der erzeugten Schwingungen, er ist auf den Elementen R1-R4 und C1-C6 aufgebaut. Die Gegenkopplungsschaltung, die die nichtlineare Verzerrung des Signals reduziert und seine Amplitude stabilisiert, wird durch einen Widerstand R6 und eine Glühlampe H1 gebildet. Mit den angegebenen Werten der Schaltung ...

Über Schutz Stromkreise Durch die falsche Polarität der Stromversorgung mit einem Feldeffekttransistor erinnerte ich mich, dass ich lange Zeit ein ungelöstes Problem hatte automatische Abschaltung Batterie ab Ladegerät wenn letzterer stromlos ist. Und ich wurde neugierig, ob es möglich wäre, einen ähnlichen Ansatz in einem anderen Fall anzuwenden, wo auch seit jeher eine Diode als Verriegelungselement verwendet wurde.

Dieser Artikel ist ein typischer Fahrradratgeber, denn. spricht über die Entwicklung einer Schaltung, deren Funktionalität längst in Millionen fertiger Geräte implementiert ist. Daher gilt die Anfrage für dieses Material nicht als etwas völlig Nützliches. Vielmehr ist es einfach eine Geschichte darüber, wie elektronisches Gerät: Von der Bedarfsrealisierung bis zum funktionierenden Prototypen durch alle Hürden.

Wozu das alles?

Bei redundanter Niederspannungsversorgung Gleichstrom Der einfachste Weg, eine Blei-Säure-Batterie einzuschalten, ist als Puffer, parallel zur Netzquelle, wie es in Autos gemacht wurde, bevor sie komplexe "Gehirne" hatten. Obwohl die Batterie nicht im optimalen Modus arbeitet, wird sie immer geladen und erfordert keine Leistungsumschaltung, wenn die Netzspannung am Netzteileingang ausgeschaltet oder eingeschaltet wird. Im Folgenden werden einige der Probleme einer solchen Inklusion und ein Versuch, sie zu lösen, ausführlicher beschrieben.

Hintergrund

Vor rund 20 Jahren stand dieses Thema nicht auf der Tagesordnung. Der Grund dafür war die Schaltung einer typischen Netzstromversorgung (oder eines Ladegeräts), die verhinderte, dass sich die Batterie zu ihren Ausgangskreisen entlädt, wenn die Netzspannung abgeschaltet wurde. Mal sehen die einfachste Schaltung Block mit Einweggleichrichtung:

Es liegt auf der Hand, dass dieselbe Diode, die die Wechselspannung der Netzwicklung gleichrichtet, auch verhindert, dass sich die Batterie beim Abschalten der Versorgungsspannung auf die Sekundärwicklung des Transformators entlädt. Die Vollweggleichrichter-Brückenschaltung hat, obwohl etwas weniger offensichtlich, genau die gleichen Eigenschaften. Und selbst die Verwendung eines parametrischen Spannungsreglers mit Stromverstärker (wie der weit verbreitete 7812-Chip und seine Analoga) ändert nichts an der Situation:

Wenn Sie sich ein vereinfachtes Diagramm eines solchen Stabilisators ansehen, wird deutlich, dass der Emitterübergang des Ausgangstransistors die Rolle derselben Sperrdiode spielt, die schließt, wenn die Spannung am Gleichrichterausgang ausfällt, und hält Batterieladung sicher und gesund.

Allerdings hinein letzten Jahren Alles hat sich geändert. Transformator-Netzteile mit parametrischer Stabilisierung wurden durch kompaktere und billigere schaltende AC/DC-Spannungswandler ersetzt, die einen viel höheren Wirkungsgrad und ein höheres Leistungsgewicht aufweisen. Doch bei allen Vorteilen haben diese Netzteile einen Nachteil: Ihre Ausgangskreise sind wesentlich aufwendiger beschaltet, was in der Regel keinen Schutz vor Rückstrom aus dem Sekundärkreis bietet. Infolgedessen beginnt sich bei Verwendung einer solchen Quelle in einem System der Form „Netzteil -> Pufferbatterie -> Last“ beim Abschalten der Netzspannung die Batterie intensiv zu den Ausgangskreisen des Netzteils zu entladen.

Der einfachste Weg (Diode)

Die einfachste Lösung besteht darin, eine Schottky-Sperrdiode zu verwenden, die in der Unterbrechung des positiven Kabels enthalten ist, das das Netzteil und die Batterie verbindet:

Die Hauptprobleme einer solchen Lösung wurden jedoch bereits in dem oben erwähnten Artikel angesprochen. Außerdem kann dieser Ansatz aufgrund der Tatsache inakzeptabel sein, dass eine 12-Volt-Blei-Säure-Batterie eine Spannung von mindestens 13,6 Volt benötigt, um im Puffermodus zu arbeiten. Und fast ein halbes Volt, das auf die Diode fällt, kann diese Spannung in Kombination mit der vorhandenen Stromversorgung (nur mein Fall) banal unerreichbar machen.

All dies zwingt uns, nach alternativen Möglichkeiten der automatischen Umschaltung zu suchen, die folgende Eigenschaften haben sollten:

Geringer Durchlassspannungsabfall im eingeschalteten Zustand.
Die Fähigkeit, ohne nennenswerte Erwärmung dem Gleichstrom standzuhalten, der von der Stromversorgungseinheit durch die Last und die Pufferbatterie im eingeschalteten Zustand aufgenommen wird.
Hoher Sperrspannungsabfall und geringer Eigenverbrauch im ausgeschalteten Zustand.
Normalerweise ausgeschalteter Zustand, sodass sich eine geladene Batterie, wenn sie an ein anfänglich stromloses System angeschlossen wird, nicht zu entladen beginnt.
Automatischer Übergang in den Ein-Zustand beim Anlegen der Netzspannung, unabhängig von Vorhandensein und Ladezustand des Akkus.
Schnellster automatischer Übergang in den Aus-Zustand bei Stromausfall.

Wenn die Diode ein ideales Gerät wäre, dann würde sie alle diese Bedingungen ohne Probleme erfüllen, aber die harte Realität lässt Zweifel an den Punkten 1 und 2 aufkommen.

Naive Lösung (DC-Relais)

Bei der Analyse der Anforderungen kommt jeder, der sich auch nur ein bisschen auskennt, auf die Idee, hierfür ein elektromagnetisches Relais zu verwenden, das in der Lage ist, Kontakte physikalisch durch ein Magnetfeld zu schließen, das durch einen Steuerstrom in der Wicklung erzeugt wird . Und wahrscheinlich wird er sogar so etwas auf einer Serviette skizzieren:

In dieser Schaltung werden normalerweise offene Relaiskontakte nur geschlossen, wenn Strom durch die Wicklung fließt, die mit dem Ausgang der Stromversorgung verbunden ist. Wenn Sie jedoch die Liste der Anforderungen durchgehen, stellt sich heraus, dass diese Schaltung nicht Absatz 6 entspricht. Wenn die Relaiskontakte einmal geschlossen waren, führt der Verlust der Netzspannung aus dem Grund nicht zu deren Öffnung dass die Wicklung (und damit der gesamte Ausgangskreis des Netzteils) über die gleichen Kontakte mit der Batterie verbunden bleibt! Ein typischer Fall von positiver Rückkopplung liegt vor, wenn der Steuerkreis direkt mit dem ausführenden Schaltkreis verbunden ist und das System dadurch die Eigenschaften eines bistabilen Triggers erhält.

Ein solch naiver Ansatz ist also keine Lösung des Problems. Wenn wir die aktuelle Situation logisch analysieren, können wir außerdem leicht zu dem Schluss kommen, dass es im Intervall „Netzteil -> Pufferbatterie“ unter idealen Bedingungen keine andere Lösung geben kann als ein Ventil, das den Strom in eine Richtung leitet. Wenn wir kein externes Steuersignal verwenden, wird jedes unserer Schaltelemente, sobald es eingeschaltet ist, unabhängig davon, was wir an diesem Punkt in der Schaltung tun, die von der Batterie erzeugte Elektrizität ununterscheidbar von Elektrizität machen. vom Block generiert Ernährung.

Umleitung (AC-Relais)

Nachdem alle Probleme des vorherigen Absatzes erkannt wurden, kommt eine „tastende“ Person normalerweise auf eine neue Idee, die Stromversorgung selbst als leitendes Einwegventil zu verwenden. Warum nicht? Wenn das Netzteil kein reversibles Gerät ist und die an seinen Ausgang gelieferte Batteriespannung am Eingang keine Wechselspannung von 220 Volt erzeugt (wie dies in 100% der Fälle realer Schaltkreise der Fall ist), kann dieser Unterschied auftreten als Steuersignal für das Schaltelement verwendet werden:

Bingo! Alle Anforderungen sind erfüllt und es wird lediglich ein Relais benötigt, das bei anliegender Netzspannung Kontakte schließen kann. Dies kann ein spezielles AC-Relais sein, das für Netzspannung ausgelegt ist. Oder ein gewöhnliches Relais mit eigenem Mini-Netzteil (hier reicht jede transformatorlose Abwärtsschaltung mit einem einfachen Gleichrichter).

Es wäre möglich, den Sieg zu feiern, aber diese Entscheidung hat mir nicht gefallen. Zuerst müssen Sie etwas direkt mit dem Netzwerk verbinden, was in Bezug auf die Sicherheit nicht gut ist. Zweitens die Tatsache, dass dieses Relais erhebliche Ströme schalten muss, wahrscheinlich bis zu mehreren zehn Ampere, und dies macht das gesamte Design nicht so trivial und kompakt, wie es zunächst erscheinen mag. Und drittens, was ist mit einem so bequemen Feldeffekttransistor?

Erste Lösung (FET + Batteriespannungsmesser)

Die Suche nach einer eleganteren Lösung des Problems führte mich zu der Erkenntnis, dass ein Akku im Pufferbetrieb bei einer Spannung von etwa 13,8 Volt ohne externes „Nachladen“ auch ohne externes „Nachladen“ schnell seine ursprüngliche Spannung verliert Belastung. Wenn es sich am Netzteil zu entladen beginnt, verliert es in der ersten Minute mindestens 0,1 Volt, was für eine zuverlässige Fixierung durch den einfachsten Komparator mehr als genug ist. Im Allgemeinen ist die Idee wie folgt: Das Gate des Schalt-FET wird von einem Komparator gesteuert. Einer der Komparatoreingänge ist mit einer stabilen Spannungsquelle verbunden. Der zweite Eingang ist mit dem Spannungsteiler des Netzteils verbunden. Außerdem ist das Teilungsverhältnis so gewählt, dass die Spannung am Ausgang des Teilers bei eingeschaltetem Netzteil etwa 0,1...0,2 Volt höher ist als die Spannung der stabilisierten Quelle. Wenn das Netzteil eingeschaltet ist, überwiegt daher immer die Spannung vom Teiler, aber wenn das Netzwerk ausgeschaltet ist, nimmt die Batteriespannung proportional zu diesem Abfall ab. Nach einiger Zeit ist die Spannung am Ausgang des Teilers geringer als die Spannung des Stabilisators und der Komparator unterbricht den Stromkreis mit einem Feldeffekttransistor.

Ein Beispieldiagramm eines solchen Geräts:

Wie Sie sehen können, ist der direkte Eingang des Komparators mit einer stabilen Spannungsquelle verbunden. Die Spannung dieser Quelle ist im Prinzip nicht wichtig, die Hauptsache ist, dass sie innerhalb der zulässigen Eingangsspannungen des Komparators liegt, aber es ist praktisch, wenn sie etwa die Hälfte der Batteriespannung beträgt, dh etwa 6 Volt. Der inverse Eingang des Komparators ist mit dem PSU-Spannungsteiler verbunden, und der Ausgang ist mit dem Gate des Schalttransistors verbunden. Wenn die Spannung am invertierten Eingang die des direkten Eingangs übersteigt, verbindet der Komparatorausgang das Gate des FET mit Masse, wodurch der Transistor eingeschaltet und der Stromkreis geschlossen wird. Nach einem Stromausfall sinkt nach einiger Zeit die Batteriespannung und damit auch die Spannung am inversen Eingang des Komparators, und wenn sie unter dem Pegel am direkten Eingang liegt, „reißt“ der Komparator das Transistorgate ab den Boden und unterbrechen dadurch den Stromkreis. Wenn die Stromversorgung in Zukunft wieder „zum Leben erweckt“ wird, steigt die Spannung am invertierten Eingang sofort auf ein normales Niveau und der Transistor öffnet wieder.

Für praktische Anwendung Für diese Schaltung wurde der LM393-Chip verwendet, den ich habe. Dies ist ein sehr billiger (weniger als zehn Cent im Einzelhandel), aber gleichzeitig sparsamer und ziemlich leistungsfähiger Dual-Komparator. Es akzeptiert Spannungen bis zu 36 Volt, hat ein Übertragungsverhältnis von mindestens 50 V / mV und seine Eingänge sind ziemlich hochohmig. Als Schalttransistor wurde der erste kommerziell erhältliche Hochleistungs-P-Kanal-MOSFET FDD6685 genommen. Nach mehreren Versuchen, dies praktisches Schema schalten:

Darin wird die abstrakte Quelle einer stabilen Spannung durch einen sehr realen parametrischen Stabilisator aus einem Widerstand R2 und einer Zenerdiode D1 ersetzt, und der Teiler basiert auf einem Abstimmwiderstand R1, mit dem Sie den Teilungsfaktor einstellen können auf den gewünschten Wert. Da die Komparatoreingänge eine sehr hohe Impedanz haben, kann der Dämpfungswiderstand im Stabilisator mehr als hundert kOhm betragen, was den Leckstrom und damit den Gesamtverbrauch des Geräts minimiert. Der Wert des Abstimmwiderstands ist überhaupt nicht kritisch und kann ohne Auswirkungen auf die Leistung der Schaltung im Bereich von zehn bis mehreren hundert kOhm gewählt werden. Da der Ausgangskreis des Komparators LM393 in Open-Collector-Schaltung aufgebaut ist, wird zu seiner Funktionsergänzung zusätzlich ein Lastwiderstand R3 mit einem Widerstandswert von mehreren hundert kOhm benötigt.

Die Einstellung der Vorrichtung beschränkt sich auf das Einstellen der Position des Trimmwiderstandsmotors auf eine Position, bei der die Spannung an Zweig 2 der Mikroschaltung diejenige an Zweig 3 um etwa 0,1 ... 0,2 Volt übersteigt. Zum Einrichten sollte man besser nicht mit einem Multimeter in hochohmige Schaltungen gehen, sondern einfach durch Schieben des Widerstandsschiebers auf die untere (laut Schema) Position das Netzteil anschließen (die Batterie schließen wir nicht an noch), und messen Sie die Spannung an Pin 1 der Mikroschaltung, bewegen Sie den Widerstandskontakt nach oben. Sobald die Spannung schlagartig auf Null abfällt, Voreinstellung kann als abgeschlossen betrachtet werden.

Sie sollten nicht danach streben, bei einer minimalen Spannungsdifferenz abzuschalten, da dies zwangsläufig zu einem fehlerhaften Betrieb der Schaltung führt. Unter realen Bedingungen ist es dagegen notwendig, die Empfindlichkeit bewusst zu unterschätzen. Tatsache ist, dass beim Einschalten der Last die Spannung am Eingang der Schaltung aufgrund der unvollkommenen Stabilisierung im Netzteil und des endlichen Widerstands der Verbindungsdrähte zwangsläufig abfällt. Dies kann dazu führen, dass ein zu empfindliches Gerät einen solchen Drawdown als Netzteilabschaltung betrachtet und den Stromkreis unterbricht. Infolgedessen wird das Netzteil nur angeschlossen, wenn keine Last vorhanden ist, und die Batterie muss den Rest der Zeit arbeiten. Wenn die Batterie etwas entladen ist, öffnet sich die interne Diode des Feldeffekttransistors und der Strom vom Netzteil beginnt durch sie in den Stromkreis zu fließen. Dies führt jedoch zu einer Überhitzung des Transistors und dazu, dass die Batterie im langen Unterlademodus arbeitet. Im Allgemeinen sollte die endgültige Kalibrierung unter realer Last durchgeführt werden, wobei die Spannung an Pin 1 des Mikroschaltkreises gesteuert wird und infolgedessen ein kleiner Spielraum für die Zuverlässigkeit verbleibt.

Signifikante Nachteile dieses Schemas sind die relative Komplexität der Kalibrierung und die Notwendigkeit, den potenziellen Verlust der Batterieleistung in Kauf zu nehmen, um korrekt zu arbeiten.

Das letzte Manko spukte und brachte mich nach einigem Überlegen auf die Idee, nicht die Batteriespannung, sondern direkt die Stromrichtung im Stromkreis zu messen.

Zweite Lösung (Feldeffekttransistor + Stromrichtungsmesser)

Ein kniffliger Sensor könnte verwendet werden, um die Richtung des Stroms zu messen. Zum Beispiel ein Hall-Sensor, der den Magnetfeldvektor um den Leiter herum erfasst und es Ihnen ermöglicht, nicht nur die Richtung, sondern auch die Stärke des Stroms zu bestimmen, ohne den Stromkreis zu unterbrechen. Aufgrund des Fehlens eines solchen Sensors (und der Erfahrung mit solchen Geräten) wurde jedoch entschieden, zu versuchen, das Vorzeichen des Spannungsabfalls auf dem FET-Kanal zu messen. Natürlich wird der Kanalwiderstand im offenen Zustand in Hundertstel Ohm gemessen (das ist die ganze Idee dafür), aber er ist trotzdem ziemlich endlich und Sie können versuchen, darauf zu spielen. Ein weiteres Argument für diese Lösung ist der Wegfall der Feinjustierung. Schließlich messen wir nur die Polarität des Spannungsabfalls und nicht seinen absoluten Wert.

Nach den pessimistischsten Berechnungen haben wir bei einem offenen Kanalwiderstand des FDD6685-Transistors von etwa 14 mΩ und einer Differenzempfindlichkeit des LM393-Komparators aus der Spalte „min“ von 50 V / mV einen vollen Spannungshub von 12 Volt am Ausgang des Komparators bei einem Strom durch den Transistor von knapp über 17 mA. Wie Sie sehen können, ist der Wert ziemlich real. In der Praxis sollte er etwa eine Größenordnung kleiner sein, da die typische Empfindlichkeit unseres Komparators 200 V/mV beträgt, der Widerstand des Transistorkanals unter realen Bedingungen unter Berücksichtigung der Installation wahrscheinlich nicht weniger als 25 mΩ beträgt , und der Steuerspannungshub am Gate darf drei Volt nicht überschreiten.

Die abstrakte Implementierung würde in etwa so aussehen:

Hier sind die Komparatoreingänge direkt mit dem positiven Bus auf gegenüberliegenden Seiten des Feldeffekttransistors verbunden. Wenn der Strom in verschiedenen Richtungen durch ihn fließt, unterscheiden sich die Spannungen an den Eingängen des Komparators zwangsläufig, und das Vorzeichen der Differenz entspricht der Richtung des Stroms und die Größe seiner Stärke.

Die Schaltung erweist sich auf den ersten Blick als äußerst einfach, allerdings gibt es hier ein Problem mit der Spannungsversorgung des Komparators. Es liegt in der Tatsache, dass wir den Mikroschaltkreis nicht direkt von denselben Schaltkreisen mit Strom versorgen können, die er messen muss. Laut Datenblatt ist maximale Spannung an den Eingängen des LM393 sollte nicht höher sein als die Versorgungsspannung minus zwei Volt. Wenn dieser Schwellenwert überschritten wird, hört der Komparator auf, die Spannungsdifferenz zwischen den direkten und inversen Eingängen zu bemerken.

Es gibt zwei mögliche Lösungen für das Problem. Die erste offensichtliche besteht darin, die Versorgungsspannung des Komparators zu erhöhen. Das zweite, was mir einfällt, wenn Sie ein wenig nachdenken, ist, die Steuerspannungen mit zwei Teilern gleichmäßig abzusenken. So könnte es aussehen:

Dieses Schema besticht durch seine Einfachheit und Prägnanz, ist aber in der realen Welt leider nicht realisierbar. Tatsache ist, dass wir es mit einer Spannungsdifferenz zwischen den Komparatoreingängen von nur wenigen Millivolt zu tun haben. Gleichzeitig beträgt die Streuung der Widerstände von Widerständen selbst der höchsten Genauigkeitsklasse 0,1%. Mit dem minimal akzeptablen Teilungsverhältnis von 2 zu 8 und einem vernünftigen vollen Widerstand 10 kΩ Teiler erreicht der Messfehler 3 mV, was um ein Vielfaches höher ist als der Spannungsabfall über dem Transistor bei einem Strom von 17 mA. Der Einsatz eines „Trimmers“ in einem der Teiler kommt aus dem gleichen Grund nicht in Frage, da dessen Widerstand auch bei Verwendung eines Präzisions-Multiturn-Widerstands (zzgl , Zeit- und Temperaturdrift nicht vergessen). Darüber hinaus sollte diese Schaltung, wie oben bereits erwähnt, aufgrund ihrer nahezu „digitalen“ Natur theoretisch überhaupt nicht kalibriert werden müssen.

Aus dem Vorstehenden ergibt sich in der Praxis nur eine Option mit einer Erhöhung der Versorgungsspannung. Im Prinzip ist dies kein Problem, da es eine Vielzahl spezialisierter Mikroschaltungen gibt, mit denen Sie mit wenigen Teilen einen Aufwärtswandler für die gewünschte Spannung bauen können. Aber dann wird sich die Komplexität des Gerätes und dessen Verbrauch fast verdoppeln, was wir gerne vermeiden möchten.

Es gibt mehrere Möglichkeiten, einen Aufwärtswandler mit geringer Leistung zu bauen. Beispielsweise setzen die meisten integrierten Wandler die Verwendung einer selbstinduktiven Spannung eines kleinen Induktors voraus, der in Reihe mit einem „Leistungsschalter“ geschaltet ist, der sich direkt auf dem Quarz befindet. Dieser Ansatz ist mit einer relativ starken Umwandlung gerechtfertigt, um beispielsweise eine LED mit einem Strom von mehreren zehn Milliampere zu versorgen. In unserem Fall ist dies eindeutig überflüssig, da nur ein Strom von etwa einem Milliampere bereitgestellt werden muss. Wesentlich geeigneter für uns ist eine Gleimit Steuertaste, zwei Kondensatoren und zwei Dioden. Das Funktionsprinzip kann nach dem Schema verstanden werden:

Im ersten Moment, wenn der Transistor geschlossen ist, passiert nichts Interessantes. Der Strom von der Stromschiene durch die Dioden D1 und D2 tritt in den Ausgang ein, wodurch die Spannung am Kondensator C2 sogar geringfügig niedriger ist als die dem Eingang zugeführte Spannung. Wenn jedoch der Transistor einschaltet, fließt der Kondensator C1 durch die Diode D1 und der Transistor lädt sich fast auf die Versorgungsspannung auf (abzüglich des Durchlassabfalls über D1 und dem Transistor). Wenn wir nun den Transistor wieder schließen, stellt sich heraus, dass der geladene Kondensator C1 in Reihe mit dem Widerstand R1 und der Stromversorgung geschaltet ist. Infolgedessen addiert sich seine Spannung zur Spannung der Stromversorgung und lädt C2, nachdem er einige Verluste im Widerstand R1 und in der Diode D2 erlitten hat, auf fast das Doppelte von Uin auf. Danach kann der gesamte Zyklus von vorne begonnen werden. Wenn der Transistor regelmäßig schaltet und die Energieentnahme aus C2 nicht zu groß ist, werden aus 12 Volt etwa 20 Volt zum Preis von nur fünf Teilen (ohne Schlüssel) erhalten, von denen es keinen einzigen gibt Wicklung oder Gesamtelement.

Um einen solchen Verdoppler zu realisieren, benötigen wir zusätzlich zu den bereits aufgeführten Elementen einen Schwingungsgenerator und den Schlüssel selbst. Es mag den Anschein haben, dass dies viele Details sind, aber in Wirklichkeit sind sie es nicht, weil wir bereits fast alles haben, was wir brauchen. Ich hoffe, Sie haben nicht vergessen, dass der LM393 zwei Komparatoren enthält? Und die Tatsache, dass wir bisher nur einen davon verwendet haben? Schließlich ist ein Komparator auch ein Verstärker, was bedeutet, dass, wenn Sie ihn positiv annehmen Rückmeldung Von Wechselstrom, es wird zu einem Generator. Gleichzeitig öffnet und schließt sein Ausgangstransistor regelmäßig und spielt perfekt die Rolle eines Doppelschlüssels. Folgendes erhalten wir, wenn wir versuchen, unsere Pläne umzusetzen:

Die Idee, den Generator mit der Spannung zu versorgen, die er im Betrieb auch tatsächlich erzeugt, mag zunächst recht wild erscheinen. Bei genauerem Hinsehen erkennt man jedoch, dass der Generator zunächst über die Dioden D1 und D2 mit Strom versorgt wird, was zum Starten völlig ausreicht. Nach der Erzeugung beginnt der Verdoppler zu arbeiten und die Versorgungsspannung steigt allmählich auf etwa 20 Volt an. Dieser Vorgang dauert nicht länger als eine Sekunde, danach wird der Generator und damit der erste Komparator mit einer Leistung versorgt, die deutlich über der Betriebsspannung der Schaltung liegt. Dies gibt uns die Möglichkeit, die Spannungsdifferenz zwischen Source und Drain des Feldeffekttransistors direkt zu messen und unser Ziel zu erreichen.

Hier ist das endgültige Schema unseres Schalters:

Es gibt nichts zu erklären, alles ist oben beschrieben. Wie Sie sehen können, enthält das Gerät kein einziges Stimmelement und beginnt bei korrekter Montage sofort zu arbeiten. Neben den bereits bekannten aktiven Elementen wurden lediglich zwei Dioden hinzugefügt, für die Sie beliebige Low-Power-Dioden mit einer maximalen Sperrspannung von mindestens 25 Volt und einem maximalen Durchlassstrom von 10 mA verwenden können (z 1N4148, das von einem alten Motherboard gelötet werden kann).

Diese Schaltung wurde auf einem Steckbrett getestet, wo sie sich als voll funktionsfähig erwies. Die erhaltenen Parameter entsprechen voll und ganz den Erwartungen: sofortiges Umschalten in beide Richtungen, keine unzureichende Reaktion beim Anschließen der Last, Stromverbrauch aus der Batterie beträgt nur 2,1 mA.

Eine der PCB-Layout-Optionen ist ebenfalls beigefügt. 300 dpi, Ansicht von der Seite der Details (Sie müssen also ausdrucken Spiegelbild). Feldeffekttransistor seitlich an den Leitern montiert.

Zusammengebautes Gerät, komplett einbaufertig:

Ich habe es auf die altmodische Art gezüchtet, daher ist es etwas schief geworden, aber das Gerät verrichtet seine Funktionen in einem Stromkreis mit einer Stromstärke von bis zu 15 Ampere dennoch seit mehreren Tagen regelmäßig ohne Anzeichen einer Überhitzung.