Полевые транзисторы IRFP250, обзор и немного о применении.

Помимо полиэтиленового пакета транзисторы были упакованы в мягкую ленту (не помню как она правильно называется).


Но что меня удивило, каждый транзистор был упакован в собственный пакетик.
Я заказал лот из десяти штук так как по моему ТЗ надо было 8 штук, в наличии были все 10.

Не так давно я публиковал пару обзоров, где описывал усилитель сигнала с датчика тока и маленький блок питания.
Этот обзор является логическим продолжением мой эпопеи по конструированию самодельной электронной нагрузки. Я уже описывал такое устройство, но данный вариант планировался еще до него и планировался мощнее, с электронным управлением и прочими фишками. Но сами «мозги» я опишу скорее всего уже в следующем месяце, а вот про силовую часть расскажу сегодня.

Мощность силового модуля я запланировал на уровне 200-300 Ватт, максимальное напряжение до 60 Вольт, ток до 15 Ампер.
В устройстве используется нестандартное напряжение питания управляющей электроники в 8 Вольт. Так же напряжение сигнала управление в 0-250мВ. Это не моя прихоть, это то, что может давать блок управления, потому модуль я подстраивал под него.

Изначально конструкция подразумевала один канал с максимальным током в 5 Ампер и шунтом с сопротивлением 50мОм. Но в описании устройства была возможность навесить еще пару таких же каналов и перекалибровать устройство под ток 15 Ампер.
Я решил пойти немного по другому пути. Для начала я задумал не три, а восемь каналов.
При этом я исходил из модульной конструкции, это упрощает построение и расчет.
Задумывалось 8 каналов, при этом получалось по 2 канала на плату, по 2 платы на радиатор и 2 радиатора на устройство.

Сначала приведу схему силовой части.
Номиналы многих деталей можно менять в широких пределах, так же можно применять разные полевые транзисторы.
У меня получалось что надо получить напряжение с шунта одного канала до 250мВ в полном диапазоне регулировки тока.
Значит выходило 15/8=1.875 Ампера на канал. Соответственно номинал шунта для получения 250мВ составляет 0.25/1.875=0.133(3) Ома. Лучше когда номинал шунта чуть чуть меньше, но не больше, иначе не хватит напряжения регулировки (макс 250мВ).
Я решил не заморачиваться с шунтами и просто купил сотню точных резисторов номиналом 1.33 Ома 1%. При монтаже я использовал 10 штук параллельно, 2х5шт.


По схеме страссировал печатную плату, правда потом выяснилось что площадки для подключения силовых проводов немного мелковаты, лучше их увеличить.
При трассировке я старался делать силовую часть максимально симметричной в месте подключения земляного проводника и измерительного шунта.


После изготовил печатные платы, я сразу сделал 4 штуки на одной заготовке, описание процесса здесь.


Список примененных компонентов.
Резисторы:
1.33 Ома 1% — 80шт (1206)
22 Ома — 8шт (1206)
560 Ом — 4шт (0805)
6.2 КОм — 8шт (1206)
22 КОм — 8 шт (1206)
3 МОм — 8шт (0805)

Конденсатор 220мкФ х 16Вольт 105 градусов. Samwha RD.
Операционный усилитель LM358 — 4шт (SO-8)
Регулируемый стабилитрон TL431 — 4шт (SOT23)
Полевые транзисторы — IRFP250 — 8шт


Платы спаяны. Как я писал, резисторы шунта смонтированы в два слоя по 5 штук в слое.


С обратной стороны присутствует только электролитический конденсатор. Так как платы устанавливаются вблизи элементов с большим выделением тепла, то лучше применять конденсаторы рассчитанные на работу при температуре до 105 градусов.


Так как транзисторы при работе активно выделяют тепло (сама суть электронной нагрузки это переводить все в тепло), то я приготовил пару радиаторов. Эти радиаторы у меня уже мелькали в некоторых обзорах, например в этом, теперь придется искать им замену.
С радиаторов были удалены транзисторы и почти раритетные микросхемы стабилизаторов.
После этого радиаторы были очищены при помощи ватки и спирта :)
В конце я немного укоротил их, это был один из самых сложных этапов. Радиаторы имели в высоту 88мм, а корпус имел высоту 84мм. Чтобы удобно было использовать вентиляторы размером 80мм я отрезал по 3мм с каждой стороны. Вот самое сложное и было отрезать эти 3мм в длину и постараться сделать это ровно :)
Длина радиаторов 100мм, высота ребра 25мм, тело 4.5мм, радиаторы черненые и имеют 9 ребер.


Разметил крепежные отверстия под вентиляторы, думаю из этого фото уже понятная планируемая конструкция силового модуля.


Разметил и нарезал кучу резьб. Я не стал разбираться где будет верх, где низ, а просто нарезал все симметрично, чтобы потом при сборке не задумываться об этом. Т.е. модуль можно ставить хоть вверх ногами, закрепиться получится в любом случае и крепежные отверстия будут на тех же местах. Для сверления и нарезания резьбы я давно пользуюсь небольшим шуруповертом, очень удобно.


Платы подготовлены к установке. На фото понятен принцип установки. Я долго думал, ставить платы параллельно или перпендикулярно к радиатору, но решил остановиться на параллельном варианте установки как на более компактном.


Радиаторы и все что будет устанавливаться на них, ну или почти все. планируются еще элементы термоконтроля и т.п…
Кстати насчет термоконтроля. Так как устройство выделяет много тепла, то в целях безопасности я установил на каждый радиатор по биметаллическому размыкателю. Температура уставки 90 градусов, ток контактов 10 Ампер, но так как один размыкатель обслуживает только половину общего тока, то думаю что при 7.5 Ампера они будут работать нормально.
Выводы у терморазмыкателей разные, к одному можно припаяться нормально, ко второму нет, для меня это было новостью. Но так получилось, что я случайно разместил их одинаково, потому одноименные контакты припаяны, для вторых я использовал клеммы, к которым уже припаивал провод. Будьте внимательны.


Первая примерка. Еще без термопасты, просто посмотреть как оно получается вместе.
При креплении транзисторов я использовал родные отверстия оставшиеся от предыдущих элементов. у меня получилось так, что каждый транзистор стоит примерно в центре своей четверти радиатора, при повторении лучше стремиться именно к такому расположению транзисторов.


Для соединения я взял кучку разных проводов. попались даже какие то аудиофилские, вроде как посеребренные, но при этом мне было удобно то, что они свиты из очень большой кучи тоненьких жилок и соответственно очень мягкие и имеют при этом сечение в 2.5мм.
Этот кабель я использовал для соединения земляной цепи.


При соединении я использовал принцип «звезда», т.е. все земляные провода сводятся в одну точку, расположенную так, чтобы сопротивление до каждой из плат было идентичным, это позволит равномерно распределить ток между модулями.


Модуль почти собран. Для разводки проводов я использовал отверстия оставшиеся от старых элементов.


В качестве нагнетающего вентилятора использован вентилятор фирмы Sunon EE80251S1-A99, вентилятор подбирался исходя из небольшой цены и большой производительности.


Вытяжной вентилятор фирмы Thermaltake, S0801512M, был в наличии и используется потому, что требовалась небольшая толщина. Корпус очень маленький, потому с местом проблемы.
В работе планирую использовать питание до 15 Вольт, но проверял и при 20, работали нормально.


Соединение земляных проводников располагается между радиаторами. Это далеко не самое лучшее решение, как и размещение каких либо проводов там вообще. Но вариантов у меня не было, в обход пускать провода было слишком далеко. Снизу или сверху нереально вообще. Буду рад предложениям по улучшению конструкции.
Верхняя и нижняя щель между радиаторами будет конечно закрыта, опять же, еще не решил чем, думаю пока просто заклеить парой слове скотча.


Силовой модуль собран, спаян, осталось только проверить :)


На всякий случай (вдруг кто то решится повторить) более детальное фото.


Ну и как же без проверки :)
В эксперименте я настроил нагрузку на ток в 5 Ампер и подал 40 Вольт (на самом деле 41).
Рассеиваемая мощность составила 204 Ватта. Больше давать пока не стал так как в эксперименте работал всего один вентилятор (тот что виден на фото, кажется что он стоит), который был включен от 8 Вольт и не были закрыты щели между радиаторами.
Управляющее напряжение я подавал с переменного резистора.
Получилось по 25 Ватт на каждый из транзисторов. Кстати, пускай вас не вводит в заблуждение указанная в даташите максимальная рассеиваемая мощность транзисторов. В линейном режиме лучше стараться не превышать 25-30% от заявленной так как может начаться выход из строя ячеек кристалла транзистора (полевые транзисторы как бы набраны из большого количества мелких).


Я считаю что данный этап проекта закончился успешно, планирую в ближайшем времени продолжить или вернее полностью закончить данное устройство. Описание этого процесса будет в одном из обзоров следующего месяца.