Pierwsze kroki
P
i
e
r
w
s
z
e
k
r
o
k
i
część 8
Tranzystory
dla poczÄ…tkujÄ…cych
Radiator
W poprzednim odcinku poznałeś podstawowe zależności cieplne w tranzystorze. Zarówno te zależności, jak i wyra-
żające je wzory są bardzo proste. W sumie okazało się jednak, że sprawa jest w miarę łatwa tylko dla tranzystorów
małej mocy. W przypadku tranzystorów większej mocy (już powyżej 1W) trzeba uwzględnić właściwości nie tylko
tranzystora, ale co najważniejsze - radiatora.
Zacznijmy od podstaw. W poprzednim tego radiatora. Musimy też uwzględnić ra i dalej do otoczenia. Po drodze musi
odcinku poznałeś katalogowy parametr niedoskonały styk obudowy tranzystora pokonać miejsce styku obudowy z radia-
Rthja rezystancję termiczną miedzy złą- z radiatorem. W konsekwencji całkowita torem. Styk ten ze względu na mikrosko-
czem a otoczeniem (mierzoną bez radia- rezystancja Rthja między złączem a oto- pijne nierówności obu powierzchni nie
tora). Także w przypadku tranzystora mo- czeniem będzie składać się z trzech od- jest doskonały i również tu występuje pe-
cy współpracującego z radiatorem mamy dzielnych rezystancji cieplnych: wien opór cieplny.
r
y
s
u
n
k
i
e
m
5
9
a
do czynienia z przepływem ciepła między Rthjc (złącze-obudowa) Zgodnie z rysunkiem 59a, całkowitą re-
złączem a otoczeniem. Nadal interesuje Rthcr (obudowa-radiator) zystancję cieplną między złączem a oto-
nas całkowita rezystancja cieplna Rthja Rthra (radiator-otoczenie) czeniem możemy przedstawić jako szere-
(ale nie ta z katalogu dotycząca tranzysto- Ciepło wytworzone w krzemowej gowe połączenie wymienionych trzech re-
ra bez radiatora). Problem w tym, że teraz strukturze półprzewodnika musi przejść zystancji składowych. Pokazane to jest na
r
y
s
u
n
k
u
5
9
b
rezystancja Rthja będzie zależeć od uży- najpierw do obudowy, potem do radiato- rysunku 59b. Podczas pracy tranzystora
rys. 59.
r
y
s
.
5
9
.
30 ELEKTRONIKA DLA WSZYSTKICH 8/98
Pierwsze kroki
P
i
e
r
w
s
z
e
k
r
o
k
i
ciepło wydzielane w złączu przechodzi do zmniejszyć rezystancję termiczną nawet na nie stosować smaru silikonowego
otoczenia. Zgodnie z wcześniejszą analo- kilkakrotnie. Jeszcze skuteczniejsze są w sytuacji, gdy tranzystor będzie współ-
gią rozkład temperatur przypomina roz- radiatory chłodzone cieczą (wodą lub ole- pracował z radiatorem o rezystancji Rthra
kład napięć na szeregowo połaczonych jem), ale nie będziemy się nimi zajmo- równej 7K/W?
r
y
s
u
n
e
k
5
9
c
rezystorach. Ilustruje to rysunek 59c. wać, bo hobbyści praktycznie ich nie sto- W tym wypadku nie trzeba przeprowa-
Rezystancja cieplna między złączem sują ze względu na koszty. dzać szczegółowych obliczeń. Wystarczy
a powierzchnią obudowy danego tranzys- W praktyce zapewnienie pracy tran- oszacować, jak wpłynie brak pasty siliko-
tora (Rthjc) podana jest w katalogu. Dla zystora mocy w bezpiecznym obszarze nowej na temperaturę złącza. Można
najlepszych tranzystorów i układów sca- polega przede wszystkim na dobraniu od- przyjąć rezystancję Rthcr bez silikonu
lonych wynosi ona 0,8...1K/W. Dla typo- powiedniego radiatora. Teoretycznie równą 1,5K/W, a z silikonem 0,3K/W. Ina-
wych tranzystorów w obudowach TO- sprawa jest bardzo prosta. Mając dopusz- czej mówiąc, bez silikonu całkowita re-
220 wynosi zwykle 1...3K/W. WiÄ™kszÄ… czalnÄ… temperaturÄ™ zÅ‚Ä…cza +150°C, tem- zystancja zwiÄ™kszy siÄ™ o 1,2K/W. Przy
wartość ma tylko w przypadku tranzysto- peraturę otoczenia (zwykle przyjmuje się mocy 5W spowoduje to wzrost tempera-
rów starszego typu. +30...+50°C) i moc strat P, przy jakiej tran- tury o dodatkowe 6 stopni. 6 stopni to
Rezystancja Rthcr wynosi od około zystor będzie pracował, łatwo obliczyć niewiele, a więc w przypadku małych
1K/W przy bezpośrednim przykręceniu maksymalną całkowitą rezystancję Rthja mocy traconych (do 5...10W) wpływ sili-
tranzystora do radiatora, do około ze wzoru konu jest niewielki.
0,1...0,2K/W przy dokręceniu z zastoso- Ale przy dużych mocach wpływ ten
"T
waniem pasty (silikonowej) dobrze prze- jest duży, często wręcz krytyczny. Gdyby
Rthja =
P
wodzącej ciepło albo cieniutkich silikono- moc wynosiła nie 5 tylko 50W, brak sma-
wych (podobnych do gumy) podkładek. Potem od tak obliczonej rezystancji ru oznaczałby niepotrzebny, dodatkowy
Pasta i cienkie podkładki silikonowe zmniej- wystarczy odjąć rezystancję Rthjc i Rthcr: wzrost temperatury złącza aż o 60 stopni.
szają rezystancję cieplną połączenia, bo Rthra = Rthja (Rthjc+Rthcr)
Ć
w
i
c
z
e
n
i
e
wypełniają także mikroskopijne nierów- Otrzymuje się wartość rezystancji ter- Ćwiczenie
ności na powierzchniach radiatora i tran- micznej radiatora Rthra. Oczywiście ra- Sprawdz, czy tranzystor BDV64 (Ptot=125W,
zystora (pokazane w wielkim powiÄ™ksze- diator może mieć mniejszÄ… wartość re- Rthjc=1K/W Tjmax=+150°C) może roz-
niu na rysunku 59a). Ale uwaga! Nie na- zystancji cieplnej niż tak obliczona proszyć do otoczenia moc 80W z radiato-
leży tu mylić przekładki mikowej z prze- wartość wtedy temperatura złącza bę- rem o Rthra=1,5K/W, w temperaturze
kÅ‚adkÄ… silikonowÄ…. NajmÅ‚odszym Czytel- dzie mniejsza od dopuszczalnej (+150°C). otoczenia +50°C przy użyciu smaru siliko-
nikom należy przypomnieć, że mika to Wykonaj kilka prostych ćwiczeń tego nowego (Rthcr=0,15K/W).
minerał o bardzo dobrych właściwoś- typu. Sprawdzamy. Najpierw liczymy
ciach pod względem izolacji elektrycznej. Rthja=1K/W+0,15K/W+1,5K/W=2,6K/W
Ć
w
i
c
z
e
n
i
e
Mikę łatwo podzielić na cienkie warstwy Ćwiczenie Przy mocy 80W wzrost temperatury
plasterki. Daje się łatwo obrabiać Oblicz rezystancję termiczną radiatora złącza wyniesie:
można jÄ… ciąć nożem i delikatnie wiercić potrzebnego do tranzystora wyjÅ›ciowego "T=80×2,56=212°C
w niej otwory. Cieniutki, przezroczysty we wzmacniaczu mocy. Maksymalna Temperatura złącza wyniosłaby więc
kawaÅ‚ek miki oddziela skutecznie tranzys- moc strat tego tranzystora w najgorszych +262°C tranzystor w żadnym wypadku
tor od radiatora pod względem elektrycz- warunkach wyniesie 30W. Tranzystor ma nie może pracować w takich warunkach!
nym (galwanicznie), a przy tym w miarę następujące parametry: Ptot=125W,
Ć
w
i
c
z
e
n
i
e
dobrze przewodzi ciepÅ‚o. Ale niestety, Rthjc = 1,1K/W, Tjmax = +150°C. Maksy- Ćwiczenie
w przypadku zastosowania izolacyjnej malna temperatura otoczenia we wnęt- Oblicz, rezystancję termiczną radiato-
przekÅ‚adki mikowej (nawet posmarowa- rzu obudowy niech wynosi +50°C. Nie za- ra, współpracujÄ…cego z tranzystorem
nej smarem silikonowym), rezystancja stosowano smaru silikonowego i rezys- 2N3055 (Ptot=117W, Rthjc=1,5K/W,
Rthcr znacznie zwiÄ™ksza siÄ™, nawet tancjÄ™ Rthcr należy przyjąć równÄ… 1K/W. Tjmax=+200°C ) w ukÅ‚adzie stabilizatora,
o 1...2K/W. Jaki radiator wystarczy po zastosowa- gdzie maksymalna moc strat wyniesie
Natomiast przekładki silikonowe, po- niu smaru silikonowego zmniejszającego 85W. Maksymalna temperatura otocze-
dobne do gumy, również mogÄ… oddzielać Rthcr do 0,2K/W? nia we wnÄ™trzu obudowy +50°C. DziÄ™ki
galwanicznie tranzystor od radiatora i majÄ… Obliczamy maksymalnÄ… dopuszczalnÄ… smarowi silikonowemu Rthcr = 0,1K/W.
bardzo dobre właściwości cieplne, czyli całkowitą rezystancję Rthja Obliczamy wymaganą całkowitą rezys-
maÅ‚Ä… rezystancjÄ™ termicznÄ…. Rezystancja Rthja=(150 50)/30W=3,3°C/W=3,3K/W tancjÄ™ cieplnÄ…
ta, zależnie od grubości, może wynosić Rthra=3,3 (1+1,1)=1,2K/W Rthja=(200 50)/85=1.765K/W
0,1...1K/W. Silikonowe przekładki nie po- Bez smaru silikonowego potrzebny Stąd
winny być używane wielokrotnie raz zało- będzie radiator o rezystancji 1,2K/W. Rthra=1,765 (1,5+0,1)=0,165K/W
żona przekładka powinna być wymieniona Natomiast ze smarem silikonowym: Radiatora o tak małej rezystancji ciepl-
przy ewentualnej wymianie tranzystora. Rthra=3,3 (1+0,2)=2,1K/W nej w warunkach amatorskich wykonać
Natomiast rezystancja Rthra zależy od Jest to znaczna różnica ze smarem się nie da! Nie pomoże nawet silny wen-
wielkości radiatora, jego kształtu, rodzaju rezystancja radiatora może być aż o 75% tylator!
powierzchni oraz koloru i może wynosić większa, czyli... warto smarować. Jest to
p
r
z
y
d
u
ż
y
c
h
m
o
c
a
c
h
t
r
a
Ć
w
i
c
z
e
n
i
e
od około 50K/W (mała blaszka aluminio- żelazna zasada: przy dużych mocach tra- Ćwiczenie
c
o
n
y
c
h
s
m
a
r
l
u
b
p
o
d
k
Å‚
a
d
k
i
s
i
l
i
k
o
n
o
w
e
s
Ä…
wa) do 0,5K/W (i mniej) dla potężnych ra- conych smar lub podkładki silikonowe są Tranzystor BD136 (obudowa TO-126,
n
i
e
z
b
Ä™
d
n
e
diatorów ze specjalnych ksztaÅ‚tek alumi- niezbÄ™dne. Ptot=12,5W, Rthjc=10°C/W, Tjmax=+150°C)
niowych. Rezystancja termiczna Rthra za- współpracuje z radiatorem o Rthra = 4K/W.
Ć
w
i
c
z
e
n
i
e
leży silnie od warunków przepÅ‚ywu po- Ćwiczenie Bez silikonu Rthcr = 1°C/W. Czy w tych
wietrza wokół radiatora. Na przykład za- Rezystancja Rthjc tranzystora BD135 warunkach tranzystor może pracować
stosowanie wiatraczka (wentylatora) wy- (BD135...140) wynosi 10K/W. Moc traco- z mocą strat równą 10W w temperaturze
muszajÄ…cego przepÅ‚yw powietrza może na w tranzystorze wynosi 5W. Czy moż- otoczenia równej +40°C?
ELEKTRONIKA DLA WSZYSTKICH 8/98 31
Pierwsze kroki
P
i
e
r
w
s
z
e
k
r
o
k
i
Nie! Bo przy mocy 10W i dopuszczal- strat Ptot dotyczy laboratoryjnych warun- wa). MaksymalnÄ… temperaturÄ™ otoczenia
nej różnicy temperatur równej 110°C, caÅ‚- ków testowych z wrÄ™cz idealnym chÅ‚o- przyjmij realistycznie równÄ… +40°C.
kowita rezystancja musiałaby wynosić dzeniem, (uważaj!) przy temperaturze Całkowita rezystancja termiczna
o
b
u
d
o
w
y
nie więcej niż 11K/W. Tymczasem już obudowy wynoszącej (zwykle) tylko
K
Rthjc = 09 6 + 01+ 1,5 = 256
, , ,
sam tranzystor i przekÅ‚adka majÄ… takÄ… re- +25°C. Zauważ, że te +25°C to tempera-
W
o
b
u
d
o
w
y
zystancjÄ™ termicznÄ…. W tym wypadku nie tura obudowy w czasie pracy, gdy wy-
150 - 40
P = = 43W
pomoże żaden radiator. Podany tranzys- dziela się katalogowa moc strat. Taką
256
,
tor nie może pracować w takich warun- temperaturę obudowy można uzyskać
kach. Co zrobić? tylko przy wymuszonym chłodzeniu, i to I co? Znów zaskoczenie? Tylko 43W?
Zastosowanie smaru niewiele pomo- nie powietrzem, lecz cieczą. A miało być 130W?! Niestety tak! I wierz mi
że, bo nawet po zmniejszeniu Rthcr do Sprawdz, czy te informacje są praw- radiator o rezystancji 1,5K/W to spory ka-
0,3°C/W należaÅ‚oby zastosować wielki ra- dziwe dla tranzystora BDW83. JeÅ›li utrzy- waÅ‚ek żebrowanego profilu aluminiowego.
diator o bardzo małej rezystancji Rthra masz temperaturę obudowy na poziomie Niestety, przy projektowaniu układów
równej 0,7K/W. Teoretycznie taki radiator +25°C, czyli różnica temperatur ma wy- z tranzystorami mocy (i nie tylko) musisz
można wykonać, ale jest to nieracjonalne. nieść (150 25=)125°C, to moc maksy- zawsze brać pod uwagÄ™ wyniki naszych
Wystarczy bowiem zastosować więk- malna wyniesie rozważań. Ponieważ ty nie masz szans za-
szy tranzystor, na przykład BD244 o re- stosować idealnego radiatora, dlatego raz
125
P = = 130W
n
i
zystancji Rthjc równej 1,92K/W na zawsze porzuć nierealne marzenia ni-
09 6
,
g
d
y
n
i
e
w
y
d
u
s
i
s
z
z
t
r
a
n
z
y
s
t
o
r
a
m
o
c
y
k
a
t
a
Oczywiście całkowita rezystancja gdy nie wydusisz z tranzystora mocy kata-
l
o
g
o
w
e
j
m
o
c
y
s
t
r
a
t
P
t
o
t
Rthja nadal nie może być większa niż I to jest właśnie moc, jaką odczytałeś logowej mocy strat Ptot. W pierwszym,
11K/W, ale teraz wystarczyłoby zastoso- z katalogu. Zgadza się! zgrubnym przybliżeniu możesz przyjąć, że
wać radiator o rezystancji Teraz uważaj! Mając podane w katalo- z przyzwoitym radiatorem tranzystor mo-
Rthra=11 (1,92+0,2)=8,88K/W gu moc strat Ptot i maksymalną tempera- cy będzie u ciebie pracował co najwyżej
Podany radiator (Rthra = 4K/W) zapew- turÄ™ zÅ‚Ä…cza (najczęściej +150°C) potrafisz z poÅ‚owÄ… katalogowej mocy strat.
ni więc spory zapas. W rzeczywistości obliczyć rezystancję Rthjc. Zakładając, że Ponadto jeśli do tej pory ci się wyda-
wzrost temperatury złącza nie przekroczy temperatura obudowy ma wynosić wało, że wystarczająco duży radiator za-
"T=10W×(1,92+0,2+4)=61,2°C +25°C, czyli przy różnicy temperatur wsze rozwiąże problem, to siÄ™ myliÅ‚eÅ›.
czyli temperatura zÅ‚Ä…cza niewiele przekro- "T=100°C=100K obliczysz: WczeÅ›niejsze przykÅ‚ady pokazaÅ‚y, że choć-
czy +100°C. byÅ› zastosowaÅ‚ idealny radiator, nigdy nie
100K
Rthjc = zmniejszysz całkowitej rezystancji termicz-
Ptot
Przemyśl wnioski wynikające z tych nej poniżej Rthjc. A do tego zawsze do-
ćwiczeń. Przypuszczam, że niektóre po- Proste? Tak! Choć w rzadkich przypad- chodzi jakaś wartość Rthcr choćbyś nie
dane przykłady cię zaniepokoiły. Okazało kach możesz natrafić na niespodziankę. wiem jak smarował, nie zmniejszysz jej do
się, że w wielu przypadkach nie możesz Mianowicie w przypadku niektórych tran- zera, tylko do 0,1...0,2K/W.
pracować przy deklarowanej w katalogu zystorów producenci podają moc maksy- Tu wyjaśnia się całkowicie prob-
mocy strat Ptot. malną Ptot przy temperaturze obudowy lem wąskiego gardła , o którym wspomi-
Co jest grane? Gdzie tkwi bÅ‚ad? nie +25°C, tylko +60°C. Ale wtedy ta nie- naÅ‚em przy okazji omawiania wzmacniacza
Błędu nie ma. Obliczenia (choć nieco ścisłość niczym nie grozi, bo rzeczywista o mocy 100W. Zajrzyj do tego artykułu
uproszczone) są w porządku. Za chwilę rezystancja Rthjc okaże się jeszcze mniej- w EdW 8/97 na stronę 18. Teraz ostatnie
sam się przekonasz, o co tu chodzi. Ob- sza, niż obliczona za pomocą powyższe- ćwiczenia pokazały, że wspomnia-
licz więc, jaki radiator jest potrzebny przy go prostego sposobu. nym wąskim gardłem jest właśnie rezys-
pracy w katalogowych warunkach pra- Teraz wracamy do wcześniejszych tancja Rthjc. Wynika ona z konstrukcji tran-
cy tranzystora mocy. Niech to będzie ćwiczeń. zystora i nie masz na nią żadnego wpływu.
tranzystor BDW83B (Ptot=130W, Okazało się też, że moc strat Ptot po- A gdy nie zastosujesz smaru silikonowego,
Tjmax=+150°C, Rthjc=0,96K/W). Niech dawana w katalogach tranzystorów mo- dodatkowo pogorszy sytuacjÄ™ rezystancja
temperatura otoczenia wynosi +40°C. cy, niewiele ma wspólnego z rzeczywis- Rthcr dochodzÄ…ca do 1...2K/W.
Rthja=(150 40)/130=0.846K/W tością, bo można ją uzyskać tylko przy Czy teraz dokładnie rozumiesz prob-
czyli mniej niż wynosi katalogowa war- idealnym chłodzeniu. Jeśli tak, to oblicz lem mocy strat i radiatorów?
tość Rthjc! Tranzystor nie może praco- teraz, z jaką mocą tak naprawdę może Wydaje ci się, że tak? W takim razie,
wać w takich warunkach! pracować tranzystor BDW83 o rewela- w ramach ćwiczeń praktycznych oblicz
Czy nie masz wrażenia, że producenci cyjnej mocy Ptot wynoszącej aż 130W. rezystancję termiczną radiatorów wyma-
r
y
s
u
n
k
ó
w
6
0
6
1
tranzystorów wpuszczają cię w gęste Do jego chłodzenia wykorzystasz duży ganą w układach z rysunków 60 i 61. Dla
maliny robiąc ci smak na te katalogowe żebrowany radiator o rezystancji termicz- wzmacniacza z rysunku 61 przeprowadz
130W mocy strat, których, jak się okazu- nej wynoszącej 1,5K/W, a rezystancję obliczenia trzykrotnie:
je, w żaden sposób nie można wydusić Rthcr możesz przyjąć równą 0,1K/W a) dla radiatora połączonego galwa-
z tranzystora bez ryzyka przegrzania? (smar lub cieniutka podkładka silikono- nicznie z wkładką radiatorową (ujemnym
Czy to jest wpuszczanie w maliny, to biegunem zasilania) zaplanuj
rys. 60.
r
y
s
.
6
0
.
inny problem, ale rzeczywiście, w prakty- użycie smaru silikonowego
ce żaden tranzystor mocy nie może pra- i przyjmij Rthcr = 0,1K/W,
cować przy katalogowej mocy strat Ptot. b) dla radiatora oddzielonego
To skąd się wzięła ta katalogowa moc? galwanicznie zaplanuj użycie
Zapamiętaj raz na zawsze, że jest to izolacyjnej przekładki silikono-
moc, jaką teoretycznie można stracić wej i przyjmij Rthcr = 0,5K/W,
w tranzystorze przy zastosowaniu ideal- c) dla radiatora oddzielone-
nego radiatora. A ściślej podawana go galwanicznie zaplanuj uży-
w każdym katalogu maksymalna moc cie izolacyjnej przekładki miko-
32 ELEKTRONIKA DLA WSZYSTKICH 8/98
Pierwsze kroki
P
i
e
r
w
s
z
e
k
r
o
k
i
sunku +61 masz układ scalony, a nie tran- danej w firmowym katalogu. Jak cię
zystor. Zasady obliczeń wielkości ciepl- znam, w większości przypadków nie sko-
nych są takie same jak w tranzystorach. rzystasz z tej drogi, tylko będziesz próbo-
Podana moc strat układu scalonego wał zastosować jakiś posiadany radiator
LM3886 dotyczy najgorszego możliwego czy kawałek blachy. Jak obliczysz czy
przypadku zobacz EdW 2/98 str. 10 zmierzysz rezystancjÄ™ termicznÄ… takiego
rys. 3 dla napięcia zasilania ą30V. Mając radiatora?
takie dane obliczysz radiator potrzebny To już historia z zupełnie innej bajki
dla tego najgorszego przypadku. z przyjemnością mogę ci przybliżyć ten
W rzeczywistości, przy normalnej pracy temat, jeśli napiszesz do mnie na adres
wzmacniacza średnia wydzielana moc Redakcji. Wtedy poświęcę oddzielny ar-
strat jest mniejsza i radiator taki na pew- tykuł sprawie doboru radiatorów i przed-
no będzie dobrany z pewnym zapasem. stawię dodatkowe informacje. Mogę też
A teraz licz. ci zaproponować budowę prostego przy-
rys. 61.
r
y
s
.
6
1
.
Poradziłeś sobie? To świetnie! rządu do pomiaru rezystancji termicznej
wej posmarowanej obustronnie smarem No, może nie do końca świetnie... Bo radiatorów. Czekam na listy w tej spra-
silikonowym i przyjmij Rthcr = 1,5K/W. niby co teraz dalej zrobić z tą wiedzą? Co wie.
Jakie przyjmiesz temperatury otocze- z tego, że obliczyłeś potrzebną rezystan- A na razie podejdziemy do tego tema-
nia? W przypadku zasilacza do samocho- cję termiczną radiatora? A skąd będziesz tu z zupełnie innej strony i podam ci kilka
du z rysunku 60 trzeba liczyć się z tempe- wiedział, jaką rezystancję mają posiadane ogólnych wskazówek dotyczących prak-
raturÄ… rzÄ™du +60...+80°C, prawda? przez ciebie radiatory? tycznego doboru radiatora.
W przypadku wzmacniacza wystarczy Pół biedy, jeśli w dobrej firmie zamó- Zajmiemy się tym za miesiąc.
P
i
o
t
r
G
ó
r
e
c
k
i
+40...+50°C. Nie przejmuj siÄ™, że na ry- wisz radiator o rezystancji termicznej po- Piotr Górecki
ELEKTRONIKA DLA WSZYSTKICH 8/98 33
Wyszukiwarka
Podobne podstrony:
39 20 Listopad 2001 Zachód jest wart tej mszy39ANT SPCC (09 08 15 22 39)01 Slizewskaid)39Rozdział 3939 13 Grudzień 1996 Dajcie nam wędkę39 Istota fluorescencji i fosforescencjipatanjali bk2 3939 6SH~139 (40)Angora 39 2009CAPTAIN TSUBASA (Road to 2002) 3939 Desant pod Inczhon 15 IX 50więcej podobnych podstron