Radiator, - █ PODSTAWY ELEKTRONIKI
[ Pobierz całość w formacie PDF ]
Pierwsze kroki
część
8
dla początkujących
Tranzystory
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
odcinku poznałeś katalogowy parametr
Rthja – rezystancję termiczną miedzy złą−
czem a otoczeniem (mierzoną bez radia−
tora). Także w przypadku tranzystora mo−
cy współpracującego z radiatorem mamy
do czynienia z przepływem ciepła między
złączem a otoczeniem. Nadal interesuje
nas całkowita rezystancja cieplna Rthja
(ale nie ta z katalogu dotycząca tranzysto−
ra bez radiatora). Problem w tym, że teraz
rezystancja Rthja będzie zależeć od uży−
tego radiatora. Musimy też uwzględnić
niedoskonały styk obudowy tranzystora
z radiatorem. W konsekwencji całkowita
rezystancja Rthja między złączem a oto−
czeniem będzie składać się z trzech od−
dzielnych rezystancji cieplnych:
– Rthjc (złącze−obudowa)
– Rthcr (obudowa−radiator)
– Rthra (radiator−otoczenie)
Ciepło wytworzone w krzemowej
strukturze półprzewodnika musi przejść
najpierw do obudowy, potem do radiato−
ra i dalej do otoczenia. Po drodze musi
pokonać miejsce styku obudowy z radia−
torem. Styk ten ze względu na mikrosko−
pijne nierówności obu powierzchni nie
jest doskonały i również tu występuje pe−
wien opór cieplny.
Zgodnie z rysunkiem 59a, całkowitą re−
zystancję cieplną między złączem a oto−
czeniem możemy przedstawić jako szere−
gowe połączenie wymienionych trzech re−
zystancji składowych. Pokazane to jest na
rysunku 59b. Podczas pracy tranzystora
rys. 59.
30
E
LEKTRONIKA DLA WSZYSTKICH 8/98
Pierwsze kroki
ciepło wydzielane w złączu przechodzi do
otoczenia. Zgodnie z wcześniejszą analo−
gią rozkład temperatur przypomina roz−
kład napięć na szeregowo połaczonych
rezystorach. Ilustruje to rysunek 59c.
Rezystancja cieplna między złączem
a powierzchnią obudowy danego tranzys−
tora (Rthjc) podana jest w katalogu. Dla
najlepszych tranzystorów i układów sca−
lonych wynosi ona 0,8...1K/W. Dla typo−
wych tranzystorów w obudowach TO−
220 wynosi zwykle 1...3K/W. Większą
wartość ma tylko w przypadku tranzysto−
rów starszego typu.
Rezystancja Rthcr wynosi od około
1K/W przy bezpośrednim przykręceniu
tranzystora do radiatora, do około
0,1...0,2K/W przy dokręceniu z zastoso−
waniem pasty (silikonowej) dobrze prze−
wodzącej ciepło albo cieniutkich silikono−
wych (podobnych do gumy) podkładek.
Pasta i cienkie podkładki silikonowe zmniej−
szają rezystancję cieplną połączenia, bo
wypełniają także mikroskopijne nierów−
ności na powierzchniach radiatora i tran−
zystora (pokazane w wielkim powiększe−
niu na rysunku 59a). Ale uwaga! Nie na−
leży tu mylić przekładki mikowej z prze−
kładką silikonową. Najmłodszym Czytel−
nikom należy przypomnieć, że mika to
minerał o bardzo dobrych właściwoś−
ciach pod względem izolacji elektrycznej.
Mikę łatwo podzielić na cienkie warstwy
– plasterki. Daje się łatwo obrabiać –
można ją ciąć nożem i delikatnie wiercić
w niej otwory. Cieniutki, przezroczysty
kawałek miki oddziela skutecznie tranzys−
tor od radiatora pod względem elektrycz−
nym (galwanicznie), a przy tym w miarę
dobrze przewodzi ciepło. Ale niestety,
w przypadku zastosowania izolacyjnej
przekładki mikowej (nawet posmarowa−
nej smarem silikonowym), rezystancja
Rthcr znacznie zwiększa się, nawet
o 1...2K/W.
Natomiast przekładki silikonowe, po−
dobne do gumy, również mogą oddzielać
galwanicznie tranzystor od radiatora i mają
bardzo dobre właściwości cieplne, czyli
małą rezystancję termiczną. Rezystancja
ta, zależnie od grubości, może wynosić
0,1...1K/W. Silikonowe przekładki nie po−
winny być używane wielokrotnie – raz zało−
żona przekładka powinna być wymieniona
przy ewentualnej wymianie tranzystora.
Natomiast rezystancja Rthra zależy od
wielkości radiatora, jego kształtu, rodzaju
powierzchni oraz koloru i może wynosić
od około 50K/W (mała blaszka aluminio−
wa) do 0,5K/W (i mniej) dla potężnych ra−
diatorów ze specjalnych kształtek alumi−
niowych. Rezystancja termiczna Rthra za−
leży silnie od warunków przepływu po−
wietrza wokół radiatora. Na przykład za−
stosowanie wiatraczka (wentylatora) wy−
muszającego przepływ powietrza może
zmniejszyć rezystancję termiczną nawet
kilkakrotnie. Jeszcze skuteczniejsze są
radiatory chłodzone cieczą (wodą lub ole−
jem), ale nie będziemy się nimi zajmo−
wać, bo hobbyści praktycznie ich nie sto−
sują ze względu na koszty.
W praktyce zapewnienie pracy tran−
zystora mocy w bezpiecznym obszarze
polega przede wszystkim na dobraniu od−
powiedniego radiatora. Teoretycznie
sprawa jest bardzo prosta. Mając dopusz−
czalną temperaturę złącza +150°C, tem−
peraturę otoczenia (zwykle przyjmuje się
+30...+50°C) i moc strat P, przy jakiej tran−
zystor będzie pracował, łatwo obliczyć
maksymalną całkowitą rezystancję Rthja
ze wzoru
na nie stosować smaru silikonowego
w sytuacji, gdy tranzystor będzie współ−
pracował z radiatorem o rezystancji Rthra
równej 7K/W?
W tym wypadku nie trzeba przeprowa−
dzać szczegółowych obliczeń. Wystarczy
oszacować, jak wpłynie brak pasty siliko−
nowej na temperaturę złącza. Można
przyjąć rezystancję Rthcr bez silikonu
równą 1,5K/W, a z silikonem 0,3K/W. Ina−
czej mówiąc, bez silikonu całkowita re−
zystancja zwiększy się o 1,2K/W. Przy
mocy 5W spowoduje to wzrost tempera−
tury o dodatkowe 6 stopni. 6 stopni to
niewiele, a więc w przypadku małych
mocy traconych (do 5...10W) wpływ sili−
konu jest niewielki.
Ale przy dużych mocach wpływ ten
jest duży, często wręcz krytyczny. Gdyby
moc wynosiła nie 5 tylko 50W, brak sma−
ru oznaczałby niepotrzebny, dodatkowy
wzrost temperatury złącza aż o 60 stopni.
Rthja
T
P
Potem od tak obliczonej rezystancji
wystarczy odjąć rezystancję Rthjc i Rthcr:
Rthra = Rthja – (Rthjc+Rthcr)
Otrzymuje się wartość rezystancji ter−
micznej radiatora Rthra. Oczywiście ra−
diator może mieć mniejszą wartość re−
zystancji cieplnej niż tak obliczona
wartość – wtedy temperatura złącza bę−
dzie mniejsza od dopuszczalnej (+150°C).
Wykonaj kilka prostych ćwiczeń tego
typu.
Ćwiczenie
Sprawdź, czy tranzystor BDV64 (Ptot=125W,
Rthjc=1K/W Tjmax=+150°C) może roz−
proszyć do otoczenia moc 80W z radiato−
rem o Rthra=1,5K/W, w temperaturze
otoczenia +50°C przy użyciu smaru siliko−
nowego (Rthcr=0,15K/W).
Sprawdzamy. Najpierw liczymy
Rthja=1K/W+0,15K/W+1,5K/W=2,6K/W
Przy mocy 80W wzrost temperatury
złącza wyniesie:
∆
Ćwiczenie
Oblicz rezystancję termiczną radiatora
potrzebnego do tranzystora wyjściowego
we wzmacniaczu mocy. Maksymalna
moc strat tego tranzystora w najgorszych
warunkach wyniesie 30W. Tranzystor ma
następujące parametry: Ptot=125W,
Rthjc = 1,1K/W, Tjmax = +150°C. Maksy−
malna temperatura otoczenia we wnęt−
rzu obudowy niech wynosi +50°C. Nie za−
stosowano smaru silikonowego i rezys−
tancję Rthcr należy przyjąć równą 1K/W.
Jaki radiator wystarczy po zastosowa−
niu smaru silikonowego zmniejszającego
Rthcr do 0,2K/W?
Obliczamy maksymalną dopuszczalną
całkowitą rezystancję Rthja
Rthja=(150–50)/30W=3,3°C/W=3,3K/W
Rthra=3,3–(1+1,1)=1,2K/W
Bez smaru silikonowego potrzebny
będzie radiator o rezystancji 1,2K/W.
Natomiast ze smarem silikonowym:
Rthra=3,3–(1+0,2)=2,1K/W
Jest to znaczna różnica – ze smarem
rezystancja radiatora może być aż o 75%
większa, czyli... warto smarować. Jest to
żelazna zasada: przy dużych mocach tra−
conych smar lub podkładki silikonowe są
niezbędne.
T=80×2,56=212°C
Temperatura złącza wyniosłaby więc
+262°C – tranzystor w żadnym wypadku
nie może pracować w takich warunkach!
Ćwiczenie
Oblicz, rezystancję termiczną radiato−
ra, współpracującego z tranzystorem
2N3055 (Ptot=117W, Rthjc=1,5K/W,
Tjmax=+200°C ) w układzie stabilizatora,
gdzie maksymalna moc strat wyniesie
85W. Maksymalna temperatura otocze−
nia we wnętrzu obudowy +50°C. Dzięki
smarowi silikonowemu Rthcr = 0,1K/W.
Obliczamy wymaganą całkowitą rezys−
tancję cieplną
Rthja=(200–50)/85=1.765K/W
Stąd
Rthra=1,765–(1,5+0,1)=0,165K/W
Radiatora o tak małej rezystancji ciepl−
nej w warunkach amatorskich wykonać
się nie da! Nie pomoże nawet silny wen−
tylator!
Ćwiczenie
Tranzystor BD136 (obudowa TO−126,
Ptot=12,5W, Rthjc=10°C/W, Tjmax=+150°C)
współpracuje z radiatorem o Rthra = 4K/W.
Bez silikonu Rthcr = 1°C/W. Czy w tych
warunkach tranzystor może pracować
z mocą strat równą 10W w temperaturze
otoczenia równej +40°C?
Ćwiczenie
Rezystancja Rthjc tranzystora BD135
(BD135...140) wynosi 10K/W. Moc traco−
na w tranzystorze wynosi 5W. Czy moż−
E
LEKTRONIKA DLA WSZYSTKICH 8/98
31
Pierwsze kroki
Nie! Bo przy mocy 10W i dopuszczal−
nej różnicy temperatur równej 110°C, cał−
kowita rezystancja musiałaby wynosić
nie więcej niż 11K/W. Tymczasem już
sam tranzystor i przekładka mają taką re−
zystancję termiczną. W tym wypadku nie
pomoże żaden radiator. Podany tranzys−
tor nie może pracować w takich warun−
kach. Co zrobić?
Zastosowanie smaru niewiele pomo−
że, bo nawet po zmniejszeniu Rthcr do
0,3°C/W należałoby zastosować wielki ra−
diator o bardzo małej rezystancji Rthra
równej 0,7K/W. Teoretycznie taki radiator
można wykonać, ale jest to nieracjonalne.
Wystarczy bowiem zastosować więk−
szy tranzystor, na przykład BD244 o re−
zystancji Rthjc równej 1,92K/W
Oczywiście całkowita rezystancja
Rthja nadal nie może być większa niż
11K/W, ale teraz wystarczyłoby zastoso−
wać radiator o rezystancji
Rthra=11–(1,92+0,2)=8,88K/W
Podany radiator (Rthra = 4K/W) zapew−
ni więc spory zapas. W rzeczywistości
wzrost temperatury złącza nie przekroczy
∆
strat Ptot dotyczy laboratoryjnych warun−
ków testowych z wręcz idealnym chło−
dzeniem, (uważaj!) przy
temperaturze
obudowy wynoszącej (zwykle) tylko
+25°C
. Zauważ, że te +25°C to tempera−
tura
obudowy w czasie pracy
, gdy wy−
dziela się „katalogowa” moc strat. Taką
temperaturę obudowy można uzyskać
tylko przy wymuszonym chłodzeniu, i to
nie powietrzem, lecz cieczą.
Sprawdź, czy te informacje są praw−
dziwe dla tranzystora BDW83. Jeśli utrzy−
masz temperaturę obudowy na poziomie
+25°C, czyli różnica temperatur ma wy−
nieść (150–25=)125°C, to moc maksy−
malna wyniesie
wa). Maksymalną temperaturę otoczenia
przyjmij realistycznie równą +40°C.
Całkowita rezystancja termiczna
Rthjc
096 01 15 256
K
W
P
150 40
256
,
43W
I co? Znów zaskoczenie? Tylko 43W?
A miało być 130W?! Niestety tak! I wierz mi
– radiator o rezystancji 1,5K/W to spory ka−
wałek żebrowanego profilu aluminiowego.
Niestety, przy projektowaniu układów
z tranzystorami mocy (i nie tylko) musisz
zawsze brać pod uwagę wyniki naszych
rozważań. Ponieważ ty nie masz szans za−
stosować idealnego radiatora, dlatego raz
na zawsze porzuć nierealne marzenia – ni−
gdy nie wydusisz z tranzystora mocy kata−
logowej mocy strat Ptot. W pierwszym,
zgrubnym przybliżeniu możesz przyjąć, że
z przyzwoitym radiatorem tranzystor mo−
cy będzie u ciebie pracował co najwyżej
z połową katalogowej mocy strat.
Ponadto jeśli do tej pory ci się wyda−
wało, że wystarczająco duży radiator za−
wsze rozwiąże problem, to się myliłeś.
Wcześniejsze przykłady pokazały, że choć−
byś zastosował idealny radiator, nigdy nie
zmniejszysz całkowitej rezystancji termicz−
nej poniżej Rthjc. A do tego zawsze do−
chodzi jakaś wartość Rthcr – choćbyś nie
wiem jak smarował, nie zmniejszysz jej do
zera, tylko do 0,1...0,2K/W.
Tu wyjaśnia się całkowicie prob−
lem„wąskiego gardła”, o którym wspomi−
nałem przy okazji omawiania wzmacniacza
o mocy 100W. Zajrzyj do tego artykułu
w EdW 8/97 na stronę 18. Teraz ostatnie
ćwiczenia pokazały, że wspomnia−
nym„wąskim gardłem” jest właśnie rezys−
tancja Rthjc. Wynika ona z konstrukcji tran−
zystora i nie masz na nią żadnego wpływu.
A gdy nie zastosujesz smaru silikonowego,
dodatkowo pogorszy sytuację rezystancja
Rthcr dochodząca do 1...2K/W.
Czy teraz dokładnie rozumiesz prob−
lem mocy strat i radiatorów?
Wydaje ci się, że tak? W takim razie,
w ramach ćwiczeń praktycznych oblicz
rezystancję termiczną radiatorów wyma−
ganą w układach z rysunków 60 i 61. Dla
wzmacniacza z rysunku 61 przeprowadź
obliczenia trzykrotnie:
a) dla radiatora połączonego galwa−
nicznie z wkładką radiatorową (ujemnym
biegunem zasilania) zaplanuj
użycie smaru silikonowego
i przyjmij Rthcr = 0,1K/W,
b) dla radiatora oddzielonego
galwanicznie zaplanuj użycie
izolacyjnej przekładki silikono−
wej i przyjmij Rthcr = 0,5K/W,
c) dla radiatora oddzielone−
go galwanicznie zaplanuj uży−
cie izolacyjnej przekładki miko−
P
125
096
,
130
W
I to jest właśnie moc, jaką odczytałeś
z katalogu. Zgadza się!
Teraz uważaj! Mając podane w katalo−
gu moc strat Ptot i maksymalną tempera−
turę złącza (najczęściej +150°C) potrafisz
obliczyć rezystancję Rthjc. Zakładając, że
temperatura obudowy ma wynosić
+25°C, czyli przy różnicy temperatur
T=10W×(1,92+0,2+4)=61,2°C
czyli temperatura złącza niewiele przekro−
czy +100°C.
T=100°C=100K obliczysz:
K
Ptot
Rthjc
Przemyśl wnioski wynikające z tych
ćwiczeń. Przypuszczam, że niektóre po−
dane przykłady cię zaniepokoiły. Okazało
się, że w wielu przypadkach nie możesz
pracować przy deklarowanej w katalogu
mocy strat Ptot.
Co jest grane? Gdzie tkwi bład?
Błędu nie ma. Obliczenia (choć nieco
uproszczone) są w porządku. Za chwilę
sam się przekonasz, o co tu chodzi. Ob−
licz więc, jaki radiator jest potrzebny przy
pracy w „katalogowych” warunkach pra−
cy tranzystora mocy. Niech to będzie
tranzystor BDW83B (Ptot=130W,
Tjmax=+150°C, Rthjc=0,96K/W). Niech
temperatura otoczenia wynosi +40°C.
Rthja=(150–40)/130=0.846K/W
czyli mniej niż wynosi katalogowa war−
tość Rthjc! Tranzystor nie może praco−
wać w takich warunkach!
Czy nie masz wrażenia, że producenci
tranzystorów wpuszczają cię w gęste
maliny robiąc ci smak na te katalogowe
130W mocy strat, których, jak się okazu−
je, w żaden sposób nie można „wydusić”
z tranzystora bez ryzyka przegrzania?
Czy to jest wpuszczanie w maliny, to
inny problem, ale rzeczywiście, w prakty−
ce żaden tranzystor mocy nie może pra−
cować przy katalogowej mocy strat Ptot.
To skąd się wzięła ta „katalogowa” moc?
Zapamiętaj raz na zawsze, że
jest to
moc, jaką teoretycznie można stracić
w
tranzystorze przy zastosowaniu ideal−
nego radiatora
. A ściślej – podawana
w każdym katalogu maksymalna moc
Proste? Tak! Choć w rzadkich przypad−
kach możesz natrafić na niespodziankę.
Mianowicie w przypadku niektórych tran−
zystorów producenci podają moc maksy−
malną Ptot przy temperaturze obudowy
nie +25°C, tylko +60°C. Ale wtedy ta nie−
ścisłość niczym nie grozi, bo rzeczywista
rezystancja Rthjc okaże się jeszcze mniej−
sza, niż obliczona za pomocą powyższe−
go prostego sposobu.
Teraz wracamy do wcześniejszych
ćwiczeń.
Okazało się też, że moc strat Ptot po−
dawana w katalogach tranzystorów mo−
cy, niewiele ma wspólnego z rzeczywis−
tością, bo można ją uzyskać tylko przy
idealnym chłodzeniu. Jeśli tak, to oblicz
teraz, z jaką mocą tak naprawdę może
pracować tranzystor BDW83 o„rewela−
cyjnej mocy” Ptot wynoszącej aż 130W.
Do jego chłodzenia wykorzystasz duży
żebrowany radiator o rezystancji termicz−
nej wynoszącej 1,5K/W, a rezystancję
Rthcr możesz przyjąć równą 0,1K/W
(smar lub cieniutka podkładka silikono−
rys. 60.
32
E
LEKTRONIKA DLA WSZYSTKICH 8/98
, , , ,
+ + =
100
Pierwsze kroki
rys. 61.
sunku +61 masz układ scalony, a nie tran−
zystor. Zasady obliczeń wielkości ciepl−
nych są takie same jak w tranzystorach.
Podana moc strat układu scalonego
LM3886 dotyczy najgorszego możliwego
przypadku – zobacz EdW 2/98 str. 10
rys. 3 dla napięcia zasilania ±30V. Mając
takie dane obliczysz radiator potrzebny
dla tego najgorszego przypadku.
W rzeczywistości, przy normalnej pracy
wzmacniacza średnia wydzielana moc
strat jest mniejsza i radiator taki na pew−
no będzie dobrany z pewnym zapasem.
A teraz licz.
Poradziłeś sobie? To świetnie!
No, może nie do końca świetnie... Bo
niby co teraz dalej zrobić z tą wiedzą? Co
z tego, że obliczyłeś potrzebną rezystan−
cję termiczną radiatora? A skąd będziesz
wiedział, jaką rezystancję mają posiadane
przez ciebie radiatory?
Pół biedy, jeśli w dobrej firmie zamó−
wisz radiator o rezystancji termicznej po−
danej w firmowym katalogu. Jak cię
znam, w większości przypadków nie sko−
rzystasz z tej drogi, tylko będziesz próbo−
wał zastosować jakiś posiadany radiator
czy kawałek blachy. Jak obliczysz czy
zmierzysz rezystancję termiczną takiego
radiatora?
To już historia z zupełnie innej bajki –
z przyjemnością mogę ci przybliżyć ten
temat, jeśli napiszesz do mnie na adres
Redakcji. Wtedy poświęcę oddzielny ar−
tykuł sprawie doboru radiatorów i przed−
stawię dodatkowe informacje. Mogę też
ci zaproponować budowę prostego przy−
rządu do pomiaru rezystancji termicznej
radiatorów. Czekam na listy w tej spra−
wie.
A na razie podejdziemy do tego tema−
tu z zupełnie innej strony i podam ci kilka
ogólnych wskazówek dotyczących prak−
tycznego doboru radiatora.
Zajmiemy się tym za miesiąc.
Piotr Górecki
wej posmarowanej obustronnie smarem
silikonowym i przyjmij Rthcr = 1,5K/W.
Jakie przyjmiesz temperatury otocze−
nia? W przypadku zasilacza do samocho−
du z rysunku 60 trzeba liczyć się z tempe−
raturą rzędu +60...+80°C, prawda?
W przypadku wzmacniacza wystarczy
+40...+50°C. Nie przejmuj się, że na ry−
E
LEKTRONIKA DLA WSZYSTKICH 8/98
33
[ Pobierz całość w formacie PDF ]