Originally published at Профессионально об энергетике. Please leave any commentsthere.

В хозяйстве радиоконструктора всегда найдутся старые диоды и транзисторы от ставших ненужными радиоприемников и телевизоров.

В умелых руках это – богатство, которому можно найти дельное применение. Например, сделать полупроводниковую солнечную батарею для питания в походных условиях транзисторного радиоприемника. Как известно, при освещении светом полупроводник становится источником электрического тока – фотоэлементом.

Этим свойством мы и воспользуемся. Сила тока и электродвижущая сила такого фотоэлемента зависят от материала полупроводника, величины его поверхности и освещенности. Но чтобы превратить диод или транзистор в фотоэлемент, нужно добраться до полупроводникового кристалла, а, говоря точнее, его нужно вскрыть.

Как это сделать, расскажем чуть позже, а пока загляните в таблицу, где приведены параметры самодельных фотоэлементов. Все значения получены при освещении лампой мощностью 60 Вт на расстоянии 170 мм, что примерно соответствует интенсивности солнечного света в погожий осенний день.

Как видно из таблицы, энергия, вырабатываемая одним фотоэлементом, очень мала, поэтому их объединяют в батареи. Чтобы увеличить ток, отдаваемый во внешнюю цепь, одинаковые фотоэлементы соединяют последовательно. Но наилучших результатов можно добиться при смешанном соединении, когда фотобатарею собирают из последовательно соединенных групп, каждая из которых составляется из одинаковых параллельно соединенных элементов (рис.

3). Предварительно подготовленные группы диодов собирают на пластине из гетинакса, органического стекла или текстолита, например, так, как показано на рисунке 4. Между собой элементы соединяются тонкими лужеными медными проводами.

Выводы, подходящие к кристаллу, лучше не паять, так как при этом от высокой температуры можно повредить полупроводниковый кристалл. Пластину с фотоэлементом поместите в прочный корпус с прозрачной верхней крышкой.

Оба вывода подпаяйте к разъему – к нему будете подключать шнур от радиоприемника. Солнце фотобатарея из 20 диодов КД202 (пять групп по четыре параллельно соединенных фотоэлемента) на солнце генерирует напряжение до 2,1 В при токе до 0,8 мА. Этого вполне достаточно для того, чтобы питать радиоприемник на одном-двух транзисторах.

Теперь о том, как превратить диоды и транзисторы в фотоэлементы. Приготовьте тиски, бокорезы, плоскогубцы, острый нож, небольшой молоток, паяльник, оловянно- свинцовый припой ПОС-60, канифоль, пинцет, тестер или микроамперметр на 50-300 мкА и батарейку на 4,5 В. Диоды Д7, Д226, Д237 и другие в похожих корпусах следует разбирать так.

Сначала отрежьте бокорезами выводы по линиям А и Б (рис.1). Смятую при этом трубочку В аккуратно расправьте, чтобы освободить вывод Г. Затем диод зажмите в тисках за фланец.

Приложите к сварному шву острый нож и, несильно ударив по тыльной стороне ножа, удалите крышку. Следите за тем, чтобы лезвие ножа не проходило глубоко вовнутрь – иначе можно повредить кристалл.

Вывод Д очистите от краски – фотоэлемент готов. У диодов КД202 (а также Д214, Д215, Д242-Д247) плоскогубцами откусите фланец А (рис.2) и отрежьте вывод Б. Как и в предыдущем случае, расправьте смятую трубку В, освободите гибкий вывод Г.

Здравствуйте Дорогие читатели блога prosamostroi.ru! В нашем 21-ом веке постоянно происходят какие-либо изменения. Особенно остро они замечаются в технологическом аспекте. Изобретаются более дешёвые источники энергии, повсеместно распространяются различные девайсы, которые должны упростить жизнь людям.

Сегодня мы поговорим о такой вещи как солнечная батарея – устройство не прорывное но, тем не менее, которое с каждым годом всё больше и больше входит в жизнь людей. Мы поговорим о том, что представляет собой данное устройство, какими преимуществами и недостатками она обладает. Также уделим внимание тому, как собирается солнечная батарея своими руками.

Солнечная батарея: что это вообще такое и как работает?

Солнечная батарея – это устройство, которое состоит из определённого набора солнечных элементов (фотоэлементов), которые преобразуют солнечную энергию в электроэнергию. Панели большинства солнечных батарея состоят из кремния так как этот материал имеет хороший КПД по “переработке” поступающего солнечного света.

Работают солнечные батареи следующим образом:

Фотоэлектрические кремниевые ячейки, которые запакованы в общую рамку (каркас) принимают на себя солнечный свет. Они нагреваются и частично поглощают поступающую энергию. Данная энергия сразу же освобождает электроны внутри кремния, которые по специализированным каналам поступают в специальный конденсатор, в котором накапливается электричество и перерабатываясь из постоянного в переменное поступает к устройствам в квартире/жилом доме.

Преимущества и недостатки этого вида энергии

Из преимуществ можно выделить следующие:

Наше Солнце – экологически чистый источник энергии, который не способствует загрязнению окружающей среды. Солнечные батареи не выбрасывают в окружающую среду различные вредные отходы.

Солнечная энергия неисчерпаема (естественно, пока Солнце живо, но это ещё на миллиарды лет вперёд). Из этого следует, что солнечной энергии вам точно хватило бы на всю жизнь.

После того, как вы осуществите грамотный монтаж солнечных батарей в дальнейшем вам не потребуется их часто обслуживать. Всё что надо – один два раза в год проводить профилактический осмотр.

Внушительный срок службы солнечных батарей. Этот срок начинается от 25-ти лет. Также стоит подметить, что даже в прошествии данного времени они не потеряют в эксплуатационных характеристиках.

Установка солнечных батарей может субсидироваться государством. К примеру это активно происходит в Австралии, Франции, Израиле. Во Франции и вовсе возвращается 60% стоимости солнечных панелей.

Из недостатков можно выделить следующие:

Пока что солнечные батареи не выдерживают конкуренции, к примеру, если требуется вырабатывать большое количество электроэнергии. Это удачней получается у нефтевой и ядерной промышленности.

Производство электроэнергии напрямую зависит от погодных условий. Естественно, когда за окном солнечно – ваши солнечные батареи будут работать на 100% мощности. Когда же будет пасмурный день – этот показатель будет падать в разы.

Для производства большого объёма энергии солнечным батареям требуется большая площадь.

Как можно видеть, у данного источника энергии плюсов всё равно больше чем минусов, а минусы не такие страшные как казалось бы.

Солнечная батарея своими руками из подручных средств и материалов в домашних условиях

Несмотря на то, что мы живём в современном и быстроразвивающимся мире – покупка и монтаж солнечных батарей остаётся уделом обеспеченных людей.

Стоимость одной панели, которая будет вырабатывать всего лишь 100 Ватт варьируется от 6 до 8 тысяч рублей. Это не считая ещё то, что отдельно надо будет покупать конденсаторы, аккумуляторы, контроллер заряда, сетевой инвертор, преобразователь и другие вещи. Но если у вас нет большого количества средств, а хочется перейти на экологически чистый источник энергии то у нас для вас есть хорошие новости – солнечную батарею можно собрать в домашних условиях.

И если следовать всем рекомендациям, КПД у неё будет не хуже, чем у собранного в промышленных масштабах варианта. В данной части мы рассмотрим пошаговую сборку. Также уделим внимание материалам, из которых можно собрать солнечные панели.

Из диодов

Это один из самых бюджетных материалов.

Если вы собрались делать солнечную батарею для дома из диодов, то помните, что с помощью данных компонентов собираются лишь небольшие солнечные батареи, способные запитать какие-либо незначительные гаджеты. Лучше всего подойдут диоды Д223Б. Это диоды советского образца, которые хороши тем, что имеют стеклянный корпус, из-за размера обладают высокой плотностью монтажа и имеют приятную цену.

После покупки диодов очистите их от краски – для этого достаточно поместить их в ацетон на пару часов. По прошествии данного времени она легко с них снимется.

Затем подготовим поверхность для будущего размещения диодов. Это может быть деревянная дощечка или любая другая поверхность. В ней требуется проделать отверстия на протяжении всей её площади Между отверстиями надо будет соблюдать расстояние от 2 до 4 мм.

После берём наши диоды и вставляем алюминиевыми хвостиками в данные отверстия. После этого хвостики требуется загнуть в отношении друг к другу и спаять для того, чтобы при получении солнечной энергии они распределяли электричество в одну “систему”.

Наша примитивная солнечная батарея из стеклянных диодов готова. На выходе она может давать энергию в пару вольт, что является неплохим показателем для кустарной сборки.

Из транзисторов

Этот вариант уже будет более серьёзный, чем диодный, но всё равно является образцом суровой ручной сборки.

Для того, чтобы сделать солнечную батарею из транзисторов вам понадобятся для начала сами транзисторы. Благо их можно купить практически на любом рынке или в магазинах электронной техники.

После покупки вам потребуется срезать крышку у транзистора. Под крышкой прячется самый главный и нужный нам элемент – полупроводниковый кристалл.

Можно использовать как дерево так и пластик. Пластик, конечно, будет лучше. В нём сверлим отверстия для выводов транзисторов.

Затем вставляем их в каркас и спаиваем их между друг другом соблюдая нормы “ввода-вывода”.

На выходе такая батарея может давать мощность, которой хватит на осуществление работы, к примеру, калькулятора или маленькой диодной лампочки. Опять же такая солнечная батарея собирается чисто ради забавы и не представляет собой серьёзный “электропитательный” элемент.

Из алюминиевых банок

Данный вариант уже является более серьёзным в отличие от первых двух.

Это тоже невероятно дешёвый и эффективный способ получить энергию. Единственное, на выходе её будет гораздо больше, чем в вариантах из диодов и транзисторов и она будет не электрическая, а тепловая. Всё что вам надо – большое количество алюминиевых банок и корпус.

Хорошо подходит корпус из дерева. В корпусе лицевая часть должна быть закрыта оргстеклом. Без него батарея не будет эффективно работать.

Перед началом сборки надо покрасить алюминиевые банки чёрной краской. Это позволит им хорошо притягивать солнечный свет.

Затем с помощью инструментов на дне каждой банки пробиваются три отверстия. Наверху в свою очередь делается звездообразный вырез. Свободные концы загибаются наружу, что необходимо для того, чтобы происходила улучшенная турбулентность нагретого воздуха.

После данных манипуляций банки складываются в продольные линии (трубы) в корпус нашей батареи.

Затем между трубами и стенками/задней стенкой прокладывается слой изоляции (минеральная вата). Затем коллектор закрывается прозрачным сотовым поликарбонатом.

На этом процесс сборки завершён. Последним шагом является установка воздушного вентилятора в качестве двигателя для энергоносителя. Такая батарея хоть и не вырабатывает электричество, зато может эффективно прогреть жилое помещение.

Конечно, это будет не полноценный радиатор, но прогрев небольшого помещения такой батарее под силу - например, для дачи отличный вариант. Про полноценные биметаллические радиаторы отопления мы говорили в статье - биметаллические радиаторы отопления какие лучше и прочнее, в которой мы рассматривали подробно строение подобных батарей отопления, их технические характеристики и сравнивали производителей. Советую ознакомиться.

Солнечная батарея своими руками – как сделать, собрать и изготовить?

Отходя от самодельных вариантов мы уделим внимание уже более серьёзным вещам.

Сейчас мы поговорим о том, как правильно собрать и изготовить настоящую солнечную батарею своими руками. Да – такое тоже возможно. И хочется вас уверить – она будет не хуже покупных аналогов.

Для начала стоит сказать, что, вероятно, вы не сможете найти на свободном рынке сами настоящие кремниевые панели, которые используются в полноценных солнечных батареях. Да и стоит они будут дорого.

Мы же будем собирать нашу солнечную батарею из монокристаллических панелей – варианте более дешёвом, но отлично показывающим себя в плане выработки электрической энергии. Тем более что монокристаллические панели легко найти и стоят они достаточно недорого. Они бывают разных размеров.

Самый популярный и ходовой вариант – 3х6 дюймов, который вырабатывает 0,5В в эквиваленте. Таких нам будет достаточно. В зависимости от ваших финансов вы можете купить их хоть 100-200 штук, но сегодня мы соберём вариант, которого хватит на то, чтобы запитать небольшие аккумуляторы, лампочки и прочие небольшие электронные элементы.

Выбор фотоэлементов

Как мы утверждали выше – мы выбрали монокристаллическую основу. Найти её можно где угодно. Самое популярное место, где её продают в гигантских количествах – это торговые площадки Amazon или Ebay.

Главное помните, что там очень легко нарваться на недобросовестных продавцов, так что покупайте только у тех людей, у кого достаточно высокий рейтинг. Если у продавца хороший рейтинг, то вы будете уверены, что ваши панели дойдут до вас хорошо запакованные, не битые и в том количестве, в котором вы заказывали.

Выбор места (система ориентации), проектирование и материалы

После того, как вы дождётесь вашу посылку с основными фотоэлементами, вы должны хорошо выбрать место для установки вашей солнечной батареи.

Ведь вам нужно будет, чтобы она работала на 100% мощности, не так ли? Профессионалы в этом деле советуют проводить установку в то место, где солнечная батарея будет направлена чуть ниже небесного зенита и смотреть в сторону Запада-Востока. Это позволит практически весь день “ловить” солнечный свет.

Изготовление каркаса солнечной батареи

Для начала вам требуется изготовить основание солнечной батареи.

Оно может быть деревянное, пластиковое или алюминиевое. Лучше всего себя показывает дерево и пластик. Оно должно быть достаточного размера, чтобы в ряд поместить все ваши фотоэлементы, но при этом они не должны будут болтаться внутри всей конструкции.

После того, как вы собрали основание солнечной батареи вам потребуется просверлить множество отверстий на его поверхности для будущего выведения проводников в единую систему.

Кстати не забудьте, что всё основание требуется сверху закрыть оргстеклом для защиты ваших элементов от погодных условий.

Пайка элементов и подключение

После того, как ваше основание будет готово вы можете размещать ваши элементы на его поверхности. Фотоэлементы размещаете вдоль всей конструкции проводниками вниз (просовываете их в наши просверленные отверстия).

Затем их требуется спаять между собой. В интернете есть множество схем, по которым происходит пайка фотоэлементов. Главное – соединить их в своеобразную единую систему для того, чтобы они все вместе могли собирать полученную энергию и направлять её в конденсатор.

Последним шагом будет припайка “выводного” провода, который будет подключён к конденсатору и выводить в него получаемую энергию.

Монтаж

Это финальный шаг. После того как вы убедитесь в том, что все элементы собраны верно, сидят плотно и не болтаются, хорошо закрыты оргстеклом – можно приступать к монтажу.

В плане монтажа солнечную батарею лучше крепить на прочное основание. Отлично подойдёт металлический каркас, укреплённый строительными шурупами. На нём солнечные панели будут сидеть прочно, не шататься и не поддаваться никаким погодным условиям.

На этом всё! Что мы имеем в итоге? Если вы сделали солнечную батарею, состоящую из 30-50 фотоэлементов, то этого будет вполне достаточно для того, чтобы быстро зарядить ваш мобильный телефон или зажечь небольшую бытовую лампочку, т. е.

у вас на выходе получилось полноценное самодельное зарядное устройство для зарядки аккумулятора телефона, уличного дачного светильника, либо небольшого садового фонарика. Если же вы сделали солнечную панель, к примеру, в 100-200 фотоэлементов, то тут уже может идти речь о “запитке” некоторых бытовых приборов, например, кипятильника для нагрева воды. В любом случае – такая панель будет дешевле покупных аналогов и сохранит вам деньги.

Видео - как изготавливается солнечная батарея своими руками?

Солнечная батарея своими руками на фото

В данном разделе представлены фотографии некоторых интересных, но в тоже время простых вариантов самодельных солнечных батарей, которые легко можно собрать своими руками.

Что лучше – купить или сделать солнечную батарею?

Давайте в этой части подытожим всё, что мы узнали в этой статье.

Во-первых, мы разобрались с тем, как собрать солнечную батарею в домашних условиях. Как можно видеть, солнечная батарея своими руками при соблюдении инструкций собирается весьма быстро. Если вы будете пошагово следовать различным мануалам, то вы сможете собрать отличные варианты для обеспечения вас экологически чистой электроэнергией (ну или варианты, рассчитанные на запитку мелких элементов).

Но всё же, что лучше – купить или сделать солнечную батарею? Естественно, лучше её купить.

Дело в том, что те варианты, которые изготавливаются в промышленных масштабах предназначены для того, чтобы работать так, как им следует работать. При ручной сборке солнечных панелей нередко можно допустить различные ошибки, которые приведут к тому, что они просто не будут работать должным образом. Естественно, промышленные варианты стоят больших денег, но зато вы получаете качество и долговечность.

Но если вы уверены в своих силах, то при правильном подходе вы соберёте солнечную панель, которая будет не хуже промышленных аналогов.

В любом случае, будущее уже рядом и скоро солнечные панели смогут позволить себе все слои. А там, может быть, произойдёт полный переход к использованию солнечной энергии. Удачи!

Ниже оставляйте свои комментарии, пожелания, задавайте вопросы, высказывайте свое мнение – нам это очень важно!

Альтернативные источники электроэнергии набирают популярность с каждым годом. Постоянные повышения тарифов на электроэнергию способствуют этой тенденции. Одна из причин, заставляющая людей искать нетрадиционные источники питания - это полное отсутствие возможности подключения к сетям общего пользования.

Наиболее востребованными на рынке альтернативных источников питания являются солнечные батареи.Эти источники используют эффект получения электрического тока при воздействии солнечной энергии на полупроводниковые структуры, изготовленные из чистого кремния.

Первые солнечные фотопластины были слишком дорогими, их использование для получения электроэнергии не было рентабельным. Технологии производства кремниевых солнечных батарей постоянно совершенствуются и сейчас можно приобрести солнечную электростанцию для домапо доступной цене.

Энергия света бесплатна, и если мини-электростанции на кремниевых элементах будут достаточно дешевы, то такие альтернативные источники питания станут рентабельными и получат очень широкое распространение.

Подходящие подручные материалы

Схема солнечной батареи на диодахМногие горячие головы задают себе вопрос: а можно ли изготовить солнечную батареюиз подручных материалов. Конечно же, можно! У многих со времен СССР сохранилось большое количество старых транзисторов. Это наиболее подходящий материал для создания мини-электростанции собственными руками.

Также можно изготовить солнечную батарею из кремниевых диодов. Еще одним материалом для изготовления солнечных батарей является медная фольга. При применении фольги для получения разницы потенциалов используется фотоэлектрохимическая реакция.

Этапы изготовления транзисторной модели

Подбор деталей

Наиболее подходящими, для изготовления солнечных батарей, являются мощные кремниевые транзисторы с буквенной маркировкой КТ или П.Внутри они имеют большую полупроводниковую пластину, способную генерировать электрический ток под воздействием солнечных лучей.

Совет специалистов:подбирайте транзисторы одного наименования, так как у них одинаковые технические характеристики и ваша солнечная батарея будет стабильнее в работе.

Транзисторы должны быть в рабочем состоянии, в противном случае толку от них не будет. На фото представлен образец такого полупроводникового прибора, но можно взять транзистор и другой формы, главное, он должен быть кремниевым.

Следующий этап – это механическая подготовка ваших транзисторов. Необходимо, механическим путем, удалить верхнюю часть корпуса. Проще всего произвести эту операцию с помощью небольшой ножовки по металлу.

Подготовка

Зажмите транзистор в тисках и аккуратно сделайте пропил по контуру корпуса.

Вы видите кремниевую пластину, которая будет выполнять роль фотоэлемента.Транзисторы имеют три вывода – базу, коллектор и эмиттер.В зависимости от структуры транзистора (p-n-p или n-p-n), будет определена полярность нашей батареи. Для транзистора КТ819 база будет плюсом, эмиттер и коллектор минусом.Наибольшая разница потенциалов, при подаче света на пластину, создается между базой и коллектором. Поэтому в нашей солнечной батарее будем использовать коллекторный переход транзистора.

Проверка

После спиливания корпуса транзисторов их необходимо проверить на работоспособность. Для этого нам необходим цифровой мультиметр и источник света.

Базу транзистора подключаем к плюсовому проводу мультиметра, а коллектор к минусовому. Измерительный прибор включаем в режим контроля напряжения с диапазоном 1В.

Направляем источник света на кремниевую пластину и контролируем уровень напряжения. Оно должно быть в пределах от 0.3В до 0.7В.В большинстве случаев один транзистор создает разницу потенциалов 0.35В и силу тока 0.25 мкА.

Для подзарядки сотового телефона нам необходимо создать солнечную панель примерно из 1000-ти транзисторов, которая будет выдавать ток в 200-ти мА.

Сборка

Собирать солнечную батарею из транзисторов можно на любой плоской пластине из материала, не проводящего электричество.Все зависит от вашей фантазии.

При параллельном соединении транзисторов увеличивается сила тока, а при последовательном повышается напряжение источника.

Кроме транзисторов, диодов и медной фольги для изготовления солнечных батарей можно использовать алюминиевые банки, например, пивные, но это будут батареи нагревающие воду, а не вырабатывающие электроэнергию.

Смотрите видео, в котором специалист подробно объясняет, как сделать солнечную батарею из транзисторов своими руками:

ВКонтакте

ОКУ людей, которые увлекаются радиоделом со временем накапливается достаточно много различных электронныхдеталей, среди которых могут быть и старые советские транзисторы в металлическом корпусе. Как радиодетали они уже давно не актуальны из-за своих больших габаритов, однако их можно использовать совершено по другому назначению: в качестве солнечной батареи. Правда мощность такой батареи выходит достаточно мала по соотношению к ее размерам, и годится лишь для запитки маломощных устройств. Но все же можно собрать ее в качестве эксперимента и ради интереса.Для переделки транзистора в солнечную батарею в начале необходимо спилить с него крышку. Для этого транзистор аккуратно зажимается в тисах за ободок на корпусе и ножовкой спиливаем крышку. Нужно делать это аккуратно,чтобы не вывести из строя кристалл и тонкие провода внутри транзистора.После этого можно увидеть, что прячется внутри:Как видно на фото кристалл достаточно не велик, по сравнению с корпусом транзистора, а ведь именно он и будет преобразовывать солнечную энергию в электрическую.Далее необходимо направить на кристалл свет и тестером замерить, на каких выводах получим максимально высокое напряжение. Его величина, конечно же зависит мощности транзистора и размера кристалла.Вот таблица измерений, приведенная автором на примере транзистора КТ819ГМ:После замеров можно приступить к сборке солнечной батареи для запитки калькулятора. Для получения 1,5 вольта необходимо последовательно собрать пять транзисторов, при этом коллектор будет минусом, а база – плюсом.Для крепления транзисторов использовался кусок тонкого пластика, с предварительно просверленными под ножки отверстиями. После установки транзисторов на места, производится подключение из между собой, по указанной выше схеме:Как показал эксперимент, на улице, при солнечном свете калькулятор работал неплохо, однако в помещении ему определенно не хватало энергии, и на расстоянии больше 30 сантиметров от лампы накаливания он работать отказывался. Для увеличения мощности батареи имеет смысл подключить параллельно еще пять таких же транзисторов.Источник Становитесь автором сайта, публикуйте собственные статьи, описания самоделок с оплатой за текст. Подробнее здесь. 0 Идея 0

Описание

Исполнение

ВКонтакте

ОК351Чтобы написать комментарий необходимо войти на сайт через соц. сети (или зарегистрироваться):Обычная регистрация

Информация

Посетители, находящиеся в группе Гости, не могут оставлять комментарии к данной публикации.

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?

При резервировании низковольтного источника питания постоянного тока самый простой путь включения свинцово-кислотного аккумулятора – это в качестве буфера, просто параллельно сетевому источнику, как это делалось в автомобилях до появления у них сложных «мозгов». Аккумулятор хоть и работает в не самом оптимальном режиме, но всегда заряжен и не требует какой-либо силовой коммутации при отключении или включении сетевого напряжения на входе БП. Далее более подробно о некоторых проблемах такого включения и попытке их решить.

История вопроса

Еще каких-то 20 лет назад подобный вопрос не стоял на повестке дня. Причиной тому была схемотехника типичного сетевого блока питания (или зарядного устройства), которая препятствовала разряду аккумулятора на его выходные цепи при отключении сетевого напряжения. Посмотрим простейшую схему блока с однополупериодным выпрямлением:

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)

Простейшее решение состоит в использовании диода с барьером Шоттки, включенного в разрыв положительного провода, соединяющего БП и аккумулятор:

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:

1. Малое прямое падение напряжения во включенном состоянии.
2. Способность без существенного нагрева выдерживать во включенном состоянии прямой ток, потребляемый от блока питания нагрузкой и буферным аккумулятором.
3. Высокое обратное падение напряжения и низкое собственное потребление в выключенном состоянии.
4. Нормально выключенное состояние, чтобы при подключении заряженного аккумулятора к изначально обесточенной системе не начинался его разряд.
5. Автоматический переход во включенное состояние при подаче напряжения сети вне зависимости от наличия и уровня заряда аккумулятора.
6. Максимально быстрый автоматический переход в выключенное состояние при пропадании напряжения сети.

Если бы диод являлся идеальным прибором, то он без проблем выполнил все эти условия, однако суровая реальность ставит под сомнение пункты 1 и 2.

Наивное решение (реле постоянного тока)

При анализе требований, любому, кто хоть немного «в теме», придет мысль использовать для этой цели электромагнитное реле, которое способно физически замыкать контакты при помощи магнитного поля, создаваемого управляющим током в обмотке. И, наверное, он даже набросает на салфетке что-то типа этого:

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)

После осознания всех проблем предыдущего пункта, «шарящему» человеку обычно приходит в голову новая идея использования в качестве односторонне проводящего вентиля самого блока питания. А почему бы и нет? Ведь если БП не является обратимым устройством, и подведенное к его выходу напряжение аккумулятора не создает на входе переменного напряжения 220 вольт (как это и бывает в 100% случаев реальных схем), то эту разницу можно использовать в качестве управляющего сигнала для коммутирующего элемента:

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)

Поиски более элегантного решения проблемы привели меня к осознанию того факта, что аккумулятор, работающий в буферном режиме при напряжении около 13.8 вольта, без внешней «подпитки» быстро теряет исходное напряжение даже в отсутствии нагрузки. Если же он начнет разряжаться на БП, то за первую минуту времени он теряет не менее 0.1 вольта, чего более чем достаточно для надежной фиксации простейшим компаратором. В общем, идея такова: затвором коммутирующего полевого транзистора управляет компаратор. Один из входов компаратора подключен к источнику стабильного напряжения. Второй вход подключен к делителю напряжения блока питания. Причем коэффициент деления подобран так, чтобы напряжение на выходе делителя при включенном БП было примерно на 0.1..0.2 вольта выше, чем напряжение стабилизированного источника. В результате, при включенном БП напряжение с делителя всегда будет преобладать, а вот при обесточивании сети, по мере падения напряжения аккумулятора, оно будет уменьшаться пропорционально этому падению. Через некоторое время напряжение на выходе делителя окажется меньше напряжения стабилизатора и компаратор при помощи полевого транзистора разорвет цепь.

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)

Для измерения направления тока можно было бы применить какой-нибудь хитрый датчик. Например, датчик Холла, регистрирующий вектор магнитного поля вокруг проводника и позволяющий без разрыва цепи определить не только направление, но и силу тока. Однако в связи с отсутствием такого датчика (да и опыта работы с подобными девайсами), было решено попробовать измерять знак падения напряжения на канале полевого транзистора. Конечно, в открытом состоянии сопротивление канала измеряется сотыми долями ома (ради этого и вся затея), но, тем не менее, оно вполне конечно и можно попробовать на этом сыграть. Дополнительным доводом в пользу такого решения является отсутствие необходимости в тонкой регулировке. Мы ведь будем измерять лишь полярность падения напряжения, а не его абсолютную величину.

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.

Влияние окружения компонента.

Возможно, площадь меди в верхнем слое, на который устанавливается компонент, сказывается на характеристиках охлаждения. Второй элемент, который может оказать влияние – количество припоя, используемого при монтаже.

В качестве нагревательного элемента будет использован транзистор в корпусе DPAK при мощности 2.5 Вт.

Проверка влияния медной зоны вокруг компонента (DPAK), температура кристалла:

Интересно, что еще от 3 до 5 градусов можно выиграть, если просто нанести большее количество припоя вокруг металлической пластины компонента (вывод стока). Обычно же при монтаже компонентов не заботятся о теплопередаче через контактирующие поверхности, и это ошибка. Вокруг детали наибольшее сопротивление потерь и нанесение припоя может оказать реальную помощь.

Измерение качества передачи тепла по печатной плате.

До сих пор снимали градиент температур только для одного случая – без участия вентилятора. Но при искусственном охлаждении эффективность работы печатной платы должна упасть из-за сопротивления потерь передачи тепла вдоль платы. Повторим тест, но добавим работу вентилятора с очень маленькой и нормальной производительностью (3.5 и 7 вольт). Транзистор поменяем на D2PAK, для симуляции группы небольших транзисторов.

"Внт." – температура кристалла, остальное снято с обратной стороны печатной платы, точка "0" под центром металлической пластина 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 В	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

В данных есть небольшие нарушения монотонности, что вызвано неоднородной печатной платой.

Эффективная длина радиатора зависит от скорости обдува, если исходить из границы пятидесятипроцентного снижения, то рабочая длина составит:

• Без обдува – 30 мм.
• Низкая скорость обдува (вентилятор 3.5 В) – 22.5 мм.
• Высокая скорость обдува (вентилятор 7 В) – 20 мм.

Прошу обратить внимание, измерения проводились от центра к периферийной части, поэтому общий размер длины получается в два раза больше.

Ориентация в пространстве и цвет печатной платы.

Печатная плата выполняет функцию радиатора и относительно успешно. Но для радиатора важна ориентация в пространстве и цвет его покрытия. Теплопередача может осуществляться за счет нагрева окружающего воздуха или посредством излучения. Если радиатор темного цвета, то эффективность передачи тепла излучением повышается, обещают улучшение отдачи до х1.7 раз. Может, стоит красить платы в черный цвет?

Тестовая установка простая – многослойная печатная плата 25х40 мм (10 см 2 х2 стороны), в центре припаян транзистор в корпусе DPAK. Мощность та же, что и в других тестах с этим транзистором, 2.5 Вт.

Полученные данные сведены в таблицу:

Неравномерность температуры в пределах стороны платы не превышает четырех градусов.

Изначально на печатной плате была защитная маска черного цвета. Для получения светлого цвета маска с обеих сторон удалялась. Теория говорит, что это должно было повлечь ухудшение эффективности в 1.7 раза, ведь передача тепла методом излучения уменьшилась во много раз. В реальности ухудшение работы составило всего лишь 25 процентов. Согласно теории, плоский радиатор лучше работает в вертикальном положении. Без маски это всего 18 процентов, а с маской едва ощутимо. Похоже, маска слишком толстая и мешает теплопередаче.

Средняя температура платы 50 градусов (температура обратной стороны не интересна), мощность 2.5 Вт, отсюда можно вычислить термосопротивление подобного "радиатора" – 20 градусов на ватт при площади 10 см 2 . Или, при 200 см 2 тепловое сопротивление 1 градус на ватт.

Ничего сверхнеобычного, специально перекрашивать плату в черный цвет точно не стоит. Но это объясняет любовь производителей к темным платам.

Тепловое сопротивление.

Для измерения теплового сопротивления потребуется много откалиброванного оборудования и материалов, что достаточно проблематично, поэтому просто измерим падение температуры на тестовом материале. В качестве генератора тепла возьмем транзистор в корпусе DPAK при мощности 2.5 Вт. Его активная поверхность отвода тепла примерно 5х5 мм.

Тепловые потери измерялись как разность температур между точками "A" и "B".

Контрольные точки выбраны не слишком удачно, но этот способ выдержан для снятия характеристик всех материалов. Тепловые потери на двух переходах сред и термопасты учитываются.

Особенности проведения измерений:

• При измерении потерь в платах, нагревательный элемент к ним припаивался, а обратная сторона зачищалась от окислов и покрытий до чистой меди.
• В корпусах BGA и TSOP выбиралось место без полупроводникового кристалла, с краю.
• В качестве ’пластины из железа’ использовался небольшой фрагмент из конструкции системного блока.
• Теплопроводящие прокладки сняты из аппаратуры, поэтому точные характеристики неизвестны. Красный из фирменного блока питания, серый – из обычного китайского "noname".

Результаты:

Материал	Толщина, мм	Температура, градусов	Приведено к 1 мм, градусов
Многослойная печатная плата	1.5	10.3	6.9
Двухсторонняя печатная плата	1.5	69.4	46.3
Корпус микросхемы BGA	0.76	18.8	24.7
Корпус микросхемы TSOP	0.98	31.7	32.3
Пластина из железа	0.6	4.2	7
Теплопроводящая прокладка (красная)	0.3	11.7	37.3
Теплопроводящая прокладка (серая)	0.37	16.9	45.7
Прокладка из керамики (белая)	0.64	4.9	7.6

Разница в температурах многослойной и обычной платы просто дикая. Понятно, что FR4 плохо проводит тепло, но чтоб тонкие прослойки меди были настолько эффективны…

Сама же теплопроводность корпусов не слишком хорошая, что вполне ожидаемо.

По термопрокладкам тоже не особо красивые цифры, но что есть, то есть. На их фоне керамика выглядит просто великолепно, но ее не удастся использовать в компьютерной технике – просто незачем. Назначение термопрокладок в выбирании различной высоты компонентов, а керамика жесткая и в этом вопросе не поможет. Какая именно была керамика в моем случае, сказать трудно. Судя по цвету и тепловому сопротивлению, это бериллиевая керамика.

Как использовать данные таблицы? Да очень просто – тепловое сопротивление железа известно, остальные цифры пересчитываются пропорционально.

Практическое применение

Для начала вы можете воспользоваться методикой расчета радиатора по материалу, опубликованному на сайте electrosad.ru (pdf, 186 Кб). Или можно вспомнить правило – ‘не грузи и не загрузим будешь’. На фабричные радиаторы есть технические характеристики, а с самодельными … можно применять упрощенные расчеты, ведь точные расчеты смысла не несут, очень уж много непредсказуемых параметров. Вы знаете тепловое сопротивление корпуса или печатной платы именно вашей системной платы? А ведь тепловая проводимость платы зависит, в том числе, и от трассировки ее внутренних слоев. При этом хорошо бы учесть, что с организацией обдува тоже подчас не всё хорошо.

Итак, упрощенный расчет. Если надо точнее, то, пожалуйста, воспользуйтесь приведенной выше ссылкой на методику, а по остальным вопросам – увы, только самостоятельные исследования и чтение документации по компонентам. К сожалению, "общие" рекомендации слишком упрощены, местами дико.

Пункт 1 – тепловая мощность.

По преобразователям питания процессора все довольно просто, их КПД колеблется вокруг цифры 80%. При этом сразу следует учесть, что они проектируются на определенную мощность потребления и при превышении (или соразмерно) этой цифры КПД преобразования энергии начинает уменьшаться. Грубо говоря, стоит брать эффективность 82% для пониженной нагрузки, и 76% нормальной – для большой. Мощность потерь составит соответственно 22 и 32 процента от выходной мощности. Расчеты для низкой мощности производить труднее, даже при сильных упрощениях, ведь потери в компонентах преобразователя пропорциональны квадрату выходного тока.

Например, в материнской плате, рассчитанной на TDP 120 Вт, установлен процессор с потреблением 70 Вт. В данном случае нагрузка не является повышенной, ожидается предполагаемый КПД 82%. При этом от источника питания потребляется 70*100/82 = 85.4 Вт. Из этой цифры 70 Вт уходит в процессор, а 85.4-70 = 15.4 Вт рассеивается на элементах преобразователя.

Тот же случай, но с использованием более мощного (по потреблению) процессора с разгоном даст несколько иную картину. Если он потребляет 140 Вт (цифры условны), то предполагается снижение КПД преобразователя до 76%. Потери составят уже совсем другие цифры: 140*100/76 = 184.2 Вт от источника питания, или 184.2-140 = 44.2 Вт на элементы преобразователя.

Хочу сразу отметить, что далеко не все эти потери вызваны транзисторами. Что-то, и весьма большое, рассеивается на индуктивностях, трассировке и, немного - на конденсаторах. Как разделить полученную цифру на транзисторы и всех остальных? Всё очень сильно зависит от примененных компонентов. Скажем, две трети тепла рассеивается на транзисторах. Только не спрашивайте, откуда взялась цифра. А потолок надо побелить.

Итак, надо рассмотреть два варианта: 15.4х2/3 = 10 Вт и 44.2*2/3 = 29 Вт.

Пункт 2 – активная площадь поверхности печатной платы.

Давайте возьмем какую-нибудь материнскую плату и посмотрим, во что это выльется.

В этой плате используются компоненты в корпусе LFPAK, эффективно отдающие тепло в печатную плату. Прекрасно, расчеты можно вести без особых усложнений. Если бы компоненты плохо отводили тепло в плату, то расчет эффективности рассеивания тепла был бы чрезвычайно сложен и проще сразу переходить к выбору дискретного радиатора, игнорируя теплорассеивающие свойства платы.

Вначале уберем те участки, которые не могут отводить тепло от преобразователя.

Остается измерить оставшуюся поверхность. Если не учитывать зону нижнего левого края с надписью ‘BIOSTAR’, то получается два прямоугольника – верхний 55х120 мм и правый 45х85 мм.

Ранее рассматривалась эффективность отвода тепла печатной платой. Из полученных результатов выходило, что ширина более 60 мм не эффективна (поэтому игнорировали левую часть платы). В моем случае ширина 55 и 45 мм, что удовлетворяет условию без ограничений. В итоге получается площадь поверхности 55х120 + 45х85 = 104 см 2 .

Есть один нюанс, который портит общее впечатление. Дело в том, что на плате расположены и другие компоненты, кроме преобразователя, и они тоже подогревают печатную плату. Для порядка, стоит отметить, что эти компоненты выступают как небольшие радиаторы и тоже рассеивают тепло. На данной картинке присутствует разъем процессора, и он (точнее, процессор) тоже греется. Но несильно, термозащита процессора настроена на температуру порядка 60 градусов по верхней крышке. Что до нижней части процессора, то она ниже температуры крышки. К тому же, между дном процессора и печатной платой находится прослойка контактов, которые не особо хорошо передают тепло. Так что, тепловой подогрев от процессора можно не учитывать.

Пункт 3 – площадь и мощность на один транзистор.

В преобразователе десять фаз, в каждой по три транзистора. Понятно, что тепловые потери не распределяются равномерно по всем компонентам, но и расчеты примерны.

На один транзистор приходится 104/(10*3) = 3.5 см 2 площади печатной платы. Мощность:
Первый вариант - 10/(10*3) = 0.33 Вт.
Второй вариант - 29/(10*3) = 0.97 Вт.

Извините, небольшое уточнение по методике. Ранее рассмотрены исследования при использовании достаточно больших участков печатной платы, которые во много раз превышают цифру 3.5 см 2 , полученную в этом расчете. Это означает, что предыдущее исследование было неверным? Отнюдь, посмотрите внимательнее на картинку, транзисторы собраны в группу и тепло рассеивается довольно протяженным участком платы (45 и 55 мм).

Пункт 4 – расчет радиатора.

Если дана мощность и перегрев, то можно вычислить требуемую площадь поверхности. Для этого надо решить, сколько будет закладываться на перегрев. В системном блоке обычной температурой считается 35 градусов, выше 50 градусов компонент воспринимается как горячий. Выходит, что на перегрев остается 50-35 = 15 градусов.

Прошу заметить, эти рассуждения затрагивают температуру радиатора (печатной платы), у кристалла температура окажется несколько выше.

Для начала, попробуем обойтись без принудительного обдува.

Площадь поверхности платы (вернее, одной стороны) уже рассчитали. Далее, эту цифру надо умножить на 1.5, ведь у платы две стороны. Почему не удвоить? Здесь два момента:

• Во-первых, обратная сторона материнской платы рассеивает тепло не особо эффективно.
• Во-вторых, сама печатная плата сделана не из чистой меди и из-за потерь работает не столь эффективно.

После вычисления эффективной поверхности (приведенной к идеальной пластинке), к ней можно применить упрошенную формулу расчета – поверхность 300 см 2 нагревается на один градус при подведении мощности один ватт. Но можно обойтись еще более простым решением - ранее измеряли, для темной печатной платы (естественно многослойной) коэффициент 1 градус на ватт приходится на (одну сторону) поверхности 200 см 2 .

Для наихудшего случая, 0.97 Вт, необходимая площадь радиатора составит 0.97*200/15 = 13 см 2 .

Ну вот, настало время прослезиться. Если бы на плате под транзистор приходилось 13 см 2 , то ни о каком радиаторе задумываться не пришлось. А так… только 3.5 см 2 .

Если взять меньшую мощность (первому варианту требовалось только 0.33 Вт), то необходимая площадь радиатора составит 0.33*200/15 = 4.4 см 2 .

Гм. Если не использовать дополнительный радиатор, то первый вариант вполне работоспособен, только перегрев будет уже 19 градусов вместо 15. Не смертельно, температура самого транзистора выйдет 54 градуса. Что до второго случая, то отсутствие радиатора скажет весьма жестко – перегрев 56 градусов или температура 91 градус.

Понятно, почему производитель этой материнской платы установил на транзисторы радиатор. В первом приближении, для нормального функционирования преобразователя нужен радиатор 13 см 2 * 30 = 390 см 2 , довольно большого размера. Попробую высказать безосновательное предположение, что установленный производителем радиатор обладает эффективной поверхностью гораздо меньше требуемой, а значит, возникнет потребность в дополнительном обдуве.

Выводы

Война - ерунда, главное маневры!

Выводы, вторая попытка.

Ммм …. Выводы что-то совсем не пишутся, может ?

Почти все корпуса обладают пластиковым (керамическим) верхом, что затрудняет отвод тепла через него. Можно поставить радиатор и/или обдувать мощным воздушным потоком, но всё равно эффект останется посредственным. Ну, не предназначены они для этого, что ж тут поделать. Причем, дело не облегчает тот факт, что кристалл находится достаточно глубоко под поверхностью.

Если в корпусе применяется соединение выводов того вида, что рассмотрено в разделе TSOP, то материал корпуса должен быть выше на толщину выводов и небольшой запас над ними, для электрической изоляции. Если же выводы утоплены в глубь корпуса, находятся вокруг кристалла (смотреть картинку в разделе QFN), то все равно требуется ощутимый запас над кристаллом, ведь проволочки соединения кристалл–выводы немного поднимаются над пластиной полупроводника. Именно поэтому я отдельно не тестировал такую распространенную сборку, как drMOS – смысла нет. Это все тот же "TSOP", по методу подключения силовых выводов (а значит, и толщины верхней крышки над кристаллом); и QFN, по методу отвода тепла в печатную плату.

И по отводу тепла через пластину в дне. Обычный корпус, без вставок, несколько поднят над платой и очень плохо отдает тепло через дно. Зазор оставлен не по чьей-то особой вредности, это требуется технологически – на печатной плате могут быть локальные дефекты (защитной маски, маркировки, рельефность многослойной платы), да и при формовке выводов и изготовлении корпуса существует разброс параметров.

Основная задача корпуса SMD – гарантировать надежное прилегание выводов, всех выводов, к контактным площадкам печатной платы. Отсюда и появляется зазор между корпусом и платой. Он небольшой, но теплоизоляционные свойства у него "хорошие". Если компонент выделяет много тепла, то может быть применена модифицированная редакция корпуса, с металлической пластинкой в дне. При этом полупроводниковый кристалл монтируется на эту пластину, иначе нет смысла городить огород. Решение хорошее, но почему оно не распространено? Если забыть про немного возросшую стоимость корпуса и затаривания кристалла, то остается весьма серьезная проблема – ‘металлическое’ дно мешает трассировке платы.

Нельзя просто так положить подобный корпус на плату, защитная маска не может гарантировать отсутствия замыкания. Даже если выкрутить руки технологам и поставить, то всё равно плохо – в современной электронике все цепи представляют собой линии, а у них есть вполне определенный импеданс. И поскольку металл дна находится прямо над проводниками, то импеданс будет изменен и не соответствовать расчетному. Если у цепи импеданс меняется на своем протяжении, то возникают частичные локальные отражения и форма сигнала искажается.

Поэтому, если используется корпус с металлом в дне, то соответствующую зону платы приходится изолировать от трассировки. Обычно если металл в дне есть, то он занимает значительную ее часть, что неизбежно сказывается на качестве трассировки цепей – банально меньше места. Поэтому хоть сами по себе вставки и полезны, но их не ставят по объективным причинам. Впрочем, стоит отметить – в микросхемах довольно часто устанавливают полупроводниковые кристаллы на теплораспределительные пластины, просто они не видны, будучи изолированы в корпусе. При этом улучшается отвод тепла, а внешне корпус выглядит традиционным.

К слову, я как-то смотрел микросхемы SDRAM в корпусе TSOP – в них использовался полупроводниковый кристалл огромного размера, во всё пространство корпуса. При этом кристалл был смонтирован на тонкой медной пластинке. Микросхемы памяти крайне чувствительны к локальному нагреву, поэтому введение пластинки весьма оправдано.

По результатам измерений накопились некоторые общие выводы, пора их собрать в одном месте.

Типы корпусов влияют на механизм охлаждения. Если в упаковке не предусмотрен отвод тепла в плату (TSOP, SOIC и аналогичные), то не следует рассчитывать на эффективный отвод тепла средствами печатной платы. В случае корпуса с развитой поверхностью можно возложить надежды на обдув. А иначе придется устанавливать дополнительный радиатор.

Термопрокладки есть зло, их вредоносная сущность четко отразилась в измерениях. В ряде корпусов введение этого элемента приводит к результату худшему, чем без радиатора вовсе. Увы, при применении группового радиатора, общего на несколько корпусов, без данного зла не обойтись – хоть немного, но корпуса отличаются по толщине, а термопрокладка призвана выбрать разницу. Часть корпусов просто обязывает применение термопрокладки, ведь у них металлический верх, у которого есть электрический контакт со схемой.

Локальные радиаторы лучше группового, ведь не требуют использования термопрокладки, но размеры и форма такого радиатора должна быть соответствующие – большой объем (точнее - поверхность), редкие и высокие иглы или ребра. Обычный размер компонента 5х5 … 10х10 мм, что затрудняет подбор достойного радиатора. Посмотрите результаты тестирования, радиаторы 10 см 2 … 20 см 2 не могут оказать существенного эффекта без принудительного обдува, а это уже весьма крупные конструкции.

Если компонент перегревается, то более эффективно применение обдува, чем установка радиатора. Причина тривиальна – большое тепловое сопротивление через верхнюю крышку. Корпуса просто не предназначены для отвода тепла через верх. Про упаковку DirectFET пока не будем вспоминать, поскольку она не особо распространена. А жаль.

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.

http://radiokot.ru/articles/02/

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.

01.10.2009, 20:37

2021

01.10.2009, 20:54

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...

01.10.2009, 21:00

01.10.2009, 21:10

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.

01.10.2009, 21:16

01.10.2009, 21:17

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;).

01.10.2009, 21:19

02.10.2009, 12:16

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.

02.10.2009, 12:57

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?

02.10.2009, 17:03

02.10.2009, 17:24

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.

02.10.2009, 17:28

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..

02.10.2009, 17:32

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.

02.10.2009, 17:44

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) ~380В.

02.10.2009, 23:43

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..