RadioRadar - Радиоэлектроника, даташиты, схемы

https://www.radioradar.net/radiofan/power_supply/universal_equivalent_load_part_2.html

Универсальный эквивалент нагрузки (часть 2)

Вид на монтаж устройства в разобранном состоянии приведён на рис. 6, внешний вид без кожуха - на рис. 7.

Рис. 6.

 

Рис. 7.

 

При выборе силового транзистора для этого устройства следует иметь в виду следующее. Максимальный ток и максимальная рассеиваемая мощность для транзистора зависят от температуры.

Для определения допустимой мощности РТ, рассеиваемой эквивалентом нагрузки при конкретном транзисторе и имеющемся теплоотводе, зададимся исходными параметрами (первые два параметра из Datasheet):

-допустимая при температуре корпуса 25 оС рассеиваемая мощность транзистора - Р25;

-коэффициент уменьшения рассеиваемой мощности транзистора при увеличении температуры корпуса - W/оC;

-тепловое сопротивление теплоотвода (контакта транзистор-теплоотвод + теплоотвод) - RTC.

Под температурой корпуса обычно подразумевают температуру его металлического основания, у транзисторов в корпусе TO-220 - это температура выступающего фланца. Температура пластмассовой части корпуса обычно заметно выше, поскольку отвод тепла от неё гораздо хуже.

Рис. 8.

 

Построим два графика (рис. 8) - зависимости допустимой мощности РТ, подводимой к транзистору, оттемпера-туры корпуса (красная прямая), определяемой по формуле

Рт = Р25 - (Т - 25) · W/оC,

и мощности РРАСС, рассеиваемой теплоотводом при температуре основания транзистора (синяя прямая) и определяемой по формуле

РРАСС = (Т - 25)/ RTC.

Точка пересечения этих графиков будет соответствовать максимальной допустимой мощности, подводимой к транзистору и рассеиваемой теплоотводом, и температуре основания транзистора. На рис. 8 численные значения условны и равны Р25 = 110 Вт, W/оC = 0,83 Вт/оС, RTC = 1 оС/Вт. Точка пересечения соответствует РТ = 60 Вт и Т= 85 оС.

Для аналитического определения допустимой мощности приравняем правые части двух предыдущих формул (РТ = РРАСС), описывающих графики

Р25 - (Т - 25) · W/оC = (Т - 25)/RTC.

Проведя простейшие преобразования, получим

Рт25/(1 + RTC · W/оC),

Т = 25 + RTC · Рт.

В своё устройство автор сначала установил транзистор IRFZ24N, у которого при температуре корпуса 25 оС максимальный ток равен 17 А, мощность - Р25 = 45 Вт, коэффициент уменьшения рассеиваемой мощности транзистора при увеличении температуры корпуса W/оC = 0,3 Вт/оС.

Автором была определена эффективность отвода тепла используемым теплоотводом при работающем вентиляторе. Для измерения температуры корпуса транзистора отрезок медной трубки с внутренним диаметром 4 мм был уплощён на одном конце, в плоской части просверлено отверстие диаметром 3,5 мм, и трубка привинчена вместе с транзистором через его фланец к теплоотводу, в трубку заложены теплопроводящая паста и термопара.

При рассеивании транзистором мощности 30 Вт при температуре воздуха в помещении 24 оС температура фланца транзистора оказалась равной 51 оС. Таким образом, тепловое сопротивление теплоотвода равно

RTC = (51 - 24)/30 = 0,9 оС/Вт.

Подставим в выведенные выше формулы численные значения тепловых параметров транзистора IRFZ24N и измеренное тепловое сопротивление теплоотвода

Рт = Р25/( 1 + RTC · W/оC) = 45/( 1+0,9 · 0,3) = 35 Вт.

Этой мощности соответствует температура корпуса

Тмакс = 25 + RTC · Рт = 25 + 0,9 · 35 = 25 + 32 = 57 оС.

Такая мощность недостаточна для проверки предполагавшихся источников питания, поэтому было решено установить более мощный транзистор IRFP3710 с параметрами UC = 100 B, IМАКС(100) = 40 А, Р25 = 200 Вт и W/оC = 1,3 Вт/оС. Для него рассчитанные по двум предыдущим формулам значения (для RTC = 0,9 оС/Вт) равны РТ = 92 Вт и Тмакс= 108 оС.

Однако площадь контакта транзистора IRFP3710 (корпус TO-247) с теплоотводом существенно больше, чем у транзистора IRFZ24N (TO-220), поэтому тепловое сопротивление теплоотвода должно быть меньше. Для измерения температуры основания у транзисторов в корпусе ТО-247, у которого нет фланца, рядом с крепёжным отверстием сделаны два выреза, в которых основание доступно. Один из вырезов был частично заполнен теплопроводящей пастой, в него заложена термопара.

В случае рассеивания транзистором мощности 50 Вт при температуре воздуха в помещении 24 оС температура корпуса равна 66 оС. Таким образом, тепловое сопротивление теплоотвода

RTC = (66 - 24)/50 = 0,84 оС/Вт.

Подставим в выведенные выше формулы численные значения тепловых параметров транзистора IRFP3710 и измеренное тепловое сопротивление теплоотвода

Рт = Р25/(1 + RTC · W/оC) = 200/(1 + 0,84 х 1,3) = 95 Вт.

Этой мощности соответствует температура корпуса

Тмакс = 25 + RTC· Рт = 25 + 0,84 · 95 = 25 + 80= 105 оС, это уже приемлемые для предполагаемого применения параметры.

При проверке работы устройства температура основания транзистора при рассеиваемой мощности 90 Вт равна 103 оС, что близко к расчётной, теплоотвод нагрелся также довольно сильно. Поэтому, если потребуется эквивалент нагрузки с большей рассеиваемой мощностью, необходимо использовать теплоотвод больших размеров, целесообразно также применение транзисторов в корпусе Super-247, например IRFPS3810. Буква S в названии означает оформление транзистора в этом корпусе. Такие транзисторы имеют те же размеры, что и в корпусе ТО-247, но у них нет отверстия, поэтому площадь контакта с теплоотводом больше, а также прижим с помощью хомутика обеспечит более равномерное прилегание и, соответственно, меньшее тепловое сопротивление. Транзисторы в корпусе Super-247 также позволяют измерять температуру основания, поскольку в двух углах корпуса у них выполнены вырезы.

Однако транзисторы в таких корпусах весьма дороги. Есть более дешёвый вариант, можно вместо одного мощного транзистора установить параллельно несколько менее мощных, но более дешёвых.

Очень важный и критичный фактор, влияющий на тепловое сопротивление, - качество теплового контакта между транзистором и теплоотводом. Установка нескольких транзисторов уменьшит эту составляющую пропорционально числу транзисторов.

При использовании эквивалента нагрузки следует помнить, что, пока на эквивалент не подано напряжение питания 12 В, его нельзя подключать к проверяемому источнику (возможен выход из строя резисторов R5 и R6 при подключении эквивалента к источнику с высоким напряжением и сопротивлении резистора R5, близком к минимальному). Конечно, не следует превышать допустимые для используемого транзистора параметры, в том числе и рассчитанную выше мощность.

Рис. 9.

 

Для расширения интервала возможных токов устройства в режимах стабильного тока (рис. 1) и активного сопротивления (рис. 3) в нём можно установить два токоизмерительных резистора - R10 и R11 (рис. 9). На пределе 10 А, как и в описанном устройстве, будет использоваться резистор R10 сопротивлением 0,045 Ом. На пределе 1 А резисторы R10 и R11 включены последовательно, их суммарное сопротивление примерно в десять раз больше, чем у R10. Точно поддерживать их соотношение не обязательно, поскольку реальный выходной ток контролируется цифровым амперметром Р1, а делитель R1R2 (рис. 4) для формирования напряжения 11ОУН на неинвертирующем входе ОУ DA1, равного 0,45 В, выполнен с небольшим запасом.

В режиме стабилизированного напряжения токоизмерительный резистор R11 не несёт полезной нагрузки, поэтому в этом режиме подключать устройство к проверяемому источнику следует через контакты "+" и "-10 А".

В соответствии с формулой в начале статьи активное сопротивление имитируется в интервале от 0,15 до 5,1 Ом при подключении проверяемого источника к контактам "+" и "-10 А" и от 1,5 до 51 Ом при подключении к "+" и "-1 А".

Вариант эквивалента нагрузки с двумя интервалами требует раздельных измерителей тока и напряжения.

Литература

1.Нечаев И. Универсальный эквивалент нагрузки. - Радио, 2002, № 2, с. 40, 41.

2.Нечаев И. Универсальный эквивалент нагрузки. - Радио, 2005, № 1, с. 35.

3.Нечаев И. Эквивалент нагрузки. - Радио, 2007, № 3, с. 34.

4.Кулдошин А. Эквивалент нагрузки для проверки источников питания. - Радио, 2013, №6, с. 26-28.

5.Нечаев И. Эквивалент нагрузки источника питания. - Радио, 2013, № 8, с. 51,52.

6.Карпачев А. Амперметр - датчик тока в электронной нагрузке. - Радио, 2017, № 9, с. 25-27.

7.Салимов Н. Вольтамперметр для электронного эквивалента нагрузки. - Радио, 2019, №4, с. 17-19.

Автор: С. Бирюков, г. Москва