= ([Teplota na horúcom mieste, °C] - [Teplota na studenom bode, °C]) / [Rozptýlený výkon, W]

To znamená, že ak sa tepelný výkon X W dodáva z horúceho bodu do studeného a tepelný odpor je Y cg / W, potom teplotný rozdiel bude X * Y cg.

Vzorec na výpočet chladenia silového prvku

Pre prípad výpočtu odvodu tepla elektronického výkonového prvku to môže byť formulované takto:

[Teplota kryštálu výkonového prvku, GC] = [Teplota okolia, °C] + [Rozptýlený výkon, W] *

Kde [ Celkový tepelný odpor, Hz / W] = + [Tepelný odpor medzi puzdrom a radiátorom, Hz / W] + (pre prípad s radiátorom),

alebo [ Celkový tepelný odpor, Hz / W] = [Tepelný odpor medzi kryštálom a puzdrom, Hz / W] + [Tepelný odpor medzi puzdrom a prostredím, Hz / W] (pre puzdro bez chladiča).

V dôsledku výpočtu musíme získať takú teplotu kryštálov, aby bola nižšia ako maximálna prípustná hodnota uvedená v referenčnej knihe.

Kde získam údaje pre výpočet?

Tepelný odpor medzi matricou a obalom pre výkonové prvky sa zvyčajne uvádza v referenčnej knihe. A je to označené takto:

Nenechajte sa zmiasť skutočnosťou, že jednotky merania K / W alebo K / W sú napísané v referenčnej knihe. To znamená, že táto hodnota je uvedená v Kelvinoch na Watt, v Hz na W bude presne rovnaká, to znamená X K / W \u003d X Hz / W.

Referenčné knihy zvyčajne uvádzajú maximálnu možnú hodnotu tejto hodnoty, berúc do úvahy technologické rozšírenie. Potrebujeme to, pretože musíme vykonať výpočet pre najhorší prípad. Napríklad maximálny možný tepelný odpor medzi kryštálom a puzdrom tranzistora SPW11N80C3 s efektom výkonového poľa je 0,8 c/W,

Tepelný odpor medzi puzdrom a chladičom závisí od typu prípadu. Typické maximálne hodnoty sú uvedené v tabuľke:

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

Izolačná podložka. Podľa našich skúseností správne zvolená a nainštalovaná izolačná podložka zdvojnásobí tepelný odpor.

Tepelný odpor medzi puzdrom/chladičom a prostredím. Tento tepelný odpor s presnosťou prijateľnou pre väčšinu zariadení je celkom jednoduchý na výpočet.

[Tepelný odpor, Hz / W] = [120, (gC * cm2) / W] / [Plocha radiátora alebo kovovej časti telesa prvku, m2. cm].

Tento výpočet je vhodný pre podmienky, kde sú prvky a radiátory inštalované bez vytvárania špeciálnych podmienok pre prirodzené (konvekčné) alebo umelé prúdenie vzduchu. Samotný koeficient je vybraný z našich praktických skúseností.

Špecifikácia väčšiny chladičov obsahuje tepelný odpor medzi chladičom a prostredím. Takže pri výpočte je potrebné použiť túto hodnotu. Táto hodnota by sa mala vypočítať iba vtedy, ak nie je možné nájsť tabuľkové údaje o radiátore. Na zostavenie vzoriek ladenia často používame použité chladiče, takže tento vzorec nám veľmi pomáha.

Pre prípad, keď sa teplo odvádza cez kontakty dosky plošných spojov, možno pri výpočte použiť aj kontaktnú plochu.

V prípade, že sa teplo odvádza cez vodiče elektronického prvku (typicky diódy a zenerove diódy s relatívne nízkym výkonom), plocha vodičov sa vypočíta na základe priemeru a dĺžky vodiča.

[Olovená plocha, sq. cm.] = Pi * ([ Dĺžka pravého výstupu, viď] * [Pravý priemer vývodu, viď] + [Dĺžka ľavého výstupu, viď] * [Priemer ľavého vývodu, viď])

Príklad výpočtu odvodu tepla zo zenerovej diódy bez radiátora

Zenerova dióda nech má dva vývody s priemerom 1 mm a dĺžkou 1 cm, odvádza 0,5 wattu. potom:

Výstupná plocha bude asi 0,6 m2. cm.

Tepelný odpor medzi puzdrom (svorkami) a prostredím bude 120 / 0,6 = 200.

Tepelný odpor medzi kryštálom a puzdrom (svorkami) v tomto prípade možno zanedbať, pretože je oveľa menší ako 200.

Predpokladajme, že maximálna teplota, pri ktorej bude zariadenie prevádzkované, bude 40 °C. Potom teplota kryštálu = 40 + 200 * 0,5 = 140 ° C, čo je prijateľné pre väčšinu zenerových diód.

Online výpočet chladiča - radiátora

Upozorňujeme, že pre doskové radiátory je potrebné vypočítať plochu oboch strán dosky. Pri dráhach DPS používaných na odvod tepla je potrebné odobrať iba jednu stranu, pretože druhá neprichádza do kontaktu s prostredím. Pre ihlové radiátory je potrebné približne odhadnúť plochu jednej ihly a vynásobiť túto plochu počtom ihiel.

Online výpočet odvodu tepla bez radiátora

Niekoľko prvkov na jednom radiátore.

Ak je na jednom chladiči nainštalovaných niekoľko prvkov, výpočet vyzerá takto. Najprv vypočítame teplotu radiátora pomocou vzorca:

[Teplota radiátora, gc] = [Teplota okolia, °C] + [Tepelný odpor medzi radiátorom a okolím, Hz / W] * [Celkový výkon, W]

[Teplota kryštálov, c] = [Teplota radiátora, gc] + ([Tepelný odpor medzi kryštálom a telom prvku, Hz / W] + [Tepelný odpor medzi telesom prvku a radiátorom, Hz / W]) * [Výkon rozptýlený prvkom, W]

Vplyv prostredia komponentu.

Možno, že oblasť medi v hornej vrstve, na ktorej je komponent nainštalovaný, ovplyvňuje chladiaci výkon. Druhým prvkom, ktorý môže mať vplyv, je množstvo spájky použitej pri inštalácii.

Ako vykurovacie teleso poslúži tranzistor v puzdre DPAK s výkonom o 2.5 Ut

Kontrola vplyvu medenej zóny okolo komponentu (DPAK), teplota matrice:

Zaujímavé je, že ďalších 3 až 5 stupňov možno získať jednoduchým nanesením väčšieho množstva spájky okolo kovovej platne súčiastky (odtokového kolíka). Väčšinou im pri montáži komponentov nezáleží na prestupe tepla cez styčné plochy a to je chyba. Okolo súčiastky je najväčšia odolnosť voči strate a aplikácia spájky môže byť skutočnou pomocou.

Meranie kvality prestupu tepla na doske plošných spojov.

Teplotný gradient bol doteraz zaznamenaný len pre jeden prípad – bez účasti ventilátora. Ale pri umelom chladení by mala účinnosť PCB klesnúť kvôli odporu straty prenosu tepla pozdĺž dosky. Zopakujme test, ale pridajte chod ventilátora s veľmi malým a normálnym výkonom (3,5 a 7 voltov). Zmeníme tranzistor na D2PAK, aby sme simulovali skupinu malých tranzistorov.

"Vnt." je teplota kryštálu, zvyšok sa odoberá z opačná strana doska plošných spojov, bod "0" pod stredom kovovej dosky tranzistora ( D2PAK, 5 W).

Ventilátor	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

V údajoch sú mierne prerušenia v monotónnosti, čo je spôsobené nejednotnosťou vytlačená obvodová doska.

Účinná dĺžka chladiča závisí od rýchlosti fúkania, ak vychádzame z hranice päťdesiatpercentného zníženia, pracovná dĺžka bude:

• Bez fúkania - 30 mm.
• Nízka rýchlosť fúkania (ventilátor 3,5 V) - 22,5 mm.
• Vysoká rýchlosť fúkania (ventilátor 7 V) - 20 mm.

Upozorňujeme, že merania boli merané od stredu k okrajovej časti, takže celková dĺžka je dvakrát väčšia.

Orientácia v priestore a farbe dosky plošných spojov.

Plošný spoj plní funkciu chladiča a je pomerne vydarený. Pre radiátor je však dôležitá orientácia v priestore a farba jeho náteru. Prenos tepla sa môže uskutočniť ohrevom okolitého vzduchu alebo sálaním. Ak je radiátor tmavej farby, tak sa zvyšuje účinnosť prenosu tepla sálaním, sľubujú zlepšenie návratnosti až x1,7 krát. Možno natrieť dosky čiernou farbou?

Nastavenie testu je jednoduché - viacvrstvová doska plošných spojov 25x40 mm (10 cm 2 x 2 strany), v strede je prispájkovaný tranzistor v obale DPAK. Výkon je rovnaký ako pri iných testoch s týmto tranzistorom, 2,5 wattu.

Získané údaje sú zhrnuté v tabuľke:

Teplotná nerovnomernosť na boku dosky nepresahuje štyri stupne.

Spočiatku bola na doske s plošnými spojmi čierna ochranná maska. Na získanie svetlej farby bola maska ​​odstránená z oboch strán. Teória hovorí, že to malo viesť k 1,7-násobnému zhoršeniu účinnosti, pretože prenos tepla sálaním sa mnohonásobne znížil. Reálne bolo zhoršenie výkonu len 25 percent. Podľa teórie plochý chladič funguje lepšie vo vzpriamenej polohe. Bez masky je to len 18 percent a s maskou je to sotva postrehnuteľné. Vyzerá to, že maska ​​je príliš hrubá a narúša prenos tepla.

Priemerná teplota dosky je 50 stupňov (teplota rubovej strany nie je zaujímavá), výkon je 2,5 W, odtiaľ sa dá vypočítať tepelný odpor takéhoto "žiariča" - 20 stupňov na watt s plochou 10 cm2. Alebo pri 200 cm 2 je tepelný odpor 1 stupeň na watt.

Nič super nezvyčajné, určite sa neoplatí prelakovať dosku naschvál na čierno. To ale vysvetľuje lásku výrobcov k tmavým doskám.

Tepelná odolnosť.

Na meranie tepelného odporu bude potrebné množstvo kalibrovaných zariadení a materiálov, čo je dosť problematické, preto jednoducho zmeriame pokles teploty na testovanom materiáli. Ako generátor tepla berieme tranzistor v puzdre DPAK s výkonom 2,5 W. Jeho plocha pre aktívny odvod tepla je približne 5x5 mm.

Tepelné straty sa merali ako teplotný rozdiel medzi bodmi „A“ a „B“.

Kontrolné body nie sú zvolené veľmi dobre, ale táto metóda je navrhnutá tak, aby charakterizovala všetky materiály. Zohľadňujú sa tepelné straty pri dvoch prechodoch média a tepelnej pasty.

Vlastnosti meraní:

• Pri meraní strát v doskách sa k nim prispájkoval výhrevný článok a rubová strana sa očistila od oxidov a povlakov na čistú meď.
• V prípadoch BGA a TSOP bolo zvolené miesto bez polovodičového kryštálu, na okraji.
• Malý fragment z návrhu systémovej jednotky bol použitý ako „železná platňa“.
• Tepelné podložky boli z hardvéru odstránené, takže presné špecifikácie nie sú známe. Červená zo značkového napájacieho zdroja, šedá - z obvyklého čínskeho "noname".

Výsledky:

Materiál	Hrúbka, mm	Teplota, stupne	Zmenšené na 1 mm, stupne
Viacvrstvová doska plošných spojov	1.5	10.3	6.9
Obojstranná DPS	1.5	69.4	46.3
Balenie BGA čipu	0.76	18.8	24.7
balík čipov TSOP	0.98	31.7	32.3
železná platňa	0.6	4.2	7
Podložka na prenos tepla (červená)	0.3	11.7	37.3
Termálna podložka (sivá)	0.37	16.9	45.7
Keramické tesnenie (biele)	0.64	4.9	7.6

Rozdiel teplôt medzi viacvrstvovou a bežnou doskou je jednoducho divoký. Je jasné, že FR4 nevedie teplo dobre, ale aby tenké vrstvy medi boli také účinné ...

Rovnaká tepelná vodivosť puzdier nie je príliš dobrá, čo sa celkom očakáva.

Čísla podľa termo podložiek tiež nie sú veľmi pekné, ale čo majú, také sú. Na ich pozadí vyzerá keramika jednoducho skvele, ale nedá sa použiť počítačová technológia- jednoducho to nie je potrebné. Účelom tepelných podložiek je výber rôznych výšok komponentov a keramika je tuhá a v tejto veci nepomôže. O akú keramiku išlo v mojom prípade, ťažko povedať. Súdiac podľa farby a tepelnej odolnosti ide o berýliovú keramiku.

Ako používať údaje z tabuľky? Áno, je to veľmi jednoduché – tepelný odpor železa je známy, zvyšné údaje sa proporcionálne prepočítajú.

Praktické využitie

Na začiatok môžete použiť metódu výpočtu radiátora na základe materiálu uverejneného na webovej stránke electrosad.ru (pdf, 186 Kb). Alebo si môžete zapamätať pravidlo – ‚nenačítaj a nenačítaš‘. Továrenské radiátory majú technické údaje, a pri domácej ... môžete použiť zjednodušené výpočty, pretože presné výpočty nedávajú zmysel, je tam príliš veľa nepredvídateľných parametrov. Poznáte tepelný odpor skrine alebo PCB vašej konkrétnej základnej dosky? Ale tepelná vodivosť dosky závisí okrem iného aj od stopy jej vnútorných vrstiev. Zároveň by bolo dobré vziať do úvahy, že niekedy nie je všetko dobré s organizáciou fúkania.

Takže zjednodušený výpočet. Ak potrebujete byť presnejší, potom použite vyššie uvedený odkaz na metodiku a na ďalšie otázky - bohužiaľ, iba nezávislý výskum a čítanie dokumentácie o komponentoch. Bohužiaľ, „všeobecné“ odporúčania sú príliš zjednodušujúce, miestami až divoko.

Bod 1 - tepelný výkon.

Čo sa týka meničov výkonu procesora, všetko je celkom jednoduché, ich účinnosť sa pohybuje okolo čísla 80 %. Zároveň by sa malo okamžite vziať do úvahy, že sú navrhnuté pre určitú spotrebu energie, a keď sa tento údaj prekročí (alebo úmerne), účinnosť premeny energie sa začne znižovať. Zhruba povedané, stojí za to vziať účinnosť 82% pre zníženú záťaž a 76% z bežnej záťaže pre veľkú. Strata výkonu bude 22 a 32 percent výstupného výkonu. Výpočty pre nízky výkon sú aj pri výrazných zjednodušeniach náročnejšie, pretože straty v komponentoch meniča sú úmerné druhej mocnine výstupného prúdu.

Napríklad základná doska 120 W TDP má 70 W procesor. V tomto prípade sa zaťaženie nezvyšuje, očakáva sa očakávaná účinnosť 82 %. Súčasne sa zo zdroja energie spotrebuje 70 * 100/82 = 85,4 W. Z tohto čísla pripadá 70 W na procesor a 85,4-70 = 15,4 W sa rozptýli na prvkoch prevodníka.

Rovnaký prípad, ale s použitím výkonnejšieho (spotrebou) procesora s pretaktovaním, dá trochu iný obraz. Ak spotrebuje 140 W (údaje sú ľubovoľné), potom sa očakáva zníženie účinnosti meniča na 76 %. Straty budú úplne odlišné: 140 * 100/76 = 184,2 W zo zdroja energie alebo 184,2-140 = 44,2 W na prvky meniča.

Chcem hneď poznamenať, že nie všetky tieto straty sú spôsobené tranzistormi. Niečo, a to veľmi veľké, je rozptýlené induktormi, stopami a trochu - kondenzátormi. Ako rozdeliť výsledný obrázok na tranzistory a všetko ostatné? Všetko veľmi závisí od použitých komponentov. Povedzme, že dve tretiny tepla sú rozptýlené v tranzistoroch. Len sa nepýtajte, odkiaľ to číslo prišlo. Strop je potrebné vybieliť.

Musíme teda zvážiť dve možnosti: 15,4 x 2 / 3 \u003d 10 W a 44,2 * 2/3 \u003d 29 W.

Položka 2 je aktívna plocha dosky s plošnými spojmi.

Vezmime si nejakú základnú dosku a uvidíme, čo to bude mať za následok.

Táto doska využíva komponenty v balení LFPAK na efektívne odvádzanie tepla do PCB. Skvelé, výpočty sa dajú vykonať bez väčších komplikácií. Ak by súčiastky zle odvádzali teplo do dosky, potom by bol výpočet účinnosti odvodu tepla extrémne náročný a bolo by jednoduchšie prejsť priamo k výberu samostatného chladiča, ignorujúc vlastnosti dosky týkajúce sa odvodu tepla.

Najprv odstránime tie oblasti, ktoré nedokážu odobrať teplo z meniča.

Zostáva merať zostávajúci povrch. Ak neberiete do úvahy zónu ľavého dolného okraja s nápisom „BIOSTAR“, získajú sa dva obdĺžniky - horný 55x120 mm a pravý 45x85 mm.

Predtým sa uvažovalo o účinnosti odvodu tepla doskou plošných spojov. Zo získaných výsledkov sa ukázalo, že šírka väčšia ako 60 mm nebola účinná (preto bola ľavá strana dosky ignorovaná). V mojom prípade je šírka 55 a 45 mm, čo vyhovuje podmienke bez obmedzenia. Výsledkom je plocha 55x120 + 45x85 = 104 cm2.

Je tu jedna nuansa, ktorá kazí všeobecný dojem. Na doske sa totiž okrem meniča nachádzajú ďalšie súčiastky a tie ohrievajú aj plošný spoj. Pre poriadok je vhodné poznamenať, že tieto komponenty fungujú ako malé chladiče a tiež odvádzajú teplo. Na tomto obrázku je pätica procesora a tá (presnejšie procesor) je tiež vyhrievaná. Ale nič moc, tepelná ochrana procesora je na vrchnom kryte nastavená na teplotu okolo 60 stupňov. Čo sa týka spodnej časti procesora, tá je pod teplotou veka. Medzi spodnou časťou procesora a plošným spojom je navyše vrstva kontaktov, ktoré teplo veľmi neprenášajú. Takže tepelné zahrievanie z procesora môže byť ignorované.

Bod 3 - plocha a výkon na tranzistor.

Menič má desať fáz, každá s tromi tranzistormi. Je jasné, že tepelné straty nie sú rozdelené rovnomerne na všetky komponenty, ale výpočty sú približné.

Jeden tranzistor predstavuje 104 / (10 * 3) = 3,5 cm 2 plochy dosky plošných spojov. Moc:
Prvá možnosť je 10 / (10 * 3) \u003d 0,33 W.
Druhá možnosť je 29 / (10 * 3) \u003d 0,97 W.

Ospravedlňujem sa, trochu objasnenie metodiky. Predtým sa uvažovalo o štúdiách s použitím dostatočne veľkých častí dosky plošných spojov, ktoré sú mnohonásobne väčšie ako údaj 3,5 cm2 získaný v tomto výpočte. Znamená to, že predchádzajúca štúdia bola nesprávna? Vôbec nie, pozrite sa bližšie na obrázok, tranzistory sú zostavené v skupine a teplo odvádza dosť rozšírená časť dosky (45 a 55 mm).

Položka 4 - výpočet radiátora.

Vzhľadom na výkon a prehriatie je možné vypočítať požadovanú plochu. Aby ste to dosiahli, musíte sa rozhodnúť, koľko bude stanovené na prehriatie. IN systémová jednotka 35 stupňov sa považuje za normálnu teplotu, nad 50 stupňov je komponent vnímaný ako horúci. Ukazuje sa, že na prehriatie zostáva 50-35 = 15 stupňov.

Upozorňujeme, že tieto úvahy ovplyvňujú teplotu radiátora (doska plošných spojov), teplota kryštálu bude o niečo vyššia.

Na začiatok sa skúsme zaobísť bez núteného prúdenia vzduchu.

Plocha povrchu dosky (alebo skôr jednej strany) už bola vypočítaná. Ďalej je potrebné toto číslo vynásobiť 1,5, pretože doska má dve strany. Prečo nie zdvojnásobiť? Sú tu dva body:

• Po prvé, odvrátená strana základná doska veľmi efektívne odvádza teplo.
• Po druhé, samotná doska s plošnými spojmi nie je vyrobená z čistej medi a kvôli stratám nefunguje tak efektívne.

Po výpočte efektívnej plochy (redukovanej na ideálnu platňu) možno na ňu aplikovať zjednodušený výpočtový vzorec - plocha 300 cm 2 sa pri výkone jedného wattu zohreje o jeden stupeň. Môžete však urobiť ešte viac jednoduché riešenie- predtým namerané, pre tmavú dosku plošných spojov (prirodzene viacvrstvovú) faktor 1 stupeň na watt dopadá na (jednu stranu) povrchu 200 cm 2 .

Pre najhorší prípad, 0,97 W, požadovaná plocha chladiča je 0,97*200/15 = 13 cm2.

No je čas plakať. Ak bolo na doske pre tranzistor 13 cm 2, tak nebolo treba uvažovať o žiadnom radiátore. A tak ... len 3,5 cm2.

Ak vezmeme nižší výkon (prvá možnosť vyžaduje iba 0,33 W), potom požadovaná plocha radiátora bude 0,33 * 200/15 = 4,4 cm2.

Hm. Ak nepoužívate ďalší radiátor, potom je prvá možnosť celkom funkčná, iba prehriatie už bude 19 stupňov namiesto 15. Nie je smrteľné, teplota samotného tranzistora bude 54 stupňov. Pokiaľ ide o druhý prípad, absencia radiátora povie veľmi tvrdo - prehriatie 56 stupňov alebo teplota 91 stupňov.

Je pochopiteľné, prečo výrobca tejto základnej dosky osadil na tranzistory chladič. Ako prvé priblíženie je pre normálne fungovanie prevodníka potrebný radiátor 13 cm 2 * 30 \u003d 390 cm 2, pomerne veľká veľkosť. Pokúsim sa vysloviť nerozumný predpoklad, že radiátor inštalovaný výrobcom má účinnú plochu oveľa menšiu, ako je požadované, čo znamená, že bude potrebné dodatočné prúdenie vzduchu.

závery

Vojna je nezmysel, hlavné sú manévre!

Závery, druhý pokus.

Mmm…. Závery nie sú vôbec napísané, možno?

Takmer všetky puzdrá majú plastový (keramický) vrch, ktorý sťažuje odvádzanie tepla cez neho. Môžete umiestniť radiátor a / alebo ho vyfúknuť silným prúdom vzduchu, ale efekt zostane priemerný. No na toto nie sú určené, čo sa dá robiť. Navyše túto záležitosť neuľahčuje ani to, že kryštál je dostatočne hlboko pod povrchom.

Ak balenie používa pripojenie vodičov typu uvedeného v časti TSOP, potom by mal byť materiál tela vyšší o hrúbku vodičov a malý okraj nad nimi, kvôli elektrickej izolácii. Ak sú vodiče zapustené hlboko do puzdra, sú okolo kryštálu (pozri obrázok v časti QFN), potom je stále potrebný značný okraj nad kryštálom, pretože vodiče spojenia kryštál-zvod mierne stúpajú nad polovodičovú dosku. Preto som samostatne netestoval tak bežnú zostavu ako je drMOS - nemá to zmysel. Toto je stále rovnaký "TSOP" podľa spôsobu pripojenia napájacích vodičov (a teda hrúbky vrchného krytu nad kryštálom); a QFN metódou rozptylu tepla PCB.

A na odvod tepla cez dosku v spodnej časti. Bežné puzdro bez vložiek je trochu vyvýšené nad doskou a veľmi zle vydáva teplo cez dno. Medzera nebola ponechaná na ujmu, je potrebná technologicky - na doske plošných spojov môžu byť lokálne defekty (ochranná maska, značenie, reliéf viacvrstvovej dosky) a pri vytváraní vývodov dochádza k zmenám parametrov a výroba balíka.

Hlavnou úlohou SMD puzdra je zaručiť bezpečné uchytenie vodičov, všetkých vodičov, na plôšky dosky plošných spojov. Medzi puzdrom a doskou je teda medzera. Je malý, ale jeho tepelnoizolačné vlastnosti sú „dobré“. Ak súčiastka generuje veľa tepla, potom je možné použiť upravenú edíciu puzdra s kovovou platňou v spodnej časti. V tomto prípade je polovodičový kryštál namontovaný na tejto doske, inak nemá zmysel oplotiť záhradu. Riešenie je dobré, ale prečo nie je bežné? Ak zabudneme na mierne zvýšenú cenu puzdra a balenia kryštálu, tak ostáva veľmi vážny problém – „kovové“ dno zasahuje do vedenia dosky.

Takéto puzdro nemôžete len tak položiť na dosku, ochranná maska ​​nemôže zaručiť neprítomnosť skratu. Aj keď otočíte ruky technológov a nasadíte ich, stále je to zlé - v modernej elektronike sú všetky obvody riadkové a majú veľmi jednoznačnú impedanciu. A keďže spodný kov je priamo nad vodičmi, impedancia sa zmení a nebude zodpovedať vypočítanej. Ak sa impedancia obvodu mení pozdĺž jeho dĺžky, dochádza k čiastočným lokálnym odrazom a dochádza k skresleniu tvaru signálu.

Preto, ak sa použije puzdro s kovom na dne, príslušná oblasť dosky musí byť izolovaná od stopy. Zvyčajne, ak je v spodnej časti kov, potom zaberá jeho významnú časť, čo nevyhnutne ovplyvňuje kvalitu sledovacích obvodov - jednoducho je tam menej miesta. Preto, aj keď sú samotné vložky užitočné, nie sú vložené z objektívnych dôvodov. Stojí však za zmienku - v mikroobvodoch sú polovodičové kryštály často inštalované na doskách rozvádzajúcich teplo, jednoducho nie sú viditeľné, pretože sú v puzdre izolované. To zlepšuje odvod tepla a navonok puzdro vyzerá tradične.

Mimochodom, raz som sa pozeral na čipy SDRAM v obale TSOP - používali obrovský polovodičový kryštál, pokrývajúci celý priestor obalu. Kryštál bol namontovaný na tenkej medenej platni. Pamäťové mikroobvody sú mimoriadne citlivé na lokálne zahrievanie, takže zavedenie dosky je celkom opodstatnené.

Podľa výsledkov meraní sa nahromadili nejaké všeobecné závery, je čas ich zhromaždiť na jednom mieste.

Typy puzdier ovplyvňujú chladiaci mechanizmus. Ak obal nezabezpečuje odvod tepla do dosky (TSOP, SOIC a podobne), potom by ste sa nemali spoliehať na efektívny odvod tepla pomocou dosky plošných spojov. V prípade puzdra s vyvinutým povrchom sa môžete spoľahnúť na prúdenie vzduchu. V opačnom prípade budete musieť nainštalovať ďalší radiátor.

Tepelné podložky sú zlé, ich škodlivá podstata sa jasne odráža v meraniach. V mnohých prípadoch vedie zavedenie tohto prvku k horšiemu výsledku ako bez radiátora. Bohužiaľ, pri použití skupinového radiátora, ktorý je spoločný pre niekoľko prípadov, sa toto zlo nedá zbaviť - aspoň trochu, ale puzdrá sa líšia v hrúbke a tepelná podložka je navrhnutá tak, aby kompenzovala rozdiel. Niektoré prípady jednoducho vyžadujú použitie tepelných podložiek, pretože majú kovový vrch, ktorý má elektrický kontakt s obvodom.

Lokálne radiátory sú lepšie ako skupinové, pretože nevyžadujú použitie tepelných podložiek, ale takémuto radiátoru musí zodpovedať veľkosť a tvar – veľký objem (presnejšie plocha), vzácne a vysoké ihličky či rebrá. Zvyčajná veľkosť komponentov je 5x5 ... 10x10 mm, čo sťažuje výber slušného radiátora. Pozrite sa na výsledky testov, radiátory 10 cm 2 ... 20 cm 2 nemôžu mať výrazný účinok bez núteného prúdenia vzduchu, a to sú už veľmi veľké konštrukcie.

Ak sa komponent prehrieva, je efektívnejšie použiť prúdenie vzduchu ako inštalovať chladič. Dôvod je triviálny – veľký tepelný odpor cez vrchný kryt. Puzdrá jednoducho nie sú určené na odvod tepla cez vrchnú časť. O DirectFET balení sa ešte nebavme, pretože to nie je veľmi bežné. Je to škoda.

10.1. Účel radiátorov- odvádza teplo z polovodičových zariadení, čo umožňuje znížiť teplotu p-n prechodov a tým znížiť jej vplyv na prevádzkové parametre zariadení. Používajú sa lamelové, rebrové a kolíkové žiariče.Na zlepšenie odvodu tepla je najlepšie priamo na žiarič upevniť polovodičové zariadenie.Ak je nutné elektrické oddelenie zariadenia od šasi, žiarič sa na šasi namontuje cez izolačné tesnenia. Schopnosť vyžarovania tepla radiátora závisí od stupňa čiernosti materiálu (alebo jeho povrchu), z ktorého je radiátor vyrobený:

Čím väčší je stupeň čiernosti, tým účinnejšie bude odvádzanie tepla.

10.2. kolík chladiča- veľmi účinný chladič pre polovodičové zariadenia. Na jeho výrobu je potrebný duralový plech s hrúbkou 4-6 mm a hliníkový drôt s priemerom 3-5 mm.
Na povrchu predupravenej dosky chladiča sú otvory pre kolíky, vývody tranzistorov (alebo diód) a upevňovacie skrutky označené dierovačom. Vzdialenosť medzi stredmi otvorov (rozstup) pre kolíky v rade a medzi radmi by sa mala rovnať 2-2,5 priemeru použitého hliníkového drôtu. Priemer otvorov sa volí tak, aby do nich drôt vstupoval s čo najmenšou medzerou. Na rubovej strane sú otvory zahĺbené do hĺbky 1-1,5 mm.
Tŕň je vyrobený z oceľovej tyče dĺžky 80-100 mm a priemeru V-10 mm, pre ktorú je na konci tyče vyvŕtaný otvor s priemerom o 0,1 mm väčším ako je priemer drôtu. Hĺbka otvoru by sa mala rovnať výške budúcich čapov chladiča.

Ryža. 10.1. Krimpovanie kolíkov chladiča

Potom sa odreže požadovaný počet polotovarov čapov. Za týmto účelom sa do otvoru v tŕni vloží kúsok drôtu a odreže sa nožmi na drôt tak, aby dĺžka konca vyčnievajúceho z tŕňa bola o 1 až 1,5 mm väčšia ako hrúbka dosky. Tŕň sa upne do zveráka otvorom nahor, do otvoru sa vloží čapový polotovar, na ktorého vyčnievajúci koniec sa na prednú stranu nasadí doštička a prinituje sa ľahkými údermi kladiva, snažiac sa vyplniť vybranie zahĺbenia. Takto sú nainštalované všetky kolíky.
Kolíkový chladič je možné vyrobiť aj trochu iným spôsobom vkladania kolíkov do otvorov v základnej doske. Vyrobí sa oceľová obruba, ktorej výkres pre čapy s priemerom 3 a dĺžkou do 45 mm je na obr. 10.1. Pracovná časť zvlnenia by mala byť vytvrdená. Čap sa zasunie do otvoru v základni chladiča, základňa sa nasadí na nákovu, na špendlík sa nasadí krimpovanie a udrie sa kladivom. Okolo kolíka je vytvorená prstencová drážka a samotný kolík je pevne zasadený do otvoru.
Ak je potrebné vyrobiť obojstranný radiátor, potom sú potrebné dve takéto lisovacie lišty: do jednej z nich sa vloží kolík, nainštaluje sa na nákovu s otvorom nahor, natiahne sa základňa radiátora a nasadí sa druhá lisovacia lišta. top. Úderom kladiva na horný krimpovací čap sa zafixuje z oboch strán naraz. Týmto spôsobom je možné vyrábať radiátory zo zliatin hliníka aj medi. A nakoniec, kolíky môžu byť inštalované pomocou spájkovania. Na tento účel vezmite ako materiál medený alebo mosadzný drôt s priemerom 2-4 mm. Jeden koniec čapu je pocínovaný na dĺžku väčšiu ako je hrúbka plechu o 1-2 mm. Priemer otvorov v plechu by mal byť taký, aby sa do nich pocínované špendlíky zmestili bez väčšej námahy.
Kvapalné tavidlo sa zavedie do otvorov základne (tabuľka 9.2), vložia sa kolíky a každý z nich sa spájkuje pomocou výkonnej spájkovačky. Na konci práce sa radiátor umyje acetónom.

Ryža. 10.2. Radiátor pre výkonný tranzistor

10.3. Radiátor z medeného plechu Pre výkonné tranzistory ako P210, KT903 a iné je možné v podobných prípadoch vyrobiť hrúbku 1-2mm. Za týmto účelom je z medi vyrezaný kruh s priemerom 60 mm, v strede obrobku sú označené otvory na montáž tranzistora a jeho vodičov. Potom sa v radiálnom smere vyreže kruh nožnicami na kov o 20 mm, čím sa rozdelí na 12 častí pozdĺž obvodu. Po inštalácii tranzistora je každý sektor otočený o 90° a ohnutý nahor.

10.4. Radiátor pre vysokovýkonné tranzistory typ KT903, KT908 a iné v podobných prípadoch môžu byť vyrobené z hliníkového plechu hrúbky 2 mm (obr. 10.2). Uvedené rozmery žiariča poskytujú plochu vyžarovacej plochy dostatočnú na stratový výkon na tranzistore až do 16W.

Ryža. 10.3. Radiátor pre tranzistor s nízkym výkonom: a-scan; b- celkový pohľad

10.5. Radiátor pre tranzistory s nízkym výkonom môžu byť vyrobené z plechu červenej medi alebo mosadze s hrúbkou 0,5 mm v súlade s výkresmi na obr. 10.3. Po vykonaní všetkých rezov sa výstružník zvinie do rúrky pomocou tŕňa príslušného priemeru. Potom sa obrobok pevne nasadí na puzdro tranzistora a stlačí sa pružinovým krúžkom, pričom sa predtým ohli bočné montážne uši. Prsteň je vyrobený z oceľového drôtu s priemerom 0,5-1 mm. Namiesto krúžku môžete použiť pásik z medeného drôtu. Potom sú bočné uši ohnuté nadol, narezané "perie" obrobku sú ohnuté smerom von do požadovaného uhla - a radiátor je pripravený.

10.6. Radiátor pre tranzistory série KT315, KT361 môže byť vyrobený z pásika medi, hliníka alebo cínu so šírkou o 2-3 mm väčšou ako je šírka puzdra tranzistora (obr. 10.4). Tranzistor je vlepený do chladiča epoxidovým alebo iným lepidlom s dobrou tepelnou vodivosťou. Pre lepší tepelný kontakt medzi puzdrom tranzistora a žiaričom je potrebné v miestach dotyku z puzdra odstrániť náter, nainštalovať ho do chladiča a prilepiť s čo najmenšou medzerou. Tranzistor s chladičom nainštalujte ako obvykle na dosku, pričom spodné okraje chladiča by mali priliehať k doske. Ak je šírka pásika 7 mm a výška žiariča (z pocínovaného plechu hrúbky 0,35 mm) 22 mm, potom pri výkone rozptylu 500 mW bude teplota žiariča v mieste, kde je tranzistor lepené nepresahuje 55 °C.

10,7. Krehký kovový chladič napríklad z plechového duralu sú vyrobené vo forme sady dosiek (obr. 10.5). Pri výrobe tesnení a dosiek chladiča je potrebné zabezpečiť, aby na okrajoch otvorov a na okrajoch dosiek neboli žiadne otrepy. Kontaktné povrchy tesnení a dosiek sú starostlivo [brúsené na jemnozrnnom brúsnom papieri a položiť ho na ploché sklo. Ak nie je potrebné izolovať kryt tranzistora od krytu zariadenia, potom je možné radiátor namontovať na stenu krytu zariadenia alebo na vnútornú priečku bez izolačných tesnení, čo zaisťuje efektívnejší prenos tepla.

10.8. Montáž diód typu D226 na radiátor alebo na chladiči. Diódy sú upevnené pomocou príruby. Katódové olovo sa odhryzne na samom základe a dno sa opatrne očistí na jemnozrnnom brúsnom papieri, kým sa nedosiahne čistý, rovný povrch. Ak je potrebné opustiť katódový vývod, potom sa do žiariča vyvŕta otvor pre vývod, spodná časť sa odstráni acetónom a okraj (lem) diódy sa opatrne zaleští do jednej roviny so spodkom pre lepšiu tepelnú odolnosť. kontakt medzi diódou a radiátorom.

10.9. Zlepšenie tepelného kontaktu medzi tranzistorom a chladičom zabezpečí väčší rozptyl energie na tranzistore.
Niekedy, najmä pri použití liatych radiátorov, je ťažké a niekedy až nemožné odstrániť škrupiny a iné povrchové chyby v mieste tepelného kontaktu (zlepšiť ho). V tomto prípade pomôže olovené tesnenie. Olovená doska sa opatrne zroluje alebo sploští medzi dvoma hladkými plochými tyčami na hrúbku asi 10,5 mm a tesnenie sa vyreže na požadovanú veľkosť a tvar. Obe strany sú čistené jemnozrnným brúsnym papierom, inštalovaným pod tranzistor a zostava je pevne stlačená skrutkami. Tesnenie by nemalo byť hrubšie ako 1 mm, pretože tepelná vodivosť olova je nízka.

10.10. Čiernenie hliníkových radiátorov. Na zlepšenie účinnosti prenosu tepla radiátora je jeho povrch zvyčajne matný a tmavý. Cenovo dostupný spôsobčernenie - úprava radiátora vo vodnom roztoku chloridu železitého.
Na prípravu roztoku je potrebný rovnaký objem prášku chloridu železitého a vody. Radiátor je očistený od prachu, nečistôt, dôkladne odmastený benzínom alebo acetónom a ponorený do roztoku. Udržujte v roztoku 5-10 minút. Farba radiátora je tmavošedá. Spracovanie sa musí vykonávať na dobre vetranom mieste alebo vonku.

VEDEL SI?

10.11. Tepelný režim tranzistorov s nízkym výkonom je možné uľahčiť umiestnením torusu ("volant") na kovové puzdro tranzistora - špirály stočenej z medeného, ​​mosadzného alebo bronzového drôtu s priemerom 0,5 - 1,0 mm.
10.12. Dobrým chladičom môže byť kovové puzdro zariadenia alebo jeho vnútorné prepážky.
10.13. Rovnomernosť podložky chladiča sa kontroluje natretím základne tranzistora nejakou farbou a nanesením na povrch podložky. Vyčnievajúce kontaktné plochy. budú natreté podložky chladičov.
10.14. Aby sa zabezpečil dobrý tepelný kontakt, povrch tranzistora susediaci s žiaričom môže byť namazaný nevysušujúcim mazivom, ako je silikón. Tým sa zníži tepelný odpor kontaktu jeden a pol až dvakrát.
10.15. Aby sa zlepšili podmienky chladenia, musí byť chladič umiestnený tak, aby nezasahoval do prúdenia konvekčného vzduchu: rebrá chladiča sú vertikálne a strana, na ktorej je umiestnený tranzistor, musí byť na boku, nie pod alebo nad.

Existuje taký parameter ako tepelný odpor. Ukazuje, o koľko stupňov sa objekt zahreje, ak sa v ňom uvoľní 1 W výkonu. Bohužiaľ, tento parameter je zriedka uvedený v referenčných knihách tranzistorov. Napríklad pre tranzistor v puzdre TO-5 je tepelný odpor 220°C na 1W. To znamená, že ak sa v tranzistore uvoľní 1 watt výkonu, zohreje sa o 220°C. Ak povolíme zahrievanie nie viac ako 100 ° C, napríklad o 80 ° C v porovnaní s izbovou teplotou, potom dostaneme, že na tranzistore by sa nemalo uvoľniť viac ako 80/220 \u003d 0,36 W. V budúcnosti budeme považovať za prijateľné zahriať tranzistor alebo tyristor nie viac ako 80 ° C.

Existuje hrubý vzorec na výpočet tepelného odporu chladiča Q = 50/VS °C/W, (1) kde S je plocha chladiča vyjadrená v centimetroch štvorcových. Odtiaľ možno plochu povrchu vypočítať pomocou vzorca S = 2.
Zvážte ako príklad výpočet tepelného odporu konštrukcie znázornenej na obrázku. Dizajn chladiča pozostáva z 5 hliníkových dosiek zostavených v balení. Predpokladajme, že W = 20 cm, D = 10 cm a výška (na obrázku nie je znázornená) 12 cm, každý „výčnelok“ má plochu 10 x 12 = 120 cm2 a berúc do úvahy obe strany 240 cm2. Desať „výčnelkov“ má plochu 2400 cm2 a doska má dve strany x 20 x 12 = 480 cm2. Celkovo dostaneme S=2880 cm2. Podľa vzorca (1) vypočítame Q=0,93°C/W. Pri povolenom ohreve 80 ° C získame rozptylový výkon 80 / 0,93 \u003d 90 W.

Teraz urobme opačný výpočet.
Predpokladajme, že potrebujete napájací zdroj s výstupným napätím 12 V a prúdom 10 A. Po usmerňovači máme 17 V, preto je úbytok napätia na tranzistore 5 V, čo znamená, že výkon na ňom je 50 W. Pri prípustnom ohreve o 80°C získame požadovaný tepelný odpor Q=80/50=1,6°C/W. Potom podľa vzorca (2) určíme S = 1000 cm2.

Literatúra
Konštruktér č.4/2000

• Podobné články

Prihlásiť sa s:

Náhodné články

• 20.09.2014

  Všeobecné informácie o elektrickom vedení Elektrický rozvod je súbor vodičov a káblov s ich pridruženým príslušenstvom, nosnými a ochrannými konštrukciami. Skryté elektrické vedenie má v porovnaní s otvoreným vedením množstvo výhod: je bezpečnejšie a trvácnejšie, chránené pred mechanickým poškodením, hygienické, nezanáša steny a stropy. Ale je to drahšie a v prípade potreby náročnejšie na výmenu. …

• 27.09.2014

  Na základe K174UN7 je možné zostaviť nie zložitý generátor s 3 podrozsahmi: 20…200, 200…2000 a 2000…20000 Hz. POS určuje frekvenciu generovaných kmitov, je postavený na prvkoch R1-R4 a C1-C6. Obvod negatívnej spätnej väzby, ktorý znižuje nelineárne skreslenie signálu a stabilizuje jeho amplitúdu, je tvorený odporom R6 a žiarovkou H1. S uvedenými menovitými hodnotami obvodu...

O ochrane elektrické obvody z nesprávnej polarity napájacieho zdroja pomocou tranzistora s efektom poľa som si spomenul, že som mal dlho nevyriešený problém automatické vypnutie batéria z nabíjačka keď je ten druhý bez energie. A bol som zvedavý, či je možné použiť podobný prístup aj v inom prípade, kde sa tiež od nepamäti používala dióda ako blokovací prvok.

Tento článok je typickým cyklistickým sprievodcom, pretože. hovorí o vývoji obvodu, ktorého funkčnosť je už dávno implementovaná do miliónov hotových zariadení. Požiadavka sa teda nevzťahuje na tento materiál ako na niečo úplne utilitárne. Skôr je to jednoducho príbeh o tom, ako elektronické zariadenie: od realizácie potreby až po funkčný prototyp cez všetky prekážky.

Načo to všetko je?

Pri redundantnom nízkonapäťovom napájaní priamy prúd najjednoduchší spôsob, ako zapnúť olovenú batériu, je ako vyrovnávacia pamäť, len paralelne so sieťovým zdrojom, ako sa to robilo v autách predtým, než mali zložité "mozgy". Batéria, aj keď nepracuje v najoptimálnejšom režime, je vždy nabitá a nevyžaduje žiadne prepínanie napájania, keď je sieťové napätie vypnuté alebo zapnuté na vstupe PSU. Nižšie podrobnejšie o niektorých problémoch takéhoto začlenenia a pokuse o ich riešenie.

Pozadie

Asi pred 20 rokmi nebola táto otázka na programe dňa. Dôvodom bolo zapojenie typického sieťového zdroja (alebo nabíjačky), ktoré zabraňovalo vybitiu batérie do jej výstupných obvodov pri vypnutí sieťového napájania. Pozrime sa najjednoduchší obvod blok s polvlnovou rektifikáciou:

Je celkom zrejmé, že tá istá dióda, ktorá usmerňuje striedavé napätie sieťového vinutia, zabráni aj vybitiu batérie do sekundárneho vinutia transformátora pri vypnutí napájacieho napätia. Celovlnný obvod usmerňovacieho mostíka, aj keď je o niečo menej zrejmý, má presne rovnaké vlastnosti. A ani použitie parametrického regulátora napätia s prúdovým zosilňovačom (ako je rozšírený čip 7812 a jeho analógy) nemení situáciu:

Ak sa pozriete na zjednodušenú schému takéhoto stabilizátora, je zrejmé, že emitorový prechod výstupného tranzistora hrá úlohu tej istej vypínacej diódy, ktorá sa zatvára, keď napätie na výstupe usmerňovača zlyhá, a udržiava bezpečné a zdravé nabíjanie batérie.

Avšak v posledné roky všetko sa zmenilo. Transformátorové zdroje s parametrickou stabilizáciou boli nahradené kompaktnejšími a lacnejšími spínanými AC/DC meničmi napätia, ktoré majú oveľa vyššiu účinnosť a pomer výkon/hmotnosť. Ale so všetkými výhodami majú tieto napájacie zdroje jednu nevýhodu: ich výstupné obvody majú oveľa zložitejšie obvody, ktoré zvyčajne neposkytujú ochranu proti spätnému toku prúdu zo sekundárneho obvodu. Výsledkom je, že pri použití takéhoto zdroja v systéme v tvare „PSU -> vyrovnávacia batéria -> záťaž“ sa pri vypnutí sieťového napätia začne batéria intenzívne vybíjať do výstupných obvodov zdroja.

Najjednoduchší spôsob (dióda)

Najjednoduchším riešením je použiť Schottkyho bariérovú diódu, ktorá je súčasťou prerušenia kladného vodiča spájajúceho PSU a batériu:

Hlavné problémy takéhoto riešenia však už odzneli v uvedenom článku. Okrem toho môže byť tento prístup neprijateľný vzhľadom na skutočnosť, že 12-voltová olovená batéria potrebuje napätie aspoň 13,6 voltov, aby fungovala v režime vyrovnávacej pamäte. A takmer pol voltu dopadajúceho na diódu môže spôsobiť, že toto napätie je v kombinácii s existujúcim napájaním úplne nedosiahnuteľné (len môj prípad).

To všetko nás núti hľadať alternatívne spôsoby automatického prepínania, ktoré by mali mať tieto vlastnosti:

1. Malý pokles napätia vpred v zapnutom stave.
2. Schopnosť vydržať bez výrazného zahrievania jednosmerný prúd spotrebovaný z napájacej jednotky záťažou a vyrovnávacou batériou v zapnutom stave.
3. Vysoký spätný pokles napätia a nízka vlastná spotreba pri vypnutom stave.
4. Normálne vypnutý stav, takže keď je nabitá batéria pripojená k pôvodne odpojenému systému, nezačne sa vybíjať.
5. Automatický prechod do zapnutého stavu pri pripojení sieťového napätia, bez ohľadu na prítomnosť a úroveň nabitia batérie.
6. Najrýchlejší automatický prechod do vypnutého stavu pri výpadku prúdu.

Ak by bola dióda ideálnym zariadením, tak by všetky tieto podmienky bez problémov spĺňala, no tvrdá realita body 1 a 2 spochybňuje.

Naivné riešenie (jednosmerné relé)

Pri analýze požiadaviek každého čo i len trochu „vec“ napadne na tento účel použiť elektromagnetické relé, ktoré je schopné fyzicky zopnúť kontakty pomocou magnetického poľa vytvoreného riadiacim prúdom vo vinutí. . A pravdepodobne dokonca načrtne niečo také na obrúsku:

V tomto obvode sú normálne otvorené kontakty relé zatvorené iba vtedy, keď prúd prechádza cez vinutie pripojené k výstupu napájacieho zdroja. Ak však prejdete zoznamom požiadaviek, ukáže sa, že tento obvod nezodpovedá odseku 6. Koniec koncov, ak boli kontakty relé raz zatvorené, strata sieťového napätia nevedie k ich otvoreniu, z dôvodu že vinutie (a s ním celý výstupný obvod zdroja) zostane pripojené k batérii cez rovnaké kontakty! Existuje typický prípad pozitívnej spätnej väzby, kedy je riadiaci obvod priamo spojený s výkonným obvodom a v dôsledku toho systém získava vlastnosti bistabilného spúšťača.

Takýto naivný prístup teda nie je riešením problému. Navyše, ak logicky analyzujeme súčasnú situáciu, ľahko prídeme na to, že v intervale „PSU -> vyrovnávacia batéria“ za ideálnych podmienok nemôže existovať iné riešenie ako ventil, ktorý vedie prúd jedným smerom. V skutočnosti, ak nepoužívame žiadny externý riadiaci signál, potom bez ohľadu na to, čo robíme v tomto bode obvodu, ktorýkoľvek z našich spínacích prvkov po zapnutí spôsobí, že elektrina generovaná batériou bude na nerozoznanie od elektriny, generované blokom výživa.

Obchádzka (AC relé)

Po uvedomení si všetkých problémov predchádzajúceho odseku „tápajúci“ človek zvyčajne príde s novým nápadom použiť samotný napájací zdroj ako jednosmerný vodivý ventil. Prečo nie? Koniec koncov, ak PSU nie je reverzibilné zariadenie a napätie batérie dodávané na jeho výstup nevytvára na vstupe striedavé napätie 220 voltov (ako sa to stáva v 100% prípadov skutočných obvodov), potom tento rozdiel môže použiť ako riadiaci signál pre spínací prvok:

Bingo! Všetky požiadavky sú splnené a jediné, čo je na to potrebné, je relé schopné zopnúť kontakty, keď je naň privedené sieťové napätie. Môže to byť špeciálne striedavé relé dimenzované na sieťové napätie. Alebo obyčajné relé s vlastným mini-PSU (tu stačí akýkoľvek beztransformátorový znižovací obvod s jednoduchým usmerňovačom).

Dalo by sa oslavovať víťazstvo, ale toto rozhodnutie sa mi nepáčilo. Najprv musíte niečo pripojiť priamo k sieti, čo nie je dobré z hľadiska bezpečnosti. Po druhé, skutočnosť, že toto relé musí spínať značné prúdy, pravdepodobne až desiatky ampérov, a preto nie je celý dizajn taký triviálny a kompaktný, ako by sa na začiatku mohlo zdať. A po tretie, čo taký pohodlný tranzistor s efektom poľa?

Prvé riešenie (FET + merač napätia batérie)

Hľadanie elegantnejšieho riešenia problému ma priviedlo k poznaniu, že batéria pracujúca v režime vyrovnávacej pamäte pri napätí asi 13,8 voltov bez externého „dobíjania“ rýchlo stráca svoje pôvodné napätie aj bez naložiť. Ak sa začne vybíjať na PSU, potom v prvej minúte stratí najmenej 0,1 voltu, čo je viac ako dosť na spoľahlivú fixáciu najjednoduchším komparátorom. Vo všeobecnosti je myšlienka takáto: brána prepínacieho FET je riadená komparátorom. Jeden zo vstupov komparátora je pripojený k stabilnému zdroju napätia. Druhý vstup je pripojený na delič napätia napájacieho zdroja. Deliaci pomer je navyše zvolený tak, aby napätie na výstupe deliča pri zapnutom zdroji bolo približne o 0,1...0,2 voltu vyššie ako napätie stabilizovaného zdroja. Výsledkom je, že keď je PSU zapnutý, napätie z deliča bude vždy prevládať, ale keď je sieť vypnutá, keď napätie batérie klesá, klesá úmerne k tomuto poklesu. Po určitom čase bude napätie na výstupe deliča menšie ako napätie stabilizátora a komparátor preruší obvod pomocou tranzistora s efektom poľa.

Príklad schémy takéhoto zariadenia:

Ako vidíte, priamy vstup komparátora je pripojený k stabilnému zdroju napätia. Napätie tohto zdroja v zásade nie je dôležité, hlavná vec je, že je v rámci povolených vstupných napätí komparátora, ale je vhodné, keď je to asi polovica napätia batérie, to znamená asi 6 voltov. Inverzný vstup komparátora je pripojený na delič napätia PSU a výstup je pripojený k hradlu spínacieho tranzistora. Keď napätie na invertovanom vstupe presiahne napätie priameho vstupu, výstup komparátora spojí bránu FET so zemou, čo spôsobí, že sa tranzistor zapne a uzavrie obvod. Po výpadku prúdu po chvíli klesne napätie batérie, spolu s tým aj napätie na inverznom vstupe komparátora a keď je pod úrovňou na priamom vstupe, komparátor „odtrhne“ hradlo tranzistora z uzemnenie a tým prerušiť obvod. V budúcnosti, keď napájací zdroj opäť „ožije“, napätie na invertovanom vstupe okamžite stúpne na normálnu úroveň a tranzistor sa opäť otvorí.

Pre praktickú realizáciu Pre tento obvod bol použitý čip LM393, ktorý mám. Ide o veľmi lacný (v maloobchode menej ako desať centov), ​​ale zároveň ekonomický a pomerne dobrý výkonový duálny komparátor. Prijíma napätie do 36 voltov, má prenosový pomer najmenej 50 V / mV a jeho vstupy majú pomerne vysokú impedanciu. Prvý komerčne dostupný vysokovýkonný P-kanálový MOSFET FDD6685 bol použitý ako spínací tranzistor. Po niekoľkých experimentoch toto praktická schéma prepínač:

V ňom je abstraktný zdroj stabilného napätia nahradený veľmi skutočným parametrickým stabilizátorom z odporu R2 a zenerovej diódy D1 a delič je vyrobený na základe ladiaceho odporu R1, ktorý vám umožňuje nastaviť deliaci faktor. na požadovanú hodnotu. Keďže vstupy komparátora majú veľmi výraznú impedanciu, tlmiaci odpor v stabilizátore môže byť aj viac ako sto kOhm, čo minimalizuje zvodový prúd a tým aj celkovú spotrebu zariadenia. Hodnota ladiaceho odporu nie je vôbec kritická a bez akýchkoľvek dôsledkov na výkon obvodu ju možno zvoliť v rozsahu od desať do niekoľko stoviek kOhm. Vzhľadom na to, že výstupný obvod komparátora LM393 je zostavený podľa obvodu s otvoreným kolektorom, je na jeho funkčné dotvorenie potrebný aj zaťažovací odpor R3 s odporom niekoľko stoviek kOhm.

Nastavenie zariadenia sa zredukuje na nastavenie polohy trimovacieho rezistorového motora do polohy, v ktorej napätie na vetve 2 mikroobvodu prevyšuje napätie na vetve 3 o približne 0,1 až 0,2 voltov. Pre nastavenie je lepšie nezachádzať multimetrom do vysokoimpedančných obvodov, ale jednoduchým nastavením jazdca odporu do spodnej (podľa schémy) polohy pripojiť napájací zdroj (nepripájame batériu ešte) a meraním napätia na kolíku 1 mikroobvodu posuňte kontakt odporu nahor. Akonáhle napätie náhle klesne na nulu, prednastavenie možno považovať za dokončené.

Nemali by ste sa snažiť vypnúť pri minimálnom rozdiele napätia, pretože to nevyhnutne povedie k nesprávnej prevádzke obvodu. V reálnych podmienkach je naopak potrebné vedome podceňovať citlivosť. Faktom je, že keď je záťaž zapnutá, napätie na vstupe obvodu nevyhnutne klesá v dôsledku nedokonalej stabilizácie v PSU a konečného odporu spojovacích vodičov. To môže viesť k tomu, že príliš citlivé zariadenie zváži takýto výpadok ako vypnutie PSU a preruší obvod. Výsledkom je, že PSU bude pripojený iba vtedy, keď nie je zaťažený, a batéria bude musieť zvyšok času pracovať. Je pravda, že keď je batéria trochu vybitá, vnútorná dióda tranzistora s efektom poľa sa otvorí a do obvodu cez ňu začne prúdiť prúd z PSU. To však povedie k prehriatiu tranzistora a k tomu, že batéria bude pracovať v režime dlhého podbitia. Vo všeobecnosti by sa konečná kalibrácia mala vykonávať pri skutočnom zaťažení, riadením napätia na kolíku 1 mikroobvodu a ponechaním malej rezervy pre spoľahlivosť.

Významnými nevýhodami tejto schémy je relatívna zložitosť kalibrácie a potreba vyrovnať sa s potenciálnou stratou energie batérie, aby správne fungovala.

Posledná nevýhoda ma prenasledovala a po zvažovaní ma priviedla k myšlienke merať nie napätie batérie, ale priamo smer prúdu v obvode.

Druhé riešenie (tranzistor s efektom poľa + merač smeru prúdu)

Na meranie smeru prúdu by sa dal použiť nejaký zložitý senzor. Napríklad Hallov senzor, ktorý registruje vektor magnetického poľa okolo vodiča a umožňuje určiť nielen smer, ale aj silu prúdu bez prerušenia obvodu. Avšak kvôli nedostatku takéhoto senzora (a skúsenostiam s takýmito zariadeniami) bolo rozhodnuté pokúsiť sa zmerať znamienko poklesu napätia na FET kanáli. Samozrejme, v otvorenom stave sa odpor kanála meria v stotinách ohmov (toto je celý nápad), ale napriek tomu je celkom konečný a môžete sa na ňom pokúsiť hrať. Ďalším argumentom v prospech tohto riešenia je absencia potreby jemných úprav. Koniec koncov, budeme merať iba polaritu poklesu napätia a nie jeho absolútnu hodnotu.

Podľa najpesimistickejších výpočtov s otvoreným kanálovým odporom tranzistora FDD6685 asi 14 mΩ a diferenciálnou citlivosťou komparátora LM393 zo stĺpca „min“ 50 V / mV budeme mať plný výkyv napätia 12 voltov. na výstupe komparátora pri prúde cez tranzistor tesne nad 17 mA. Ako vidíte, hodnota je celkom reálna. V praxi by mala byť asi o rádovo menšia, pretože typická citlivosť nášho komparátora je 200 V/mV, odpor tranzistorového kanála v reálnych podmienkach, berúc do úvahy inštaláciu, pravdepodobne nebude menší ako 25 mΩ. a kolísanie riadiaceho napätia na bráne nesmie presiahnuť tri volty.

Abstraktná implementácia by vyzerala asi takto:

Tu sú vstupy komparátora pripojené priamo na kladnú zbernicu na opačných stranách tranzistora s efektom poľa. Keď ním prúd prechádza rôznymi smermi, napätia na vstupoch komparátora sa budú nevyhnutne líšiť a znamienko rozdielu bude zodpovedať smeru prúdu a veľkosť jeho sile.

Na prvý pohľad sa obvod ukazuje ako mimoriadne jednoduchý, ale tu je problém s napájaním komparátora. Spočíva v tom, že nemôžeme napájať mikroobvod priamo z tých istých obvodov, ktoré musí merať. Podľa údajového listu maximálne napätie na vstupoch LM393 by nemalo byť vyššie ako napájacie napätie mínus dva volty. Ak je táto hranica prekročená, komparátor si prestane všímať rozdiel napätia medzi priamym a inverzným vstupom.

Existujú dve možné riešenia problému. Prvým, zrejmým, je zvýšenie napájacieho napätia komparátora. Druhá vec, ktorá vás napadne, ak sa trochu zamyslíte, je rovnomerne znížiť ovládacie napätia pomocou dvoch deličov. Môže to vyzerať takto:

Táto schéma zaujme svojou jednoduchosťou a výstižnosťou, no, žiaľ, nie je realizovateľná v reálnom svete. Faktom je, že máme do činenia s rozdielom napätia medzi vstupmi komparátora len niekoľko milivoltov. Zároveň je rozptyl odporov rezistorov aj najvyššej triedy presnosti 0,1%. S minimálnym prijateľným deliacim pomerom 2 až 8 a primeraným plný odpor 10 kΩ delič, chyba merania dosiahne 3 mV, čo je niekoľkonásobne viac ako úbytok napätia na tranzistore pri prúde 17 mA. Z rovnakého dôvodu neprichádza do úvahy použitie „trimra“ v jednom z deličov, pretože ani pri použití presného viacotáčkového odporu nie je možné zvoliť jeho odpor s presnosťou väčšou ako 0,01 % (plus , nezabudnite na časový a teplotný posun). Navyše, ako už bolo spomenuté vyššie, teoreticky by tento obvod kvôli jeho takmer „digitálnej“ povahe nemal byť vôbec potrebné kalibrovať.

Na základe vyššie uvedeného v praxi existuje iba možnosť so zvýšením napájacieho napätia. V zásade to nie je až taký problém, vzhľadom na to, že existuje veľké množstvo špecializovaných mikroobvodov, ktoré vám umožňujú zostaviť zvyšovací menič na požadované napätie len s niekoľkými časťami. Potom sa ale zložitosť zariadenia a jeho spotreba takmer zdvojnásobí, čomu by sme sa chceli vyhnúť.

Existuje niekoľko spôsobov, ako vytvoriť konvertor s nízkym príkonom. Napríklad väčšina integrovaných meničov predpokladá použitie samoindukčného napätia malej tlmivky zapojenej do série s "výkonovým" spínačom umiestneným priamo na kryštáli. Tento prístup má opodstatnenie pri pomerne výkonnej konverzii, napríklad na napájanie LED s prúdom desiatok miliampérov. V našom prípade je to jednoznačne nadbytočné, pretože je potrebné zabezpečiť prúd len okolo jedného miliampéra. Oveľa vhodnejší je pre nás obvod zdvojenia jednosmerného napätia s ovládacím tlačidlom, dvoma kondenzátormi a dvomi diódami. Princíp jeho fungovania možno pochopiť podľa schémy:

V prvom okamihu, keď je tranzistor uzavretý, sa nič zaujímavé nedeje. Prúd z napájacej koľajnice cez diódy D1 a D2 vstupuje na výstup, v dôsledku čoho je napätie na kondenzátore C2 ešte o niečo nižšie ako napätie privádzané na vstup. Ak sa však tranzistor zapne, kondenzátor C1 pretečie cez diódu D1 a tranzistor sa nabíja takmer na napájacie napätie (mínus priepustný úbytok na D1 a tranzistore). Ak teraz tranzistor opäť zatvoríme, ukáže sa, že nabitý kondenzátor C1 je zapojený do série s odporom R1 a napájaním. V dôsledku toho sa jeho napätie pridá k napätiu napájacieho zdroja a keď utrpí určité straty v rezistore R1 a dióde D2, nabije C2 na takmer dvojnásobok Uin. Potom je možné celý cyklus spustiť od začiatku. Výsledkom je, že ak tranzistor spína pravidelne a odber energie z C2 nie je príliš veľký, z 12 voltov sa získa asi 20 voltov za cenu iba piatich častí (nepočítajúc kľúč), medzi ktorými nie je ani jeden vinutie alebo celkový prvok.

Na implementáciu takéhoto zdvojovača potrebujeme okrem už uvedených prvkov aj generátor oscilácií a samotný kľúč. Môže sa zdať, že ide o množstvo detailov, no v skutočnosti to tak nie je, pretože takmer všetko, čo potrebujeme, už máme. Dúfam, že ste nezabudli, že LM393 obsahuje dva komparátory? A to, že sme zatiaľ použili len jeden z nich? Veď aj komparátor je zosilňovač, to znamená, že ak ho objímete pozitívom spätná väzba Autor: striedavý prúd, zmení sa na generátor. Zároveň sa jeho výstupný tranzistor bude pravidelne otvárať a zatvárať a dokonale plní úlohu zdvojovacieho kľúča. Tu je to, čo dostaneme, keď sa pokúsime realizovať naše plány:

Spočiatku sa môže zdať myšlienka napájať generátor napätím, ktoré skutočne generuje počas prevádzky, dosť divoká. Ak sa však pozriete bližšie, uvidíte, že generátor spočiatku dostáva energiu cez diódy D1 a D2, čo je dosť na spustenie. Po vygenerovaní začne pracovať zdvojovač a napájacie napätie sa postupne zvyšuje na približne 20 voltov. Tento proces netrvá dlhšie ako sekundu, po ktorej generátor a s ním aj prvý komparátor dostanú výkon, ktorý je výrazne vyšší ako prevádzkové napätie obvodu. To nám dáva príležitosť priamo zmerať rozdiel napätia medzi zdrojom a kolektorom tranzistora s efektom poľa a dosiahnuť náš cieľ.

Tu je konečná schéma nášho prepínača:

Na tom nie je čo vysvetľovať, všetko je popísané vyššie. Ako vidíte, zariadenie neobsahuje jediný ladiaci prvok a pri správnom zložení začne okamžite fungovať. Okrem už známych aktívnych prvkov pribudli len dve diódy, na ktoré môžete použiť ľubovoľné nízkopríkonové diódy s maximálnym spätným napätím aspoň 25 voltov a maximálnym priepustným prúdom 10 mA (napríklad rozšírená 1N4148, ktorý je možné prispájkovať zo starej základnej dosky).

Tento obvod bol testovaný na breadboarde, kde sa ukázal ako plne funkčný. Získané parametre sú plne v súlade s očakávaniami: okamžité spínanie v oboch smeroch, žiadna neadekvátna odozva pri pripojení záťaže, odber prúdu z batérie je len 2,1 mA.

Priložená je aj jedna z možností rozloženia PCB. 300 dpi, pohľad zo strany na detaily (takže musíte tlačiť v Zrkadlový obraz). Tranzistor s efektom poľa namontované na strane vodičov.

Zostavené zariadenie, úplne pripravené na inštaláciu:

Vyšľachtil som ho po starom, takže to dopadlo trochu krivo, no napriek tomu prístroj už niekoľko dní pravidelne plní svoje funkcie v obvode s prúdom do 15 ampérov bez známok prehrievania.