Pierwsze kroki
P
i
e
r
w
s
z
e
k
r
o
k
i
część 9
Tranzystory
dla poczÄ…tkujÄ…cych
Radiator
Niniejszy odcinek zawiera dalsze informacje na temat odprowadzania ciepła i rozkładu temperatur
w pracujących tranzystorach mocy. Interesujący prosty sposób oszacowania rezystancji termicznej radiatora
 metodą kropelki pozwoli praktycznie dobierać radiatory w konkretnych zastosowaniach.
Dla utrwalenia wiadomości podanych zastosowaniu poszczególnych tranzysto-
w poprzednich odcinkach koniecznie wy- rów. Przyjmij Rthcr = 0,2K/W. Temperatu-
konaj na poczÄ…tek kilka kolejnych ćwiczeÅ„ rÄ™ otoczenia przyjmij równÄ… +40°C.
r
y
s
u
n
e
k
6
3
teoretycznych. A teraz rysunek 63. MajÄ…c dane rezys-
r
y
s
u
n
k
u
6
2
Na rysunku 62 podałem ci trzy podob- tancje termiczne i wiedząc, jaką moc mu-
ne sytuacje. Układ jest ten sam (rysu- sisz rozproszyć, oblicz rozkład temperatur
nek 62a), taki sam jest radiator i ta sama w poszczególnych punktach. Na rysun-
moc tracona (28W). W układzie możesz ku 63 zaznaczyłem ci niektóre wartości.
zastosować trzy różne tranzystory mocy, Wydawałoby się, że znając moc żarówek
wszystkie w obudowie TO-220 i wartoś- i ich napięcie pracy można obliczyć ich re-
rys. 63.
r
y
s
.
6
3
.
ciach Rthjc wziętych z katalogu: odpo- zystancję, ewentualnie zmierzyć ją omo-
wiednio 0,92K/W; 1,67K/W oraz 3,1K/W. mierzem i podstawić do wcześniej poda- obciążenia rezystorowego. Powód jest
Oblicz, jakie będą temperatury złącza przy nych wzorów na moc strat dla najgorszego prosty: rezystancja żarówek nie jest stała,
przypadku. tylko bardzo silnie i nieliniowo zmienia siÄ™
rys. 62.
r
y
s
.
6
2
.
Niestety, dla wraz ze wzrostem prądu. Przykładowo ża-
żarówek nie rówka samochodowa 12V 21W przy na-
m o ż n a pięciu nominalnym ma rezystancję około
w prosty 6,8&!, natomiast przy bardzo małych napię-
sposób obli- ciach i prądach zimne włókno ma rezystan-
czyć mocy cję około 0,5&!. Dla żarówki 12V 10W re-
strat dla naj- zystancja gorÄ…ca i zimna wynoszÄ… od-
gor sz ego powiednio 14,4&! i 1,2&!. Dla żarówki 12V
przypadku, 5W: 29&! i 2,7&!, dla żarówki 24V 21W:
tak jak liczy- 27,5&! i 1,8&!. Jaką rezystancję należałoby
liśmy wcześ- podstawić do wzoru? Ponieważ rezystan-
niej z pomo- cja żarówki tak silnie zależy od temperatu-
cÄ… prostych ry, wzory podane w poprzednich odcin-
wzorów dla kach nie mogą być zastosowane. Dlatego
30 ELEKTRONIKA DLA WSZYSTKICH 9/98
Pierwsze kroki
P
i
e
r
w
s
z
e
k
r
o
k
i
tranzystora (ściślej styku tranzystora z ra-
diatorem) nie przekroczy +120°C, to tran-
zystor nie będzie przegrzany. Tylko jak
określić tę temperaturę?
Wykorzystaj praktycznie podane infor-
macje. Umieść kropelkę wody na metalo-
wej wkładce tranzystora TO-220, włącz
układ i czekaj. Jeśli po ponad minucie
pracy układu w pewnym momencie
w kropelce wody pojawiÄ… siÄ™ bÄ…belki pa-
ry, kropelka zacznie wrzeć i wyparuje,
temperatura obudowy przekroczyła
+100°C. Nie wpadaj w panikÄ™! JeÅ›li teraz
rys. 64. rys. 65. rys. 66.
r
y
s
.
6
4
.
r
y
s
.
6
5
.
r
y
s
.
6
6
.
umieścisz następną kropelkę wody na
na rysunku 63 podana jest moc strat wydzie- Czy można dopuścić takie warunki i goto- wkładce, a ta wyparuje po kilku sekun-
lająca się w tranzystorze w najgorszych wa- wać wodę na tranzystorze i radiatorze? Do dach, to temperatura wkładki wynosi
runkach (34W). Już na pierwszy rzut oka wi- tej pory być może uważaÅ‚eÅ›, że jeÅ›li mo- +100...+110°C. To naprawdÄ™ jest dopusz-
dać, że z tranzystorem BDW83 (Ptot=130W, żesz dotknąć palcem do radiatora pracują- czalna sytuacja. Pamiętaj, że nie jesteś
Tjmax=+150°C, Rthjc=0,96K/W) powinie- cego tranzystora i siÄ™ nie oparzysz, to ra- kucharzem, tylko elektronikiem.
neś rozproszyć podaną moc 50W, bo kata- diator jest właściwy. Jeśli nie możesz go Jeśli przy takim eksperymencie pierw-
logowa moc strat Ptot wynosi aż 130W. utrzymać, bo parzy  radiator jest za mały. sza kropelka wody nie chce wyparować
Słusznie! To nie jest dobry sposób oceny radia- w towarzystwie bąbelków pary i niknie
Przeprowadz
obliczenia dla sytuacji tora. Nie bój się wyższych temperatur. powoli w ciągu kilku minut lub więcej to
z rysunku 63 i trzech różnych radiatorów. Wiesz przecież, że temperatura półprze- temperatura obudowy jest niższa niż
6
4
.
.
.
6
6
Potem zaznacz na rysunkach 64...66 tem- wodnikowego zÅ‚Ä…cza może wynosić na- +100°C i radiator jest dobrany z pewnym
peratury w poszczególnych punktach. wet +150°C. Dlatego temperatura obudo- zapasem. OczywiÅ›cie radiator może być
Już obliczyÅ‚eÅ›? wy tranzystora równa +120°C generalnie przy tym tak gorÄ…cy, że w nie bÄ™dziesz
Przeanalizuj uzyskane wyniki. Przy ewi- nam nie przeszkadza. Nie bój się więc mógł go dotknąć.
dentnie zbyt maÅ‚ym radiatorze (wersja tych +115°C. OczywiÅ›cie tak rozgrzanego JeÅ›li jednak pierwsza kropelka wypa-
z rysunku 64) temperatura złącza wynios- radiatora nie możesz wystawić na ze- ruje w czasie krótszym niż minuta, a na-
Å‚aby aż +212°C. To rzeczywiÅ›cie dużo. Za wnÄ…trz obudowy, bo rzeczywiÅ›cie ktoÅ› stÄ™pna kropelka wyparuje z sykiem na-
dużo! Radiator jest za słaby, z mały. mógłby się poparzyć. Ale jeśli radiator tychmiast po jej umieszczeniu na wkład-
Na pewno przy ogromnym radiatorze o tej temperaturze jest umieszczony we- ce, to szybko wyłącz układ  temperatura
z Rthra = 0,72K/W z rysunku 65 wszyst- wnÄ…trz obudowy, to nie ma problemu. obudowy przekroczyÅ‚a +120°C, a tempe-
ko jest w porzÄ…dku. Temperatura zÅ‚Ä…cza A teraz słówko na marginesie. Być mo- ratura zÅ‚Ä…cza mogÅ‚a przekroczyć +150°C.
wynosi +100°C, a radiatora okoÅ‚o +65°C. że podziwiaÅ‚eÅ› potężne, czernione radiato- Zastosuj wiÄ™kszy radiator, bo ten jest za
Ale czy w wersji z rysunku 66 mieści- ry w niektórych wzmacniaczach mocy. mały dla danej mocy traconej.
my się w przepisanych granicach? Tem- Przykładowo niektóre starsze krajowe Nie polecam ci innych sposobów po-
peratura zÅ‚Ä…cza to dopuszczalne +150°C. wzmacniacze o mocach wyjÅ›ciowych rzÄ™- miaru temperatury, bo w domowych wa-
A temperatura obudowy? du 2 x 15...2 x 50W były wyposażane w ta- runkach nie zbudujesz sensownego ter-
Tak! BÄ™dzie wynosić okoÅ‚o +120°C! kie potężne radiatory, wystajÄ…ce z tylnej mometru do pomiaru temperatury obu-
Nawet temperatura radiatora sięgnie nie- ścianki obudowy. Wielkość tych radiato- dowy tranzystora. Nie próbuj wykorzysty-
mal +115°C. rów może sugerować, że do rozproszenia wać sondy zawartej w wyposażeniu lep-
Ściślej biorąc, taka temperatura wy- kilkudziesięciu watów mocy strat potrzeb- szych multimetrów cyfrowych. Błąd ta-
stąpi tylko w punkcie styku czyli tam, ne są koszmarnie wielkie radiatory. Wcale kiego pomiaru byłby zbyt duży. Do prób
gdzie z pomocą smaru silikonowego lub tak nie jest! Wielkość wspomnianych ra- z tranzystorami w obudowach TO-220
silikonowej (ale nie mikowej) podkładki diatorów wynikała z tego, że były wysta- polecam prosty sposób z kropelką wody.
przykręcony jest tranzystor. Powierzchnia wione na zewnątrz i obowiązujące przepisy Dlaczego zalecam próby tylko z obu-
radiatora będzie mieć trochę niższą tem- żądały, by temperatura ich powierzchni nie dową TO-220 lub podobną większą, np.
peraturę. O ile niższą? To zależy od wielu przekroczyła wyznaczonej granicy. Nie daj TO-218 (SOT-93)? Bo masz wtedy bez-
czynników i nie jest najważniejsze. Nie się więc zasugero-
musisz się w to wgłębiać. W każdym ra- wać wielkością ra-
zie na podstawie rysunków 64...66 mo- diatorów w takich
żesz się przekonać, że o ile zastosujesz wzmacniaczach.
smar silikonowy, to temperatura metalo- Teraz wracamy
wej wkładki tranzystora TO-220 (takie do głównego wątku.
przecież stosujemy najczęściej) będzie Co wynika z ry-
mniej więcej taka, jak temperatura radia- sunków 63...66?
tora w miejscu styku z tranzystorem. Przy nowoczes-
Różnica kilku stopni nie ma znaczenia. nych tranzystorach
Czy jednak temperatura obudowy w obudowach TO-
tranzystora wynoszÄ…ca +120°C to aby nie 220 i mocach traco-
za dużo? nych do 20...30W
Woda wrze w temperaturze +100°C, możesz przyjąć, że
a w temperaturze +120°C kropelka wody jeÅ›li temperatura
szybciutko wyparowuje z lekkim sykiem. metalowej wkładki
ELEKTRONIKA DLA WSZYSTKICH 9/98 31
Pierwsze kroki
P
i
e
r
w
s
z
e
k
r
o
k
i
pośredni dostęp do metalowej wkładki
radiatorowej. W przypadku tranzysto-
rów w plastikowej obudowie TO-126
nie masz bezpośredniego dostępu do
wkładki radiatorowej, a temperatura
plastikowej powierzchni nie pozwala
wnioskować o temperaturze złącza. Po-
dobnie jest ze starszymi tranzystorami
w metalowej obudowie TO-3. Też nie
masz dostępu do płaszczyzny, przez
którą jest przekazywane ciepło do radia-
tora, a temperatura metalowego kaptur-
ka zależy od konstrukcji obudowy i nie
rys. 67. rys. 68. rys. 69.
r
y
s
.
6
7
.
r
y
s
.
6
8
.
r
y
s
.
6
9
.
pozwala wyciągnąć wniosków na temat
temperatury złącza. Moc tę możesz regulować potencjo- 3,5K/W. Temperatura złącza będzie więk-
W każdym razie eksperymenty z tran- metrem P1. Przy pierwszym włączeniu sza od temperatury obudowy o
zystorami w typowej obudowie TO-220 zamiast bezpiecznika należy wÅ‚Ä…czyć ża- "T=P×Rthjc
pozwolą ci wstępnie określić parametry ra- rówkę 12V 10...60W i ustawić potencjo- Jak widzisz jest to bardzo prosty spo-
diatorów, które potem będą współpraco- metr P1 na minimum prądu. Dopiero po sób oszacowania rezystancji termicznej
wać z tranzystorami w innych obudowach. takim sprawdzeniu można zamienić ża- radiatora. Pamiętaj jednak, że jest to spo-
rówkę na bezpiecznik. sób, powiedzmy oszczędny . Może się
Podczas póz
niejszych pomiarów serdecznie zdziwisz, jak małe będą radia-
w najprostszym przypadku możesz tory potrzebne do rozproszenia mocy
mierzyć tylko napięcie na szerego- 5...10W przy temperaturze obudowy
wym rezystorze 0,1&!. Zakładając, że tranzystora (TO-220) wynoszącej
napiÄ™cie akumulatora nie zmienia +100...+120°C. W praktyce nie stosuj
się i jest równe 12V (zmierz), moc jednak aż tak małych radiatorów. Pamię-
strat wydzielana w tranzystorze (po- taj, że próby przeprowadzasz na wolnym
mijajÄ…c straty w rezystorze R1) bÄ™- powietrzu, a potem radiator zamkniesz
dzie wynosić w obudowie, gdzie będą znacznie gorsze
P[W]=120×U1 [V] warunki chÅ‚odzenia. Poza tym obniżenie
Wez
kilka radiatorów poczÄ…wszy od temperatury zÅ‚Ä…cza poniżej +150°C jesz-
Podałem ci tu z grubsza ogólną zasadę kawałeczka blachy aluminiowej (np. cze bardziej zwiększy niezawodność
sprawdzenia, czy przy mocach do 4 x 4cm) do sporego radiatora z aluminio- urządzenia. W miarę możliwości stosuj
20...30W radiator nie jest za mały. Czy dla wego fabrycznego profilu i kolejno znacznie większy radiator. Ale ze sposo-
większych mocy jest podobnie? Jak roz- sprawdz
 metodÄ… kropli , jakÄ… moc mo- bu z kropelkÄ… wody nie rezygnuj. Przepro-
kładają się temperatury? Jeśli chcesz to żesz stracić z poszcze-
sprawdzić, przeprowadz
obliczenia i uzu- gólnymi radiatorami. Nie
r
y
s
u
n
k
i
6
7
.
.
.
6
9
pełnij rysunki 67...69. Sytuacje z rysun- przekrocz tylko dopusz-
ków 67...69 są trochę sztuczne, bo za każ- czalnego prądu tranzys-
dym razem rezystancja radiatora jest tak tora mocy. A przy mocy
dobrana, by przy danej mocy strat tempe- traconej większej niż
ratura zÅ‚Ä…cza nie przekroczyÅ‚a +150°C. 30W nie zapomnij o re-
A radiator o rezystancji 0,6K/W to potężny zystancji Rthjc, która na
kawał aluminiowej kształtki. W każdym ra- przykład dla tranzystorów
zie sam widzisz, że przy zastosowaniu mocy BD249/250,
smaru silikonowego temperatura obudo- BDV64/65 wynosi 1K/W,
wy i radiatora różni się niewiele, bo tylko dla BDW93/94  1,56K/W,
o kilka stopni. Zapamiętaj, że temperatura dla BD905...BD912 
wkładki radiatorowej jest niższa od tem- 1,4K/W, BD243/244 
peratury złącza o mniej więcej 1,9K/W, a dla starych kra-
"Tjc=P×Rthjc jowych BD280...286 aż
Teraz masz już sporo wie-
rys. 70.
r
y
s
.
7
0
.
dzy o zależnościach ciepl-
nych. Na razie jest to wiedza
czysto teoretyczna. A ty
chcesz być praktykiem. Zbu-
r
y
s
u
n
k
u
7
0
duj więc układ z rysunku 70
lub podobny z tranzystorem
T1 w obudowie TO-220 lub
TO-218 (SOT-93), o jak naj-
większej katalogowej mocy
Ptot. Przy przepływie prądu
przez tranzystor będzie się
w nim wydzielać moc
P=UT×IC
32 ELEKTRONIKA DLA WSZYSTKICH 9/98
Pierwsze kroki
P
i
e
r
w
s
z
e
k
r
o
k
i
wadz
próby, bo pozwoli ci to nabyć do- wrócimy jeszcze do tematu radiatorów
świadczenia, byś potem potrafił dobrać na łamach EdW. Napisz do mnie w tej
odpowiedni radiator bez żadnych prób sprawie.
P
i
o
t
r
G
ó
r
e
c
k
i
i eksperymentów. Piotr Górecki
Na koniec zafundowałem ci małą po-
wtórkę i konkurs. A jeśli zechcesz, po-
Pierwsze kroki
P
i
e
r
w
s
z
e
k
r
o
k
i
Najpierw wydawało ci się, że znając maksymalne napięcie UCE0 i maksymalny prąd
kolektora ICmax obliczysz moc tranzystora jako UCE0 x Icmax.
Okazało się to nieprawdą. Dla każdego tranzystora podaje się w katalogu maksymal-
nÄ… moc strat Ptot, która jest znacznie mniejsza niż iloczyn UCE0×ICmax.
Potem już byłeś przekonany, że podawana w katalogu moc Ptot to moc, jaką możesz
obciążyć tranzystor w każdych warunkach.
Dla maleńkich tranzystorów małej mocy jest to nawet zbliżone do prawdy (o ile oto-
czenie ma temperaturÄ™ nie przekraczajÄ…cÄ… +30...+40°C), ale dla tranzystorów o mocy
strat większej niż 1W koniecznie trzeba uwzględnić dodatkowe czynniki. Przy bliż-
szym zbadaniu sprawy okazało się, że w grę wchodzi zjawisko tak zwanego drugiego
przebicia, które ogranicza zakres pracy przy dużych napięciach kolektora i znacznych
prÄ…dach.
Przy jeszcze bliższym przyjrzeniu się problemowi najpoważniejszą barierą okazała się
maksymalna temperatura złącza i skuteczność odprowadzania ciepła strat ze złącza
do otoczenia. Wiążą się one nierozerwalnie z parametrem zwanym rezystancją ter-
micznÄ….
W przypadku tranzystorów mocy sprawa dodatkowo się skomplikowała, bo całkowi-
ta rezystancja termiczna zależy od kilku czynników, a głównie od parametrów zasto-
sowanego radiatora.
Ponieważ katalogowa moc strat Ptot tranzystorów mocy jest mierzona w warunkach
laboratoryjnych przy niemal idealnym chłodzeniu, stało się jasne, że w praktycznym
układzie w żaden sposób nie uda ci się  wydusić z tranzystora mocy katalogowej
mocy strat, bo potrzebny byłby idealny radiator.
Ostatecznie wyszło na to, że w realnych warunkach pracy tranzystor mocy może być
obciążony mocą wynoszącą około połowy podanej w katalogu wartości Ptot, a i to
wymaga zastosowania odpowiedniego radiatora.
Teraz już znasz całą niezbędną teorię i potrafisz obliczać także parametry termiczne.
Do pełni szczęścia brakuje ci tylko informacji na temat rezystancji termicznej używa-
nych w praktyce radiatorów. Wartości rezystancji termicznej radiatorów znajdziesz
w katalogach dobrych firm wysyłkowych. Możesz także z grubsza oszacować rezys-
tancję termiczną mniejszych radiatorów prostą metodą z kropelką wody.
36 ELEKTRONIKA DLA WSZYSTKICH 9/98


Wyszukiwarka