Mały liniowy zasilacz: Sygnalizacja przegrzania

Oto dziewiąty artykuł serii pokazującej, jak elektronik dla swej ogromnej satysfakcji może zaprojektować i zrealizować niewielki zasilacz liniowy do swojej pracowni. Zbliżamy się do końca cyklu. W poniższym artykule w dużym skrócie omawiam kwestie i problemy związane z wydzielaniem i rozpraszaniem ciepła.

We wcześniejszych artykułach serii omówiłem kluczowe obwody, w tym najważniejszy stabilizator napięcia. Potem dodaliśmy ogranicznik prądowy oraz obwody pomiaru napięcia i prądu a także sygnalizator braku stabilizacji. W tym artykule zajmiemy się sygnalizatorem przegrzania.

Dlaczego i po co sygnalizator przegrzania?

Większość krzemowych tranzystorów oraz układów scalonych ma maksymalną dopuszczalną temperaturę pracy +150°C. To znaczy, że scalona struktura podczas pracy może osiągnąć +150°C i układ może tak pracować bezawaryjnie przez wiele lat. Tak, ale przekroczenie tej temperatury szybko, a wręcz gwałtownie zwiększa prawdopodobieństwo uszkodzenia. A silne przeciążenie i mocne przegrzanie spowoduje błyskawiczne uszkodzenie (spalenie) w ciągu kilku sekund.

Scalony stabilizator LM317 ma wbudowany obwód zabezpieczenia termicznego, który chroni kostkę przed spaleniem. Jego działanie polega na płynnym zmniejszaniu napięcia i prądu wyjściowego, czyli mocy strat cieplnych tak, żeby nie przekroczyć znacząco dopuszczalnej temperatury +150°C. To oczywiście bardzo dobrze! Budujemy zasilacz warsztatowy i takie zabezpieczenie bardzo się przyda!

Jest jednak ważny problem praktyczny. LM317 to stabilizator nominalnie 1,5-amperowy. W zasadzie tak, ale tylko w określonych, korzystnych warunkach. W praktyce „możliwości” LM317 wyznacza właśnie maksymalna temperatura scalonej struktury, a ta zależy od rezystancji termicznych, w szczególności od zastosowanego radiatora.

Bez radiatora kostka LM317 (i wszystkie podobne w obudowie TO-220) może bezpiecznie rozproszyć tylko około 2 watów mocy strat. Przykładowo przy napięciu wejściowym stabilizatora 20 V (i ustawieniu napięcia wyjściowego 10 V) i przy rezystancji obciążenia 20 omów, prąd ma początkową, prawidłową wartość około 0,5 ampera, co pokazuje fotografia 1 oraz fotografia tytułowa.

Tak, ale w ciągu kilkunastu sekund po włączeniu, zarówno napięcie jak i prąd zaczynają się zmniejszać. Po około minucie napięcie wyjściowe stabilizatora zmniejsza się do stabilnej wartości około 4 woltów, a prąd do około 0,2 A, co przedstawia fotografia 2.

W modelu pokazanym na fotografii stabilizator LM317 bez radiatora tylko przez pierwsze kilkanaście sekund po włączeniu daje prawidłowe napięcie wyjściowe. Potem napięcie i prąd dramatycznie się zmniejszają wskutek zadziałania wbudowanego w LM317 zabezpieczenia termicznego. Łatwo policzyć, że na początku napięcie U_DO na stabilizatorze wynosi 10 V i prąd 0,5 A, więc wydziela się w nim 5 watów ciepła, których nie jest w stanie rozproszyć do otoczenia. Po zadziałaniu zabezpieczenia napięcie na stabilizatorze wynosi około 16 V, a prąd niecałe 0,2 A, więc w stabilizatorze wydziela się około 3,2 wata mocy strat w postaci ciepła. Taką moc potrafi rozproszyć stabilizator wetknięty w płytkę stykową.

Potrzebny jest radiator, ale obliczenie i dobranie optymalnego radiatora do kostki LM317 nie jest łatwym zadaniem. Oczywiście lepiej zastosować radiator za duży niż za mały. Ze względów termicznych niekorzystne jest stosowanie przekładek izolacyjnych między układem scalonym i radiatorem (ale wtedy radiator będzie miał potencjał dodatniego napięcia wyjściowego).

Struktura krzemowa układu scalonego może mieć nawet +150°C, a prawidłowo dobrany radiator może mieć nawet ponad +100°C. A jeżeli podczas pracy w najgorszych warunkach radiator jest gorący, ale można go jeszcze dotknąć bez obawy poparzenia, to znaczy, że jest dobrany ze sporym zapasem.

Zabezpieczenia termiczne i sygnalizacja przegrzania w zasilaczach profesjonalnych to oddzielne, obszerne zagadnienie. Inaczej wygląda to w konstrukcjach amatorskich. Mniej doświadczeni hobbyści z różnych powodów często stosują zbyt małe radiatory. Niektórzy – odwrotnie – stosują radiatory zdecydowanie zbyt duże, przewymiarowane. Ponadto skuteczność chłodzenia zależy też od innych czynników, choćby od warunków przepływu powietrza wewnątrz obudowy zasilacza.

Podkreślam, że zbyt słabe chłodzenie LM317 wprawdzie go nie uszkodzi, ale spowoduje zmniejszenie napięcia i prądu wyjściowego. Wprawdzie pokażą to (wbudowane) mierniki prądu i napięcia wyjściowego, ale praktyka wskazuje, że nie zawsze to zauważymy, co może łatwo doprowadzić do błędów i poszukiwania przyczyn problemu nie tam gdzie trzeba. Dlatego amatorski zasilacz warto wyposażyć w akustyczny sygnalizator przegrzania kostki LM317 lub w automatyczny sterownik wentylatora.
(…)

——– ciach! ——–

To jest tylko fragment artykułu, którego pełna wersja ukazała się w grudniowym numerze czasopisma Zrozumieć Elektronikę (ZE 12/2025). Czasopismo aktualnie nie ma wersji drukowanej na papierze. Wydawane jest w postaci elektronicznej (plików PDF). Pełną wersję czasopisma znajdziesz na moim profilu Patronite, gdzie dostępna jest dla Patronów, którzy wspierają mnie kwotą co najmniej 15 zł miesięcznie. Natomiast niepełna, okrojona wersja, pozwalająca zapoznać się z zawartością numeru ZE 12/2025 znajduje się tutaj.

Piotr Górecki

Uwaga! Wskazówki, jak nabyć pełne wersje dowolnych numerów ZE znajdują się na stronie:
https://piotr-gorecki.pl/n11.