Elektroda.pl
Elektroda.pl
X
Proszę, dodaj wyjątek www.elektroda.pl do Adblock.
Dzięki temu, że oglądasz reklamy, wspierasz portal i użytkowników.

Jak czytać karty katalogowe? Część 2 - stabilizatory liniowe (i duża moc)

ghost666 23 Maj 2018 09:11 2226 12
  • W poprzedniej części analizowaliśmy kartę katalogową typowego liniowego stabilizatora napięcia. Napotkaliśmy poważny problem, jeśli chodzi o rozpraszaną na układzie moc. Czyt to oznacza, że nie możemy w takiej sytuacji zastosować tego układu? Ta kwestia jest oczywiście dużo bardziej skomplikowana.

    W pierwszej części wybraliśmy układ LM7805, który miał nam stabilizować napięcie 5 V z 12 V zasilania. Jednocześnie chcemy pobrać z układu prąd równy 1,5 A. W takich warunkach stabilizator liniowy musi rozproszyć 10,5 W. W części pierwszej wyliczyliśmy, że bez dodatkowego radiatora, element taki, w obudowie TO-220, jest w stanie rozproszyć maksymalnie 5,23 W.

    Opisane powyżej parametry układu mogą wydawać się co najmniej ekstremalne, jednakże nie jest to scenariusz abstrakcyjny; wyobraźmy sobie chociażby samochodową ładowarkę USB. Jednocześnie widzimy, dlaczego stabilizatory liniowe są tak popularne, ale ich stosowanie ograniczone. W poniższej części dowiemy się trochę więcej na temat tych elementów i ich chłodzeniu, by mogły sprostać naszym wymaganiom.

    Jak czytać karty katalogowe? Część 2 - stabilizatory liniowe (i duża moc)
    Płytka drukowana, na zdjęciu po lewej zasadniczo nie ma nic wspólnego z tematyką tego artykułu, jednakże wprawne oko wypatrzy na niej opornik wstawiony w zasilaniu, który omawiać będziemy poniżej. Płyta ta to prosty moduł uruchomieniowy dla mikrokontrolerów AVR, jaki autorka artykułu zaprojektowała kilka lat wcześniej. Stabilizator, oznaczony U7 (w obudowie TO-92 w dolnym, lewym narożniku PCB) oraz opornik R15 stabilizują napięcie dla pozostałych układów. Opornik wykorzystany został do zmniejszenia napięcia wejściowego dla stabilizatora. Jest to jedna z metod realizacji układu zasilania, który tutaj opisujemy.

    Czy powinniśmy redukować napięcie wejściowe?

    Dla przypomnienia - w naszym przykładzie wykorzystujemy LM340 firmy Texas Instruments i analizujemy jego kartę katalogową.

    Kontynuując nasze rozważania związane z mocą traconą w układzie - stoimy przed wyborem: zmniejszenie napięcia wejściowego lub dodanie do stabilizatora radiatora, aby sprostał on wymaganiom naszej aplikacji. W pierwszej kolejności zajmijmy się redukcją napięcia wejściowego. Wykorzystując dane dotyczące maksymalnej mocy rozpraszanej na układzie możemy wyznaczyć maksymalne napięcie, jakie podać możemy na jego wejście:

    $$V_{INMAX} = 5 + \frac {5,23 W} {1,5 A} = 8,48 V$$





    Oznacza to, że musimy przed wejściem do stabilizatora z wejściowych 12 V wytracić gdzieś 3,52 V. Aby to zrobić, musimy mieć opornik o rezystancji 2,4 Ω, który będzie w stanie rozproszyć 5,4 W ciepła. Niestety taki opornik, jak widzimy w tej karcie katalogowej nie jest dostępny, a najbliższa mu moc to 10 W.

    Jak czytać karty katalogowe? Część 2 - stabilizatory liniowe (i duża moc)
    Taki opornik jest sporych rozmiarów, co dodatkowo podkreśla, że moc, jaką chcemy rozproszyć w naszym systemie zasilania jest dosyć spora. Jednocześnie warto zwrócić uwagę na krzywą, pokazującą zależność parametrów tego opornika - w szczególności maksymalną moc - w funkcji temperatury. Element ten jest w stanie rozproszyć 10 W jedynie w momencie, gdy temperatura otoczenia jest mniejsza niż 40°C, więc to nawet dobrze, że używamy go do odprowadzenia około połowy tej mocy. Dodatkowo, z tej karty katalogowej odczytać możemy, że dla oddawania takiej mocy jak w naszym układzie opornik będzie miał około 140°C. To dostatecznie dużo, by się poważnie oparzyć a nawet uszkodzić płytkę drukowaną. Co za tym idzie, w takiej sytuacji trzeba by skorzystać z opornika o jeszcze większej mocy, by utrzymać temperaturę tego elementu na akceptowalnym poziomie, ale niestety to przełoży się na dalsze zwiększenie kosztu i wielkości naszego prostego układu zasilania.

    Czy powinniśmy wykorzystać radiator?

    Wszystko wskazuje zatem, że redukcja napięcia wejściowego w naszym przypadku nie nadaje się do praktycznej realizacji. Oznacza to, że druga opcja - dodanie do układu radiatora - jest naszym jedynym wyjściem. Spójrzmy ponownie do karty katalogowej układu LM340 i odczytajmy dalsze informacje na temat oporów cieplnych i innych parametrów termicznych układu:

    Jak czytać karty katalogowe? Część 2 - stabilizatory liniowe (i duża moc)


    W powyższej tabeli widzimy wiele informacji, które są dalekie od jasnych i oczywistych. W poprzedniej części artykułu wykorzystywaliśmy rezystancję cieplną pomiędzy złączem (strukturą krzemową układu) a otoczeniem dla obudowy TO-220 (RJA), by oszacować bezpieczną moc, jaką rozproszyć może samodzielnie układ. Teraz, gdy chcemy przeprowadzić podobną analizę, ale z radiatorem, wykorzystamy rezystancję pomiędzy złączem a obudową układu (RJC). Ale co to..? W tabeli poniżej pod tym hasłem zawarte są dwie mocno różniące się od siebie wartości. Którą wykorzystać do dalszej analizy?

    Fakt, że podawane są dwie liczby wynika z tego, jak montować można obudowę TO-220. Każdy z nas zazwyczaj wyobraża ją sobie stojącą na sztorc na płytce drukowanej (i jeśli chcemy zastosować radiator to najpewniej tak właśnie umieścimy ten element), ale dostępna jest jeszcze inna opcja. Można zamontować element z wygiętymi nóżkami tak, że leży on płasko tylną powierzchnią na PCB. Ta tylna powierzchnia jest właśnie miejscem, które najlepiej oddaje ciepło - rezystancja cieplna tego fragmentu obudowy (RJC(bot)) wynosi, jak widzimy, 1,7°C/W.

    Skoro już tyle operujemy tymi parametrami termicznymi, dobrze jest może zrozumieć dokładniej o co w nich chodzi. Aby to zrobić, wystarczy poznać jeden prosty wzór, opisujący wzrost temperatury w punkcie, który od źródła ciepła o mocy PD oddzielony jest rezystancją cieplną Rθ:

    $$\delta T = R_\theta \times P_D$$

    Patrząc na to w ten sposób, jasno widzimy, że im mniejsza rezystancja cieplna, tym o mniejszą wartość wzrośnie temperatura. Oznacza to, że 1,7°C/W to bardzo dobra dla nas wartość, jednakże musimy pamiętać, że dotyczy to powierzchni obudowy, daleko nam jeszcze do otoczenia. Musimy dodać do tej rezystancji kolejną, szeregowo z nią połączoną (rezystancje cieplne sumują się tak samo jak elektryczne) - rezystancję radiatora. Aby zminimalizować rezystancję pomiędzy obudową układu a radiatorem, zastosować należy pastę termoprzewodzącą lub specjalne elastyczne podkładki. W ten sposób rezystancja cieplna tego miejsca jest pomijalna.

    Jak czytać karty katalogowe? Część 2 - stabilizatory liniowe (i duża moc)
    W dokumentacji podkładek termoprzewodzących znaleźć możemy na przykład taki element. Wiemy, że jego rezystancja cieplna wynosi 1,28°C/W. Musimy dodać ją do rezystancji cieplnej złącze-obudowa.

    Możemy teraz obliczyć, jaka jest maksymalna rezystancja cieplna, jakiej potrzebujemy w naszym układzie. Zakładając standardową temperaturę pokojową (25°C) możemy wyliczyć, że pozostaje nam 150°C - 25°C - 125°C, o jakie możemy rozgrzać układ. Wiemy, że chcemy odprowadzić 10,5 W z naszego układu. Wykorzystując zatem podany powyżej wzór (po przekształceniu) wyznaczamy:

    $$R_{\theta MAX} = \frac {125°C} {10,5 W} = 11,9 °C/W$$

    Możemy teraz pomniejszyć tą wartość o rezystancję cieplną podkładki oraz złącze-obudowa samego stabilizatora i otrzymujemy wartość, która ogranicza nam rezystancję cieplną radiatora, jaki musimy zastosować. W tym przypadku wartość ta wynosi 8,92°C/W.

    Jak czytać karty katalogowe? Część 2 - stabilizatory liniowe (i duża moc)
    Wybór odpowiedniego do naszej aplikacji radiatora

    Szukając radiatora, możemy wspomóc się np. takim katalogiem, dostarczonym przez firmę Aavid Thermalloy. Na stronie drugiej katalogu odnaleźć możemy prostą instrukcję jak go czytać, a następnie spis radiatorów posortowanych po chłodzonym elemencie (typie obudowy) oraz rezystancji cieplnej.

    Gdy przejdziemy do sekcji elementów dla układów w obudowach TO-220, znaleźć możemy na przykład radiator oznaczony kodem 7022BG. Jego rezystancja cieplna, według producenta, wynosi 6,5°C/W - poniżej naszej granicy, co zapewnia nam jeszcze pewien zapas.

    Można przy tej okazji zastanowić się - co z elementami SMD, których nie da się w ten sposób zainstalować, by możliwy był montaż radiatora? W takim przypadku funkcję radiatora pełnić mogą ścieżki na płytce drukowanej. O tym, jak projektować i obliczać taki system, dowiedzieć możemy się więcej z tego dokumentu dostarczonego przez Infineona.

    Po wybraniu radiatora nie pozostaje nam nic innego, jak przejść do poświęconej mu strony w karcie katalogowej i dowiedzieć się na jego temat więcej. Na stronie tej, oprócz rysunku technicznego i opisu sposobu montażu, znaleźć możemy wykres (patrz niżej). Narysowane są na nim dwie krzywe; ich analiza pozwoli nam ocenić, czy ten radiator istotnie spełnia nasze potrzeby.

    Jak czytać karty katalogowe? Część 2 - stabilizatory liniowe (i duża moc)


    W pierwszej kolejności zwróćmy uwagę na strzałki przy wykresach - bez nich ciężko będzie zrozumieć która oś odnosi się do czego. Zacznijmy od pierwszej, opadającej krzywej, która wiąże ze sobą górną i prawą oś. Górna oś to prędkość przepływu powietrza przez radiator, a po prawej widzimy rezystancję cieplną pomiędzy punktem jego montażu a otoczeniem. To co nam to mówi, to to, że konieczny jest w tym radiatorze wentylator do chłodzenia. To typowe w przypadku takich elementów. Niestety krzywa nie pokazuje, co dzieje się w przypadku braku przepływu powietrza, więc w tym zakresie musimy oprzeć się o podaną wcześniej wartość 6,5°C/W.

    Druga krzywa wiąże nam ilość rozpraszanej mocy z wzrostem temperatury jakie ona spowoduje. Tą wartość umiemy obliczyć samodzielnie:

    $$T_{radiator} = 6,5°C/W \times 10,5 W + 25 °C= 93,25°C$$

    Jeśli teraz spojrzymy na wykres, to widzimy, że dla około 10 W osiągamy 90°C, jak wyliczyliśmy.

    W tym momencie możemy obliczyć, jaka będzie temperatura obudowy układu:

    $$T_{case} = 1,28 °C/W \times 10,5 W + 93,25°C - 106,69°C$$

    I finalnie temperatura złącza:

    $$T_{junction} = 1,7 °C/W \times 10,5 W + 106,69 °C = 124,54°C$$

    A zatem - jak widać - możemy korzystać z układu, gdyż temperatura złącza mieści się w akceptowalnych dla niego granicach. Pamiętać musimy jednakże, że są to wyliczenia dla temperatury pokojowej otoczenia. Jeśli przewidujemy, że temperatura otoczenia będzie większa, to musimy przeliczyć jeszcze raz powyższe parametry. Na szczęście jest to dosyć proste i po prostu liniowo zwiększy nam temperaturę złącza. I tak, dla 50°C otoczenia, temperatura złącza wyniesie 149,54°C - już niebezpiecznie blisko maksymalnej dopuszczalnej temperatury układu.

    Czy powinniśmy skorzystać z stabilizatora impulsowego

    Wniosek z powyższych rozważań jest prosty. Jeśli dla kogoś nie jest to oczywiste, to: w takim zastosowaniu stabilizator liniowy nie jest najlepszym pomysłem. W tej aplikacji - dla takiej różnicy napięć i wielkości prądu najlepiej jest zastosować stabilizator impulsowy - przetwornicę DC/DC.

    Nie oznacza to, że stabilizatory liniowe nie mają w ogóle sensu. Doskonale sprawdzają się tam, gdzie potrzebna jest niższa moc lub spadek napięcia jest niższy. Na przykład przy zasilaniu go z 9 V i poborze prądu 50 mA musimy rozproszyć zaledwie 0,2 W- w takiej sytuacji prosty stabilizator liniowy doskonale się sprawdzi.

    Innym aspektem jest jakość dostarczanego prądu. To omawiane było w szeregu innych artykułów na naszym forum. Dobrym poradnikiem wyboru - stabilizator liniowy (LDO) czy przetwornica impulsowa jest np. ten artykuł, a tutaj omówiono bardzo ciekawą architekturę - przetwornica zmniejszająca w wydajny sposób napięcie dla liniowego stabilizatora, który jednocześnie filtruje zasilanie - dzięki temu do układu nie przenikają szumy i zakłócenia generowane przez układ impulsowy.

    Powyższe rozważania są bardzo teoretyczne - nie projektowalibyśmy raczej takiego układu do realnej aplikacji z uwagi na dużą moc i wysokie temperatury, ale sam sposób prowadzenia obliczeń i analiza jest dokładnie taka sama, jaką zastosowalibyśmy dla dowolnego innego układu mocy. Więc możemy wykorzystać wiedzę na temat obliczeń temperatury dla innych układów - tranzystorów mocy, diod czy nawet procesorów i układów programowalnych. Wszystkie je grzeje i chłodzi się tak samo.

    Poświęciliśmy już dostatecznie dużo czasu na stabilizatory liniowe. Przy okazji zerknęliśmy w karty katalogowe oporników mocy, podkładek termoprzewodzących i radiatorów oraz nauczyliśmy się prowadzić obliczenia termiczne dla układów elektronicznych.W kolejnych częściach zajmiemy się innymi elementami - różnego rodzaju diodami, stosowanymi w urządzeniach elektronicznych. Tymczasem zapraszam do czytania, komentowania i zadawania pytań.

    https://www.eeweb.com/profile/elizabeth-simon/articles/how-to-read-data-sheets-linear-regulators-more-power


    Fajne! Ranking DIY
  • #2 23 Maj 2018 16:44
    CMS
    Administator HydePark
  • #3 23 Maj 2018 22:15
    bubi89
    Poziom 21  

    Rewelacyjne artykuły czekam na następne. 😀

  • #4 23 Maj 2018 23:49
    karel21
    Poziom 27  

    A ja jestem jednak ciekawy, jaki procent amatorów elektroniki jest wstanie sobie te angielskie teksty sama przetłumaczyć i je zrozumieć. Według mnie te artykuły są jednak przydatne.

  • #5 24 Maj 2018 10:58
    lukiiiii
    Poziom 26  

    Pytanie hobbysty/ amatora, czy zasilacze impulsowe nie są jednak lepsze w ogólnym rozrachunku?

  • #6 24 Maj 2018 11:09
    ghost666
    Tłumacz Redaktor

    lukiiiii napisał:
    Pytanie hobbysty/ amatora, czy zasilacze impulsowe nie są jednak lepsze w ogólnym rozrachunku?


    I tak i nie. Pytanie głównie rozbija się o to do czego chcemy je stosować, tzn. co chcemy nimi zasilać.

  • #7 24 Maj 2018 12:17
    szeryf3
    Poziom 15  

    Czekałem na tę drugą część artykułu. Wyniosłem z niego następną kroplę wiedzy. Czy jest ona mi tak bardzo potrzebna? Raczej mało prawdopodobne, ale coś w tej głowie zostaje i a nóż.

  • #8 24 Maj 2018 13:58
    pawelr98
    Poziom 36  

    Jest jeszcze jedna alternatywa jeśli o zbijanie napięcia wejściowego chodzi.

    Otóż jeśli korzystamy z zasilacza transformatorowego to możemy m.in zmniejszyć nieco pojemność kondensatora filtrującego.

    Średnie napięcie spadnie i w konsekwencji tracona moc.

    Stosuję to w zasilaczach liniowych dużej mocy. Są bowiem zastosowania gdzie zasilacze impulsowe są problematyczne jak choćby sprzęt radiowy czy audio.

    W przypadku elementów SMD jak najbardziej można dodatkowo stosować radiatory montowane od góry. Popularna praktyka w sprzęcie komputerowym wyższej klasy.
    W prostej wersji jest to klej termoprzewodzący,w innej jest to po radiator przymocowany do PCB i używający termopadów do odbierania ciepła z elementu.

  • #9 24 Maj 2018 15:02
    _Arecki_
    Poziom 15  

    ghost666 napisał:
    I finalnie temperatura złącza:

    Tjunction=1,28°C/W×10,5W+106,69°C=124,54°C

    W tym równaniu jest drobny błąd. Powinna być użyta rezystancja złącza, czyli 1.7°C/W. Wynik co prawda jest poprawny.

  • #10 24 Maj 2018 15:12
    ghost666
    Tłumacz Redaktor

    _Arecki_ napisał:
    ghost666 napisał:
    I finalnie temperatura złącza:

    Tjunction=1,28°C/W×10,5W+106,69°C=124,54°C

    W tym równaniu jest drobny błąd. Powinna być użyta rezystancja złącza, czyli 1.7°C/W. Wynik co prawda jest poprawny.


    Tak, dokładnie. Zakradła się drobna literówka :)

  • #11 08 Cze 2018 12:16
    Jawi_P
    Poziom 33  

    pawelr98 napisał:
    Otóż jeśli korzystamy z zasilacza transformatorowego to możemy m.in zmniejszyć nieco pojemność kondensatora filtrującego.
    Średnie napięcie spadnie i w konsekwencji tracona moc.

    To też oznacza, że zasilanie jest kompletnie źle zaprojektowane.
    Kondensator dobrany jest do poziomu tętnień pod danym obciążeniem. Może się nie znam, ale dla mnie osobiście, zmniejszanie pojemności filtrującej w celu obniżenia napięcia średniego to jakaś herezja. ;)

  • #12 08 Cze 2018 17:31
    CMS
    Administator HydePark

    Jawi_P napisał:
    zmniejszanie pojemności filtrującej w celu obniżenia napięcia średniego to jakaś herezja. ;)


    Dobrze, że hiszpańska inkwizycja już takich nie ściga. :)
    Pomysł faktycznie jest herezją.

  • #13 09 Cze 2018 01:20
    pawelr98
    Poziom 36  

    Zależy z czego się buduje.

    Miałem tak że potrzebowałem zasilacza 30V a transformator był 2x16V kupiony okazyjnie (używany,ponad połowę tańszy od nowego).

    Aby obniżyć moc strat po prostu zaniżyłem pojemność filtra.
    Tętnienia rzędu 4-5V ale na wyjściu jest stabilne 30V.

    W tym wypadku po prostu chodziło o pieniądze. Znalazłem trafo dużej mocy w bardzo dobrej cenie i skorzystałem.Potrzebne było 250-300VA a upolowałem 400VA za mniej jak połowę ceny trafa 300VA.

    Mogłem rzecz jasna kupić nieco bardziej odpowiednie trafo ale więcej by to kosztowało.

    W razie co mam też przełącznik odczepów po stronie pierwotnej(220/240V) więc ewentualne spadki napięcia sieci nie stanowią problemu.Obecnie cały czas pracuje sobie na odczepie 240V bo nawet przy 215-220V na wejściu nie ma żadnego problemu z utrzymaniem stabilnego 30V.