Tranzystory MOSFET IRFP250 — recenzja i kilka słów o zastosowaniu.

Oprócz foliowej torebki tranzystory były zapakowane w miękką taśmę (nie pamiętam, jak się właściwie nazywa).


Zaskoczyło mnie jednak to, że każdy tranzystor był zapakowany w osobną torebkę.
Zamówiłem zestaw dziesięciu sztuk, bo według mojej specyfikacji potrzebowałem 8 sztuk. Wszystkie 10 było na miejscu.

Niedawno opublikowałem kilka recenzji, w których opisałem wzmacniacz sygnału z czujnika prądu oraz mały zasilacz.
Ta recenzja jest logiczną kontynuacją mojej epopei związanej z konstruowaniem samodzielnie wykonanej obciążnicy elektronicznej. Już opisywałem takie urządzenie, ale ten wariant planowałem jeszcze przed tamtym i miał być mocniejszy, z elektronicznym sterowaniem i innymi bajerami. Same „mózgi” opiszę jednak najpewniej dopiero w przyszłym miesiącu, a dziś opowiem o części mocy.

Moc modułu mocy zaplanowałem na poziomie 200-300 W, maksymalne napięcie do 60 V, prąd do 15 A.
Urządzenie wykorzystuje niestandardowe napięcie zasilania elektroniki sterującej wynoszące 8 V. Również napięcie sygnału sterującego mieści się w zakresie 0-250 mV. To nie mój kaprys, tylko możliwości sterownika, dlatego dostosowałem do niego moduł.

Pierwotnie konstrukcja zakładała jeden kanał o maksymalnym prądzie 5 A i boczniku o rezystancji 50 mΩ. W opisie urządzenia przewidziano jednak możliwość dołożenia jeszcze dwóch takich samych kanałów i przeskalowania urządzenia na prąd 15 A.
Postanowiłem pójść nieco inną drogą. Na początek zaplanowałem nie trzy, a osiem kanałów.
Wyszedłem przy tym od konstrukcji modułowej, która upraszcza budowę i obliczenia.
Plan zakładał 8 kanałów, czyli po 2 kanały na płytkę, po 2 płytki na radiator i 2 radiatory w urządzeniu.

Najpierw pokażę schemat części mocy.
Wartości wielu elementów można zmieniać w szerokim zakresie, można też stosować różne tranzystory MOSFET.
W moim przypadku napięcie na boczniku jednego kanału miało wynosić do 250 mV w całym zakresie regulacji prądu.
Wychodzi więc 15/8=1.875 A na kanał. Odpowiednia wartość bocznika, aby uzyskać 250 mV, to 0.25/1.875=0.133(3) Ω. Lepiej, żeby wartość bocznika była nieco mniejsza, ale nie większa, bo zabraknie zakresu napięcia regulacji (maks. 250 mV).
Nie chciałem zawracać sobie głowy bocznikami, więc po prostu kupiłem setkę precyzyjnych rezystorów o wartości 1.33 Ω i tolerancji 1%. Podczas montażu użyłem 10 sztuk połączonych równolegle, w układzie 2x5 szt.


Na podstawie schematu zaprojektowałem płytkę drukowaną. Później okazało się jednak, że pola do podłączenia przewodów zasilających są trochę za małe — lepiej je powiększyć.
Podczas projektowania starałem się zachować jak największą symetrię części mocy w miejscu podłączenia przewodu masy i bocznika pomiarowego.


Po zaprojektowaniu płytek od razu wykonałem 4 sztuki na jednym laminacie. Opis procesu znajduje się tutaj.


Lista użytych elementów.
Rezystory:
1.33 Ω 1% — 80 szt. (1206)
22 Ω — 8 szt. (1206)
560 Ω — 4 szt. (0805)
6.2 kΩ — 8 szt. (1206)
22 kΩ — 8 szt. (1206)
3 MΩ — 8 szt. (0805)

Kondensator 220 µF x 16 V, 105 stopni. Samwha RD.
Wzmacniacz operacyjny LM358 — 4 szt. (SO-8)
Regulowana dioda Zenera TL431 — 4 szt. (SOT23)
Tranzystory MOSFET — IRFP250 — 8 szt.


Płytki są już zmontowane. Jak pisałem, rezystory bocznika zamontowałem w dwóch warstwach, po 5 sztuk w każdej.


Po drugiej stronie znajduje się tylko kondensator elektrolityczny. Ponieważ płytki są montowane w pobliżu elementów wydzielających dużo ciepła, najlepiej stosować kondensatory przystosowane do pracy w temperaturze do 105 stopni.


Ponieważ tranzystory podczas pracy intensywnie się nagrzewają (na tym właśnie polega działanie obciążenia elektronicznego — cała energia zamienia się w ciepło), przygotowałem parę radiatorów. Pojawiały się już w kilku moich recenzjach, na przykład w tej, więc teraz trzeba będzie znaleźć im zastępstwo.
Z radiatorów usunąłem tranzystory i niemal zabytkowe układy stabilizatorów.
Następnie wyczyściłem radiatory watą i alkoholem :)
Na koniec trochę je skróciłem — to był jeden z najtrudniejszych etapów. Radiatory miały 88 mm wysokości, a obudowa 84 mm. Żeby można było wygodnie zamontować wentylatory o rozmiarze 80 mm, odciąłem po 3 mm z każdej strony. Najtrudniejsze było właśnie odcięcie tych 3 mm i zrobienie tego równo :)
Radiatory mają 100 mm długości, żebra mają 25 mm wysokości, podstawa ma 4,5 mm grubości. Radiatory są czernione i mają 9 żeber.


Zaznaczyłem otwory montażowe pod wentylatory. Na tym zdjęciu widać już, jak ma wyglądać moduł mocy.


Zaznaczyłem i nagwintowałem mnóstwo otworów. Nie zastanawiałem się, gdzie będzie góra, a gdzie dół — po prostu rozmieściłem je symetrycznie, żeby później nie musieć się nad tym zastanawiać podczas montażu. Moduł można więc zamontować nawet do góry nogami, a i tak da się go przykręcić, bo otwory montażowe będą w tych samych miejscach. Do wiercenia i gwintowania od dawna używam małej wkrętarki — bardzo wygodne rozwiązanie.


Płytki są gotowe do montażu. Na zdjęciu widać, jak będą zamocowane. Długo zastanawiałem się, czy ustawić je równolegle, czy prostopadle do radiatora, ale ostatecznie wybrałem układ równoległy, bo zajmuje mniej miejsca.


Radiatory i wszystko, co będzie na nich zamontowane — no, prawie wszystko. Planowane są jeszcze elementy układu kontroli temperatury itp…
A skoro mowa o kontroli temperatury: urządzenie wydziela dużo ciepła, więc dla bezpieczeństwa zamontowałem na każdym radiatorze bimetaliczny wyłącznik termiczny. Temperatura zadziałania wynosi 90 stopni, obciążalność styków to 10 A, ale ponieważ każdy wyłącznik obsługuje tylko połowę całkowitego prądu, myślę, że przy 7,5 A będą działać prawidłowo.
Wyprowadzenia wyłączników termicznych są różne: do jednego można normalnie przylutować przewód, do drugiego nie — to była dla mnie nowość. Przypadkiem zamontowałem je jednak w ten sam sposób, więc styki o tej samej nazwie są przylutowane. Do pozostałych użyłem zacisków, do których wcześniej przylutowałem przewód. Uważajcie na to.


Pierwsza przymiarka. Jeszcze bez pasty termoprzewodzącej — chciałem tylko zobaczyć, jak to będzie wyglądać w całości.
Do mocowania tranzystorów wykorzystałem oryginalne otwory pozostałe po poprzednich elementach. Wyszło tak, że każdy tranzystor znajduje się mniej więcej pośrodku swojej ćwiartki radiatora. Jeśli będziecie powtarzać tę konstrukcję, warto rozmieścić tranzystory właśnie w ten sposób.


Do połączeń wziąłem garść różnych przewodów. Trafiły się nawet jakieś audiofilskie, podobno posrebrzane, ale wygodne było to, że składały się z bardzo wielu cienkich żył, dzięki czemu były bardzo elastyczne, a ich przekrój wynosił 2,5 mm².
Tego przewodu użyłem do połączenia obwodu masy.


Przy łączeniu zastosowałem układ „gwiazdy”, czyli wszystkie przewody masy zbiegają się w jednym punkcie, umieszczonym tak, aby rezystancja połączenia z każdą płytką była identyczna. Pozwoli to równomiernie rozdzielić prąd między moduły.


Moduł jest prawie gotowy. Do poprowadzenia przewodów wykorzystałem otwory pozostałe po starych elementach.


Jako wentylator nawiewający zastosowałem model firmy Sunon EE80251S1-A99. Wybrałem go ze względu na niską cenę i dużą wydajność.


Wentylator wyciągowy Thermaltake S0801512M miałem pod ręką i wykorzystałem go ze względu na niewielką grubość. Obudowa jest bardzo mała, więc brakuje miejsca.
Docelowo planuję używać zasilania do 15 V, ale sprawdzałem też przy 20 V — działało prawidłowo.


Połączenie przewodów masy znajduje się między radiatorami. To zdecydowanie nie jest najlepsze rozwiązanie, podobnie jak prowadzenie tam jakichkolwiek przewodów. Nie miałem jednak innego wyjścia — poprowadzenie ich naokoło oznaczałoby zbyt długą trasę. Od dołu ani od góry w ogóle nie da się tego zrobić. Chętnie poznam propozycje, jak ulepszyć konstrukcję.
Górna i dolna szczelina między radiatorami zostanie oczywiście zamknięta. Nie zdecydowałem jeszcze czym — na razie myślę, żeby po prostu zakleić je kilkoma warstwami taśmy.


Moduł mocy jest zmontowany i polutowany, pozostało tylko go sprawdzić :)


Na wszelki wypadek (gdyby ktoś chciał odtworzyć tę konstrukcję) zamieszczam bardziej szczegółowe zdjęcie.


No i jak tu nie sprawdzić :)
W ramach eksperymentu ustawiłem obciążenie na prąd 5 A i podałem 40 V (a właściwie 41 V).
Moc rozpraszana wyniosła 204 W. Na razie nie zwiększałem jej bardziej, bo podczas eksperymentu pracował tylko jeden wentylator (ten widoczny na zdjęciu — wygląda, jakby stał), zasilany napięciem 8 V, a szczeliny między radiatorami nie były zamknięte.
Napięcie sterujące podawałem z potencjometru.
Wyszło po 25 W na każdy tranzystor. Przy okazji: nie dajcie się zwieść maksymalnej mocy rozpraszanej podanej w nocie katalogowej tranzystorów. W trybie liniowym lepiej nie przekraczać 25–30% tej wartości, bo mogą zacząć uszkadzać się komórki struktury tranzystora (tranzystory MOSFET są jakby zbudowane z dużej liczby małych elementów).


Uważam, że ten etap projektu zakończył się sukcesem. W najbliższym czasie planuję kontynuować prace, a właściwie całkowicie ukończyć to urządzenie. Opiszę ten proces w jednej z recenzji w przyszłym miesiącu.