Польові транзистори IRFP250: огляд і трохи про застосування.

Окрім поліетиленового пакета, транзистори були загорнуті в м’яку стрічку (не пам’ятаю, як вона правильно називається).


Але мене здивувало, що кожен транзистор був упакований в окремий пакетик.
Я замовив лот із десяти штук, оскільки за моїм ТЗ потрібно було 8 штук, а в наявності були всі 10.

Не так давно я публиковал пару обзоров, где описывал підсилювач сигналу з датчика струму та маленький блок живлення.
Цей огляд є логічним продовженням моєї епопеї з конструювання саморобного електронного навантаження. Я вже описував такий пристрій, але цей варіант задумувався ще до нього і мав бути потужнішим, з електронним керуванням та іншими фішками. Але самі «мізки» я, найімовірніше, опишу вже наступного місяця, а про силову частину розповім сьогодні.

Потужність силового модуля я запланував на рівні 200-300 Вт, максимальна напруга — до 60 В, струм — до 15 А.
У пристрої використовується нестандартна напруга живлення керувальної електроніки — 8 В. Також напруга керувального сигналу становить 0-250 мВ. Це не моя примха, а те, що може забезпечити блок керування, тому модуль я підлаштовував під нього.

Спочатку конструкція передбачала один канал із максимальним струмом 5 А та шунтом опором 50 мОм. Але в описі пристрою була можливість додати ще пару таких самих каналів і перекалібрувати пристрій на струм 15 А.
Я вирішив піти трохи іншим шляхом. Для початку задумав не три, а вісім каналів.
При цьому я виходив із модульної конструкції, що спрощує складання та розрахунок.
Планувалося 8 каналів: по 2 канали на плату, по 2 плати на радіатор і 2 радіатори на пристрій.

Спочатку наведу схему силової частини.
Номінали багатьох деталей можна змінювати в широких межах, також можна використовувати різні польові транзистори.
У мене виходило, що треба отримати напругу на шунті одного каналу до 250 мВ у всьому діапазоні регулювання струму.
Отже, виходило 15/8=1.875 А на канал. Відповідно, номінал шунта для отримання 250 мВ становить 0.25/1.875=0.133(3) Ом. Краще, коли номінал шунта трохи менший, але не більший, інакше не вистачить напруги регулювання (макс. 250 мВ).
Я вирішив не морочитися із шунтами й просто купив сотню точних резисторів номіналом 1.33 Ом 1%. Під час монтажу я використав 10 штук паралельно, 2х5шт.


За схемою розвів друковану плату, щоправда, згодом з'ясувалося, що контактні майданчики для підключення силових проводів трохи замалі — краще їх збільшити.
Під час трасування я намагався зробити силову частину максимально симетричною в місці підключення провідника заземлення та вимірювального шунта.


Після цього виготовив друковані плати: одразу зробив 4 штуки на одній заготовці, опис процесу — тут.


Список використаних компонентів.
Резистори:
1.33 Ом 1% — 80шт (1206)
22 Ом — 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.
Операційний підсилювач LM358 — 4шт (SO-8)
Регульований стабілітрон TL431 — 4шт (SOT23)
Польові транзистори — IRFP250 — 8шт


Плати спаяні. Як я писав, резистори шунта змонтовані у два шари по 5 штук у кожному.


Зі зворотного боку є лише електролітичний конденсатор. Оскільки плати встановлюються поблизу елементів із великим тепловиділенням, краще використовувати конденсатори, розраховані на роботу за температури до 105 градусів.


Оскільки транзистори під час роботи активно виділяють тепло (сама суть електронного навантаження — перетворювати все на тепло), я підготував пару радіаторів. Ці радіатори вже траплялися в деяких моїх оглядах, наприклад у цьому, тож тепер доведеться шукати їм заміну.
З радіаторів зняв транзистори й майже раритетні мікросхеми стабілізаторів.
Після цього радіатори почистив ватою та спиртом :)
Наприкінці я трохи вкоротив їх — це був один із найскладніших етапів. Радіатори мали висоту 88мм, а корпус — 84мм. Щоб можна було зручно використовувати вентилятори розміром 80мм, я відрізав по 3мм з кожного боку. Найскладніше було відрізати ці 3мм по довжині й постаратися зробити це рівно :)
Довжина радіаторів — 100мм, висота ребра — 25мм, товщина основи — 4.5мм. Радіатори чорнені, мають 9 ребер.


Розмітив отвори для кріплення вентиляторів. Думаю, з цього фото вже зрозуміла запланована конструкція силового модуля.


Розмітив і нарізав купу різьб. Не став з'ясовувати, де буде верх, а де низ, а просто нарізав усе симетрично, щоб під час складання про це не замислюватися. Тобто модуль можна ставити хоч догори дриґом — закріпити його вдасться в будь-якому разі, а кріпильні отвори будуть на тих самих місцях. Для свердління й нарізання різьби я давно користуюся невеликим шуруповертом — дуже зручно.


Плати підготовлені до встановлення. На фото зрозумілий принцип монтажу. Я довго думав, встановлювати плати паралельно чи перпендикулярно до радіатора, але вирішив зупинитися на паралельному варіанті як компактнішому.


Радіатори й усе, що буде на них встановлено, ну або майже все. Плануються ще елементи термоконтролю тощо…
До речі, про термоконтроль. Оскільки пристрій виділяє багато тепла, для безпеки я встановив на кожен радіатор по біметалевому вимикачу. Температура спрацьовування — 90 градусів, струм контактів — 10 Ампер, але оскільки один вимикач обслуговує лише половину загального струму, думаю, що за 7.5 Ампера вони працюватимуть нормально.
Виводи термовимикачів різні: до одного можна нормально припаятися, до другого — ні. Для мене це було новиною. Але так вийшло, що я випадково розмістив їх однаково, тому однойменні контакти припаяні, а для інших я використав клеми, до яких уже припаяв дріт. Будьте уважні.


Перша примірка. Ще без термопасти — просто подивитися, як усе виглядає разом.
Для кріплення транзисторів я використав штатні отвори, що залишилися від попередніх елементів. У мене вийшло так, що кожен транзистор розташований приблизно в центрі своєї чверті радіатора. Якщо повторюватимете, краще розмістити транзистори саме так.


Для з'єднання я взяв купу різних дротів. Трапилися навіть якісь аудіофільські, начебто посріблені, але мені було зручно, що вони скручені з дуже великої кількості тоненьких жилок, а отже, дуже м'які, і водночас мають переріз 2.5мм.
Цей кабель я використав для з'єднання кола заземлення.


Під час з’єднання я використав принцип «зірки», тобто всі земляні проводи зводяться в одну точку, розташовану так, щоб опір до кожної з плат був однаковим. Це дасть змогу рівномірно розподілити струм між модулями.


Модуль майже зібраний. Для прокладання проводів я використав отвори, що залишилися від старих елементів.


Як нагнітальний вентилятор використано вентилятор фірми Sunon EE80251S1-A99, вентилятор вибирався з огляду на невисоку ціну та високу продуктивність.


Витяжний вентилятор фірми Thermaltake, S0801512M, був у наявності й використовується через те, що потрібна була невелика товщина. Корпус дуже маленький, тому з місцем проблема.
Під час роботи планую використовувати живлення до 15 Вольт, але перевіряв і за 20 — працювало нормально.


З’єднання земляних провідників розташоване між радіаторами. Це далеко не найкраще рішення, як і розміщення там будь-яких проводів узагалі. Але вибору в мене не було: прокладати проводи в обхід було надто далеко. Знизу чи зверху — взагалі нереально. Буду радий пропозиціям, як удосконалити конструкцію.
Верхню й нижню щілини між радіаторами, звісно, буде закрито. Щоправда, ще не вирішив чим; поки думаю просто заклеїти парою шарів скотчу.


Силовий модуль зібрано й спаяно, залишилося тільки перевірити :)


Про всяк випадок (раптом хтось наважиться повторити) — детальніше фото.


Ну і як же без перевірки :)
Під час експерименту я налаштував навантаження на струм 5 Ампер і подав 40 Вольт (насправді 41).
Розсіювана потужність становила 204 Ватта. Більше поки не подавав, оскільки під час експерименту працював лише один вентилятор (той, що видно на фото; здається, ніби він стоїть), увімкнений від 8 Вольт, а щілини між радіаторами не були закриті.
Керувальну напругу я подавав із змінного резистора.
Вийшло по 25 Ватт на кожен із транзисторів. До речі, не дайте ввести себе в оману вказаній у даташиті максимальній розсіюваній потужності транзисторів. У лінійному режимі краще намагатися не перевищувати 25-30% від заявленого значення, оскільки можуть почати виходити з ладу комірки кристала транзистора (польові транзистори ніби складаються з великої кількості дрібних).


Вважаю, що цей етап проєкту завершився успішно. Найближчим часом планую продовжити, а точніше — повністю завершити цей пристрій. Опис цього процесу буде в одному з оглядів наступного місяця.