Как изолировать транзисторы от радиатора
Здравствуйте, друзья! Многие радиолюбители сталкивались с проблемой изоляции группы транзисторов на одном радиаторе. Обычно для изоляции транзисторов на теплоотводе применяются специальные теплопроводящие прокладки вырезанные из прокладочной слюды. Крепежные винты изолируются специальной пластиковой втулкой. В компьютерных блоках питания для изоляции транзисторов используются силиконовые прокладки смазанные белой теплопроводящей пастой. Но, к сожалению, купить эти прокладки и втулки в магазинах очень сложно, не все продавцы хотят торговать такой мелочью. А компьютерные блоки питания не у каждого радиолюбителя имеются под рукой. По этому, я открою вам большой секрет и расскажу, как изолировать транзисторы от радиатора.
В радиаторе просверлите отверстия для крепления транзисторов. Чтобы транзистор плотно прилегал к радиатору обязательно снимите фаску сверлом большего диаметра и нарежьте резьбу М3. Так же обратите внимание на поверхность радиатора, сильную шероховатость отшлифуйте мелкозернистой наждачной бумагой.
Если у вас нет пластиковых втулок для изоляции транзисторов и нет возможности купить, тогда придется изготовить их своими руками из кусочка текстолита. Отрежьте пластинку нужного размера, просверлите отверстия диаметром 3 мм.
Как изолировать винты от радиатора?
На каждый винт оденьте колечко из термоусадочной трубки и прогрейте зажигалкой. Колечко примет форму винта и будет служить хорошим изолятором.
Из чего добыть слюду в домашних условиях?
Слюда это теплостойкий диэлектрик, который широко применяется в современной бытовой технике. В микроволновой печи имеется пластина из листовой слюды, она вполне подойдет для изоляции транзисторов на радиаторе. В старом сгоревшем паяльнике тоже находится слюда свернутая в трубочку, она изолирует нихромовую обмотку.
А еще в термопоте и слюдяных конденсаторах. Что же делать, если в вашем доме нет старой бытовой техники и слюдяных конденсаторов?
Тогда в качестве диэлектрика можно использовать рукав для запекания, он очень теплостойкий и не проводит ток.
Отрежьте небольшой кусочек от рукава и сложите в двое для надежности.
Приложите отрезанный кусочек рукава к радиатору на место установки группы транзисторов.
Прижмите транзисторы к теплоотводу и проколите шилом отверстия для крепежных винтов. Для большей теплопроводности желательно смазать теплоотвод и транзисторы термопастой.
Вставьте изолированные винты в отверстия и затяните.
Прикрутите радиатор к плате.
Проверьте мультиметром отсутствие замыкания коллектора с теплоотводом.
На этом установка транзисторов на радиатор окончена. Осталось провести тепловые испытания при максимальной нагрузке на транзисторы. Как показала практика такой способ изоляции транзисторов не очень простой, но зато надежный.
Нарезаем резьбу в радиаторе усилителя НЧ
Мне часто приходилось нарезать резьбу в радиаторах для крепления микросхем и транзисторов, входящих в состав УНЧ. Первоначально она получалась некачественной и винты не затягивались, а прокручивались. Спустя определенное время я научился и усвоил некоторые важные моменты, которые и хочу вам рассказать.
Почему не получалось?
Во-первых, радиатор выполнен из очень мягкого металла (дюралевый или алюминиевый) и любое изменение угла метчика относительно плоскости радиатора приводило к дефекту резьбовой части.
Во-вторых, я неправильно выбирал диаметр сверла для метчика, что очень важно в этом деле.
Технологический процесс можно разбить на несколько переходов.
- Разметка центров отверстий и нанесение насечек с помощью керна.
- Подборка диаметра сверла.
- Сверление отверстий (черновое и чистовое).
- Непосредственное нарезание резьбы.
Теперь пройдемся по каждому переходу немного подробнее…
1. Разметку необходимо проводить на поверхности радиатора с помощью карандаша или заточенного металлического предмета в соответствии с габаритными размерами прикрепляемого элемента (транзистора, микросхемы и т.д.). Проще всего наложить фланец полупроводникового прибора на плоскость радиатора, и сделать отметки.
При нанесении насечек керном, необходимо учитывать, что радиатор может быть выполнен из мягкого металла (алюминия, дюралюминия) поэтому удар молотком необходимо наносить аккуратно, легко, чтобы избежать значительной деформации плоскости.
2. От правильно выбранного диаметра сверла серьезно зависит качество выполненной резьбы. Для выбора нужно определиться с типом резьбы, а также ее номинальным диаметром. Для крепления усилителя STK433-100 я буду применять винты c резьбой М3×0.5 (метрическая резьба с шагом 0.5, диаметром 3мм).
Далее согласно таблице приложенной ниже выбираем диаметр сверла. В моем случае это 2,5мм.
Скачать таблицу в формате Excel (*.xlsx).
3. Черновую разделку отверстий необходимо начинать сверлом, диаметр которого немного меньше выбранного в переходе 2. Я взял на 2мм. Делается это для того, чтобы отверстие получилось ровным и обретало по периметру более четкую окружность, а не эллипс.
Перед сверлением нужно смазать сверло маслом, солидолом, техническим (или простым) вазелином либо другой смазкой (маслом).
Патрон дрели нужно держать строго перпендикулярно по отношению к плоскости радиатора. Малейшее изменение угла приведет к образованию эллипса (особенно если металл мягкий), а впоследствии к некачественно нарезанной резьбе.
Дальше проводится чистовое сверление (2,5мм) и выполняется зенковка сверлом, диаметр которого больше чем в переходе 2. Я выполнял её двумя сверлами, 4мм и 3мм. Глубина зенковки делается около 1-2мм. Она нужна для хорошего вхождения метчика.
4. Далее берем комплект метчиков, который обычно состоит из двух или трех штук. Один черновой, второй чистовой. В комплекте из трех есть промежуточный метчик. Помечаются они полосками или цифрами.
Отличить черновой от чистового можно по длине захода, у чернового она больше. Отличие есть и на режущей части, у чистового метчика она более четко выражена.
У меня китайский комплект из двух штук, в котором на одном метчике была одна полоска (черновой), а на другом нет полосок (чистовой).
Для нарезания резьбы малых диаметров (до 5мм) в алюминиевых деталях можно обойтись одним черновым метчиком, так как металл очень мягкий, и винт будет вкручиваться туже, не болтаясь в отверстии.
С помощью держателя зажать метчик и нанести смазку на режущую часть. Установить его в выполненную зенковку.
Плавно вращать держатель с метчиком по часовой стрелке, при этом нужно следить за его положением, которое должно быть строго перпендикулярно плоскости радиатора. Делать нужно два оборота по часовой стрелке, а затем один оборот против часовой стрелки, периодически убирая стружку с режущей части.
Как просверлить дырку в радиаторе под транзисторы
УВЕЛИЧЕНИЕ НАДЕЖНОСТИ УСИЛИТЕЛЯ МОЩНОСТИ
ОБЩИЕ ПОЛОЖЕНИЯ О САМОСТОЯТЕЛЬНОЙ СБОРКЕ УСИЛИТЕЛЕЙ МОЩНОСТИ
ВСЕ РАСЧЕТЫ УПРОЩЕНЫ И ОТ ПРАВИЛЬНЫХ РЕЗУЛЬТАТЫ РАСЧЕТОВ ОТЛИЧАЮТСЯ В СТОРОНУ ЗАПАСА НЕ БОЛЕЕ ЧЕМ НА 15%
ОЧЕРЕДНАЯ ИСТЕРИКА НА ТЕМУ У МЕНЯ СГОРЕЛ УСИЛИТЕЛЬ! ПОСЛУЖИЛА
ПОВОДОМ ДЛЯ СОЗДАНИЯ ЭТОЙ СТРАНИЦЫ
Теплоотвод (радиатор) для усилителя мощности играет далеко не последнюю роль в его эксплутационных характеристиках, определяя прежде всего надежность усилителя и как правило имеющий свои характеристики. Основными можно назвать пару:
-тепловое сопротивление
-площадь охлаждения.
Если не вдаваться в глубокую физику, то тепловое сопротивление радиатора это есть скорость с которой точка нагрева будет отдавать свое тепло охлаждающим поверхностям — ребрам. Этот параметр учитывается довольно редко, от этого и довольно частые выходы из строя самодельных усилителей. На рисунке 18 показаны схематично процессы нагрева теплоотвода от фланца силового транзистора.
Рисунок 18 Распространение тепла внутри несущего основания теплоотвода.
При толщине несущего основания 3 мм тепло от фланца довольно быстро достигает тыльной стороны и далее распространаяется довльно медленно, поскоьку толщина материала слишком мала. В результате происходит довольно большой местный нагрев, а охлаждающие плоскости (ребра) остаются холодными. При толщине несущего основания 8 мм тепло от фланца уже достигает обратной стороны радиатора гораздо медленней, поскольку необходимо прогреть участки радиатора в горизонтальной плоскости. Таким обюразом нагрев происходит более равномерно и охлаждающие плоскости начинают прогреваться более равномерно.
Можно было бы конечно выкопать кучу формул и выложить их здесь, но это слишком "тяжелая" математика, поэтому остановимся лишь на приблизительных результатах расчетов.
Толщина несущего основания радиатора для усилителй АВ должна составлять 1 мм на каждые 10 Вт выходной мощности усилителя, но не менее 2 мм. При мощностях свыше 100 Вт толщина несущего основания должна быть не менее 9 мм + 1 мм на каждые 50 Вт превышающие 100 Вт. Для усилителей мощности с многоуровневым питанием (G и H) толщину несущего основания следует расчитывать аналогичными образом, но в качестве исходной мощности следует брать мощность усилителя деленную на количество уровней питания.
Ступенчатость в расчетах при мощностях свыше 100 Вт связана с тем, что в таких усилителях уже используется по несколько соединенных параллельно транзисторах, которые рассеивают тепло равномерно в разных местах несущего основания радиатора. Для классов G и H мощность делится на 2 потому что именно из за меняющегося напряжения питани (подключение второго уровня) происходит уменьшение выделяемой мощности, кторая рассеивается только при достижении уровня исгнала определеннйо величины.
Площадь охлаждения расчитывается чисто математически, измерив основные размеры радиатора — рисунок 19
Рисунок 20 Расчет площади охлаждения теплоотвода
В данной формуле:
а — толщина несущего основания, удваивается, поскольку имеет контакт с охлаждающей средой (воздухом в данном случае) с двух сторон;
б и г — по сути высота ребра, используется обе стороны, поскольку обе имеют контакт с охлаждающей средой;
в — Ширина верхушки ребра, можно принебречь;
д -расстояние между ребрами радиатора;
е — длина обратной стороны радиатора;
n — количество ребер на радиаторе;
h — высота радиатора.
Крепежные выступы и дополнительные отливы тоже можно посчитать, но как правило их площадь ничтожно мала по отношению к основной, поэтому ею можно принебречь. В данной формуле так же не учитываются площади торцов ребер.
Площадь радиатора расчитывается исходя из мощности усилителя и опуская формулы может быть определена по таблице:
Пугаться огромных площадей охлаждения не следует, поскольку алюминиевый лист 10 х 10 см и толщиной 0,5 см имеет суммарную площадь охлаждения 10 х 10 = 100 кв см, стороны две, следовательно 100 х 2 = 200 кв см, плюс 4 торцевых стороны с площадью 0,5 х 10 = 5 добавлляет еще 20 кв см и в результате получаем 200 + 20 = 220 см, а радиатор показанный на рисунке 27 (габариты 17 х 5,5 х 11,5 см) имеет площадь охлаждения 3900 кв см, тем более в расчеты заложен нарев радиатора до 80 градусов при воспроизведении самых жестких композиций.
Тут же следует дать ответ на вопрос А ПОЧЕМУ ДЛЯ КЛАССОВ G и H ПЛОЩАДЬ РАДИАТОРОВ ПОЧТИ В ДВА РАЗА МЕНЬШЕ И ПОЧЕМУ НА G МЕНЬШЕ ЧЕМ НА H?
Для получения более понятного ответа стоит вернуться к сериалу рисунков 7-13 и еще раз перечитать — максимальная мощность рассеивается только в моменты выходной сигнал проходит амплитудногое значение равное половине напряжения питания, в остальные моменты она или растет или уменьшается. При питании двумя уровнями рассеиваемая мощность увеличитвается пока не достигнет половины величины питания первого "этажа", затем уменьшается и дойдя до величины равной почти питанию первого "этажа" снова начинает увеличиваться до максимума, поскольку ступенчато включается второй этаж питания (класс H), а он по величине больше первого "этажа" в 2 раза. Однако после включение второго "этажа" мощность по мере роста велечины выходного сигнала уменьшается. Следовательно за один полупериод синусоидального сигнала оконечные транзисторы будут дважды рассеивать макисмальную мощность, но она превысит величину по сравнению с классом АВ лишь на несколько процентов. Для класса G процессы нагрева несколько отличаются от H, поскольку подключение второго "этажа" питания происходит не ступенчато, а плавно и рассевиваема мощность оконечных транзисторов распределяется, правда не равномерно — втрому "этажу" приходится тяжелей первого. Пока амплитуда выходного сигнала не достигла велечины включения второго этажа оконечные транзисторы работают в обычном режиме, а когда второй этаж включается в работу они мощность рассеивают, но уже не значительную, поскольку как правило закладываемая разница между первым и вторым этажом составляет 15-18 В. В при включеннии транзисторов второго этажа наибольшую мощность рассеивают именно они и происходит это в момент их включения, а по мере роста амплитуды выходного исгнала расеиваемая мощность уменьшается. Другими словами площадь охлаждения усилителей G меньше чем H как раз за счет того, что тепловыденеие происходит в разных местах радиатора — пока работает первый этаж — греются одни транзисторы, как только включается второй этаж они начинают остывать, а греются уже другие транзисторы, расположенные в другом месте радиатора.
Если радиатора с подходящей площадью охлаждения нет, то можно воспользоваться принудительным охлаждением, установив на радиаторы вентиляторы от компьтерной техники (рисунок 21).
Рисунок 21 Внешний вид компьтерных вентиляторов
При покупке вентилятров следует обратить внимание на надписи на его наклейки. Кроме производителя на вентиляторах указывается напряжение и потребляемый ток, который как раз и определяет производительность вентилятора. На рисунке 22 слева безшумный тихоход (ток 0,08А), который почти не слышно, но и который дает довольно слабый охлаждающий поток, а справа — гудящий ветродув (ток потребления 0,3А). Рекомендуется для усителей мощности использовать высокопроизводительные вентиляторы, поскольку уменьшить производительность можно всегда уменьшив обороты вращения (уменьшить напряжение питания), а вот увеличить получается не всегда, а если точнее — очень редко. Нескольк вариантов управления вентиляторам можно посмотреть здесь.
Рисунок 22 Слева малопроизводительный безшумный, справа высокопроизводительный гудящий.
При выборе вентилятора кроме производительности следует определиться с размерами, поскольку размеров на рынке уже достаточно много, да и наработка на отказ у всех разная, поскольку некоторые проиводители используют подшипники скольжения (вал крыльчатки вращается во вкладышах из порошковой бронзы), а некоторые используют шарико-подшипники, которые конечно же работают гораздо дольше и меньше подвержены забиванию пылью.
Вариантов обдува может быть несколько, для примера расмотрим два, самых популярных.
Первый, по сути широко используемый в компьютерной технике, вариант, когда вентилятор устанавнивается со стороны ребер, причем воздушный поток направляется как раз между ребер охлаждения (рис 23).
Рисунок 23 Установка вентилятора со стороны ребер радиатора
Менее популярный среди компьютерной техники, но достаточно популярный среди промаппаратуры способ трубы. В этом варианте два радиатора разворачиваются ребрами друг к другу, а воздушный поток направляется между ребрами вентилятором расположенным с торца радиаторов (рис 24).
Рисунок 24 Сборка аэротрубы из двух одинаковых радиаторов.
Этот вариант для аудиотехники несколько предпочтительней, поскольку одним вентилятором может "продуваться" довольно длинный радиатор, при расположении на одном радиаторе транзисторов n-p-n структуры, а на другом — p-n-p можно обойтись без электроизолирующих прокладок, что уменьшит тепловое сопротивление между корпусом транзистора и радиатором. Разумеется радиаторы будет необходимо изолировать от корпуса и этот способ приемлем для усилителей в качестве выходного каскада которых используются эмиттерные повторители.
Кстати сказать — используемые в компьютерах радиаторы для процессоров расчитаны на принудительное охлаждение и не смотря на то, что имеют достаточно большие площади охлаждения использование без вентиляторов не желательно. Дело в том, что расстояние между ребрами радиатора ОЧЕНЬ мало и естественная циркуляция воздуха затруднена в следствии чего теплоотдача падает практически в 2,5. 3 раза. Используя же вентилятор с током потребления 0,13А один радиатор от процессора P-IV вполне справляется с теплом от двух установленных на него усилителях СТОНЕКОЛД с выходной мощностью 140 Вт каждый.
Подводя итоги всего выше сказанного можно сделать выводы:
-при выборе радиатора следует обращать внимание не только на площадь охлаждения, но и на толщину несущего основания;
-усилители мощности с двухуровневым питанием греются почти в 2 раза меньше усилителей класса АВ при одинаковых выходных мощностях;
-при недостатке площади охлаждения мощно использовать принудительное охлаждение (вентиляторы) с регулируемой производительностью.
О ТРАНЗИСТОРАХ НА РАДИАТОРАХ
Даже если и транзисторы будут верно выбраны и площадь радиатора будет правильно расчитана остается еще одна проблема — правильно установить транзисторы на радиатор.
Прежде всего слеует обратить внимание на поверхность радиатора в месте установки транзисторов или микросхем — там не должно быть лишних отверстий, поверхность должна быть ровной и не покрыта краской. В случае, если поверхность радиатора покрыта краской ее необходимо удалить наждачной бумагой, причем по мере удаления краски зернистость бумаги должна уменьшаться и когда следов краски уже не останется необходимо еще некоторое время полировать поверхность уже мелкой наждачной бумагой.
В качестве держателя наждачной бумаги довольно удобно использовать специальные насадки для отрезной машины (болгарки) или же воспользоваться шлифовальной машиной. Возможные варианты насадок показаны на рисунках .
Рисунок 25 Такой диск хорошо использовать для удаления старой краски, выравнивания поверхности
радиатора в местах удаления "не нужных ребер", "черновой" шлифовки.
Во время обработки радиатор обязательно закрепить в тисках подходящего размера .
Рисунок 26 Такую насадку хорошо использовать для "чистовой" шлифовки, причем использование отрезной машины не желательно — аллюминий "залипает" в наждачной бумаге и удержать машину в руках очень сложно — можно травмироваться. Форма самой насадки довольно удобно распологается в руке и ручная шлифовка не доставляет неудобств, а если в имеющуюся в насадке ввернуть винт и обмотать его изолентой — работа будет в радость.
При необходимости удалить лишь часть ребер радиатора отрезным кругом делают прорезь до несущего основания, затем делаются надрезы ребер у основания отрезным кругом малого диамера и "лишние" фрагменты отламываются. После этого, закрепив радиатор в тисках, либо крупным напильником, либо шлифовальным кругом (от отрезного он отличается гораздо большей толщиной) места отлома ребер сравнять с поверхностью несущего основания. Затем подготавливается шлифовальный инструмент. Для его изготовлнеия используется деревянный брус с ровной поверхностью. Ширина бруса должна быть немного меньше ширины удаленных ребер, а высота примерно в 2 раза больше высоты удаленных ребер — так его будет удобней держать в руке). Затем на обе "рабочие" строны бруса клеяться полоски из резины (можно приобрести бинт-резину в аптеке или кусок автомобильной камеры в будках вулканизации). Резина не должна быть натянута, используемый клей предназначен для резины или иметь полиуретановую основу. Затем на одну сторону бруса приклеевается крупнозернистая наждачная бумага для черновой шлифовки, на другую — мелкозернистая для "чистовой". Таким образом получается двухсторонее шлифовальное приспособление позволяющее довольно быстро произвести шлифовку поверхности радиатора без особых усилий. Если использовать наждачку на бумажной основе, продающуюся в автомагазинах, ее потребуется несколько больше — она забтвается интенсивней, чем та, которая продается в хозяйственных магазинах (на тряпочной основе), однако в автомагазинах гораздо больший выбор по зернистости — начиная от довольно крупного зерна, до шлифовальной "нулевки".
Рисунок 27
Радиатор от "древней" телефонной станции подготовлен для установки двух усилителей на TDA7293
Длина радиатора 170 мм, площадь охлаждения 4650 кв см — расчетная величина для суммарной мощности 150 Вт (2 х 75) составляет 3900 кв см.
Двольно часто приходится крепить транзисторы на радиаторы через изолирующие прокладки. Вырезать слюду не проблема, а вот с изорированным крепежом довольно часто возникают недоразумения. Корпуса транзисторов ТО-126, ТО-247, TO-3PBL (TO-264) конструктивно выполнены так, что изолированный крепеж не нужен — внутри корпуса, в крепежном отверстии электрического контакта с фланцем не произойдет. А вот корпуса ТО-220, ТО-204АА без изолированного крепежа не обойдутся.
Выйти из положения можно изготовив такой крепеж самостоятельно, используюя обычные винты и шайбы (рис 28-а). На винт, возле головки наматываются нитки (желательно хлопчато-бумажные, но найти их на сегодня довольно не просто). Длина намотки не должна превышать 3,5 мм, увеличение диаметра не должно быть больше 3,7 мм (рис 28-б). Далее нитки пропитываются СУПЕРКЛЕЕМ, желательно СЕКУНДА или СУПЕРМОМЕНТ. Смачиватьт нтки следует аккуратно, чтобы клей не попал на находящуюуся рядом резьбу.
Пока клей подсыхает необходимо сделать "кондуктор" — приспособление, которое позволит нормировать высоту изоляционного вкладыша, находящегоя внутри фланца транзистора. Для это необходимо в пластмассовой, алиминиевой или текстолитовой детале (толщина заготовки не менее 3 мм, максиму не пренципиален, но более 5 мм брать смысла не имеет) просверлить отверстие, желательно на сверлильном станке (так угол по отношению к плоскости заготовки получится ровно 90°, что не маловажно), диаметром 2,5 мм. Затем на глубину 1,2. 1,3 мм сверлится углубление диаметром 4,2 мм, углубления желательно сверлить в ручную, чтобы не перестараться с глубиной. Затем в отверстии 2,5 мм нарезается резьба М3 (рис 28-в).
Рисунок 28
Затем на винт одевается шайба и он закручивается в "кондуктор" до упора проклеенных ниток внутри углубления, шайьа укладывается на плоскость заготовки и голкой наноситься СУПЕРКЛЕЙ в места соприкосновения винта и шайбы по всему периметру соприкосновения (рис 29-а). Как только клей высохнет на получившийся желобок наматываются нитки, время от времени смачиваемые СУПЕРКЛЕЕМ до выравнивания ниток с диаметром головки винта, в идеале ниок возле шайбы должно быть немного больше, т.е. получившийся пластиковый вкладыш будет иметь форму усеченного конуса (рис 29-б). Как только клей высохнет, а для этого потребуется примерно мнут 10 (внутри намотки клей сохнет медленней) винт можно выкручивать (рис 29-в) и устананавливать транзистор на радиатор (рис 30) не забыв обработать фланец транзистора и место установки на радиаторе термопроводной пастой, например КПТ-8. Кстати сказать, на нескольких сайтах по разгону процессоров IBM проводились тесты на теплопроводность различных термопаст — КПТ-8 устойчиво везде фигурирует на вторых местах, а с учетом того, что она стоит в разы дешевле победителей, то получается лидером в пропорции цена-качество.
Рисунок 29
Рисунок 30 Крепление транзистора ТО-220 с помощью самодельного изолирующего винта.
Корпуса транзисторов тиа ТО-247 на радиатор можно устанавливать используюя имеющиеся в них отверстия, причем изолирующий крепеж не нужен, однако при сборке усилителей больших мощностей сверлить и нарезать резьбу в толстом несущем основании довольно утомительно — при четырех парах оконечников надо подготовить 8 отверстий и это только усилитель на 400-500 Вт. Тем более и силумин, и дюралюминий и уж тем более алюминий даже при сверлении налипают на режущую кромку, что приводит к поломке сверла, ну а сколько сломано метчиков при нарезании резьбы лучше не упоминать вообще.
Поэтому иногда проще испольховать дополнительные планки, которые будут прижимать сразу ВСЕ транзисторы оодной структуры, а в качестве крепежа использовать более толстые саморезы и их потребуется значительно меньшею Один из вариантов крепления показан на рисунке 31. как видно из фото 6 транзисторов прижимаются всего треми саморезами и усилие значительно больше, если бы каждый из них прижимался свои винтом. В случае ремонта (не дай Бог, конечно) и откручивать будет намного проще.
Рисунок 31 Крепление транзисторов к радиатору с помощью планки.
Смысл прижимного усилия заключается в том, что закручивая саморез по металлу (используется для крепления листового железа, продается во всех хозяйственных магазинах, резину с шайбы лучше удалить сразу — ее все равно разорвет) планка одной строной упирается в винт М3 с прокладками из винтов М4. Суммарная высота этой конструкции получается немного больше толщины корпуса транзистора, буквально на 0,3. 0,8 мм, что приводит к небольшому перекосу планки и своим вторым краем она прижимает транзистор в середине корпуса.
Поэтому при при выборе планки ее ширина должна быть вырана из расчета:
— от края до середины отверстия с винтом М3 3-4 мм
— от середины отверстия с винтом М3 до середины отверстия с саморезом 6-7 мм
— от середины отверстия под саморез до края транзистора 1-2 мм
— от кра транзисора до середины его корпуса ±2 мм.
Ширина планки в мм не указывается преднамеренно, поскольку таким способом можно крепить транзисторы практически в любых корпусах.
Планку можно изготовить из стеклотекстолита, полоски которого как правило валаяются у радиолюбителей. При толщине текстолита 1,5 мм для крпеления корпусов ТО-220 текстолит необходимо сложить в трое, при креплении корпусов ТО-247 — в четверо, при креплении корпусов ТО-3PBL — в пятеро. Текстолит очищается от фольги, если фольгирован, причем хоть механическим способом, хоть травлением. Затем зачищается самой крупной наждачной бумагой и склеивается эпоксидным клеем, желательно Дзержинского производства. После того, как плоскости были зашкурены и промазаны клеем полоски складывают и ложат под пресс или зажимают в тиски, учитывая то, что излишки клея все таки будут куда то капать, то лучше место вероятных капель защить положим туда целофановый пакет, который потом можно выкинуть.
Полимеризоваться клей должен не менее суток при комнетной температуре, ускорять полимеризацию путем увеличения отверлителя не стоит — клей приобретает хрупкость, а вот прогревание наоборот — уменьшают время затвердивания клея без изменений физических свойств клея. Прогревать можно обычным феном, если нет сушильного шкафа.
Желательно придать планке дополнительнуюжесткость с однйо стороны вертикально сложенные в двое дополнительные полоски текстолита.
После высыхания эпоксидного клея, в месте механического контакта планки с корпусом транзистора необходимо наклеить сложенную в трое-четверо полоску альбомной бумаги (ширина получившейся полоски 5-8 мм, в зависимости от корпуса транзистора), предварительно промазав всю заготовку полиуретановым клеем (ТОП-ТОП, МОМЕНТ-КРИСТАЛ). Данная прослойка из бумаги придаст необходиму для равномерного прижатия эластичность не уменьшив усилия придавливания корпуса к радиатору (рис 32).
В качестве материала для прижимной планки может быть использован не только стеклотекстолит, то и уголок или дюралюминиевый профиль или другой, достаточно крепкий материал.
Рисунок 32
Небольшой технологический совет — не смотра на то, что саморезы имеют форму сверла и при крепелнии листового железа не требуют засверливания при сверлении радиатора, в местах закручивания самореза, лучше просверлить отверстия диаметром 3 мм, поскольку толщина алюминия намного больше материала, под который расчитаны данные саморезы и алюминий довольно сильно залипает на режущей кромку (вы может просто свернуть головку при попытке без сверления закрутить саморезх в алюминий или силумин).
Использование крепежных планок можно производить и при установке на радиатор "разнокаллиберных" транзисторов" используя небольшие утолшения планки в местах контакта с более тонкими корпусами, а учитывая то, что более тонки транзисторы и греются как правило меньше, то недостаток толщины можно компенсировать солженным в несколько слоев двухсторонним скотчем из пористой резины.
Теперь надеемся, что самодельные усилители мощности будут умирать значительно реже.
Страница подготовлена по материалам ОГРОМНОГО количества сайтов о теплотехнике, аудиотехнике, сайтов о разгонах процессоров компьютеров и способах охлаждения, путем замеров и сравнений заводских вариантов усилителй мощности, использовались сообщения и переписки посетителей форумов ПАЯЛЬНИК и НЕМНОГО ЗВУКОТЕХНИКИ.
Правильная установка транзистора на радиатор. Как сделать солнечную батарею из транзисторов или диодов? Из алюминиевых банок
Часто необходимо, как мы видели в приведенных выше схемах, использовать мощные транзисторы или другие сильноточные устройства, такие, как КУВ или силовые выпрямители, рассеивающие мощности во много ватт. Недорогой и очень распространенный мощный транзистор 2N3055, правильно смонтированный, рассеивает мощность до 115 Вт. Все мощные устройства выпускаются в корпусах, обеспечивающих тепловой контакт между их металлической поверхностью и внешним радиатором. Во многих случаях металлическая поверхность устройства связана электрически с одним из выводов (например, у мощного транзистора она всегда связана с коллектором).
В принципе задача теплоотвода — удержать переходы транзисторов или других устройств при температуре, не превышающей указанной для них максимальной рабочей температуры. Для кремниевых транзисторов в металлических корпусах максимальная температура переходов обычно равна 200°С, а для транзисторов в пластмассовых корпусах равна 150°С. Зная эти параметры, проектировать теплоотвод просто: зная мощность, которую прибор будет рассеивать в данной схеме, подсчитываем температуру переходов с учетом теплопроводности транзистора, радиатора и максимальной рабочей температуры окружающей транзистор среды. Затем выбираем такой радиатор, чтобы температура переходов была намного ниже указанной изготовителем максимальной. Здесь разумно перестраховаться, так как при температурах, близких к максимальной, транзистор быстро выходит из строя.
Тепловое сопротивление. При расчете радиатора используют тепловое сопротивление Θ, которое равняется отношению величины перепада температур в градусах к передаваемой мощности. Если теплопередача происходит только путем теплопроводности, то тепловое сопротивление — величина постоянная, не зависящая от температуры, а зависящая только от устройства теплового контакта. Для последовательного ряда тепловых контактов общее температурное сопротивление равно сумме тепловых сопротивлений отдельных соединений. Таким образом, для транзистора смонтированного на радиаторе, общее тепловое сопротивление при передаче тепла от p-n — перехода на внешнюю среду равно сумме тепловых сопротивлений переход — корпус Θ пк, соединения корпус — радиатор Θ кр и перехода радиатор — среда Θ рс. Таким образом, температура p-n — перехода будет равна
Т п =Т с + (Θ пк + Θ кр + Θ рс)Р
где Р- рассеиваемая мощность
Рассмотрим пример. Приведенная ранее схема источника питания с внешним проходным транзистором имеет максимум рассеиваемой на транзисторе мощности 20 Вт при не стабилизированном входном напряжении +15 В (10 В падения напряжения, 2 А). Предположим, что эта схема должна работать при окружающей температуре 50°С — не так уж невероятно для компактно расположенного электронного оборудования, — и постараемся удержать температуру переходов ниже 150°С, т.е. намного ниже, чем указанные изготовителем 200°С. Тепловое сопротивление от перехода к корпусу равно 1,5 °С/Вт. Мощный транзистор в корпусе ТО-3, смонтированный со специальной прокладкой, обеспечивающей электрическую изоляцию и тепловой контакт, имеет тепловое сопротивление от корпуса к радиатору порядка 0,3 °С/Вт. И наконец, радиатор фирмы Wakefield, модель 641 (рис. 6.6), имеет тепловое сопротивление на границе с внешней средой порядка 2,3 °С/Вт. Поэтому общее тепловое сопротивление между р-n — переходом и внешней средой будет равно 4,1 °С/Вт. При рассеиваемой мощности 20 Вт температура перехода будет на 84°С выше температуры окружающей среды, т.е. будет равна 134°С (при максимальной внешней температуре для данного случая). Итак, выбранный радиатор пригоден, а если необходимо сэкономить пространство, то можно выбрать и несколько меньший.
Замечания о радиаторах.
1. В схемах, где рассеиваются большие мощности, например несколько сотен ватт, может понадобиться принудительное воздушное охлаждение. Для этого выпускаются большие радиаторы, предназначенные для работы с вентиляторами и имеющие очень низкое тепловое сопротивление от радиатора к внешней среде — от 0.05 до 0.2 °С/Вт.
2. Если транзистор должен быть электрически изолирован от радиатора, как это обычно и необходимо, особенно если несколько транзисторов установлено на одном радиаторе, то используют тонкие изолирующие прокладки между транзисторами и радиаторами, а также изолирующие вкладыши для монтажных винтов. Прокладки выпускаются под стандартные транзисторные корпусы и делаются из слюды, изолированного алюминия и двуокиси бериллия Ве0 2 . При использовании теплопроводящей смазки они создают дополнительное тепловое сопротивление от 0,14 °С/Вт (бериллиевые) до 0,5 °С/Вт. Хорошей альтернативой классическому сочетанию прокладка из слюды плюс смазка могут служить изоляторы на основе кремнийорганических соединений без использования смазки с дисперсионным покрытием теплопроводным компаундом; обычно это нитрид бора или окись алюминия. Эти изоляторы чисты и сухи, удобны в употреблении, вам не грозит испачкать руки, одежду и электронику белым липким веществом, к тому же вы экономите уйму времени. Тепловое сопротивление этих изоляторов составляет 0,2 — 0.4 °С/Вт, т. е. вполне сравнимое с величинами «грязного» метода. Фирма Bergquist называет свою продукцию «Sil-pad», Chomerics — «Cho — Therm», продукта SPC известна под названием «Koolex», Xhermalloy называет свою «Thermasil». Мы в своей работе с успехом используем все эти изоляторы.
3. Малые радиаторы выпускаются в виде простых насадок на малогабаритные корпусы транзисторов (подобные стандартному ТО-5). В случае малой рассеиваемой мощности (1 — 2 Вт) этого вполне достаточно и не надо мучиться, монтируя транзистор куда-то на радиатор, а потом тащить от него провода обратно к схеме (пример см. на рис. 6.6). Кроме того, существуют различные типы малых радиаторов для работы с мощными ИМС в пластмассовых корпусах (многие стабилизаторы, а также мощные транзисторы имеют такие корпуса) которые монтируются прямо на плату под корпус ИМС. Это очень удобно в схемах, где рассеивается мощность не больше нескольких ватт (пример см. также на рис. 6.6).
4. Иногда удобно монтировать мощный транзистор прямо на шасси или корпус прибора. В этом случае лучше использовать консервативный метод проектирования (корпус должен оставаться холодным), так как нагретый корпус нагреет и другие элементы схемы и сократит их сроки службы.
5. Если транзистор смонтирован на радиаторе без изоляции, то надо изолировать радиатор от шасси. Применение изолирующих прокладок рекомендуется всегда (например, модель Wakefield 103), если, конечно, корпус транзистора не заземлен по идее. Если транзистор изолирован от радиатора, то радиатор можно закрепить прямо на шасси. Но если транзистор выступает наружу из прибора (скажем, радиатор его смонтирован на внешней стогне задней стенки), то имеет смысл изолировать этот транзистор, чтобы никто до него случайно не дотронулся и не замкнул на землю (изолировать можно, например, прокладкой Thermalloy 8903N).
6. Тепловое сопротивление радиатор — вншняя среда обычно указывается, когда рёбра радиатора установлены вертикально и обдуваются воздухом без помех. Если же радиатор установлен как-нибудь по-другому или есть препятствия на пути потока воздуха, то эффективность радиатора снижается (повышается тепловое сопротивление); лучше всего монтировать радиатор на задней стенке прибора, ставя ребро вертикально.
Рис. 6.6. Радиаторы для мощных транзисторов. Фирмы — изготовители: I — IERC, T — Thermalloy, W — Wakefield, (размеры даны в дюймах, 1″ = 25.4 мм).
Упражнение 6.2. Транзистор 2N5320. имеющий тепловое сопротивление переход-корпус 17,5 °С/Вт, снабжен съемным радиатором типа IERC TXBF (см. рис. 6.6). Максимальная допустимая температура перехода 200°С. Какая мощность может рассеиваться такой конструкцией при внешней температуре 25°С? Как эта мощность уменьшается с каждым градусом увеличения температуры окружающей среды?
Даже если и транзисторы будут верно выбраны и площадь радиатора будет правильно расчитана остается еще одна проблема — правильно установить транзисторы на радиатор.
Прежде всего слеует обратить внимание на поверхность радиатора в месте установки транзисторов или микросхем — там не должно быть лишних отверстий, поверхность должна быть ровной и не покрыта краской. В случае, если поверхность радиатора покрыта краской ее необходимо удалить наждачной бумагой, причем по мере удаления краски зернистость бумаги должна уменьшаться и когда следов краски уже не останется необходимо еще некоторое время полировать поверхность уже мелкой наждачной бумагой.
В качестве держателя наждачной бумаги довольно удобно использовать специальные насадки для отрезной машины (болгарки) или же воспользоваться шлифовальной машиной. Возможные варианты насадок показаны на рисунках.
Рисунок 25 Такой диск хорошо использовать для удаления старой краски, выравнивания поверхности радиатора в местах удаления «не нужных ребер», «черновой» шлифовки. Во время обработки радиатор обязательно закрепить в тисках подходящего размера.
Рисунок 26 Такую насадку хорошо использовать для «чистовой» шлифовки, причем использование отрезной машины не желательно — аллюминий «залипает» в наждачной бумаге и удержать машину в руках очень сложно — можно травмироваться. Форма самой насадки довольно удобно распологается в руке и ручная шлифовка не доставляет неудобств, а если в имеющуюся в насадке ввернуть винт и обмотать его изолентой — работа будет в радость.
При необходимости удалить лишь часть ребер радиатора отрезным кругом делают прорезь до несущего основания, затем делаются надрезы ребер у основания отрезным кругом малого диамера и «лишние» фрагменты отламываются. После этого, закрепив радиатор в тисках, либо крупным напильником, либо шлифовальным кругом (от отрезного он отличается гораздо большей толщиной) места отлома ребер сравнять с поверхностью несущего основания. Затем подготавливается шлифовальный инструмент. Для его изготовлнеия используется деревянный брус с ровной поверхностью. Ширина бруса должна быть немного меньше ширины удаленных ребер, а высота примерно в 2 раза больше высоты удаленных ребер — так его будет удобней держать в руке). Затем на обе «рабочие» строны бруса клеяться полоски из резины (можно приобрести бинт-резину в аптеке или кусок автомобильной камеры в будках вулканизации). Резина не должна быть натянута, используемый клей предназначен для резины или иметь полиуретановую основу. Затем на одну сторону бруса приклеевается крупнозернистая наждачная бумага для черновой шлифовки, на другую — мелкозернистая для «чистовой». Таким образом получается двухсторонее шлифовальное приспособление позволяющее довольно быстро произвести шлифовку поверхности радиатора без особых усилий. Если использовать наждачку на бумажной основе, продающуюся в автомагазинах, ее потребуется несколько больше — она забтвается интенсивней, чем та, которая продается в хозяйственных магазинах (на трапочной основе), однако в автомагазинах гораздо больший выбор по зернистости — начиная от довольно крупного зерна, до шлифовальной «нулевки».
Рисунок 27 Радиатор от «древней» телефонной станции подготовлен для установки двух усилителей УМ7293
Длина радиатора 170 мм, площадь охлаждения 4650 кв см — расчетная величина для суммарной мощности 150 Вт (2 х 75) составляет 3900 кв см.
Двольно часто приходится крепить транзисторы на радиаторы через изолирующие прокладки. Вырезать слюду не проблема, а вот с изорированным крепежом довольно часто возникают недоразумения. Корпуса транзисторов ТО-126, ТО-247, TO-3PBL (TO-264) конструктивно выполнены так, что изолированный крепеж н нужен — внутри корпса, в крепежном отверстии электрического контакта с фланцем не произойдет. А вот корпуса ТО-220, ТО-204АА без изолированного крепежа не обойдутся.
Выйти из положенияможно изготовиви такой крепеж самостоятельно, используюя обычные винты и шайбы (рис 28-а). На винт, возле головки наматываются нитки (желательно хлопчато-бумажные, но найти их на сегодня довольно не просто). Длина намотки не должна превышать 3,5 мм, увеличение диаметра не должно быть больше 3,7 мм (рис 28-б). Далее нитки пропитываются СУПЕРКЛЕЕМ, желательно СЕКУНДА или СУПЕРМОМЕНТ. Смачиватьт нтки следует аккуратно, чтобы клей не попал на находящуюуся рядом резьбу.
Пока клей подсыхает необходимо сделать «кондуктор» — приспособление, которое позволит нормировать высоту изоляционного вкладыша, находящегоя внутри фланца транзистора. Для это необходимо в пластмассовой, алиминиевой или текстолитовой детале (толщина заготовки не менее 3 мм, максиму не пренципиален, но более 5 мм брать смысла не имеет) просверлить отверстие, желательно на сверлильном станке (так угол по отношению к плоскости заготовки получится ровно 90°, что не маловажно), диаметром 2,5 мм. Затем на глубину 1,2. 1,3 мм сверлится углубление диаметром 4,2 мм, углубления желательно сверлить в ручную, чтобы не перестараться с глубиной. Затем в отверстии 2,5 мм нарезается резьба М3 (рис 28-в).
Рисунок 28
Затем на винт одевается шайба и он закручивается в «кондуктор» до упора проклеенных ниток внутри углубления, шайьа укладывается на плоскость заготовки и голкой наноситься СУПЕРКЛЕЙ в места соприкосновения винта и шайбы по всему периметру соприкосновения (рис 29-а). Как только клей высохнет на получившийся желобок наматываются нитки, время от времени смачиваемые СУПЕРКЛЕЕМ до выравнивания ниток с диаметром головки винта, в идеале ниок возле шайбы должно быть немного больше, т.е. получившийся пластиковый вкладыш будет иметь форму усеченного конуса (рис 29-б). Как только клей высохнет, а для этого потребуется примерно мнут 10 (внутри намотки клей сохнет медленней) винт можно выкручивать (рис 29-в) и устананавливать транзистор на радиатор (рис 30) не забыв обработать фланец транзистора и место установки на радиаторе термопроводной пастой, например КПТ-8. Кстати сказать, на нескольких сайтах по разгону процессоров IBM проводились тесты на теплопроводность различных термопаст — КПТ-8 устойчиво везде фигурирует на вторых местах, а с учетом того, что она стоит в разы дешевле победителей, то получается лидером в пропорции цена-качество.
Рисунок 29
Рисунок 30 Крепление транзистора ТО-220 с помощью самодельного изолирующего винта.
Корпуса транзисторов тиа ТО-247 на радиатор можно устанавливать используюя имеющиеся в них отверстия, причем изолирующий крепеж не нужен, однако при сборке усилителей больших мощностей сверлить и нарезать резьбу в толстом несущем основании довольно утомительно — при четырех парах оконечников надо подготовить 8 отверстий и это только усилитель на 400-500 Вт. Тем более и силумин, и дюралюминий и уж тем более алюминий даже при сверлении налипают на режущую кромку, что приводит к поломке сверла, ну а сколько сломано метчиков при нарезании резьбы лучше не упоминать вообще.
Поэтому иногда проще испольховать дополнительные планки, которые будут прижимать сразу ВСЕ транзисторы оодной структуры, а в качестве крепежа использовать более толстые саморезы и их потребуется значительно меньшею Один из вариантов крепления показан на рисунке 31. как видно из фото 6 транзисторов прижимаются всего треми саморезами и усилие значительно больше, если бы каждый из них прижимался свои винтом. В случае ремонта (не дай Бог, конечно) и откручивать будет намного проще.
Рисунок 31 Крепление транзисторов к радиатору с помощью планки.
Смысл прижимного усилия заключается в том, что закручивая саморез по металлу (используется для крепления листового железа, продается во всех хозяйственных магазинах, резину с шайбы лучше удалить сразу — ее все равно разорвет) планка одной строной упирается в винт М3 с прокладками из винтов М4. Суммарная высота этой конструкции получается немного больше толщины корпуса транзистора, буквально на 0,3. 0,8 мм, что приводит к небольшому перекосу планки и своим вторым краем она прижимает транзистор в середине корпуса.
Поэтому при при выборе планки ее ширина должна быть вырана из расчета:
— от края до середины отверстия с винтом М3 3-4 мм
— от середины отверстия с винтом М3 до середины отверстия с саморезом 6-7 мм
— от середины отверстия под саморез до края транзистора 1-2 мм
— от кра транзисора до середины его корпуса ±2 мм.
Ширина планки в мм не указывается преднамеренно, поскольку таким способом можно крепить транзисторы практически в любых корпусах.
Планку можно изготовить из стеклотекстолита, полоски которого как правило валаяются у радиолюбителей. При толщине текстолита 1,5 мм для крпеления корпусов ТО-220 текстолит необходимо сложить в трое, при креплении корпусов ТО-247 — в четверо, при креплении корпусов ТО-3PBL — в пятеро. Текстолит очищается от фольги, если фольгирован, причем хоть механическим способом, хоть травлением. Затем зачищается самой крупной наждачной бумагой и склеивается эпоксидным клеем, желательно Дзержинского производства. После того, как плоскости были зашкурены и промазаны клеем полоски складывают и ложат под пресс или зажимают в тиски, учитывая то, что излишки клея все таки будут куда то капать, то лучше место вероятных капель защить положим туда целофановый пакет, который потом можно выкинуть.
Полимеризоваться клей должен не менее суток при комнетной температуре, ускорять полимеризацию путем увеличения отверлителя не стоит — клей приобретает хрупкость, а вот прогревание наоборот — уменьшают время затвердивания клея без изменений физических свойств клея. Прогревать можно обычным феном, если нет сушильного шкафа.
Желательно придать планке дополнительнуюжесткость с однйо стороны вертикально сложенные в двое дополнительные полоски текстолита.
После высыхания эпоксидного клея, в месте механического контакта планки с корпусом транзистора необходимо наклеить сложенную в трое-четверо полоску альбомной бумаги (ширина получившейся полоски 5-8 мм, в зависимости от корпуса транзистора), предварительно промазав всю заготовку полиуретановым клеем (ТОП-ТОП, МОМЕНТ-КРИСТАЛ). Данная прослойка из бумаги придаст необходиму для равномерного прижатия эластичность не уменьшив усилия придавливания корпуса к радиатору (рис 32).
В качестве материала для прижимной планки может быть использован не только стеклотекстолит, то и уголок или дюралюминиевый профиль или другой, достаточно крепкий материал.
Рисунок 32
Небольшой технологический совет — не смотра на то, что саморезы имеют форму сверла и при крепелнии листового железа не требуют засверливания при сверлении радиатора, в местах закручивания самореза, лучше просверлить отверстия диаметром 3 мм, поскольку толщина алюминия намного больше материала, под который расчитаны данные саморезы и алюминий довольно сильно залипает на режущей кромку (вы может просто свернуть головку при попытке без сверления закрутить саморезх в алюминий или силумин).
Использование крепежных планок можно производить и при установке на радиатор «разнокаллиберных» транзисторов» используя небольшие утолшения планки в местах контакта с более тонкими корпусами, а учитывая то, что более тонки транзисторы и греются как правило меньше, то недостаток толщины можно компенсировать солженным в несколько слоев двухсторонним скотчем из пористой резины.
Остался еще один не решенный вопрос — мощность блока питания, но об этом уже сказанно здесь
Теперь надеемся, что самодельные усилители мощности будут умирать значительно реже.
Страница подготовлена по материалам ОГРОМНОГО количества сайтов о теплотехнике, аудиотехнике, сайтов о разгонах процессоров компьютеров и способах охлаждения, путем замеров и сравнений заводских вариантов усилителй мощности, использовались сообщения и переписки посетителей форумов ПАЯЛЬНИК и НЕМНОГО ЗВУКОТЕХНИКИ
Радиаторы и охлаждение.
В физике, электротехнике и атомной термодинамике есть известный закон — ток, протекающий по проводам, нагревает их. Придумали его Джоуль и Ленц, и оказались правы — так оно и есть. Всё, что работает от электричества, так или иначе часть проходящей энергии передаёт в тепло.
Так уж получилось в электронике, что самым страдающим от тепла объектом нашей окружающей среды является воздух. Именно воздуху нагревающиеся детали передают тепло, а от воздуха требуется принять тепло и куда-нибудь подевать. Потерять, к примеру, или рассеять по себе. Процесс отдачи тепла мы с вами назовем охлаждением.
Наши электронные конструкции тоже рассеивают немало тепла, одни — больше, другие — меньше. Греются стабилизаторы напряжения, греются усилители, греется транзистор, управляющий релюшкой или даже просто мелким светодиодом, разве что греется ну совсем немного. Ладно, если греется немного. Ну а если он жарится так, что руку держать нельзя? Давайте пожалеем его и попробуем как-нибудь ему помочь. Так сказать, облегчить его страдания.
Вспомним устройство батареи отопления. Да, да, та самая обычная батарея, что греет комнату зимой и на которой мы сушим носки и футболки. Чем больше батарея, тем больше тепла будет в комнате, так ведь? По батарее протекает горячая вода, она нагревает батарею. У батареи есть важная вещь — количество секций. Секции контактируют с воздухом, передают ему тепло. Так вот, чем больше секций, то есть чем больше занимаемая площадь батареи, тем больше тепла она может нам отдать. Приварив еще парочку секций, мы сможем сделать теплее нашу комнату. Правда, при этом горячая вода в батарее может остыть, и соседям ничего не останется.
Рассмотрим устройство транзистора.
На медном основании (фланце) 1 на подложке 2 закреплен кристалл 3 . Он подключается к выводам 4 . Вся конструкция залита пластмассовым компаундом 5 . У фланца есть отверстие 6 для установки на радиатор.
Вот это по сути та же самая батарея, посмотрите! Кристалл греется, это как горячая вода. Медный фланец контактирует с воздухом, это секции батареи. Площадь контакта фланца и воздуха — это место нагревания воздуха. Нагревающийся воздух охлаждает кристалл.
Как сделать кристалл холоднее? Устройство транзистора мы изменить не можем, это понятно. Создатели транзистора об этом тоже подумали и для нас, мучеников, оставили единственную дорожку к кристаллу — фланец. Фланец — это как одна-единственная секция у батареи — жарить жарит, а тепла воздуху не передается — маленькая площадь контакта. Вот тут предоставляется простор нашим действиям! Мы можем нарастить фланец, припаять к нему еще «парочку секций», то бишь большую медную пластинку, благо фланец сам медный, или же закрепить фланец на металлической болванке, называемой радиатором. Благо отверстие во фланце приготовлено под болт с гайкой.
Что же такое радиатор? Я твержу уже третий абзац про него, а толком так ничего и не рассказал! Ладно, смотрим:
 |
 |
 |
Как видим, конструкция радиаторов может быть различной, это и пластинки, и ребра, а еще бывают игольчатые радиаторы и разные другие, достаточно зайти в магазин радиодеталей и пробежаться по полке с радиаторами. Радиаторы чаще всего делают из алюминия и его сплавов (силумин и другие). Медные радиаторы лучше, но дороже. Стальные и железные радиаторы применяются только на очень небольшой мощности, 1-5Вт, так как они медленно рассеивают тепло.
Тепло, выделяемое в кристалле, определяется по очень простой формуле P=U*I , где P — выделяемая в кристалле мощность, Вт, U = напряжение на кристалле, В, I — сила тока через кристалл, А. Это тепло проходит через подложку на фланец, где передается радиатору. Далее нагретый радиатор контактирует с воздухом и тепло передается ему, как следующему участнику нашей системы охлаждения.
Посмотрим на полную схему охлаждения транзистора.
У нас появились две штуки — это радиатор 8 и прокладка между радиатором и транзистором 7 . Её может и не быть, что и плохо, и хорошо одновременно. Давайте разбираться.
Расскажу о двух важных параметрах — это тепловые сопротивления между кристаллом (или переходом, как его еще называют) и корпусом транзистора — Rпк и между корпусом транзистора и радиатором — Rкр. Первый параметр показывает, насколько хорошо тепло передается от кристалла к фланцу транзистора. Для примера, Rпк, равное 1,5градуса Цельсия на ватт, объясняет, что с увеличением мощности на 1Вт разница температур между фланцем и радиатором будет 1,5градуса. Иными словами, фланец всегда будет холоднее кристалла, а насколько — показывает этот параметр. Чем он меньше, тем лучше тепло передается фланцу. Если мы рассеиваем 10Вт мощности, то фланец будет холоднее кристалла на 1,5*10=15градусов, а если же 100Вт — то на все 150! А поскольку максимальная температура кристалла ограничена (не может же он жариться до белого каления!), фланец надо охлаждать. На эти же 150 градусов.
К примеру:
Транзистор рассеивает 25Вт мощности. Его Rпк равно 1,3градуса на ватт. Максимальная температура кристалла 140градусов. Значит, между фланцем и кристаллом будет разница в 1,3*25=32,5градуса. А поскольку кристалл недопустимо нагревать выше 140градусов, от нас требуется поддерживать температуру фланца не горячее, чем 140-32,5=107,5градусов. Вот так.
А параметр Rкр показывает то же самое, только потери получаются на той самой пресловутой прокладке 7. У нее значение Rкр может быть намного больше, чем Rпк, поэтому, если мы конструируем мощный агрегат, нежелательно ставить транзисторы на прокладки. Но всё же иногда приходится. Единственная причина использовать прокладку — если нужно изолировать радиатор от транзистора, ведь фланец электрически соединен со средним выводом корпуса транзистора.
Вот давайте рассмотрим еще один пример.
Транзистор жарится на 100Вт. Как обычно, температура кристалла — не более 150градусов. Rпк у него 1градус на ватт, да еще и на прокладке стоит, у которой Rкр 2градуса на ватт. Разница температур между кристаллом и радиатором будет 100*(1+2)=300градусов. Радиатор нужно держать не горячее, чем 150-300 = минус 150 градусов: Да, дорогие мои, это тот самый случай, который спасет только жидкий азот: ужос!
Намного легче живется на радиаторе транзисторам и микросхемам без прокладок. Если их нет, а фланцы чистенькие и гладкие, и радиатор сверкает блеском, да еще и положена теплопроводящая паста, то параметр Rкр настолько мал, что его просто не учитывают.
Охлаждение бывает двух типов — конвекционное и принудительное. Конвекция, если помним школьную физику, это самостоятельное распространение тепла. Так же и конвекционное охлаждение — мы установили радиатор, а он сам там как-нибудь с воздухом разберется. Радиаторы конвекционного типа устанавливаются чаще всего снаружи приборов, как в усилителях, видели? По бокам две металлические пластинчатые штуковины. Изнутри к ним привинчиваются транзисторы. Такие радиаторы нельзя накрывать, закрывать доступ воздуха, иначе радиатору некуда будет девать тепло, он перегреется сам и откажется принимать тепло у транзистора, который долго думать не будет, перегреется тоже и: сами понимаете что будет. Принудительное охлаждение — это когда мы заставляем воздух активнее обдувать радиатор, пробираться по его ребрам, иглам и отверстиям. Тут мы используем вентиляторы, различные каналы воздушного охлаждения и другие способы. Да, кстати, вместо воздуха запросто может быть и вода, и масло, и даже жидкий азот. Мощные генераторные радиолампы частенько охлаждаются проточной водой.
Как распознать радиатор — для конвекционного он или принудительного охлаждения? От этого зависит его эффективность, то есть насколько быстро он сможет остудить горячий кристалл, какой поток тепловой мощности он сможет через себя пропустить.
Смотрим фотографии.
 |
 |
Первый радиатор — для конвекционного охлаждения. Большое расстояние между ребрами обеспечивает свободный поток воздуха и хорошую теплоотдачу. На второй радиатор сверху одевается вентилятор и продувает воздух сквозь ребра. Это принудительное охлаждение. Разумеется, использовать везде можно и те, и те радиаторы, но весь вопрос — в их эффективности.
У радиаторов есть 2 параметра — это его площадь (в квадратных сантиметрах) и коэффициент теплового сопротивления радиатор-среда Rрс (в Ваттах на градус Цельсия). Площадь считается как сумма площадей всех его элементов: площадь основания с обеих сторон + площадь пластин с обеих сторон. Площадь торцов основания не учитывается, так там квадратных сантиметров ну совсем немного будет.
Пример:
радиатор из примера выше для конвекционного охлаждения.
Размеры основания: 70х80мм
Размер ребра: 30х80мм
Кол-во ребер: 8
Площадь основания: 2х7х8=112кв.см
Площадь ребра: 2х3х8=48кв.см.
Общая площадь: 112+8х48=496кв.см.
Коэффициент теплового сопротивления радиатор-среда Rрс показывает, на сколько увеличится температура выходящего с радиатора воздуха при увеличении мощности на 1Вт. Для примера, Rрс, равное 0,5 градуса Цельсия на Ватт, говорит нам, что температура увеличится на полградуса при нагреве на 1Вт. Этот параметр считается трехэтажными формулами и нашим кошачьим умам ну никак не под силу: Rрс, как и любое тепловое сопротивление в нашей системе, чем меньше, тем лучше. А уменьшить его можно по-разному — для этого радиаторы чернят химическим путем (например алюминий хорошо затемняется в хлорном железе — не экспериментируйте дома, выделяется хлор!), еще есть эффект ориентировать радиатор в воздухе для лучшего прохождения его вдоль пластин (вертикальный радиатор лучше охлаждается, чем лежачий). Не рекомендуется красить радиатор краской: краска — лишнее тепловое сопротивление. Если только слегка, чтобы темненько было, но не толстым слоем!
В приложении есть маленький программчик, в котором можно посчитать примерную площадь радиатора для какой-нибудь микросхемы или транзистора. С помощью него давайте рассчитаем радиатор для какого-нибудь блока питания.
Схема блока питания.
Блок питания выдает на выходе 12Вольт при токе 1А. Такой же ток протекает через транзистор. На входе транзистора 18Вольт, на выходе 12Вольт, значит, на нем падает напряжение 18-12=6Вольт. С кристалла транзистора рассеивается мощность 6В*1А=6Вт. Максимальная температура кристалла у 2SC2335 150градусов. Давайте не будем эксплуатировать его на предельных режимах, выберем температуру поменьше, для примера, 120градусов. Тепловое сопротивление переход-корпус Rпк у этого транзистора 1,5градуса Цельсия на ватт.
Поскольку фланец транзистора соединен с коллектором, давайте обеспечим электрическую изоляцию радиатора. Для этого между транзистором и радиатором положим изолирующую прокладку из теплопроводящей резины. Тепловое сопротивление прокладки 2градуса Цельсия на ватт.
Для хорошего теплового контакта капнем немного силиконового масла ПМС-200. Это густое масло с максимальной температурой +180градусов, оно заполнит воздушные промежутки, которые обязательно образуются из-за неровности фланца и радиатора и улучшит передачу тепла. Многие используют пасту КПТ-8, но и многие считают её не самым лучшим проводником тепла.
Радиатор выведем на заднюю стенку блока питания, где он будет охлаждаться комнатным воздухом +25градусов.
Все эти значения подставим в программку и посчитаем площадь радиатора. Полученная площадь 113кв.см — это площадь радиатора, рассчитанная на длительную работу блока питания в режиме полной мощности — дольше 10часов. Если нам не нужно столько времени гонять блок питания, можно обойтись радиатором поменьше, но помассивнее. А если мы установим радиатор внутри блока питания, то отпадает необходимость в изолирующей прокладке, без нее радиатор можно уменьшить до 100кв.см.
А вообще, дорогие мои, запас карман не тянет, все согласны? Давайте думать о запасе, чтобы он был и в площади радиатора, и в предельных температурах транзисторов. Ведь ремонтировать аппараты и менять пережаренные транзисторы придется не кому-нибудь, а вам самим! Помните об этом!
Удачи.
Собираю выпрямитель с диодным мостом из диодов в корпусе такого типа. Можно ли все четыре диода прикрутить к одному радиатору, или надо их изолировать?
2021
В общем случае надо.
Если фланец изолирован, тогда можно.
И, вроде, судя по картинке даташита он не изолирован.
Но это легко проверить.
Так, что все 4 нельзя. Можно объединить без прокладки два, у которых соединены катоды, если доп. соединение радиатора с «+» выпрямителя.
Может там надо слюдяные прокладки поставить?
Или прозвонить каждую ногу на предмет контакта с подложкой. Если ни одна ног не контактирует, тогда можно без изоляции?
Прозвонить в любом случае не помешает;).
А так прокладки + диэлектрические втулки, в общем как обычно.
И эту, пасту теплопроводную, желательно.
Нее, втулки — прошлый век. Пару рядом и плоской планкой одним винтом сразу оба притянуть. Изолировать придётся.
Нее, втулки — прошлый век. Пару рядом и плоской планкой одним винтом сразу оба притянуть. Изолировать придётся.
Я так понял планка (если можно покажите фото) должна касаться пластмассового корпуса диода/транзистора? Будет ли при этом обеспечен равномерный прижим плоскостей п/п прибора и радиатора, а так же надежность в условиях повышенной вибрации?
Я так понял планка (если можно покажите фото) должна касаться пластмассового корпуса диода/транзистора? Будет ли при этом обеспечен равномерный прижим плоскостей п/п прибора и радиатора, а так же надежность в условиях повышенной вибрации?
Правильно понимаете. Не смогу показать фото к сожалению. Планка не совсем плоская, скорее в разрезе как буква «С» (для увеличения её прочности на изгиб). Прижим будет лучше чем при креплении стандартным способом. Если прокладки номакон использовать, то и при вибрации диод относительно радиатора никуда не сдвинется. А вот прижимная планка относительно корпуса диода — может, но капля лака спасёт. Ну или 2-й винт.
даже если и изолированная подложка-я бы не стал сажать такие корпуса на общий теплоотвод-особенно когда разниица напряжений сотни вольт, это кстати часто в документации оговаривается..
Ссылку на «документацию» в студию! Просто я не видел диодов или транзисторов с изолированной металлической(!) подложкой в корпусе ТО-220. Может от жизни отстал?
Есть у которых весь корпус изолирован.
даже если и изолированная подложка-я бы не стал сажать такие корпуса на общий теплоотвод-особенно когда разниица напряжений сотни вольт, это кстати часто в документации оговаривается..
Это может и справедливо в плане дополнительной эксплуатационной надёжности, но не всегда. Например, силовые оптронные модули серии МТОТО имели изолированное металлическое основание. И их вполне допустимо было ставить на общий радиатор, в принципе ради этого и изолировали. А напряжение (действующее)
Есть у которых весь корпус изолирован.
TO-220 с изолированной подложкой по моему нет вообще. Видел только гибридные модули СИФУ с тремя выводами и изолированным металлическим фланцем.
я видел недавно тиристор в таком корпусе у которого были разновидности с буквой А и В на конце-так вот в одном случае подложка изолирована от анода а во втором нет..
Нередко, проектируя мощное устройство на силовых транзисторах, или прибегая к использованию в схеме мощного выпрямителя, мы сталкиваемся с ситуацией, когда необходимо рассеивать очень много тепловой мощности, измеряемой единицами, а иногда и десятками ватт.
К примеру IGBT-транзистор FGA25N120ANTD от Fairchild Semiconductor, если его правильно смонтировать, теоретически способен отдать через свой корпус порядка 300 ватт тепловой мощности при температуре корпуса в 25 °C! А если температура его корпуса будет 100 °C, то транзистор сможет отдавать 120 ватт, что тоже совсем немало. Но для того чтобы корпус транзистора в принципе смог отдать это тепло, необходимо обеспечить ему надлежащие рабочие условия, чтобы он раньше времени не сгорел.
Все силовые ключи выпускаются в таких корпусах, которые можно легко установить на внешний теплоотвод — радиатор. При этом в большинстве случаев металлическая поверхность ключа или другого устройства в выводном корпусе, электрически соединена с одним из выводов данного устройства, например с коллектором или со стоком транзистора.
Так вот, задача радиатора как раз и состоит в том, чтобы удержать транзистор, и главным образом его рабочие переходы, при температуре, не превышающей максимально допустимую.
О защите электрических схем от неправильной полярности питания при помощи полевого транзистора, я вспомнил о том, что давно имею не решенную проблему автоматического отключения аккумулятора от зарядного устройства при обесточивании последнего. И стало мне любопытно, нельзя ли применить подобный подход в другом случае, где тоже испокон века в качестве запорного элемента использовался диод.
Эта статья является типичным гайдом по велосипедостроению, т.к. рассказывает о разработке схемы, функционал которой уже давно реализован в миллионах готовых устройств. Поэтому просьба не относится к данному материалу, как к чему-то совсем утилитарному. Скорее это просто история о том, как рождается электронное устройство: от осознания необходимости до работающего прототипа через все препятствия.
Зачем все это?
История вопроса
Совершенно очевидно, что тот же самый диод, который выпрямляет переменное напряжение сетевой обмотки, будет препятствовать и разряду аккумулятора на вторичную обмотку трансформатора при отключении питающего напряжения сети. Двухполупериодная мостовая схема выпрямителя, несмотря на несколько меньшую очевидность, обладает точно такими же свойствами. И даже использование параметрического стабилизатора напряжения с усилителем тока (такого, как широко распространенная микросхема 7812 и ее аналоги), не меняет ситуацию:
Действительно, если посмотреть на упрощенную схему такого стабилизатора, становится понятно, что эмиттерный переход выходного транзистора исполняет роль все того же запорного диода, который закрывается при пропадании напряжения на выходе выпрямителя, и сохраняет заряд аккумулятора в целости и сохранности.
Однако в последние годы все изменилось. На смену трансформаторным блокам питания с параметрической стабилизацией пришли более компактные и дешевые импульсные AC/DC-преобразователи напряжения, которые обладают гораздо более высоким КПД и соотношением мощность/вес. Вот только при всех достоинствах, у этих источников питания обнаружился один недостаток: их выходные цепи имеют гораздо более сложную схемотехнику, которая обычно никак не предусматривает защиту от обратного затекания тока из вторичной цепи. В результате, при использовании такого источника в системе вида “БП -> буферный аккумулятор -> нагрузка”, при отключении сетевого напряжения аккумулятор начинает интенсивно разряжаться на выходные цепи БП.
Простейший путь (диод)
Однако основные проблемы такого решения уже озвучены в упомянутой выше статье. Кроме того, такой подход может быть неприемлемым по той причине, что для работы в буферном режиме 12-вольтовому свинцово-кислотному аккумулятору нужно напряжение не менее 13.6 вольт. А падающие на диоде почти пол вольта могут сделать это напряжение банально недостижимым в сочетании с имеющимся блоком питания (как раз мой случай).
Все это заставляет искать альтернативные пути автоматической коммутации, которая должна обладать следующими свойствами:
- Малое прямое падение напряжения во включенном состоянии.
- Способность без существенного нагрева выдерживать во включенном состоянии прямой ток, потребляемый от блока питания нагрузкой и буферным аккумулятором.
- Высокое обратное падение напряжения и низкое собственное потребление в выключенном состоянии.
- Нормально выключенное состояние, чтобы при подключении заряженного аккумулятора к изначально обесточенной системе не начинался его разряд.
- Автоматический переход во включенное состояние при подаче напряжения сети вне зависимости от наличия и уровня заряда аккумулятора.
- Максимально быстрый автоматический переход в выключенное состояние при пропадании напряжения сети.
Наивное решение (реле постоянного тока)
В этой схеме нормально разомкнутые контакты реле замыкаются только при прохождении тока через обмотку, подключенную к выходу блока питания. Однако если пройтись по списку требований, то окажется, что эта схема не соответствует пункту 6. Ведь если контакты реле были однажды замкнуты, пропадание напряжения сети не приведет к их размыканию по той причине, что обмотка (а с ней и вся выходная цепь БП) остается подключенной к аккумулятору через эти же контакты! Налицо типичный случай положительной обратной связи, когда управляющая цепь имеет непосредственную связь с исполнительной, и в итоге система приобретает свойства бистабильного триггера.
Таким образом, подобный наивный подход не является решением проблемы. Более того, если проанализировать сложившуюся ситуацию логически, то легко можно прийти к выводу, что в промежутке “БП -> буферный аккумулятор” в идеальных условиях никакое другое решение кроме вентиля, проводящего ток в одном направлении, быть просто не может. Действительно, если мы не будем использовать какой-либо внешний управляющий сигнал, то что бы мы не делали в этой точке схемы, любой наш коммутирующий элемент, однажды включившись, сделает неотличимым электричество, создаваемое аккумулятором, от электричества, создаваемого блоком питания.
Окольный путь (реле переменного тока)
Бинго! Выполняются все пункты требований и единственное, что для этого нужно – это реле, способное замыкать контакты при подаче на него сетевого напряжения. Это может быть специальное реле переменного тока, рассчитанное на сетевое напряжение. Или обычное реле со своими мини-БП (тут достаточно любой безтрансформаторной понижающей схемы с простейшим выпрямителем).
Можно было бы праздновать победу, но мне это решение не понравилось. Во-первых, нужно подключать что-то непосредственно к сети, что не есть гуд с точки зрения безопасности. Во-вторых, тем, что коммутировать это реле должно значительные токи, вероятно, до десятков ампер, а это делает всю конструкцию не такой тривиальной и компактной, как могло показаться изначально. Ну и в-третьих, а как же такой удобный полевой транзистор?
Первое решение (полевой транзистор + измеритель напряжения аккумулятора)
Примерная схема такого устройства:
Как видно, к источнику стабильного напряжения подключен прямой вход компаратора. Напряжение этого источника, в принципе, не важно, главное, чтобы оно было в пределах допустимых входных напряжений компаратора, однако удобно, когда оно составляет примерно половину напряжения аккумулятора, то есть около 6 вольт. Инверсный вход компаратора подключен к делителю напряжения БП, а выход – к затвору коммутирующего транзистора. Когда напряжение на инверсном входе превышает таковое на прямом, выход компаратора соединяет затвор полевого транзистора с землей, в результате чего транзистор открывается и замыкает цепь. После обесточивания сети, через некоторое время напряжение аккумулятора понижается, вместе с ним падает напряжение на инверсном входе компаратора, и когда оно оказывается ниже уровня на прямом входе, компаратор «отрывает» затвор транзистора от земли и тем самым разрывает цепь. В дальнейшем, когда блок питания снова «оживет», напряжение на инверсном входе мгновенно повысится до нормального уровня и транзистор снова откроется.
Для практической реализации данной схемы была использована имеющаяся у меня микросхема LM393. Это очень дешевый (менее десяти центов в рознице), но при этом экономичный и обладающий довольно неплохими характеристиками сдвоенный компаратор. Он допускает питание напряжением до 36 вольт, имеет коэффициент передачи не менее 50 V/mV, а его входы отличаются довольно высоким импедансом. В качестве коммутирующего транзистора был взят первый из доступных в продаже мощных P-канальных MOSFET-ов FDD6685. После нескольких экспериментов была выведена такая практическая схема коммутатора:
В ней абстрактный источник стабильного напряжения заменен на вполне реальный параметрический стабилизатор из резистора R2 и стабилитрона D1, а делитель выполнен на основе подстроечного резистора R1, позволяющего подогнать коэффициент деления под нужное значение. Так как входы компаратора имеют весьма значительный импеданс, величина гасящего сопротивления в стабилизаторе может составлять более сотни кОм, что позволяет минимизировать ток утечки, а значит и общее потребление устройства. Номинал подстроечного резистора вообще не критичен и без каких-либо последствий для работоспособности схемы может быть выбран в диапазоне от десяти до нескольких сотен кОм. Из-за того, что выходная цепь компаратора LM393 построена по схеме с открытым коллектором, для ее функционального завершения необходим также нагрузочный резистор R3, сопротивлением несколько сотен кОм.
Регулировка устройства сводится к установке положения движка подстроечного резистора в положение, при котором напряжение на ножке 2 микросхемы превышает таковое на ножке 3 примерно на 0.1..0.2 вольта. Для настройки лучше не лезть мультиметром в высокоимпедансные цепи, а просто установив движок резистора в нижнее (по схеме) положение, подключить БП (аккумулятор пока не присоединяем), и, измеряя напряжение на выводе 1 микросхемы, двигать контакт резистора вверх. Как только напряжение резким скачком упадет до нуля, предварительную настройку можно считать завершенной.
Не стоит стремиться к отключению при минимальной разнице напряжений, потому что это неизбежно приведет к неправильной работе схемы. В реальных условиях напротив приходится специально занижать чувствительность. Дело в том, что при включении нагрузки, напряжение на входе схемы неизбежно просаживается из-за не идеальной стабилизации в БП и конечного сопротивления соединительных проводов. Это может привести к тому, что излишне чувствительно настроенный прибор сочтет такую просадку отключением БП и разорвет цепь. В результате БП будет подключаться только при отсутствии нагрузки, а все остальное время работать придется аккумулятору. Правда, когда аккумулятор немного разрядится, откроется внутренний диод полевого транзистора и ток от БП начнет поступать в цепь через него. Но это приведет к перегреву транзистора и к тому, что аккумулятор будет работать в режиме долгого недозаряда. В общем, окончательную калибровку нужно проводить под реальной нагрузкой, контролируя напряжение на выводе 1 микросхемы и оставив в итоге небольшой запас для надежности.
Существенными недостатками этой схемы являются относительная сложность калибровки и необходимость мириться с потенциальными потерями энергии аккумулятора ради корректной работы.
Последний недостаток не давал покоя и после некоторых обдумываний привел меня к мысли измерять не напряжение аккумулятора, а непосредственно направление тока в цепи.
Второе решение (полевой транзистор + измеритель направления тока)
По самым пессимистичным расчетам, при сопротивлении открытого канала транзистора FDD6685 около 14 мОм и дифференциальной чувствительности компаратора LM393 из колонки “min” 50 V/mV, мы будем иметь на выходе компаратора полный размах напряжения величиной 12 вольт при токе через транзистор чуть более 17 mA. Как видим, величина вполне реальная. На практике же она должна быть еще примерно на порядок меньше, потому что типичная чувствительность нашего компаратора равна 200 V/mV, сопротивление канала транзистора в реальных условиях с учетом монтажа вряд ли будет меньше 25 мОм, а размах управляющего напряжения на затворе может не превышать трех вольт.
Абстрактная реализация будет иметь примерно такой вид:
Тут входы компаратора подключены непосредственно к плюсовой шине по разные стороны от полевого транзистора. При прохождении тока через него в разных направлениях, напряжения на входах компаратора неизбежно будут отличаться, причем знак разницы будет соответствовать направлению тока, а величина – его силе.
На первый взгляд схема оказывается предельно простой, однако тут возникает проблема с питанием компаратора. Заключается она в том, что мы не можем запитать микросхему непосредственно от тех же цепей, которые она должна измерять. Согласно даташиту, максимальное напряжение на входах LM393 не должно быть выше напряжения питания минус два вольта. Если превысить этот порог, компаратор прекращает замечать разницу напряжений на прямом и инверсном входах.
Потенциальных решений возникшей проблемы два. Первое, очевидное, заключается в повышении напряжения питания компаратора. Второе, которое приходит в голову, если немного подумать, заключается в равном понижении управляющих напряжений при помощи двух делителей. Вот как это может выглядеть:
Эта схема подкупает своей простотой и лаконичностью, однако в реальном мире она, к сожалению, не реализуема. Дело в том, что мы имеем дело с разницей напряжений между входами компаратора всего в единицы милливольт. В то же время разброс сопротивлений резисторов даже самого высокого класса точности составляет 0.1%. При минимально приемлемом коэффициенте деления 2 к 8 и разумном полном сопротивлении делителя 10 кОм, погрешность измерения будет достигать 3 mV, что в несколько раз превышает падение напряжения на транзисторе при токе 17 mA. Применение «подстроечника» в одном из делителей отпадает по той же причине, ведь подобрать его сопротивление с точностью более 0.01% не представляется возможным даже при использовании прецизионного многооборотного резистора (плюс не забываем про временной и температурный дрейф). Кроме того, как уже писалось выше, теоретически эта схема вообще не должна нуждаться в калибровке из-за своей почти «цифровой» сущности.
Исходя из всего сказанного, на практике остается только вариант с повышением напряжения питания. В принципе, это не такая уж и проблема, если учесть, что существует огромное количество специализированных микросхем, позволяющих при помощи всего нескольких деталей соорудить stepup-преобразователь на нужное напряжение. Но тогда сложность устройства и его потребление возрастет почти вдвое, чего хотелось бы избежать.
Существует несколько способов соорудить маломощный повышающий преобразователь. Например, большинство интегральных преобразователей предполагают использование напряжения самоиндукции небольшого дросселя, включенного последовательно с «силовым» ключом, расположенным прямо на кристалле. Такой подход оправдан при сравнительно мощном преобразовании, например для питания светодиода током в десятки миллиампер. В нашем случае это явно избыточно, ведь нужно обеспечить ток всего около одного миллиампера. Нам гораздо более подойдет схема удвоения постоянного напряжения при помощи управляющего ключа, двух конденсаторов, и двух диодов. Принцип ее действия можно понять по схеме:
В первый момент времени, когда транзистор закрыт, не происходит ничего интересного. Ток из шины питания через диоды D1 и D2 попадает на выход, в результате чего на конденсаторе C2 устанавливается даже несколько более низкое напряжение, чем поступает на вход. Однако если транзистор откроется, конденсатор C1 через диод D1 и транзистор зарядится почти до напряжения питания (минус прямое падение на D1 и транзисторе). Теперь, если мы снова закроем транзистор, то окажется, что заряженный конденсатор C1 включен последовательно с резистором R1 и источником питания. В результате его напряжение сложится с напряжением источника питания и, понеся некоторые потери в резисторе R1 и диоде D2, зарядит C2 почти до удвоенного Uin. После этого весь цикл можно начинать сначала. В итоге, если транзистор регулярно переключается, а отбор энергии из C2 не слишком велик, из 12 вольт получается около 20 ценой всего пяти деталей (не считая ключа), среди которых нет ни одного намоточного или габаритного элемента.
Для реализации такого удвоителя, кроме уже перечисленных элементов, нам нужен генератор колебаний и сам ключ. Может показаться, что это уйма деталей, но на самом деле это не так, ведь почти все, что нужно, у нас уже есть. Надеюсь, вы не забыли, что LM393 содержит в своем составе два компаратора? А то, что использовали мы пока только один из них? Ведь компаратор – это тоже усилитель, а значит, если охватить его положительной обратной связью по переменному току, он превратится в генератор. При этом его выходной транзистор будет регулярно открываться и закрываться, отлично исполняя роль ключа удвоителя. Вот что у нас получится при попытке реализовать задуманное:
Поначалу идея питать генератор напряжением, которое тот сам фактически и вырабатывает при работе, может показаться довольно дикой. Однако если присмотреться внимательнее, то можно увидеть, что изначально генератор получает питание через диоды D1 и D2, чего ему вполне достаточно для старта. После возникновения генерации начинает работать удвоитель, и напряжение питания плавно возрастает примерно до 20 вольт. На этот процесс уходит не более секунды, после чего генератор, а вместе с ним и первый компаратор, получают питание, значительно превышающее рабочее напряжение схемы. Это дает нам возможность непосредственно измерять разность напряжений на истоке и стоке полевого транзистора и достичь-таки своей цели.
Вот окончательная схема нашего коммутатора:
Пояснять по ней уже нечего, все описано выше. Как видим, устройство не содержит ни одного настроечного элемента и при правильной сборке начинает работать сразу. Кроме уже знакомых активных элементов добавились только два диода, в качестве которых можно использовать любые маломощные диоды с максимальным обратным напряжением не менее 25 вольт и предельным прямым током от 10 mA (например, широко распространенный 1N4148, который можно выпаять из старой материнской платы).
Эта схема была проверена на макетной плате, где доказала свою полную работоспособность. Полученные параметры полностью соответствуют ожиданиям: мгновенная коммутация в оба направления, отсутствие неадекватной реакции при подключении нагрузки, потребление тока от аккумулятора всего 2.1 mA.
Один из вариантов разводки печатной платы тоже прилагается. 300 dpi, вид со стороны деталей (поэтому печатать нужно в зеркальном отражении). Полевой транзистор монтируется со стороны проводников.
Собранное устройство, полностью готовое к монтажу:
Разводил старым дедовским способом, поэтому вышло немного криво, однако тем не менее девайс уже несколько дней исправно выполняет свои функции в цепи с током до 15 ампер без всяких признаков перегрева.