Serwisy partnerskie:
Close icon
Serwisy partnerskie

Repetytorium użytkowej elektroniki - Zasilacz warsztatowy

Elportal jest źródłem wiedzy dla profesjonalnych elektroników śledzących rozwój elektroniki w swojej specjalizacji. Jeśli jednak odczuwasz potrzebę przypomnienia sobie szerokiego spektrum zagadnień elektroniki użytkowej, to dla Ciebie jest to Repetytorium. W tym kursie znajdą również przystępnie podaną wiedzę programiści nieelektronicy odwiedzający Elportal w poszukiwaniu inspiracji projektowych.
Chcesz pogłębić swoją znajomość elektroniki?
Wciągnęły Cię eksperymenty?
Jak robić to wygodnie i bezpiecznie?
Z zasilaczem warsztatowym!
Light icon
Article Image

Uruchamianie własnych układów daje dużo frajdy – o tym nie trzeba nikogo przekonywać. Podłączanie diodek, żarówek, przekaźników oraz innych podzespołów potrafi wciągnąć na długie godziny. Zamiast korzystać przy tym z baterii, które się rozładowują, albo jakichś nieznanych zasilaczy sieciowych, warto zbudować własny, prawdziwy zasilacz warsztatowy!

Czym taki zasilacz różni się od innych? Przecież robi to samo: dostarcza napięcia o zadanej wartości i tyle. Owszem, ale tę wartość można bardzo wygodnie regulować, wystarczy przekręcić gałkę na jego obudowie. Ponadto, zawiera – często również regulowany – ogranicznik pobieranego prądu. Jeżeli nasz testowany układ miałby jakieś uszkodzenie – co przecież może się zdarzyć – taki zasilacz sam ograniczy natężenie prądu. Układ nie spali się doszczętnie, a my będziemy mogli go łatwiej naprawić.

Jak zasilacz ograniczy prąd? Obniżając napięcie. Będzie je obniżał do wartości na tyle małej, aż pobierany z jego wyjścia prąd nie ustali się na zadanym ograniczeniu. Jeżeli pobór prądu zmaleje, napięcie wzrośnie do ustawionej wartości. Mówimy wtedy, że zasilacz przełącza się między dwoma trybami pracy:

  • CV (constant voltage – stałe napięcie),
  • CC (constant current – stały prąd).

Powyższe wymagania spełnia, na przykład, kit AVT736. Kilka kolorowych diod LED bardzo czytelnie wskazuje aktualny stan jego pracy. Maksymalny prąd wyjściowy jest niewielki (rzędu 0,25 A), ale i tak wystarczy do wielu eksperymentów.

Ekonomiczny zasilacz warsztatowy
Zobacz w sklepie avt

Można również wybrać bardziej złożony układ, zawierający wyświetlacz cyfrowy, który wskaże aktualną wartość napięcia wyjściowego, jak AVT3172.

Praktyczny zasilacz warsztatowy
Zobacz w sklepie avt

Oba te układy wymagają transformatora sieciowego, omówionego w poprzednim artykule, albo innego zasilacza napięcia stałego. W tej drugiej sytuacji kit zasilacza warsztatowego służy do obniżania napięcia i ograniczania prądu. Szczegóły można znaleźć w dokumentacjach tych zestawów.

Załóżmy, że chcemy dobrać transformator sieciowy do kitu AVT736. W jego dokumentacji możemy znaleźć informację, że napięcie przemienne na uzwojeniu wtórnym transformatora powinno wynosić 9…18 V. Przyjmiemy zatem 12 V, ponieważ to często spotykana wartość. 

Prąd uzwojenia wtórnego takiego transformatora powinien być większy niż maksymalny dopuszczalny prąd wyjściowy naszego zasilacza. Przeglądając oferty sklepu, możemy znaleźć taki:

Transformator 4 VA, 230 VAC (12 V) 0,34 A, TS4/022
Transformator 4 VA, 230 VAC (12 V) 0,34 A, TS4/022u
Zobacz w sklepie avt

Jego moc wynosi 4 VA ([VA] - woltoampery, nie [W] czyli waty!), a prąd wyjściowy to maksymalnie 0,34 A, więc nada się doskonale.

Jeżeli chodzi o dobranie dla niego bezpiecznika, to najprościej będzie tego dokonać na podstawie mocy transformatora, czyli 4 VA. Uwaga, to jest tzw. moc pozorna, którą we wzorach oznaczamy literą S.

Takiego bezpiecznika nie da się znaleźć – użyjemy pierwszego dostępnego, czyli 63 mA, najlepiej od razu z odpowiednią oprawką.

Bezpiecznik 63 mA 5×20 mm
Zobacz w sklepie avt
Gniazdo bezpiecznikowe
Zobacz w sklepie avt

Mamy transformator, mamy bezpiecznik, a co z samym zasilaczem? Zawiera przecież stabilizator liniowy, którego zasada działania polega na wydzielaniu ciepła. W omawianym poprzednio zasilaczu nie było to dotkliwe, ponieważ pobierany z układu prąd był relatywnie mały. Teraz jednak trzeba liczyć się z możliwością jego przegrzania.

Aby temu zapobiec, należy odprowadzać ciepło z tzw. elementów wykonawczych. To są układy scalone lub tranzystory, przez które przepływa prąd wyjściowy układu zasilacza. Im niższe jest napięcie wyjściowe oraz im większy jest pobierany prąd, tym więcej ciepła się na nich wydziela. Co się stanie, jeżeli w porę go nie odprowadzimy? Element przegrzeje się i nieodwracalnie spali.

Kilka przypadków przegrzanych tranzystorów

Jak odprowadzać ciepło z elementów elektronicznych? Najprostsza metoda to zwiększenie powierzchni, która się rozgrzewa. Czymś takim może być radiator, wykonany z metalu dobrze przewodzącego ciepło – aluminium lub miedzi. Przykręca się go do elementu (np. tranzystora), wtedy on odbiera od niego ciepło i rozprasza je do znajdującego się wokół powietrza. Liczne żeberka i inne przetłoczenia zwiększają jego powierzchnię.

Przykład aluminiowego radiatora

Ich głównym parametrem jest rezystancja termiczna, wyrażana w kelwinach na wat [k/W ] lub stopniach Celsjusza na wat [°C/W ]. Oznacza ona, o ile kelwinów (lub stopni Celsjusza) podniesie się temperatura takiego radiatora, jeżeli przykręcony do niego element będzie wydzielał moc 1 W. Im mniejsza jest rezystancja termiczna, tym mniejszy będzie wzrost temperatury. Skala Kelwina i Celsjusza przyrastają tak samo szybko, więc można ich tutaj używać wymiennie.

Zasada działania radiatora

Generalnie, im większy radiator, tym rezystancja termiczna jest niższa, ale nie zawsze. Wpływ na to ma również liczba żeberek, pokrycie radiatora (czernione lepiej oddają ciepło), umiejscowienie chłodzonego elementu i nie tylko. Dokładną wartość tego parametru można znaleźć w notach katalogowych. Elementy przykręca się do radiatorów śrubkami lub stosuje odpowiednie sprężynki dociskowe.

Tranzystory przymocowane do radiatora

Powierzchnia radiatorów nie jest idealnie gładka, elementów również. Ich wzajemne ściśnięcie nie zapewni bardzo dobrego przepływu energii cieplnej. Aby ją poprawić, należy te pory wypełnić czymś, co dobrze przewodzi ciepło. Ta substancja nosi nazwę pasty termoprzewodzącej. Zazwyczaj jest wykonana na bazie silikonu. Nakłada się jej cieniutką warstwę na tę powierzchnię elementu, która jest dokręcana do radiatora.

Pasta termoprzewodząca H 7g
Zobacz w sklepie avt

Radiatory, pomimo swoich zalet, mają też wady. Najpoważniejsza z nich jest taka, że przewodzą prąd. Jeżeli chcemy do tego samego radiatora przykręcić kilka elementów, których obudowy są na różnych potencjałach, trzeba je odizolować. Drugi przypadek: obudowa elementu jest na bardzo wysokim potencjale i jej dotknięcie mogłoby skończyć się porażeniem. Wtedy również należy pomyśleć o izolacji.

Służą do tego podkładki izolacyjne. Mogą być wykonane z miki, silikonu lub ceramiki. Mają rozmiary niewiele większe od elementu, który trzeba odizolować. Zawierają również stosowne otworki do przewleczenia śrubek. W omawianym zasilaczu występuje element wykonawczy w obudowie TO220, więc potrzebne są podkładki w takim samym rozmiarze, na przykład:

Podkładka termoprzewodząca Thermopad TO220 18×13×0,3 mm, 1,5 W/mK
Podkładka termoprzewodząca Thermopad TO220 18×13×0,3 mm, 1,5 W/mK
Zobacz w sklepie avt

Oprócz podkładek, pod śrubkę mocującą tranzystor należy podłożyć niewielką tulejkę, która odizoluje również ją. W przeciwnym razie wszystkie nasze wysiłki na nic – pod tranzystorem jest podkładka, a śrubka i tak robi zwarcie. Te elementy kosztują grosze i warto mieć ich niewielki zapas:

Tulejka izolacyjna TO220
Zobacz w sklepie avt

Tranzystory przykręcone za pośrednictwem podkładek mogą wyglądać tak:

Tranzystor na radiatorze z podkładką i tulejką izolacyjną

Obie strony podkładki warto posmarować cienką (naprawdę cienką!) warstwą pasty. Niekoniecznie dotyczy to podkładek silikonowych, które są elastyczne i w pewnym stopniu pełnią tę samą funkcję co pasta – wypełniają nierówności metali po ściśnięciu. Mimo wszystko, jeżeli jest taka możliwość, warto poświęcić minutę na nałożenie pasty, aby to przewodnictwo cieplne poprawić.

Pamiętajmy o jeszcze jednej zasadzie – każda podkładka izolacyjna pogarsza przewodnictwo cieplne. Nawet najdroższa będzie przewodziła ciepło gorzej niż bezpośrednie przykręcenie elementu do radiatora, oczywiście z użyciem pasty.

W bardziej wymagających układach można dodać wentylator poruszający powietrze wokół radiatora. Poprawia to odprowadzanie ciepła do otoczenia, gdyż działa tak samo, jak dmuchanie na gorący przedmiot, aby go ostudzić. Takie rozwiązanie nosi nazwę chłodzenia aktywnego. Wadą jest generowanie szumu przez pracujący wentylator, czego nie ma w chłodzeniu pasywnym, przy użyciu samego radiatora.

Przykład radiatora z wentylatorem

Jak prawidłowo dobrać radiator? Wiadomo, nie może być za mały, ponieważ nie nadąży z odprowadzaniem ciepła z elementu. Za duży będzie po prostu drogi i ciężki. Dlatego trzeba obliczyć (lub chociaż oszacować) niezbędne minimum.

Pomiędzy strukturą półprzewodnikową elementu, który chcemy chłodzić, a powietrzem jest kilku pośredników:

  1. między strukturą a metalową obudową elementu, oznaczana jako Rth j-c
  2. między  metalową obudową elementu a radiatorem, oznaczana jako Rth c-s
  3. między radiatorem a powietrzem, oznaczana jako Rth s-a

W układzie AVT736 elementem wykonawczym jest tranzystor typu BD244, który znajduje się w standardowej obudowie TO220. Jego tylna ścianka jest wykonana z blaszki, która dobrze przewodzi ciepło. To do niej jest przyczepiona krzemowa struktura, którą trzeba chłodzić, a która została zabezpieczona przed uszkodzeniem ochronną warstwą tworzywa sztucznego.

Tranzystor w obudowie TO220

W nocie katalogowej tego tranzystora (od INCHANGE Semiconductor) możemy znaleźć następujące informacje:

  • maksymalna temperatura złącza TJmax=150°C,
  • rezystancja termiczna między strukturą a metalową obudową Rth j-c=1,92 [°C/W].

Trzeba również określić, jaka maksymalna moc będzie się wytracała na tym elemencie. Stanie się tak wtedy, gdy wyjście zostanie zwarte (napięcie wyjściowe wyniesie 0 V), a prąd wyjściowy będzie równy temu, na które pozwala ograniczenie. W dokumentacji tego zestawu można znaleźć informację, że maksymalny prąd wyjściowy to około 0,25 A. 

Ponadto, układ będzie zasilany napięciem pochodzącym z transformatora o napięciu wyjściowym 12 V. Napięcie, jakie wystąpi na kondensatorze filtrującym, będzie wyższe – nie wiemy dokładnie, ile razy wyższe, ale maksimum wyniesie tyle, ile wartość szczytowa tego napięcia. Dla kształtu sinusoidalnie zmiennego wartość skuteczna napięcia (czyli 12 V, podane na transformatorze) jest mniejsza od szczytowej √2 razy. Zestawiając to wszystko:

W powyższym oszacowaniu nie został uwzględniony spadek napięcia na diodach prostowniczych ani „przysiadanie” napięcia na uzwojeniu wtórnym transformatora po jego obciążeniu. Te dodatkowe składowe tylko obniżyłyby wynik, więc można śmiało przyjąć, że 4,2 W to absolutnie największa możliwa moc, jaka wydzieli się na tym tranzystorze.

Aby móc dobrać radiator, trzeba przyjąć jeszcze dwa założenia. Pierwsze – rezystancja termiczna styku między metalową obudową elementu a radiatorem. Różne źródła podają różne dane, dla obudowy TO220 to jest około Rth c-s=0,5 [°C/W].

Drugie – temperatura otoczenia. Zazwyczaj temperatura w pomieszczeniach wynosi około 25ºC, ale we wnętrzu obudowy takiego zasilacza może być cieplej. Przyjąłbym Ta=40°C. Zatem wymagana rezystancja termiczna radiatora:

To jest maksymalna rezystancja termiczna radiatora, jaką możemy zastosować, aby nie doszło do uszkodzenia tranzystora. Warto użyć nieco większego elementu chłodzącego (o mniejszej rezystancji termicznej), który zapewni niższą temperaturę strukturze tranzystora. Rezystancja termiczna radiatora znajdującego się w składzie zestawu AVT736 wynosi około 7 [°C/W], więc doskonale spełni swoje zadanie.

Podsumowanie

W tym artykule zajęliśmy się problemem wyboru i wykonania własnego zasilacza warsztatowego. Aby mógł on działać poprawnie, jego element aktywny trzeba odpowiednio chłodzić. Służą do tego radiatory, a z nimi związany jest dodatkowy osprzęt, umożliwiający odizolowanie elektryczne chłodzonego elementu. Na koniec zajęliśmy się doborem odpowiedniego radiatora.

AUTOR
Udostępnij
UK Logo