Дизайн

Зараз необхідно розробити схему, здатну обробляти струм великої потужності, і відповідно калібрувати компоненти.

  • Дизайн
    • МОП-транзистор
      • ШІМ - швидкість
      • MOSFET - можливості
      • MOSFET - драйвер
      • MOSFET - режими
      • MOSFET - паралельно
      • МОП-транзистор - тягнути вниз
    • Тепловіддача
      • Розрахунки потужності, що розсіюється
      • Розрахунок за допомогою чиллера
      • Розрахунок за допомогою вентилятора
      • Кулер
      • Кулер - збірка
      • Електропроводка
    • Їжа
    • Джерело зображення

МОП-транзистор

ШІМ - швидкість

Швидкість модуляції (ШІМ) на Arduino за замовчуванням становить 500 Гц для виходів 9, 10 і 11, і 1 кГц для виходів 5 і 6. За допомогою одного рядка коду ви можете змінити цю швидкість і піднятися до 62 кГц.

Існує взаємозв'язок між цією швидкістю і тепловіддачею.

MOSFET - можливості

Єдине обмеження швидкості комутації залежить від внутрішньої потужності MOSFET, зокрема вхідної потужності, тобто ємність сітки (Цісс). Потрібна певний час, щоб ємність повністю зарядилася і розрядилася.

таблиця даних

Продовжувати:

MOSFET - драйвер

Тому драйвери MOSFET є обов'язковими для частот ШІМ високий і обмежити перегрів.

Ця схема перевірена і працює добре. Він з'єднує Arduino з ШІМ-виходом, драйвером MOSFET, N-канальним MOSFET і автомобільною фарою:

MOSFET - режими

Як і транзистори, МОП-транзистори еволюціонують з часом у двох режимах: лінійному та насиченому.

В лінійний режим, це фаза посилення: низький струм, що подається на його затвор, дає набагато більший струм на виході. У транзистора це приблизно те саме, що стосується MOSFET, струм від колектора до випромінювача змінюється пропорційно до його основи. Це принцип в основі всіх аналогових схем, таких як підсилювачі та інші. Під час цієї фази MOSFET протистоїть струму. Це не тривіально, як тільки виникає опір, відбувається розсіювання тепла, ми це побачимо відразу.

В насичений режим, MOSFET діє як перемикач, він пропускає майже абсолютно поточний. Дійсно, його активний опір (Рдсон) майже дорівнює нулю. Приклад тут з MOSFET, що використовується у прототипі, FDP61N20, його Rdson становить 0,041 Ом, що є дуже маленьким.

MOSFET - паралельно

МОП-транзистор - тягнути вниз

Тепловіддача

Коли компонент витримує струм, енергія розсіюється у вигляді тепла. Тут це сильний струм і, отже, потенційно великий підйом тепла. На таблиця даних компонента ми знаходимо температуру його використання (Діапазон температур експлуатації та зберігання) між мінімальною та максимальною температурою. Якщо компонент нагрівається за межі цього діапазону, внаслідок роботи контуру або навколишнього тепла, компонент може перегоріти і призвести до пошкодження решти контуру або стати небезпечним. Крім того, компонент служить довше, якщо його температура залишається нормальною.

Для зменшення тепла використовується декілька прийомів: охолоджувачі або радіатор (радіатор), вентилятори, модулі Пельтьє, паралельне розміщення МОП-транзисторів тощо. Дуже хороше відео англійською мовою пояснює, як враховувати температуру при розробці схеми: http://www.eevblog.com/2010/08/15/eevblog-105-electronics-thermal-heatsink-design-tutorial/

Розрахунки потужності, що розсіюється

Робоча температура контуру дуже складна для розрахунку, багато параметрів, що стосуються матеріалів, евакуації тепла в цих матеріалах, слід проаналізувати. На щастя, у нас є інструмент обчислення, який, безумовно, є приблизним, але тим не менше послідовним, що дає нам гарне уявлення про температуру: тепловий закон Ома. Цей закон робить аналогію між розрахунком опору на електричному та тепловому рівні. В основному, мова йде про додавання температури навколишнього середовища до теплового опору системи: між повітрям і охолоджувачем, між охолоджувачем і корпусом MOSFET, а також між корпусом і внутрішнім переходом MOSFET.

Кілька формул обговорюються:

    P = Vds (зливне джерело) * Ідентифікатор

  • P = C * V² * f

    • У насиченому режимі MOSFET передає весь струм. Якщо ріг вимагає 20А, тоді: P = 20A² * 0,041Ω = 16,4 Вт. Тому необхідно розсіювати 16,4 Вт. У лінійному режимі майже повністю блокуючи, якщо MOSFET пропускає лише 0,001 В, наприклад: P = U * I = (12 В - 0,001 В) * 20A = 240 Вт. Це колосально.

    Згідно з таблиця даних (.pdf) MOSFET, його температура використання (Tj, Tstg - Діапазон температур експлуатації та зберігання) становить від -55 до +150 ° C. Тому він ніколи не повинен перевищувати 150 ° C.

    Тепловий опір між місцем з'єднання MOSFET і навколишнім повітрям (Rθ JA - Термічний опір переходу до навколишнього середовища) цього MOSFET становить 62,5 ° C/W. Він відповідає MOSFET без охолоджувача, безпосередньо контактує з навколишнім повітрям.

    Якщо мені потрібно розсіяти 240 Вт, це дає нам: 62,5 ° C/W * 240W = 15 000 ° C! Цей результат здається занадто високим, щоб бути достовірним, але я не бачу, як вчинити інакше. Еммануель Флеті каже мені, що цього сценарію ніколи не відбувається, максимум тепла, який слід евакуювати, буде в проміжних режимах, коли цикл ШІМ становить 50%.

    Якщо я продовжую міркування, приймаючи як найгіршу ситуацію 240 Вт/2 = 120 Вт, у мене все одно буде робоча температура MOSFET близько 7500 ° C.

    Розрахунок за допомогою чиллера

    Для поліпшення евакуації ми можемо додати охолоджувач. У цьому випадку Rθ JA більше не застосовується. Натомість ми повинні взяти до уваги тепловий опір між місцем з'єднання MOSFET і корпусом (Rθ JC - Термічний опір з'єднання з корпусом). Це 0,3 ° C/W, набагато менше, ніж Rθ JA. Тоді ми отримуємо: 0,3 ° C/W * 120W = 36 ° C. Це свідчить про величезну перевагу фіксації випромінювача на транзисторі. Межа температури не досягнута, і компонент прослужить довше.

    Я думаю, що математика неправильна, якщо ми зупинимось на досягнутому. Нам ще потрібно додати тепловий опір охолоджувача Rθ HA (Радіатор навколишнього середовища) і поле Rθ CH (Від випадку до радіатора). Тепловий опір охолоджувача вказується виробниками або може бути видно на тепловій кривій (Підвищення температури над навколишнім - Вт, що розсіюється теплом) його таблиця даних. Наприклад, тут максимальне значення відповідає 80 ° C для 5 Вт.

    Що робить нас 80/5 = 16 ° C/W. Інші охолоджувачі ефективніші, деякі знижуються до 10 або 2 ° C/W. До цього значення ми додаємо швидкість 1/3, що відповідає неоптимальній та більш реалістичній дифузії температури в охолоджувачі. Оскільки крива дана для джерела тепла по всій поверхні охолоджувача, але якщо до нього прикріплено коробку TO220, це лише джерело тепла, розташоване в одній точці. Так з охолоджувачем при 10 ° C/W: Rθ HA = 10 + (10/3) = 13,3 ° C/W.

    Якщо до цього додати опір ізолюючої частини між корпусом і охолоджувачем, виготовленим з силікону або слюди, прийнятим значенням буде: Rθ CH = 1,1 ° C/W

    Разом = Rθ JC + Rθ HA + Rθ CH = 0,3 + 13,3 + 1,1 =

    Температура = 120W * 14,7 ° C/W + 18 ° (температура навколишнього середовища) = 1782 ° C !

    Ми ще далекі від узгодженої цінності. Ми все ще ділимо попередню температуру більш ніж на чотири, переходячи від 7500 ° C до 1782 ° C. Навіть якщо розрахунок здається не зовсім коректним, ми можемо помітити значне поліпшення, додавши кулер.

    Розрахунок за допомогою вентилятора

    Подальше вдосконалення отримується при додаванні вентилятора. Мета - зменшити опір Rθ HA, який все ще занадто високий завдяки удару вентилятора на охолоджувач.

    Швидкість обертання вентилятора KDE1206PHV2A становить: 3,14 (Pi) * 6 см (діаметр) * 0,033 (сантиметр перетворення> фути) * 3800 об/хв (об/хв) = 2363 FPM (фути/хвилину)

    На графіку кулера, який видно вище, є дві криві. Ми побачили перше, а тепер давайте розглянемо друге (Швидкість повітря, фути в хвилину/Поверхня до навколишнього середовища). Після 800 FPM тепловий опір затримується при 2 ° C/W. Отже, ми теоретично, на підтвердження експертів, знизили тепловий опір охолоджувача з 10 ° C/W до 2 ° C/W. Що дає нам Rθ HA = 2 + (2/3) = 2,7 ° C/W.

    Новий підсумок: Rθ JC + Rθ HA + Rθ CH = 0,3 + 2,7 + 1,1 = 4,1 ° C/W Температура = 120 Вт * 4,1 ° C/W + 18 ° (температура навколишнього середовища) = 510 ° C ! Тут знову поліпшення є повчальним. Навіть якщо результат все ще занадто високий і сюрреалістичний.

    Продовжувати:

    Кулер

    Одиницею вимірювання є тепловий опір Rth в ° C/W. Чим вона менша, тим більше тепла вона може евакуювати.

    Кулер - збірка

    1. Просвердлите та постукайте радіатор
    2. Електрична ізоляція: ніколи не підключайте електричне світло через радіатор (хоча це часто анодовано), воно не повинно підключатися до будь-якого потенціалу. Ізолюючі комплекти використовуються з слюдяним ізолятором розміром корпусу (тут TO220) та силіконовим стволом ізолятора, щоб кріпильний гвинт не контактував між MOSFET та охолоджувачем.
    3. Максимальна теплопровідність: термопаста або термо стрічка (крута стрічка), який також ізолює електрично.

    Електропроводка

    • Розділ: Важливим є розмір з'єднань, через які проходить сильний струм. Наведений нижче приклад ілюструє, що може статися, коли ми зменшуємо розмір з'єднань:

    Це дало нам хороший урок (трохи пізно.). Рішення полягає у розділенні з'єднань, через які проходить сильний струм, і з'єднань низького струму (ланцюг управління). Сильний струм вимагає дротових з'єднань великих перетинів, решта цілком може бути припаяна на прототипі або на друкованій платі.

    Ділянка 2,5 мм² (або 14 AWG), здається, є стандартом для звукових кабелів. На практиці я також використовував кабель 1,5 мм², і вони не здавались нагрітими.

      Довжина: Також слід враховувати довжину кабелів. У нашому випадку силові кабелі не перевищують 2 метрів, тому це, мабуть, незначно. Але все ж, вимірюючи опір кабелю поганого розміру, класичного акустичного кабелю довжиною 4,5 метра із перетином 0,75 мм², я отримую 0,4 Ом. Таким чином, кабель програє V = I * R = 12 * 0,4 = 4,8 вольт. Що величезне в 12-вольтовій системі - це трохи більше третини.

  • Багатожильна: Ми також можемо вибрати між одножильним (жорстким) або багатожильним (гнучким) дротом живлення. Багатожильне видається найбільш підходящим рішенням, оскільки воно краще управлятиме тепловим розширенням, а також його буде легше зварювати.

    • Їжа

    Щоб живити систему, ви все одно повинні мати блок живлення, здатний витримувати перенапругу від 40 до 60 А для модуля, що управляє 2 фарами та 2 гудками, і мати достатню кількість заряду, щоб витримати продуктивність 20 хвилин. Наразі випробувано два рішення, одне з регульованими джерелами живлення 20А, підключеними до електромережі, інше - з автомобільними акумуляторами.

    Маючи проблеми з електромережею, ми можемо зробити висновок без додаткових перевірок, що він все ще малий. Отже, вибір, природно, спрямований на батареї.