Rozkład temperatur na PCB przy źle dobranym stabilizatorze liniowym zamiast przetwornicy.

Od kilku wpisów pojawiających się na forum zobaczyłem, że poruszany jest temat przetwornicy DC-DC i stabilizatora liniowego.
Co jest lepsze ?

Koledzy opracowali przykłady posługując się obliczeniami, wielu z Was może powiedzieć ZNÓW WZORY i MATEMATYKA , ok.
Postanowiłem pokazać jak to się ma w praktyce.
Badanie wykonałem na mojej płytce PCB, która kilka dni temu zaprojektowałem i przysłana została z fabryki .





Warunki pomiaru:
1) pomieszczenie zamknięte
2) temperatura w pomieszczeniu – 21 C0
3) wilgotność – 36%
4) pomiary temperatury odczytywane co 10 sekund

Elementy pomiarowe :

1) zestaw do pomiaru temperatury wykonany na makiecie dydaktycznej z podłączonymi trzema czujnikami temperatury typu LM35DZ do mikrokontrolera ATMEGA 32
2) pomiary przekazywane do komputera za pomocą RS232C
3) zasilacz laboratoryjny NSP-3630
4) zasilanie zestawu pomiarowego poprze port USB
5) program do prezentacji danych Putty
6) oprogramowanie pomiarowe napisane w BASCOM

Parametry zasilania zegarka:

1) napięcie wejściowe 7,10 V
2) pobór prądu przez zegar w stanie spoczynku 157mA



Rys 1. Pomiar prądu i napięcia w stanie spoczynkowym ( zasilane są tylko wyświetlacze LED, dwie diody LED i układy scalone )

W takich warunkach został wykonany pomiar temperatury trzema czujnikami a dane zostały zebrane w pliku bez diod.log



Rys 2. Wykres prezentujący rozkład temperatur na płytce PCB

Pierwszy pomiar wykonałem w czasie jednej minuty badając trzy punkty na płytce PCB.
Jak widać z wykresu nic niedobrego się nie dzieje w układzie, jedynie na samym stabilizatorze temperatura powoli rośnie. Pomijam temperaturę jaka panuje w złączu półprzewodnikowym ( nie miałem jak zmierzyć )
Następnie został załączony program odliczania czasu przez mikrokontroler , po upływie 15 sekund



Rys 3. Pomiar prądu i napięcia po 15 sekundach

Jak widać prąd pobierany przez zegarek wzrósł do wartości 319 mA , a co z temperaturą?



Rys 4. Odczyt danych - terminal

Putty – jak widać w Bascom też można kolorowe literki stawiać - tak mnie natchnęło z jednego z poradników Mirka i pozwoliłem sobie na zastosowanie WIEDZY przekazanej przez Mirka

Ale ok. wracamy do naszej płytki z zegarem , minęło już 30 sekund i co z naszym prądem



Rys 5. Pomiar prądu i napięcia po 30 sekundach

On dalej rośnie, teraz ma już 463mA – pomyślałem „biedny stabilizator jak on się teraz musi czuć „ ale jeszcze z płytki nic się nie dymi , poczekamy jeszcze kolejne 15 sekund.



Rys 6. Pomiar prądu i napięcia po 45 sekundach

Po 45 sekundach mamy już 597 mA ale dalej nic nie dymi no to czekamy dalej do pełnej minuty już nie wiele czasu pozostało – czekam dalej



Rys 7. Pomiar prądu i napięcia po 50 sekundach

Po 50 sekundach ma już 698 mA - ciekawe jak tam złącze półprzewodnikowe w tym momencie postanowiłem palcem sprawdzić stabilizator , to był zły pomysł, obudowa gorąca i w tym momencie sprawdziłem płytkę PCB , ONA TEŻ CIEPŁA

Na dowód ciepłej płytki wygenerowałem kolejny wykres.



Rys 8. Wykres zmian temperatury w czasie pracy zegarka przez 10 minut.

W ostateczności prąd jaki pobiera zegarek po 59 sekundach to 710 mA , i tak co każdą minutę obrotu zegarka
A co z płytką się dzieje w tym czasie :



Rys 9. Widmo rozkładu temperatury na PCB

W uproszczony sposób przedstawiłem rozkład temperatury na PCB w czasie pracy zegarka. Trzeba jednak pamiętać że płytka była na biurku bez obudowy. Jak byśmy zamknęli tą płytkę w obudowie bez wentylacji co się tam dopiero musi dziać. Ciepło nie ma możliwości wydostać się na zewnątrz .
Na załączonym zdjęciu widać też jak ważne jest dobre projektowanie płytek PCB nie tylko pod kątem EMC – (ElectroMagnetic Compatibility – EMC) kompatybilności elektromagnetycznej , o której się mówi bardzo wiele.

Ale o rozkładzie temperaturowym na PCB i wpływu tej temperatury na poszczególne elementy elektroniczne już się mało wspomina.

Załóżmy, że dałbym mikrokontroler w pobliżu stabilizatora, wiele osób tak robi i mówi, że po czasie ATMEGA się resetuje, przestaje działać , zawiesza. - teraz widać dlaczego

Jak widać ważne jest poprawne zasilanie układu elektronicznego, pamiętając że tu miałem tylko 7,10V czyli tylko o 2V więcej aby stabilizator zaczął poprawnie działać . Co by było jak bym podał na wejście napięcie 12V i więcej .

I teraz widzicie dlaczego kolega Mirek tak mocno poleca przetwornice DC-DC zamiast stabilizatora liniowego.

Jak ważnym jest poprawne dobieranie elementów i rozmieszczenie ich na płytce PCB tak aby wzajemnie na siebie nie wpływały .

Aż mnie korci zrobić te same badania z przetwornicą

Załączam też pliki z Putty i z arkusza kalkulacyjnego po analizie aby można było sobie zobaczyć dokładnie jak temperatura się rozkłada w poszczególnych punktach czasu.

_________________
sig off ;(

Kolego PAM JG muszę przyznać, że szczęka mi opadła
Świetnie przedstawiłeś temat i podziwiam ile czasu musiałeś na to opracowanie poświęcić, ale z pewnością było warto!
Ja także mam nadzieję, że coraz więcej osób zacznie bez obaw stosować przetwornice.

A tak przy okazji bardzo ciekawy projekt tego zegara? Może planujesz w przyszłości umieszczenie tego projektu w dziale DIY?

_________________
.

Ten obszerny przykład pokazuje pięknie pewną sprawę .... (zaraz powiem jaką) Bo wielu przeciwników przetworniczek jak tylko słyszy przetwornica to zaraz tam opowiada bajki o zakłóceniach telewizorów i radioodbiorników u sąsiadów itp .... krzycząc że stabilizatory liniowe są lepsze, że nie zginą - i w ogóle jakieś herezje - jakby ktoś tutaj mówił czy namawiał - że o stabilizatorach liniowych trzeba zapomnieć. Tak samo wchodzą często osoby i wypowiedzą się tylko - że aaaa to nie jest takie proste i trzeba umieć z jednej strony projektować przetwornice a z drugiej trzeba umieć stosować stabilizatory liniowe. ..... tylko co z takich wypowiedzi wynika dla początkującego ? - NIC !

i dlatego najbardziej cenię (przynajmniej ja) gdy ktoś potrafi jakoś rzeczowo odnosić się do tematu i pokazać jak się stosuje nie tylko przetwornice ale i stabilizatory liniowe! Tu jest bardzo ważne zdanie:



o czym nie wie 99% początkujących, którzy nie to że z lenistwa nie zajrzą do PDF'a - nie zajrzą bo nawet nie wiedzą czego szukać - nie znają się jeszcze i to można zrozumieć, dlatego najczęściej wybierają zasilanie wstępne +12V a że biorą do tego jeszcze zasilacze niestabilizowane to tak na prawdę - mają one na wyjściu wcale nie 12V tylko nap 15-16V! ... ale komu się tam chce zmierzyć ... i wtedy wielkie zdziwienie że paluchy się smażą !

tymczasem żeby w miarę rozsądnie wykorzystać stabilizatory liniowe to warto właśnie zwrócić uwagę na to żeby podać im na wejście minimalne możliwe napięcie ze źródła z odpowiednią wydajnością prądową - żeby np przy poborze prądu powiedzmy 0,5A napięcie 7V nie spadło do 6V bo i na wyjściu spadnie ...

wtedy jest DUUUUUUŻO lepiej ze stabilizatorem liniowym. Co więcej - jeśli nie dodajemy radiatora to przynajmniej (można zobaczyć to na tej płytce) jaka stosunkowo ogromna jest powierzchnia masy na tym PCB, która robi za niezły radiator i tylko dlatego przy takich przykładowych prądach temperatury są znośne. Oczywiście autor słusznie zauważył że są znośne też bo urządzenie nie jest zamknięte w szczelnej obudowie bez wentylacji ...

Dlatego też .... podsumowując - WARTO , naprawdę WARTO zwracać uwagę na takie podejście do stabilizatorów liniowych jeśli już z nich mamy zamiar korzystać ....

pozostaje wtedy tylko kwestia skąd tu wziąć stabilne i wydajne źródło z napięciem 7V i odpowiednią wydajnością prądową ?

Koniec końców często też tu może przyjść z pomocą właśnie co? przetwornica ? która może być tym dawcą 7V .... ale jak się przekonamy do przetworniczek i że TO NIE BOLI, to okaże się że w takim układzie gdzieś na końcu często można po prostu SPOKOJNIE zastąpić 7805 przetwornicą i wtedy odpadnie nam myślenie o tym skąd tu wziąć 7V ? .... bo do przetwornicy będzie można dać o wiele szerszy zakres napięć wejściowych bez wpływu na jej nagrzewanie się względem pobieranego prądu ...

mam nadzieję, że dla wielu bardzo początkujących będzie to wiele mówiący/dający artykulik

_________________
zapraszam na blog: http://www.mirekk36.blogspot.com (mój nick Skype: mirekk36 ) [ obejrzyj Kurs EAGLE ] [ mój kanał YT TV www.youtube.com/mirekk36 ]

Przy małych prądach, stabilizator wygrywa zdecydowanie CENĄ. Jak ktoś robi jakąś serię to musi dobrze zoptymalizować cenę produktu, a tutaj jest ogromna różnica, 7805 - 1zł?, a przetwornica gotowa - ok 20zł? To bardzo dużo. Na siłę nie pchajcie przetwornic wszędzie gdzie tylko się da, mają duże zalety, ale też bez przesady z tym grzaniem 7805

_________________
Likwidator absolutny.

Panie zrób sobie sam przetwornicę zamiast 7805 i wyjdzie cię to kilka zł


Bardzo mało w porównaniu do możliwości


DOKŁADNIE tak ... a co to dziwne ? 20 mA, 50 mA albo i 3 mA .... Wręcz niektóre przetwornice muszą mieć większe obciążenie na start żeby w ogóle działały ... Przy małych prądach można i warto użyć nawet 78L05


Kolejne takie posty będą kasowane bo już mam dość takich bzdur - chcesz panie kolego to zrób coś w stylu tego artykułu zamiast znowu klepać takie ogólniki nie wiadomo do kogo i nie wiadomo do czego ?


pewnie 7805 przy prądzie 1 mA będzie ZUPEŁNIE zimny .... masz 100% racji więc bez przesady z tym grzaniem

_________________
zapraszam na blog: http://www.mirekk36.blogspot.com (mój nick Skype: mirekk36 ) [ obejrzyj Kurs EAGLE ] [ mój kanał YT TV www.youtube.com/mirekk36 ]

W dziale DIY dodałem pliki ze schematem i wzorem płytki PCB, oraz wsad HEX do Atmegi32 może ktoś będzie chciał sobie zmontować taki zegareczek

_________________
sig off ;(

Na tym forum to brakuje mi przyznawania punktów za cenne informacje i wkład pracy I nie chodzi mi o forum elektroniczne na którym tak jest bo ja z innych klimatów pochodzę Jako początkujący amator sporo cennej wiedzy łyknąłem na początek od ludzi którzy już "na tym zęby zjedli" i jak do tej pory to się sprawdza i kupę czasu zaoszczędziłem zamiast rwać kudły z głowy.

Jako że tego tematu nie znam jeszcze za bardzo to powiem jakie jest moje wyobrażenie. Stabilizator liniowy to głównie nadaje się do pracy z jakimś radiatorem dobrze odprowadzającym ciepło (tanio ale wielkie tfuu.. tanio jak się ma jakiś radiator z odzysku) i tu zarazem pytanie czy wzrost temperatury ma wpływ na pobór prądu?

Bo przyznam że kupiłem kilka tych stabilizatorów w wielkim szale zakupowym jak jeszcze nie wiedziałem czego potrzebuję

Tylko że nie potrzeba być alfą i omegą, by policzyć prąd przepływający przez stabilizator razy napięcie które się na nim "odkłada" i mamy moc, która się na nim wydzieli.

Tak ciężko to policzyć ? jeżeli ktoś nie potrafi mnożyć, to może jednak warto by było trochę do podstaw wrócić

Dla mnie ktoś bez znajomości prawa oma, nie powinien brać się za podłączanie czegokolwiek do prądu własnej konstrukcji.
Po za tym ileż razy można opisywać jeden i ten sam temat?, są pewne pozycje książkowe które wyczerpują ten temat, wielokrotnie wałkowane.
Co z tego, że powstanie kolejny poradnik, jak jeden z drugim, nawet go nie przeczyta. Mimo wszystko podstawy w postaci prawa oma trzeba znać bezwzględnie.

Elektronika to nie jest hobby łatwe, trzepa poświęcić sporo dupogodzin by coś się dowiedzieć. A nie na zasadzie, kupić i złożyć. Bo potem wychodzą takie kwiatki, że albo coś się grzeje, albo marudzenie że przetwornica droga.

Pewne podstawy trzeba sobie wypracować samemu, jest kursów jak mrówków. Ośla Łączka z EdW, podstawy są opisane na stronie elportal, jest tego dużo i nie ma że boli.

------------------------ [ Dodano po: 14 minutach ]



Nie zawsze, pytanie ile jest wstanie rozproszyć mocy dana obudowa, oraz na jaki wzrost temperatury możemy sobie pozwolić.

Przykład

https://www.fairchildsemi.com/datasheets/LM/LM7805.pdf

RθJA Thermal Resistance, Junction-Air (TO-220) 65° C/W

Czyli tłumacząc jak ksiądz kaśce na miedzy, przy 1W temperatura na obudowie względem otoczenia wzrośnie o 65stopni (w uproszczeniu)

I teraz wiedząc że to raptem tylko 1W strat

Bierzemy wzór na moc czyli P=I*U, gdzie I to prąd płynący przez stabilizator, a U to napięcia jakie się na nim "oddzieli", czyli że np.

Zasilamy stabilizator 12V, na wyjściu mamy 5V, czyli na stabilizatorze zostanie 7V

I teraz zadanie dla was, policzcie sobie zależność przy jakim prądzie wydzieli nam się 1W mocy. Warto sobie zrobić tabelkę .

Każdy element, typy tranzystor, dioda czy układ scalony, ma podawany parametr Thermal Resistance Junction-Air

Drugi podawany Thermal Resistance Junction-Case, dotyczy zastosowanej obudowy, czyli jest to parametr potrzebny do liczenia jaki trzeba podpiąć radiator, by przy danej temperaturze otoczenia i mocy wydzielanej na elemencie, nie przekroczyć temperatury na elemencie na której nam zależy .

Tyle wstępu.

PS. To nawet nie są podstawy, podstaw, to elementarna wiedza, 15sekund z PDFem elementu w ręce i trochę dłubania w wikipedi (w moim przypadku EdW i Sztuka Elektroniki).,
To jest naprawdę proste do opanowania, coś jak posmarowanie kromki masłem, tylko najpierw trzeba wiedzieć na której półce leży masło, gdzie jest nóż i jak trzymać chleb by się nie uciąć .

Nie bójcie się pytać, tylko nie dziwcie się, że bez totalnych podstaw nie rozumiecie 99% z tego co jest napisane w datasheetach

Kolega rezasurmar w tym zdaniu wskazał też jeszcze jedną ważną sprawę,



że każdy element wydziela ciepło. Mniej lub więcej w zależności od parametrów elektrycznych jakie panują w naszym układzie elektronicznym. Dlatego zamieściłem rozkład widmowy temperatury na płytce PBC. Jak widać ciepło z naszego elementu jakim jest stabilizator rozproszone jest w laminacie. Jeśli byśmy mieli jakiś inny procesor, układ scalony specjalizowany, który by emitował ciepło to nieprzemyślane rozmieszczenie elementów na PCB mogło by źle wpływać na działanie całego naszego urządzenia.

I tak jak na załączonym przykładzie niżej , warto przemyśleć rozłożenie elementów na PCB.



Bo jeśli będziemy projektować jakieś urządzenie, w którym zastosujemy czujnik temperatury i nie będzie potrzeby instalowania go na przewodzie pozwalającym oddalić go od pozostałych elementów to tak naprawdę nasz czujnik będzie zbierał cały szum termiczny jaki powstaje w naszym urządzeniu.

Oczywiście wiedząc, że nasze urządzenie będzie generowało na poszczególnych elementach temperaturę, która może wpłynąć na jakość działania urządzenia, albo podwyższona temperatura może wpłynąć na skrócenie czasu pracy naszego urządzenia będziemy wiedzieli,
jak możemy je chronić przed szkodliwym wydzielaniem temperatury z poszczególnych elementów, stosować radiatory ale nie zawsze jest możliwość zastosowania radiatora ze względów konstrukcyjnych obudowy. Poza tym radiator też się z czasem nagrzewa i nie będzie miał możliwości chłodzenia naszego elementu i to on się stanie głównym elementem emitującym ciepło.

Dlatego aby przeciwdziałać takim zjawiskom możemy na płycie PCB w pobliżu stabilizatora, procesora, mikrokontorlera, czy innego elementu elektronicznego wrażliwego w naszym urządzeniu umieścić czujnik temperatury np. LM75M ,czujnik taki posiada wyjście alarmowe. W prawdzie komunikuje się on po magistrali I2C ale ma w sobie możliwość ustawienia dolnej i górnej temperatury zadziałania alarmu, podobnie jak popularny DS18B20 o czym nie wszyscy wiedzą . Też ma takie możliwości . osobiście sprawdziłem działanie LM75M i po wpisaniu do odpowiednich rejestrów wartości tych temperatur po ich przekroczeniu na wyjściu alarmowym czujnika pojawia się sygnał sterujący za pomocą, którego możemy sterować jakiś tranzystor, który załączy nam wiatraczek i już mamy w prosty sposób zrobiony termostat. Za pomocą takiego rozwiązania poprzez otwory wentylacyjne w obudowie ( warunek - jeśli nie musimy zachować hermetyczności obudowy ) ciepło odprowadzimy z wnętrza obudowy, tak jak to jest zrobione w laptopach .

Oczywiście trzeba się zastanowić czy takie rozwiązanie jest potrzebne w naszym urządzeniu bo w przypadku mojego ZEGARKA zastosowanie wentylatorka to by była lekka przesada i wystarczy zastosować mały radiator przyklejony do stabilizatora.


Wracając do naszej płytki PCB, chciałem tym artykułem pokazać że warto przemyśleć rozkładanie elementów w czasie projektowania PCB. A wylewanie masy POLYGONEM może też być przydatne jako właśnie radiator, nie tylko jako MASA GND pod kątem elektrycznym.

Myślę że temat rozkładu temperatury na PCB jest ciekawym ale i trudnym zagadnieniem i nie zawsze początkujący koledzy zdają sobie sprawę, że takie problemy mają miejsce w układach elektronicznych. A to często jest powodem błędnego działania urządzeń, które pod wpływem temperatury emitowanej z elementów elektronicznych działają niepoprawnie lub się nawet wyłączają.

A znając takie zagadnienie wiemy jak chronić nasze urządzenia przed zniszczeniem.

A , przypomniało mi się też że przelotki pod układami scalonymi mają działanie odprowadzenia ciepła.
jeśli ktoś chce zgłębić wiedze na temat rozkładu termicznego na PCB to znalazłem ciekawy artykuł

podaję link do niego : http://elektronikab2b.pl/technika/15770-analiza-termiczna-projektow-pcb#.VF8eKmdASoA
on powinien wiele wyjaśnić i pokazuje bardziej szczegółowo problem odprowadzania temperatury z PCB.

_________________
sig off ;(

Dzięki Kolego rezasurmar trzeba przeglądać noty i z grubsza można określić jak to będzie grzało. Policzyłem sobie dla atmegi8 z ośmioma LEDami i wychodzi że potrafi fajnie zagrzać. I w sumie niedaleko już do jego maksymalnej temperatury pracy.




Mógłby wyjść ciekawy zegarek a tak na poważnie to ten temat zwraca uwagę na ważną rzecz o której się nie myślało. I teraz zonk jak zamknięte urządzenie w upalny dzień przestaje działać bo zadziałało zabezpieczenie termiczne jakiegoś układu.

Czasem warto przemyśleć dodanie sterowania diod czy innych elementów przez tranzystor w układzie otwarty kolektor dzień spadek na tranzystor ze wynosi ok 0,2V w przypadku pełnego nasycenia lub zastosować może ta gdzie rezystancja źródło drenaż jest na poziomie kilku-kilkudziesięciu miliomów. Dzięki temu straty w elementach można mocno zredukować. Gdyż jak wcześniej kolega zauważył i ładnie przedstawił trzeba na problem grzania elementów patrzeć globalnie.

namacane z tableta...

Bardzo fajny artykuł kolega napisał. A przetwornice aż takie straszne nie są. Na pewno zaprojektować dobry, działający, nie emitujący zakłóceń układ, to sztuka. Ale od czegoś trzeba zacząć, zaprojektować, powalczyć z tymi zakłóceniami, inaczej się człowiek nie nauczy. Wziąć MC34063 i spróbować. W nocie układu są potrzebne wzory (str. 11), przysiąść, policzyć, zobaczyć jakie są zależności. Na pewno łatwiej jest wziąć stabilizator, ale nie zawsze jest to dobre rozwiązanie.

Co do samego tematu temperatury to bardzo fajny pomysł z użyciem termometrów na I2C. Są relatywnie tanie. Sam chyba pokuszę się o zrobienie takich testów. No i nie trzeba jakiegoś wyrafinowanego sprzętu pomiarowego (dokładnych termometrów, pirometrów, kamery termowizyjnej), żeby czegoś się dowiedzieć.

_________________
Szukasz książek o elektronice i programowaniu?