= ([Температура у гарячій точці, грЦ] - [Температура у холодній точці, грЦ]) / [Потужність, що розсіюється, Вт]
Це означає, що якщо від гарячої точки до холодної надходить теплова потужність X Вт, а тепловий опір становить Y грЦ/Вт, то різниця температур становитиме X * Y грЦ.
Формула для розрахунку охолодження силового елемента
Для випадку розрахунку тепловідведення електронного силового елемента те саме можна сформулювати так:
[Температура кристала силового елемента, грЦ] = [Температура навколишнього середовища, грЦ] + [Потужність, що розсіюється, Вт] *
де [ Повний тепловий опір, грЦ/Вт] = + [Тепловий опір між корпусом та радіатором, грЦ/Вт] + (для випадку з радіатором),
або [ Повний тепловий опір, грЦ/Вт] = [Тепловий опір між кристалом та корпусом, грЦ/Вт] + [Тепловий опір між корпусом та навколишнім середовищем, грЦ/Вт] (для випадку без радіатора).
В результаті розрахунку ми повинні отримати таку температуру кристала, щоб вона була меншою за максимально допустиму, зазначену в довіднику.
Де взяти дані до розрахунку?
Тепловий опір між кристалом та корпусомдля силових елементів зазвичай наводиться у довіднику. І позначається так:
Нехай Вас не бентежить, що у довіднику написані одиниці виміру K/W або К/Вт. Це означає, що дана величина наведена в Кельвінах на Ват, в грЦ на Вт вона буде такою самою, тобто X К/Вт = X грЦ/Вт.
Зазвичай у довідниках наведено максимально можливе значення цієї величини з урахуванням технологічного розкиду. Вона нам і потрібна, тому що ми повинні проводити розрахунок для гіршого випадку. Для прикладу максимально можливе теплове опір між кристалом і корпусом силового польового транзистора SPW11N80C3 дорівнює 0.8 грЦ/Вт,
Тепловий опір між корпусом та радіаторомзалежить від типу корпусу. Типові максимальні значення наведено у таблиці:
| 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 |
Ізоляційне прокладання.На наш досвід правильно обрана і встановлена ізолююча прокладка збільшує тепловий опір вдвічі.
Тепловий опір між корпусом/радіатором та навколишнім середовищем. Це тепловий опір з точністю, прийнятною більшості пристроїв, розрахувати досить просто.
[Тепловий опір, грЦ/Вт] = [120, (грЦ * кв. см)/Вт] / [Площа радіатора чи металевої частини корпусу елемента, кв. см].
Такий розрахунок підходить для умов, коли елементи та радіатори встановлені без створення спеціальних умов для природного (конвекційного) чи штучного обдування. Сам коефіцієнт вибраний із нашого практичного досвіду.
Специфікація більшості радіаторів містить тепловий опір між радіатором та навколишнім середовищем. Тож у розрахунку треба користуватися саме цією величиною. Розраховувати цю величину слід лише у випадку, якщо табличних даних по радіатору знайти не вдається. Ми часто для складання налагоджувальних зразків використовуємо б/в радіатори, тому ця формула нам дуже допомагає.
Для випадку, коли відведення тепла здійснюється через контакти друкованої плати, площа контакту також можна використовувати для розрахунку.
Для випадку, коли відведення тепла через виводи електронного елемента (типово діодів та стабілітронів щодо малої потужності), площа виводів обчислюється, виходячи з діаметра та довжини виведення.
[Площа виводів, кв. див.] = Пі * ([ Довжина правого висновку, див.] * [Діаметр правого виведення див.] + [Довжина лівого виводу, див.] * [Діаметр лівого виводу, див.])
Приклад розрахунку відведення тепла від стабілітрона без радіатора
Нехай стабілітрон має два виводи діаметром 1 мм і завдовжки 1 см. Нехай він розсіює 0.5 Вт. Тоді:
Площа висновків становитиме близько 0.6 кв. див.
Тепловий опір між корпусом (висновками) та навколишнім середовищем складе 120/0.6 = 200.
Тепловим опором між кристалом і корпусом (висновками) в даному випадку можна знехтувати, так як воно набагато менше 200.
Приймемо, що максимальна температура, при якій експлуатуватиметься пристрій, складе 40 грЦ. Тоді температура кристала = 40 + 200*0.5 = 140 грЦ, що допустимо для більшості стабілітронів.
Онлайн розрахунок тепловідведення - радіатора
Зверніть увагу, що у пластинчастих радіаторів потрібно рахувати площу обох сторін пластини. Для доріжок друкованої плати, що використовуються для відведення тепла, потрібно брати лише одну сторону, оскільки інша не контактує із навколишнім середовищем. Для голкових радіаторів необхідно приблизно оцінити площу однієї голки та помножити цю площу на кількість голок.
Онлайн розрахунок відведення тепла без радіатора
Декілька елементів на одному радіаторі.
Якщо одному тепловідводі встановлено кілька елементів, то розрахунок виглядає так. Спочатку розраховуємо температуру радіатора за формулою:
[Температура радіатора, ГРЦ] = [Температура довкілля, грЦ] + [Тепловий опір між радіатором та навколишнім середовищем, грЦ/Вт] * [Сумарна потужність, Вт]
[Температура кристалу, грЦ] = [Температура радіатора, ГРЦ] + ([Тепловий опір між кристалом та корпусом елемента, грЦ/Вт] + [Тепловий опір між корпусом елемента та радіатором, грЦ/Вт]) * [Потужність, що розсіюється елементом, Вт]
Вплив оточення компонента.
Можливо, площа міді у верхньому шарі, який встановлюється компонент, позначається на характеристиках охолодження. Другий елемент, який може вплинути - кількість припою, що використовується при монтажі.
Як нагрівальний елемент буде використаний транзистор у корпусі DPAK при потужності 2.5 Вт.
Перевірка впливу мідної зони навколо компонента (DPAK), температура кристалу:
Цікаво, що ще від 3 до 5 градусів можна виграти, якщо просто завдати більшої кількості припою навколо металевої пластини компонента (виведення стоку). Зазвичай при монтажі компонентів не дбають про теплопередачу через контактуючі поверхні, і це помилка. Навколо деталі найбільший опір втрат та нанесення припою може надати реальну допомогу.
Вимірювання якості передачі тепла на друкованій платі.
Досі знімали градієнт температури лише для одного випадку – без участі вентилятора. Але за штучного охолодження ефективність роботи друкованої плати має впасти через опір втрат передачі тепла вздовж плати. Повторимо тест, але додамо роботу вентилятора з дуже маленькою та нормальною продуктивністю (3.5 та 7 вольт). Транзистор поміняємо на D2PAK для симуляції групи невеликих транзисторів.
"Внт." - температура кристала, решта знято з зворотного бокудрукованої плати, точка "0" під центром металевої пластини транзистора ( D2PAK, 5 Вт).
| Вентилятор | Внт. | 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 У | 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 В | 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 |
У даних є невеликі порушення монотонності, що спричинено неоднорідною друкованою платою.
Ефективна довжина радіатора залежить від швидкості обдування, якщо виходити з межі п'ятдесятивідсоткового зниження, то робоча довжина становитиме:
- Без обдування – 30 мм.
- Низька швидкість обдування (вентилятор 3.5 В) – 22.5 мм.
- Висока швидкість обдування (вентилятор 7 В) – 20 мм.
Прошу звернути увагу, що вимірювання проводилися від центру до периферійної частини, тому загальний розмір довжини виходить у два рази більше.
Орієнтація у просторі та колір друкованої плати.
Друкована плата виконує функцію радіатора та відносно успішно. Але для радіатора важлива орієнтація у просторі та колір його покриття. Теплопередача може здійснюватися за рахунок нагрівання навколишнього повітря або випромінювання. Якщо радіатор темного кольору, ефективність передачі тепла випромінюванням підвищується, обіцяють поліпшення віддачі до х1.7 разів. Може, варто фарбувати плати у чорний колір?
Тестова установка проста – багатошарова друкована плата 25х40 мм (10 см 2 х2 сторони), у центрі припаяний транзистор у корпусі DPAK. Потужність та ж, що й інших тестах з цим транзистором, 2.5 Вт.
Отримані дані зведено до таблиці:
Нерівномірність температури в межах сторони плати не перевищує чотирьох градусів.
Спочатку на друкованій платі була захисна маска чорного кольору. Для отримання світлого кольору маска з обох боків видалялася. Теорія каже, що це мало спричинити погіршення ефективності в 1.7 разу, адже передача тепла методом випромінювання зменшилася у багато разів. Насправді погіршення роботи становило лише 25 відсотків. Відповідно до теорії, плоский радіатор краще працює у вертикальному положенні. Без маски це лише 18 відсотків, а з маскою ледь відчутно. Схоже, маска дуже товста і заважає теплопередачі.
Середня температура плати 50 градусів (температура зворотного боку не цікава), потужність 2.5 Вт, звідси можна обчислити термоопір подібного "радіатора" - 20 градусів на ват при площі 10 см 2 . Або при 200 см 2 тепловий опір 1 градус на ват.
Нічого надзвичайного, спеціально перефарбовувати плату в чорний колір точно не варто. Але це пояснює кохання виробників до темних плат.
Тепловий опір.
Для вимірювання теплового опору потрібно багато відкаліброваного обладнання та матеріалів, що досить проблематично, тому просто виміряємо падіння температури на тестовому матеріалі. Як генератор тепла візьмемо транзистор у корпусі DPAK за потужності 2.5 Вт. Його активна поверхня відведення тепла приблизно 5х5 мм.
Теплові втрати вимірювалися як різниця температур між точками "A" та "B".
Контрольні точки вибрані не дуже успішно, але цей метод витриманий для зняття параметрів всіх матеріалів. Теплові втрати на двох переходах середовищ та термопасти враховуються.
Особливості проведення вимірювань:
- При вимірюванні втрат у платах нагрівальний елемент до них припаювався, а зворотний бік зачищався від оксидів і покриттів до чистої міді.
- У корпусах BGA та TSOP вибиралося місце без напівпровідникового кристала, з краю.
- Як 'пластина із заліза' використовувався невеликий фрагмент з конструкції системного блоку.
- Теплопровідні прокладки знято з апаратури, тому точні характеристики невідомі. Червоний із фірмового блоку живлення, сірий – із звичайного китайського "noname".
Результати:
| Матеріал | Товщина, мм | Температура, градусів | Наведено до 1 мм, градусів |
| Багатошарова друкована плата | 1.5 | 10.3 | 6.9 |
| Двостороння друкована плата | 1.5 | 69.4 | 46.3 |
| Корпус мікросхеми BGA | 0.76 | 18.8 | 24.7 |
| Корпус мікросхеми TSOP | 0.98 | 31.7 | 32.3 |
| Пластина із заліза | 0.6 | 4.2 | 7 |
| Теплопровідна прокладка (червона) | 0.3 | 11.7 | 37.3 |
| Теплопровідна прокладка (сіра) | 0.37 | 16.9 | 45.7 |
| Прокладка з кераміки (біла) | 0.64 | 4.9 | 7.6 |
Різниця в температурах багатошарової та звичайної плати просто дика. Зрозуміло, що FR4 погано проводить тепло, але щоб тонкі прошарки міді були настільки ефективні.
Сама ж теплопровідність корпусів не надто хороша, що цілком очікувано.
По термопрокладках теж не дуже красиві цифри, але що є, тобто. На їх тлі кераміка виглядає просто чудово, але її не вдасться використати комп'ютерної техніки- просто нема чого. Призначення термопрокладок у виборі різної висоти компонентів, а кераміка жорстка і в цьому питанні не допоможе. Яка саме була кераміка у моєму випадку, сказати важко. Судячи з кольору та теплового опору, це берилієва кераміка.
Як використати дані таблиці? Так дуже просто – тепловий опір заліза відомий, решта цифр перераховується пропорційно.
Практичне застосування
Для початку ви можете скористатися методикою розрахунку радіатора за матеріалом, опублікованим на сайті electrosad.ru (pdf, 186 Кб). Або можна згадати правило - 'не завантажуй і не завантажимо будеш'. На фабричні радіатори є технічні характеристики, А з саморобними ... можна застосовувати спрощені розрахунки, адже точні розрахунки сенсу не несуть, дуже багато непередбачуваних параметрів. Ви знаєте тепловий опір корпусу чи друкованої плати саме вашої системної плати? Адже теплова провідність плати залежить, у тому числі, і від трасування її внутрішніх шарів. При цьому добре б врахувати, що з організацією обдування теж часом не все гаразд.
Отже, спрощений розрахунок. Якщо треба точніше, то, будь ласка, скористайтеся наведеним вище посиланням на методику, а з інших питань – на жаль, лише самостійні дослідження та читання документації з компонентів. На жаль, "загальні" рекомендації надто спрощені, подекуди дико.
Пункт 1 – теплова потужність.
За перетворювачами живлення процесора все досить просто, їхній ККД коливається навколо цифри 80%. При цьому слід врахувати, що вони проектуються на певну потужність споживання і при перевищенні (або пропорційно) цієї цифри ККД перетворення енергії починає зменшуватися. Грубо кажучи, варто брати ефективність 82% для зниженого навантаження, і 76% нормального – для великого. Потужність втрат становитиме відповідно 22 та 32 відсотки від вихідної потужності. Розрахунки для низької потужності робити важче, навіть при сильних спрощеннях, адже втрати компонентів перетворювача пропорційні квадрату вихідного струму.
Наприклад, у материнській платі, розрахованій на TDP 120 Вт, встановлено процесор із споживанням 70 Вт. В даному випадку навантаження не є підвищеним, очікується передбачуваний ККД 82%. При цьому джерела живлення споживається 70*100/82 = 85.4 Вт. З цієї цифри 70 Вт іде у процесор, а 85.4-70 = 15.4 Вт розсіюється на елементах перетворювача.
Той самий випадок, але з використанням потужнішого (за споживанням) процесора з розгоном дасть дещо іншу картину. Якщо він споживає 140 Вт (цифри умовні), передбачається зниження ККД перетворювача до 76%. Втрати складуть зовсім інші цифри: 140*100/76 = 184.2 Вт від джерела живлення, або 184.2-140 = 44.2 Вт на елементи перетворювача.
Хочу одразу зазначити, що далеко не всі ці втрати спричинені транзисторами. Щось, і дуже велике, розсіюється на індуктивності, трасуванні і, трохи - на конденсаторах. Як поділити отриману цифру на транзистори та інших? Все дуже залежить від застосованих компонентів. Скажімо, дві третини тепла розсіюється на транзисторах. Тільки не питайте, звідки взялася цифра. А стелю треба побілити.
Отже, треба розглянути два варіанти: 15.4х2/3 = 10 Вт та 44.2 * 2/3 = 29 Вт.
Пункт 2 – активна площа поверхні друкованої плати.
Давайте візьмемо якусь материнську плату і подивимося, у що це виллється.
У цій платі використовуються компоненти в корпусі LFPAK, які ефективно віддають тепло в друковану плату. Чудово, розрахунки можна проводити без особливих ускладнень. Якби компоненти погано відводили тепло в плату, то розрахунок ефективності розсіювання тепла був надзвичайно складний і простіше відразу переходити до вибору дискретного радіатора, ігноруючи теплорозсіювальні властивості плати.
Спочатку приберемо ті ділянки, які можуть відводити тепло від перетворювача.
Залишається виміряти поверхню, що залишилася. Якщо не враховувати зону нижнього лівого краю з написом BIOSTAR, то виходить два прямокутники - верхній 55х120 мм і правий 45х85 мм.
Раніше розглядалася ефективність відведення тепла друкарською платою. З отриманих результатів виходило, що ширина понад 60 мм не є ефективною (тому ігнорували ліву частину плати). У моєму випадку ширина 55 та 45 мм, що задовольняє умові без обмежень. У результаті виходить площа поверхні 55х120 + 45х85 = 104 см2.
Є один нюанс, який псує загальне враження. Справа в тому, що на платі розташовані інші компоненти, крім перетворювача, і вони теж підігрівають друковану плату. Для порядку варто відзначити, що ці компоненти виступають як невеликі радіатори і теж розсіюють тепло. На цій картинці є роз'єм процесора, і він (точніше, процесор) теж гріється. Але не сильно, термозахист процесора налаштований на температуру близько 60 градусів по верхній кришці. Щодо нижньої частини процесора, то вона нижче температури кришки. До того ж, між дном процесора та друкованою платою знаходиться прошарок контактів, які не надто добре передають тепло. Так що тепловий підігрів від процесора можна не враховувати.
Пункт 3 – площа та потужність на один транзистор.
У перетворювачі десять фаз, у кожній по три транзистори. Зрозуміло, що теплові втрати не розподіляються рівномірно на всі компоненти, але й розрахунки приблизні.
На один транзистор припадає 104/(10*3) = 3.5 см 2 площі друкованої плати. Потужність:
Перший варіант – 10/(10*3) = 0.33 Вт.
Другий варіант – 29/(10*3) = 0.97 Вт.
Вибачте невелике уточнення за методикою. Раніше розглянуто дослідження при використанні досить великих ділянок друкованої плати, які у багато разів перевищують цифру 3.5 см 2 отриману в цьому розрахунку. Це означає, що попереднє дослідження було неправильним? Погляньте, уважніше на картинку, транзистори зібрані в групу і тепло розсіюється досить довгою ділянкою плати (45 і 55 мм).
Пункт 4 – розрахунок радіатора.
Якщо дана потужність і перегрів, можна обчислити необхідну площу поверхні. Для цього треба вирішити, скільки закладатиметься на перегрів. В системному блоціНормальної температурою вважається 35 градусів, вище 50 градусів компонент сприймається як гарячий. Виходить, що на перегрівання залишається 50-35 = 15 градусів.
Прошу помітити, ці міркування торкаються температури радіатора (друкованої плати), у кристала температура виявиться дещо вищою.
Для початку спробуємо обійтися без примусового обдування.
Площу поверхні плати (вірніше, однієї сторони) вже розрахували. Далі, цю цифру треба помножити на 1,5, адже у плати дві сторони. Чому не подвоїти? Тут два моменти:
- По-перше, зворотний бік материнської платирозсіює тепло не дуже ефективно.
- По-друге, сама друкована плата зроблена не з чистої міді і через втрати працює не так ефективно.
Після обчислення ефективної поверхні (наведеної до ідеальної пластинки), до неї можна застосувати запитану формулу розрахунку - поверхня 300 см 2 нагрівається на один градус при підведенні потужності один ват. Але можна обійтися ще більше простим рішенням- раніше вимірювали, для темної друкованої плати (природно багатошарової) коефіцієнт 1 градус на ват припадає на (одну сторону) поверхні 200 см 2 .
Для найгіршого випадку, 0.97 Вт, необхідна площа радіатора становитиме 0.97*200/15 = 13 см2.
Ну ось, настав час розплакатися. Якби на платі під транзистор припадало 13 см 2 , то ні про який радіатор замислюватися не довелося. А так… лише 3.5 см 2 .
Якщо взяти меншу потужність (першому варіанту потрібно лише 0.33 Вт), то необхідна площа радіатора становитиме 0.33*200/15 = 4.4 см 2 .
Гм. Якщо не використовувати додатковий радіатор, то перший варіант цілком працездатний, тільки перегрів буде вже 19 градусів замість 15. Не смертельно, температура транзистора вийде 54 градуси. Що ж до другого випадку, то відсутність радіатора скаже дуже жорстко – перегрів 56 градусів або температура 91 градус.
Зрозуміло, чому виробник цієї материнської плати встановив на транзистори радіатор. У першому наближенні для нормального функціонування перетворювача потрібен радіатор 13 см 2 * 30 = 390 см 2 досить великого розміру. Спробую висловити безпідставне припущення, що встановлений виробником радіатор має ефективну поверхню набагато меншу за необхідну, а значить, виникне потреба в додатковому обдуванні.
Висновки
Війна – нісенітниця, головне маневри!
Висновки, друга спроба.
Ммм …. Висновки щось зовсім не пишуться, може?
Майже всі корпуси володіють пластиковим (керамічним) верхом, що ускладнює відведення тепла через нього. Можна поставити радіатор і/або обдувати потужним повітряним потоком, але ефект залишиться посереднім. Ну, не призначені вони для цього, що тут зробити. Причому справа не полегшує той факт, що кристал знаходиться досить глибоко під поверхнею.
Якщо в корпусі застосовується з'єднання висновків того виду, що розглянуто в розділі TSOP, то матеріал корпусу повинен бути вищим на товщину висновків та невеликий запас над ними для електричної ізоляції. Якщо ж висновки втоплені в глибину корпусу, знаходяться навколо кристала (дивитися картинку в розділі QFN), то все одно потрібен відчутний запас над кристалом, адже зволікання з'єднання кристал-висновки трохи піднімаються над пластиною напівпровідника. Саме тому я окремо не тестував таку поширену збірку, як drMOS – немає сенсу. Це все той же "TSOP", за методом підключення силових висновків (отже, і товщини верхньої кришки над кристалом); і QFN, методом відведення тепла в друковану плату.
І щодо відведення тепла через пластину в дні. Звичайний корпус, без вставок, трохи піднято над платою і дуже погано віддає тепло через дно. Зазор залишений не по чиєїсь особливої шкідливості, це потрібно технологічно - на друкованій платі можуть бути локальні дефекти (захисної маски, маркування, рельєфність багатошарової плати), та й при формуванні висновків та виготовленні корпусу існує розкид параметрів.
Основне завдання корпусу SMD – гарантувати надійне прилягання висновків, всіх висновків до контактних майданчиків друкованої плати. Звідси і виникає зазор між корпусом і платою. Він невеликий, але теплоізоляційні властивості у нього "хороші". Якщо компонент виділяє багато тепла, то може бути застосована модифікована редакція корпусу з металевою пластинкою в дні. При цьому напівпровідниковий кристал монтується на цю пластину, інакше немає сенсу городити город. Рішення добре, але чому воно не поширене? Якщо забути про трохи збільшену вартість корпусу та затарювання кристала, то залишається дуже серйозна проблема – 'металеве' дно заважає трасування плати.
Не можна так покласти подібний корпус на плату, захисна маска не може гарантувати відсутності замикання. Навіть якщо викрутити руки технологам і поставити, то все одно погано - сучасної електронікивсі ланцюги є лінії, а вони є цілком певний імпеданс. І оскільки метал дна прямо над провідниками, то імпеданс буде змінено і не відповідати розрахунковому. Якщо у ланцюга імпеданс змінюється на своєму протязі, виникають часткові локальні відображення і форма сигналу спотворюється.
Тому, якщо використовується корпус із металом у дні, то відповідну зону плати доводиться ізолювати від трасування. Зазвичай якщо метал у дні є, він займає значну її частину, що неминуче позначається якості трасування ланцюгів – банально менше місця. Тому хоч самі собою вставки і корисні, але їх не ставлять з об'єктивних причин. Втім, варто відзначити – у мікросхемах досить часто встановлюють напівпровідникові кристали на теплорозподільні пластини, просто вони не помітні, будучи ізольовані в корпусі. При цьому покращується відведення тепла, а зовні корпус виглядає традиційним.
До речі, я якось дивився мікросхеми SDRAM у корпусі TSOP – у них використовувався напівпровідниковий кристал величезного розміру, на весь простір корпусу. При цьому кристал було змонтовано на тонкій мідній платівці. Мікросхеми пам'яті дуже чутливі до локального нагрівання, тому запровадження платівки дуже виправдано.
За результатами вимірювань накопичилися деякі загальні висновки, настав час їх зібрати в одному місці.
Типи корпусів впливають механізм охолодження. Якщо в упаковці не передбачено відведення тепла до плати (TSOP, SOIC та аналогічні), то не слід розраховувати на ефективне відведення тепла засобами друкованої плати. У випадку з розвиненою поверхнею можна покласти надії на обдування. Інакше доведеться встановлювати додатковий радіатор.
Термопрокладки є зло, їх шкідлива сутність чітко позначилася на вимірах. У ряді корпусів введення цього елемента призводить до результату гіршому, ніж зовсім без радіатора. На жаль, при застосуванні групового радіатора, загального на кілька корпусів, без цього зла не обійтися - хоч трохи, але корпуси відрізняються за товщиною, а термопрокладка покликана вибрати різницю. Частина корпусів просто зобов'язує застосування термопрокладки, адже вони мають металевий верх, у якого є електричний контакт зі схемою.
Локальні радіатори краще групового, адже не вимагають використання термопрокладки, але розміри та форма такого радіатора має бути відповідні – великий обсяг (точніше – поверхня), рідкісні та високі голки чи ребра. Простий розмір компонента 5х5 … 10х10 мм, що утруднює підбір гідного радіатора. Подивіться результати тестування, радіатори 10 см 2 ... 20 см 2 не можуть мати істотного ефекту без примусового обдування, а це вже дуже великі конструкції.
Якщо компонент перегрівається, то ефективніше застосування обдування, ніж установка радіатора. Причина тривіальна – великий тепловий опір через верхню кришку. Корпуси не призначені для відведення тепла через верх. Про упаковку DirectFET поки не згадуватимемо, оскільки вона не дуже поширена. А жаль.
10.1. Призначення радіаторів- відводити тепло від напівпровідникових приладів, що дозволяє знизити температуру p-n-переходів і зменшити її вплив на робочі параметри приладів. Застосовують пластинчасті, ребристі та штирьові радіатори, Для поліпшення тепловідведення підлоги провідниковий прилад краще за все кріпити безпосередньо до радіатора Якщо потрібна електрична ізоляція приладу від шасі, радіатор кріплять на шасі через ізолюючі прокладки. Тепловипромінююча здатність радіатора залежить від ступеня чорноти матеріалу (або його поверхні), з якого виготовлений радіатор:
Чим більший ступінь чорноти, тим тепловідведення буде ефективнішим.
10.2. Штирьовий радіатор-Дуже ефективне тепловідведення для напівпровідникових приладів. Для виготовлення його потрібен листовий дюралюміній товщиною 4-6 мм та алюмінієвий дріт діаметром 3-5 мм.
На поверхні попередньо обробленої пластини радіатора намічають кернер місця отворів під штирі, висновки транзисторів (або діодів) і кріпильні гвинти. Відстань між центрами отворів (крок) під штирі в ряду і між рядами повинна бути рівна 2-2,5 діаметра алюмінієвого дроту. Діаметр отворів вибирають з таким розрахунком, щоб дріт входив у них із можливо меншим зазором. З зворотного боку отвори зенкуют на глибину 1-1,5 мм.
Зі сталевого стрижня довжиною 80-100 і діаметром В-10 мм виготовляють оправку, для чого в торці стрижня свердлять отвір діаметром, на 0,1 мм більшим за діаметр дроту. Глибина отвору повинна дорівнювати висоті майбутніх штирів радіатора.
Рис. 10.1. Обтискання для штирів радіатора
Потім нарізають необхідну кількість заготовок штирів. Для цього шматок дроту вставляють в отвір оправки і відкушують кусачками так, щоб довжина виступаючого з оправки кінця була на 1-1,5 мм більша за товщину пластини. Оправлення затискають в тиски отвором вгору, в отвір вводять заготовку штиря, на кінець якого надягають пластину лицьовою стороною і розклепують його легкими ударами молотка, намагаючись заповнити зенковане поглиблення. Таким чином встановлюють усі штирі.
Штировий радіатор можна виготовити, використовуючи дещо інший спосіб установки штирів в отворах пластини основи. Виготовляють сталевий обтиск, креслення якого для штирів діаметром 3 і довжиною до 45мм наведено на рис. 10.1. Робочу частину обтискання слід загартувати. Штир вставляють в отвір основи радіатора, кладуть основу на ковадло, зверху на штир надягають обтискання і б'ють по ньому молотком. Навколо штиря утворюється кільцева канавка, а він виявляється щільно посадженим в отворі.
Якщо необхідно виготовити двосторонній радіатор, то знадобиться два такі обтискання: в одну з них, встановлену на ковадлі отвором вгору, вставляють штир, нанизують основу радіатора, а зверху надягають друге обтискання. Ударом молотка по верхньому обтисканні фіксують штир відразу з обох боків. Цим способом можна виготовляти радіатори як із алюмінієвих, так і з мідних сплавів. І, нарешті, штирі можна встановити за допомогою паяння. Для цього беруть як матеріал мідний або латунний дріт діаметром 2-4 мм. Один кінець штиря лудять на довжину, більшу за товщину пластини на 1-2 мм. Діаметр отворів у пластині повинен бути таким, щоб лущені штирі входили в них без особливого зусилля.
В отвори основи вводять рідкий флюс (табл. 9.2), вставляють штирі та потужним паяльником паяють кожен з них. По закінченні роботи радіатор промивають ацетоном.
Рис. 10.2. Радіатор для потужного транзистора
10.3. Радіатор із листової мідітовщиною 1-2мм можна виготовити для потужних транзисторів типу П210, КТ903 та інших у подібних корпусах. Для цього вирізають із міді коло діаметром 60 мм, у центрі заготовки розмічають отвори для кріплення транзистора та його висновків. Потім у радіальному напрямку надрізають коло ножицями для металу на 20 мм, розділивши по колу на 12 частин. Після установки транзистора кожен сектор розвертають на 90 ° і відгинають догори.
10.4. Радіатор для потужних транзисторівтипу КТ903, KT908 та інших у подібних корпусах можна виготовити з алюмінієвого листа завтовшки 2мм (рис. 10.2). Зазначені розміри радіатора забезпечують площу випромінюючої поверхні, достатню для розсіювання потужності на транзисторі до 16 Вт.
Рис. 10.3. Радіатор для малопотужного транзистора: а-розгортка; б- загальний вигляд
10.5. Радіатор для малопотужних транзисторівможна виготовити з листової червоної міді або латуні товщиною 0,5 мм відповідно до креслень на рис. 10.3. Після виконання всіх прорізів розгортку згортають трубку, використовуючи оправлення відповідного діаметра. Потім заготовку щільно надягають на корпус транзистора і притискають пружним кільцем, попередньо відігнувши бічні кріпильні вушка. Кільце виготовляють із сталевого дроту діаметром 0,5-1 мм. Замість кільця можна використовувати бандаж із мідного дроту. Потім загинають вниз бічні вушка, відгинають назовні на потрібний кут надрізані "пір'я" заготовки - і готовий радіатор.
10.6. Радіатор для транзисторів серії КТ315, КТ361можна виготовити зі смужки міді, алюмінію або жерсті завширшки на 2-3 мм більше ширини корпусу транзистора (рис. 10.4). Транзистор вклеюють у радіатор епоксидним або іншим клеєм із хорошою теплопровідністю. Для кращого теплового контакту корпусу транзистора з радіатором необхідно зняти з корпусу лакофарбове покриття в місцях контакту, а установку в радіатор та склеювання виконати з можливим мінімальним зазором. Встановлюють транзистор з радіатором на плату, як і зазвичай, при цьому нижні кромки радіатора повинні упиратися в плату. Якщо ширина смужки 7 мм, а висота радіатора (з лудженої жерсті завтовшки 0,35 мм) - 22 мм, то за потужності розсіювання 500 мВт температура радіатора у місці приклеювання транзистора вбирається у 55 °З.
10,7. Радіатор із "тендітного" металу,наприклад, з листового дюралюмінію, виконують у вигляді набору пластин (рис. 10.5). При виготовленні прокладок та пластин радіатора необхідно стежити, щоб на кромках отворів та на краях пластин не було задирок. Дотичні поверхні прокладок і пластин ретельно [шліфують на дрібнозернистому наждачному папері, поклавши її на рівне скло. Якщо не потрібно ізолювати корпус транзистора від корпусу приладу, радіатор можна кріпити на стінці корпусу приладу або на внутрішній перегородці без ізолюючих прокладок, що забезпечує більш ефективну тепловіддачу.
10.8. Кріплення діодів типу Д226 на радіаторіабо на тепловідвідній пластині. Діоди кріплять за допомогою фланця. Катодний висновок відкушують біля самої основи і ретельно зачищають денце на дрібнозернистій шкірці до отримання чистої рівної поверхні. Якщо необхідно катодний висновок залишити, то в радіаторі свердлять отвір під вивід, ацетоном з денця знімають лак і акуратно обпилюють бортик (ободок) діода врівень з денцем для кращого теплового контакту діода з радіатором.
10.9. Поліпшення теплового контактуміж транзистором та радіатором дозволить забезпечити більшу потужність розсіювання на транзисторі.
Іноді, особливо при використанні литих радіаторів, видалити раковини та інші вади поверхні в місці теплового контакту (для його поліпшення) буває важко, а часом неможливо. В цьому випадку допоможе свинцеве прокладання. Пластину свинцю акуратно розкочують або розплющують між двома гладкими плоскими брусками до товщини приблизно 10,5 мм та вирізають прокладку необхідних розмірів та форми. Дрібнозернистою шкіркою зачищають обидві її сторони, встановлюють під транзистор і туго стискають вузол гвинтами. Прокладка не повинна бути товще 1 мм, тому що теплопровідність свинцю невисока.
10.10. Чорнення алюмінієвих радіаторів.Для підвищення ефективності тепловіддачі радіатора його поверхня зазвичай роблять матовою та темною. Доступний спосібчорніння-обробка радіатора у водному розчині хлорного заліза.
Для приготування розчину потрібна рівна за обсягом кількість порошку хлорного заліза та води. Радіатор очищають від пилу, бруду, ретельно знежирюють бензином або ацетоном і занурюють у розчин. Витримують у розчині 5-10 хв. Колір радіатора виходить темно-сірим. Обробку необхідно проводити в приміщенні, що добре провітрюється, або на відкритому повітрі.
ЧИ ЗНАЄТЕ ВИ?
10.11.
Тепловий режим малопотужних транзисторів можна полегшити, надівши на металевий корпус транзистора тор ("бублик") - спіраль, звиту з мідного, латунного або бронзового дроту діаметром 0,5-1,0 мм.
10.12.
Хорошим радіатором може бути металевий корпус або його внутрішні перегородки.
10.13.
Рівність контактного майданчика радіатора перевіряють, змастивши основу транзистора будь-якою фарбою та приклавши його до поверхні контактного майданчика. Виступаючі ділянки контакт. ної площадки радіатора пофарбуються.
10.14.
Для забезпечення хорошого теплового контакту можна поверхню транзистора, прилеглу до радіатора, змастити мастилом, що не висихає, наприклад силіконової. Це дозволить знизити тепловий опір контакту у півтора-два рази.
10.15.
Для поліпшення умов охолодження радіатор потрібно розташовувати так, щоб не створювати перешкод конвекційним потокам повітря: ребра радіатора вертикально, а сторона, на якій розташований транзистор, повинна бути збоку, а не знизу або зверху.
Є такий параметр, як тепловий опір. Він показує, скільки градусів нагрівається об'єкт, якщо у ньому виділяється потужність 1 Вт. На жаль, у довідниках з транзисторів такий параметр наводиться рідко. Наприклад, для транзистора в корпусі ТО-5 тепловий опір дорівнює 220 ° С на 1 Вт. Це означає, що у транзисторі виділяється 1 Вт потужності, він нагріється на 220°С. Якщо допускати нагрівання трохи більше до 100°С, наприклад, на 80°С щодо кімнатної температури, то отримаємо, що у транзисторі має виділятися трохи більше 80/220 = 0,36 Вт. Надалі вважатимемо допустимим нагрівання транзистора чи тиристора трохи більше, ніж 80°С.
Існує груба формула для розрахунку теплового опору тепловідведення Q = 50/VS °С/Вт, (1) де S - площа поверхні тепловідведення, виражена у квадратних сантиметрах. Звідси площу поверхні можна розрахувати за формулою S = 2.
Розглянемо як приклад розрахунок теплового опору конструкції, показаної малюнку. Конструкція тепловідведення складається із 5 алюмінієвих пластин, зібраних у пакет. Припустимо, W=20 див, D=10 див, а висота (на малюнку не показана) 12 див, кожен «виступ» має площу 10х12 = 120 см2, і з урахуванням обох сторін 240 см2. Десять «виступів» мають площу 2400 см2, а пластина – дві сторони х 20 х 12 = 480 см2. Разом отримуємо S = 2880 см2. За формулою (1) розраховуємо Q = 0,93 ° С/Вт. При допустимому нагріванні на 80 ° С отримуємо потужність розсіювання 80/0,93 = 90 Вт.
Тепер проведемо зворотний розрахунок.
Припустимо, потрібен блок живлення з вихідною напругою 12 і струмом 10 А. Після випрямляча маємо 17 В, отже, падіння напруги на транзисторі становить 5 В, а значить, потужність на ньому 50 Вт. При допустимому нагріванні на 80°С отримаємо потрібний тепловий опір Q=80/50=1,6°C/Вт. Тоді за формулою (2) визначимо S = 1000 см2.
Література
Конструктор №4/2000
- Схожі статті
Увійти за допомогою:
Випадкові статті
- 20.09.2014
Загальні відомостіпро електропроводки Електропроводкою називається сукупність проводів і кабелів з кріпленнями, що відносяться до них, що підтримують і захисними конструкціями. Прихована електропроводка має ряд переваг перед відкритою: вона безпечніша і довговічніша, захищена від механічних пошкоджень, гігієнічна, не захаращує стін і стель. Але вона дорожча, і її найважче замінити при необхідності. …
- 27.09.2014
На основі К174УН7 можна зібрати не складний генераторз 3 під діапазонами: 20...200, 200...2000 і 2000...20000Гц. ПІС визначає частоту коливань, що генеруються, вона побудована на елементах R1-R4 і С1-С6. Ланцюг негативної ОС зменшує нелінійні спотворення сигналу і стабілізує його амплітуду утворена резистором R6 і лампою розжарювання Н1. При вказівних номіналах схеми …
Про захист електричних схемвід неправильної полярності харчування за допомогою польового транзистора я згадав про те, що давно маю не вирішену проблему автоматичного відключенняакумулятора від зарядного пристроюпри знеструмленні останнього. І стало мені цікаво, чи не можна застосувати подібний підхід в іншому випадку, де теж споконвіку як запірний елемент використовувався діод.
Ця стаття є типовим гайдом із велосипедобудування, т.к. розповідає про розробку схеми, функціонал якої вже давно реалізований у мільйонах готових пристроїв. Тому прохання не відноситься до даного матеріалу, як до чогось зовсім утилітарного. Швидше, це просто історія про те, як народжується електронний пристрій: від усвідомлення необхідності до працюючого прототипу через усі перешкоди.
Навіщо все це?
При резервуванні низьковольтного джерела живлення постійного струму найпростіший шлях включення свинцево-кислотного акумулятора - це як буфер, просто паралельно мережному джерелу, як це робилося в автомобілях до появи у них складних «мозків». Акумулятор хоч і працює в не найоптимальнішому режимі, але завжди заряджений і не вимагає будь-якої силової комутації при відключенні або включенні напруги на вході БП. Далі більш докладно про деякі проблеми такого включення та спробу їх вирішити.Історія питання
Ще якихось 20 років тому подібне питання не стояло на порядку денному. Причиною тому була схемотехніка типового мережного блоку живлення (або зарядного пристрою), яка перешкоджала розряду акумулятора на вихідні ланцюги при відключенні мережної напруги. Подивимося найпростішу схемублоку з однонапівперіодним випрямленням:Цілком очевидно, що той же діод, який випрямляє змінну напругу мережної обмотки, буде перешкоджати і розряду акумулятора на вторинну обмотку трансформатора при відключенні напруги живлення мережі. Двонапівперіодна мостова схема випрямляча, незважаючи на дещо меншу очевидність, має такі самі властивості. І навіть використання параметричного стабілізатора напруги з підсилювачем струму (такого, як широко поширена мікросхема 7812 та її аналоги), не змінює ситуацію:
Дійсно, якщо подивитися на спрощену схему такого стабілізатора, стає зрозуміло, що емітерний перехід вихідного транзистора виконує роль того ж запірного діода, який закривається при пропаданні напруги на виході випрямляча, і зберігає заряд акумулятора в цілості і безпеці.
Однак у Останніми рокамивсе змінилося. На зміну трансформаторним блокам живлення з параметричною стабілізацією прийшли більш компактні та дешеві імпульсні AC/DC-перетворювачі напруги, які мають набагато вищий ККД і співвідношення потужність/вага. Ось тільки за всіх переваг, у цих джерел живлення виявився один недолік: їх вихідні ланцюги мають набагато складнішу схемотехніку, яка зазвичай ніяк не передбачає захисту від зворотного затікання струму з вторинного ланцюга. В результаті, при використанні такого джерела в системі виду "БП -> буферний акумулятор -> навантаження", при відключенні напруги акумулятор починає інтенсивно розряджатися на вихідні ланцюги БП.
Найпростіший шлях (діод)
Найпростіше рішення полягає у використанні діода з бар'єром Шоттки, включеного в розрив позитивного дроту, що з'єднує БП та акумулятор:
Проте основні проблеми такого рішення вже озвучені у згаданій вище статті. Крім того, такий підхід може бути неприйнятним через те, що для роботи в буферному режимі 12-вольтовому свинцево-кислотному акумулятору потрібна напруга не менше 13.6 вольт. А падаючі на діоді майже піввольта можуть зробити цю напругу банально недосяжною у поєднанні з наявним блоком живлення (якраз мій випадок).
Все це змушує шукати альтернативні шляхи автоматичної комутації, яка повинна мати наступні властивості:
- Мале пряме падіння напруги у ввімкненому стані.
- Здатність без суттєвого нагрівання витримувати у включеному стані прямий струм, що споживається від блоку живлення навантаженням та буферним акумулятором.
- Високе зворотне падіння напруги та низьке власне споживання у вимкненому стані.
- Нормально вимкнений стан, щоб при підключенні зарядженого акумулятора до спочатку знеструмленої системи не починався його розряд.
- Автоматичний перехід у включений стан при подачі напруги мережі незалежно від наявності та рівня заряду акумулятора.
- Максимально швидкий автоматичний перехід у вимкнений стан при зникненні мережі.
Наївне рішення (реле постійного струму)
При аналізі вимог будь-кому, хто хоч трохи «в темі», прийде думка використовувати для цієї мети електромагнітне реле, яке здатне фізично замикати контакти за допомогою магнітного поля, створюваного керуючим струмом в обмотці. І, мабуть, він навіть накидає на серветці щось на кшталт цього:
У цій схемі нормально розімкнені контакти реле замикаються лише при проходженні струму через обмотку, підключену до виходу блоку живлення. Однак якщо пройтися за списком вимог, то виявиться, що ця схема не відповідає пункту 6. Адже якщо контакти реле були одного разу замкнуті, пропадання напруги мережі не призведе до їх розмикання з тієї причини, що обмотка (а з нею і весь вихідний ланцюг БП) залишається підключеною до акумулятора через ці контакти! В наявності типовий випадок позитивного зворотного зв'язку, коли керуючий ланцюг має безпосередній зв'язок з виконавчою, і в результаті система набуває якості бістабільного тригера.
Таким чином, такий наївний підхід не є вирішенням проблеми. Більше того, якщо проаналізувати ситуацію, що склалася логічно, то легко можна дійти висновку, що в проміжку "БП -> буферний акумулятор" в ідеальних умовах ніяке інше рішення крім вентиля, що проводить струм в одному напрямку, бути просто не може. Дійсно, якщо ми не будемо використовувати будь-який зовнішній керуючий сигнал, то що б ми не робили в цій точці схеми, будь-який наш комутуючий елемент, одного разу ввімкнувшись, зробить невідмінною електрику, створювану акумулятором, від електрики, створюваного блокомхарчування.
Окольний шлях (реле змінного струму)
Після усвідомлення всіх проблем попереднього пункту, «шарячому» людині зазвичай спадає на думку нова ідея використання як однобічно проводить вентиля самого блоку живлення. А чому б і ні? Адже якщо БП не є оборотним пристроєм, і підведена до його виходу напруга акумулятора не створює на вході змінної напруги 220 вольт (як це і буває в 100% випадків реальних схем), то цю різницю можна використовувати як сигнал, що управляє, для комутувального елемента:
Бінґо! Виконуються всі пункти вимог і єдине, що для цього потрібно це реле, здатне замикати контакти при подачі на нього мережевої напруги. Це може бути спеціальне реле змінного струму, розраховане на напругу. Або звичайне реле зі своїми міні-БП (тут достатньо будь-якої безтрансформаторної знижувальної схеми з найпростішим випрямлячем).
Можна було б святкувати перемогу, але мені це рішення не сподобалося. По-перше, потрібно підключати щось безпосередньо до мережі, що не є гуд з погляду безпеки. По-друге, тим, що комутувати це реле має значні струми, ймовірно, до десятків ампер, а це робить всю конструкцію не такою тривіальною та компактною, як могло здатися спочатку. Ну і по-третє, а як такий зручний польовий транзистор?
Перше рішення (польовий транзистор + вимірювач напруги акумулятора)
Пошуки більш елегантного вирішення проблеми привели мене до усвідомлення того факту, що акумулятор, що працює в буферному режимі при напрузі близько 13.8 вольта, без зовнішнього підживлення швидко втрачає вихідну напругу навіть без навантаження. Якщо ж він почне розряджатися на БП, то за першу хвилину часу він втрачає не менше 0.1 вольта, що більш ніж достатньо для надійної фіксації найпростішим компаратором. Загалом, ідея така: затвором комутованого польового транзистора управляє компаратор. Один із входів компаратора підключений до джерела стабільної напруги. Другий вхід підключено до дільника напруги блока живлення. Причому коефіцієнт розподілу підібраний так, щоб напруга на виході дільника при включеному БП було приблизно на 0.1..0.2 вольта вище ніж напруга стабілізованого джерела. В результаті, при включеному БП напруга з дільника завжди буде переважати, а ось при знеструмленні мережі, у міру падіння напруги акумулятора, воно зменшуватиметься пропорційно до цього падіння. Через деякий час напруга на виході дільника виявиться меншою за напругу стабілізатора і компаратор за допомогою польового транзистора розірве ланцюг.Зразкова схема такого пристрою:
Як видно, до джерела стабільного напруження підключений прямий вхід компаратора. Напруга цього джерела, в принципі, не важливо, головне, щоб воно було в межах допустимої вхідної напруги компаратора, проте зручно, коли воно становить приблизно половину напруги акумулятора, тобто близько 6 вольт. Інверсний вхід компаратора підключений до дільника напруги БП, а вихід - до комутованого транзистора. Коли напруга на інверсному вході перевищує таку на прямому, вихід компаратора з'єднує затвор польового транзистора із землею, внаслідок чого транзистор відкривається та замикає ланцюг. Після знеструмлення мережі через деякий час напруга акумулятора знижується, разом з ним падає напруга на інверсному вході компаратора, і коли воно виявляється нижче рівня на прямому вході, компаратор «відриває» затвор транзистора від землі і тим самим розриває ланцюг. Надалі, коли блок живлення знову "оживе", напруга на інверсному вході миттєво підвищиться до нормального рівня та транзистор знову відкриється.
Для практичної реалізаціїданої схеми була використана наявна у мене мікросхема LM393. Це дуже дешевий (менше десяти центів у роздробі), але при цьому економічний і володіючий досить непоганими характеристиками здвоєний компаратор. Він допускає живлення напругою до 36 вольт, має коефіцієнт передачі не менше 50 V/mV, яке входи відрізняються досить високим імпедансом. Як комутуючий транзистор був взятий перший з доступних у продажу потужних P-канальних MOSFET FDD6685. Після кількох експериментів було виведено таку практичну схему комутатора:
У ній абстрактне джерело стабільної напруги замінено на цілком реальний параметричний стабілізатор з резистора R2 та стабілітрона D1, а дільник виконаний на основі підстроювального резистора R1, що дозволяє підігнати коефіцієнт розподілу під потрібне значення. Так як входи компаратора мають дуже значний імпеданс, величина опору, що гасить, в стабілізаторі може становити більше сотні ком, що дозволяє мінімізувати струм витоку, а значить і загальне споживання пристрою. Номінал підстроювального резистора взагалі не критичний і без будь-яких наслідків для працездатності схеми може бути обраний в діапазоні від десяти до кількох сотень ком. Через те, що вихідний ланцюг компаратора LM393 побудований за схемою з відкритим колектором, для її функціонального завершення потрібен також резистор навантаження R3, опором кілька сотень кОм.
Регулювання пристрою зводиться до встановлення положення двигуна підстроювального резистора в положення, при якому напруга на ніжці мікросхеми 2 перевищує таку на ніжці 3 приблизно на 0.1..0.2 вольта. Для установки краще не лізти мультиметром у високоімпедансні ланцюги, а просто встановивши двигун резистора в нижнє (за схемою) положення, підключити БП (акумулятор поки не приєднуємо), і, вимірюючи напругу на виведенні 1 мікросхеми, рухати контакт резистора вгору. Як тільки напруга різким стрибком впаде до нуля, попереднє налаштуванняможна вважати завершеною.
Не варто прагнути відключення при мінімальній різниці напруг, тому що це неминуче призведе до неправильної роботи схеми. У реальних умовах навпаки доводиться спеціально занижувати чутливість. Справа в тому, що при включенні навантаження, напруга на вході схеми неминуче просаджується через не ідеальну стабілізацію БП і кінцевого опору сполучних проводів. Це може призвести до того, що надмірно чутливо налаштований прилад визнає таку просідання відключенням БП і розірве ланцюг. В результаті БП підключатиметься лише за відсутності навантаження, а решту часу працювати доведеться акумулятору. Щоправда, коли акумулятор трохи розрядиться, відкриється внутрішній діод польового транзистора і струм БП почне надходити в ланцюг через нього. Але це призведе до перегріву транзистора та до того, що акумулятор працюватиме в режимі довгого недозаряду. Загалом, остаточне калібрування необхідно проводити під реальним навантаженням, контролюючи напругу на виведенні 1 мікросхеми і залишивши в результаті невеликий запас для надійності.
Істотними недоліками цієї схеми є відносна складність калібрування та необхідність миритися з потенційними втратами енергії акумулятора для коректної роботи.
Останній недолік не давав спокою і після деяких обдумувань привів мене до думки вимірювати не напругу акумулятора, а напрямок струму в ланцюзі.
Друге рішення (польовий транзистор + вимірювач напряму струму)
Для вимірювання напрямку струму можна було б застосувати якийсь хитрий датчик. Наприклад, датчик Холла, реєструючий вектор магнітного поля навколо провідника і дозволяє без розриву ланцюга визначити як напрям, а й силу струму. Однак у зв'язку з відсутністю такого датчика (та й досвіду роботи з подібними девайсами) було вирішено спробувати вимірювати знак падіння напруги на каналі польового транзистора. Звичайно, у відкритому стані опір каналу вимірюється сотими частками ома (заради цього і вся витівка), але, проте, воно цілком звичайно і можна спробувати на цьому зіграти. Додатковим аргументом на користь такого рішення є відсутність необхідності в тонкому регулюванні. Адже ми вимірюватимемо лише полярність падіння напруги, а не його абсолютну величину.За найпесимістичнішими розрахунками, при опорі відкритого каналу транзистора FDD6685 близько 14 мОм і диференціальної чутливості компаратора LM393 з колонки "min" 50 V/mV, ми матимемо на виході компаратора повний розмах напруги величиною 12 вольт при струмі через транзи. Як бачимо, величина цілком реальна. На практиці ж вона повинна бути ще приблизно на порядок меншою, тому що типова чутливість нашого компаратора дорівнює 200 V/mV, опір каналу транзистора в реальних умовах з урахуванням монтажу навряд чи буде менше 25 мОм, а розмах напруги, що управляє, на затворі може не перевищувати трьох вольт.
Абстрактна реалізація матиме приблизно такий вигляд:
Тут входи компаратора підключені безпосередньо до плюсової шини на різні боки від польового транзистора. При проходженні струму через нього в різних напрямках напруги на входах компаратора неминуче відрізнятимуться, причому знак різниці буде відповідати напрямку струму, а величина – його силі.
На перший погляд схема виявляється гранично простою, проте виникає проблема з харчуванням компаратора. Полягає вона в тому, що ми не можемо запитати мікросхему безпосередньо від тих ланцюгів, які вона повинна вимірювати. Згідно з датасітом, максимальна напругана входах LM393 не повинно бути вище напруги живлення мінус два вольти. Якщо перевищити цей поріг, компаратор припиняє помічати різницю напруги на прямому та інверсному входах.
Потенційних рішень проблеми, що виникла, два. Перше, очевидне, полягає у підвищенні напруги живлення компаратора. Друге, яке спадає на думку, якщо трохи подумати, полягає в рівному зниженні керуючих напруг за допомогою двох дільників. Ось як це може виглядати:
Ця схема підкуповує своєю простотою та лаконічністю, однак у реальному світі вона, на жаль, не реалізована. Справа в тому, що ми маємо справу з різницею напруг між входами компаратора всього в одиниці мілівольт. У той самий час розкид опорів резисторів навіть найвищого класу точності становить 0.1%. При мінімально прийнятному коефіцієнті розподілу 2 до 8 і розумному повному опорідільника 10 кОм, похибка вимірювання досягатиме 3 mV, що у кілька разів перевищує падіння напруги на транзисторі при струмі 17 mA. Застосування «підстроєчника» в одному з дільників відпадає з тієї ж причини, адже підібрати його опір з точністю не менше 0.01% неможливо навіть при використанні прецизійного багатооборотного резистора (плюс не забуваємо про тимчасовий і температурний дрейф). Крім того, як уже писалося вище, теоретично ця схема взагалі не повинна потребувати калібрування через свою майже «цифрову» сутність.
Виходячи з усього сказаного, на практиці залишається лише варіант із підвищенням напруги живлення. В принципі, це не така вже й проблема, якщо врахувати, що існує безліч спеціалізованих мікросхем, що дозволяють за допомогою всього декількох деталей спорудити stepup-перетворювач на потрібну напругу. Але тоді складність устрою та його споживання зросте майже вдвічі, чого хотілося б уникнути.
Існує кілька способів спорудити малопотужний перетворювач, що підвищує. Наприклад, більшість інтегральних перетворювачів передбачають використання напруги самоіндукції невеликого дроселя, послідовно включеного з «силовим» ключем, розташованим прямо на кристалі. Такий підхід виправданий при порівняно потужному перетворенні, наприклад для живлення світлодіода струмом десятки міліампер. У нашому випадку це явно надмірно, адже потрібно забезпечити струм всього близько одного міліампера. Нам набагато більше підійде схема подвоєння постійної напруги за допомогою керуючого ключа, двох конденсаторів і двох діодів. Принцип її дії можна зрозуміти за схемою:
У перший час, коли транзистор закритий, немає нічого цікавого. Струм із шини живлення через діоди D1 і D2 потрапляє на вихід, внаслідок чого на конденсаторі C2 встановлюється навіть дещо нижча напруга, ніж надходить на вхід. Однак якщо транзистор відкриється, конденсатор C1 через діод D1 та транзистор зарядиться майже до напруги живлення (мінус пряме падіння на D1 та транзисторі). Тепер, якщо ми знову закриємо транзистор, виявиться, що заряджений конденсатор C1 включений послідовно з резистором R1 і джерелом живлення. В результаті його напруга складеться з напругою джерела живлення і, зазнавши деяких втрат в резисторі R1 і діоді D2, зарядить C2 майже до подвоєного Uin. Після цього весь цикл можна розпочинати спочатку. У результаті, якщо транзистор регулярно перемикається, а відбір енергії з C2 не дуже великий, з 12 вольт виходить близько 20 ціною всього п'яти деталей (крім ключа), серед яких немає жодного намотувального або габаритного елемента.
Для реалізації такого подвійника, крім перерахованих елементів, нам потрібен генератор коливань і сам ключ. Може здатися, що це безліч деталей, але насправді це не так, адже майже все, що потрібно, у нас вже є. Сподіваюся, ви не забули, що LM393 містить у своєму складі два компаратори? А те, що використовували ми поки що лише один з них? Адже компаратор – це теж підсилювач, отже, якщо охопити його позитивною зворотним зв'язкомпо змінному струму, він перетвориться на генератор. При цьому його вихідний транзистор регулярно відкриватиметься і закриватиметься, відмінно виконуючи роль ключа подвоювача. Ось що в нас вийде за спроби реалізувати задумане:
Спочатку ідея живити генератор напругою, яке той сам фактично і виробляє під час роботи, може здатися досить дикою. Однак якщо придивитися уважніше, то можна побачити, що спочатку генератор отримує живлення через діоди D1 і D2, чого йому цілком достатньо для старту. Після появи генерації починає працювати подвоювач, і напруга живлення плавно зростає приблизно до 20 вольт. На цей процес йде не більше секунди, після чого генератор, а разом з ним і перший компаратор, отримують харчування, що значно перевищує робочу напругу схеми. Це дає нам можливість безпосередньо вимірювати різницю напруги на витоку і стоку польового транзистора і досягти своєї мети.
Ось остаточна схема нашого комутатора:
Пояснювати за нею вже нічого, все описано вище. Як бачимо, пристрій не містить жодного настроювального елемента і при правильному збиранні починає працювати відразу. Крім вже знайомих активних елементів додалися тільки два діоди, як яких можна використовувати будь-які малопотужні діоди з максимальною зворотною напругою не менше 25 вольт і граничним прямим струмом від 10 mA (наприклад, широко поширений 1N4148, який можна випаяти зі старої материнської плати).
Цю схему було перевірено на макетній платі, де довела свою повну працездатність. Отримані параметри повністю відповідають очікуванням: миттєва комутація в обидва напрями, відсутність неадекватної реакції при підключенні навантаження, споживання струму від акумулятора лише 2.1 mA.
Один із варіантів розведення друкованої плати також додається. 300 dpi, вид з боку деталей (тому друкувати потрібно в дзеркальне відображення). Польовий транзистормонтується із боку провідників.
Зібраний пристрій повністю готовий до монтажу:
Розводив старим дідівським способом, тому вийшло трохи криво, проте девайс вже кілька днів справно виконує свої функції в ланцюзі зі струмом до 15 ампер без жодних ознак перегріву.
Завантаження...