【参赛】半导体器件的另类应用-制作“暖鞋器”

yinekp

半导体器件的另类应用-制作“暖鞋器”

   身为从攒矿石收音机开始上路成为业余电子技术爱好者，踟躇至今已过去了六十余年，藏品（儿子、老伴称之为破烂）自然不少。这不，小收拾一下便找出了一堆金属壳三极管和稳压IC（图1）。大多是当年热衷于攒音放、攒电视、修电视及组装点小玩意时购买的。现今留之无用弃之可惜，好生为难。
   雨雪之际外出归来，鞋内常是湿冷难耐，且久置不干，于是便想到制作一付“暖鞋器”。
   开始时想用电热丝绕在耐热绝缘片上。由于难以找到适用的绝缘片，便想到了那些“留之无用弃之可惜”的三极管和稳压电路。利用众所周知的，任何电子装置都会将其消耗的电能最终转换为热的原理，直接利用三极管或IC电路产生的热量，既简化了制作工艺，又消耗了积压库存。
   通过试验，分别利用三极管和稳压IC制作了两种类型的“暖鞋器”现简介如下：
   1. 使用金属壳三极管的“暖鞋器”
   图2为电路原理图。
   图中，R2为三极管Q1提供基级电流，其集电极流过β（本例为直流电流放大系数）倍的集电极电流。集电极电流与集-射间电压之积和发射结由于通过基级电流消耗的电功率之和即为三极管Q1最终散发到环境中的热量。其中发射结由于基级电流通过产生的热量较小，可以忽略不计。由于三极管电流放大系数随温度升高而增大，为避免恶性循环，用与Q1热接触的三极管Q2进行温度补偿。当温度升高时分流作用增大，减小Q1的基级电流，使电路总电流保持在一定范围内。忽略风扇与发光管电路产生的热量，Q1、Q2、R2产生的总热量即为“暖鞋器”热源。
   制作完成或待选用的部分零配件见图3.
   图4为Q1与Q2、R2的连接及与叉指散热器的固定方式。
   根据本人条件，本制作用12V、最好是3A开关电源供电。通常需打开电源外壳连接两条电源线，且电源插头为“外正内负”。这是因为本制作中功率三极管外壳为集电极且直接电源正极并与散热器紧密接合，这样可避免一电源插头碰到另一已接电源的“暖鞋器”外露金属部分时造成电源短路。
   为加速气流流动，增强暖鞋效果，使用了原用于电脑硬盘盒的散热风扇（图5）。“热源”产生的热量主要由叉指散热器通过风扇气流带入鞋内。
   制作时要在三极管和散热片间涂抹导热硅脂，並务其使接触紧密。
   电阻R2为本制作唯一需调整的元件。调整前在电源回路中串入电流表，接通电源，由大至小调整R2（使用200Ω-300Ω可调电阻），由于Q1的温度逐渐升高，电流也会逐渐增大，当热量传入Q2后，电流又会逐渐下降，热平衡后，电流值会基本稳定下来。反复几次，使稳定后的电流为预定值，将R2替换为同值固定电阻即可。
   图6为制作完成的“暖鞋器”及所用三极管引脚功能标注。
   图7为制作完成后进行通电试验。
   本制作的一大特点是对所用三极管的要求极低。只要允许最大耗散功率符合要求，那些放大系数小、穿透电流大、耐压低、饱和压降高的管子都可以用。
   2. 使用金属壳稳压IC的“暖鞋器”
   根据半导体器件会将消耗的电能转换为热的原理，也可使用稳压IC的制作“暖鞋器”。特别是金属壳稳压IC，电路和制作工艺更为简单。由于电路本身具有的过压、过流和超温保护功能，性能也更为稳定可靠。
   本制作选用的稳压IC型号为“LM323”,特性与常见的“7805”系列相当，最大输出电流为3A。图8为本制作电路原理图。
   本制作选用淘汰电脑音箱的铝背板改制散热器（图9）。
   图10为稳压IC与散热器结合后的“暖鞋器”部件。
   图11为制作完成的使用稳压IC的“暖鞋器”及稳压IC的引脚功能标注。
   本制作电源为加装桥式整流电路的输出为“24V2A”的工频铁芯变压器（图12）。因为使用的稳压IC外壳为“GND”所以电源输出线插头为常见的“外负内正”方式。
   因为电源输出为桥式整流后的脉动直流，稳压IC输出为峰值5V的“梯形波”，实测有效值约为4.2V。可以据此选用负载电阻以确定电路工作电流。
   实验时发现，由于工作电源为脉动直流，原本6V电压即可启动的散热风扇常常不能正常启动。为此添加了由电阻R2、二极管D和电解电容C构成的隔离滤波电路。
   图13为组装完成並通电进行对比试验时的，热源分别使用稳压IC的和使用金属壳三极管的“暖鞋器”。
   3. 后记
   为确保安全和半导体器件能长期稳定工作，建议工作电压不要超过30V，且电源次级与市电隔离。
   根据实验，建议每只“暖鞋器”消耗电功率控制在8W-15W之间，三极管或IC外壳温度不超过60℃较为合适。
   风扇气流不需很大，本例在气流通路进行了适当遮挡，或适当降低风扇工作电压；也可不用风扇，将鞋摆放为“前高后低”的状态，利用气流的自然循环。当然，暖鞋效果要差些。

                                               2023年1月11日

hujj

当年生产这些大功率三极管的工人们要哭了

ztzp

直接用大功率电阻不好吗？

w6955

热风枪比这个好，缺点就是需要两个头。

hujingdi

感谢您的作品参赛！

老无线电小白

原理图手工绘制?

刘老根

这就是 手工耿 的师爷 。

yinekp

ztzp 发表于 2023-1-14 00:16
直接用大功率电阻不好吗？

用大电阻或电热丝当然可以，可我那些存货留之何用呢？

snoopyzhaoits

这个想法确实有意思

yinekp

w6955 发表于 2023-1-12 06:28
热风枪比这个好，缺点就是需要两个头。

热风枪大概能把鞋吹冒烟，噪音也太大。