Szkoła Konstruktorów
Trzecia klasa Szkoły Konstruktorów
Policz 175  9/2010 temperaturze otoczenia +35°C, nie może W e-mailach podawajcie też od razu swój
Kontynuujemy rozwiÄ…zane dalej zadanie 170, przekroczyć +65°C. adres pocztowy.
polegajÄ…ce na budowie zasilacza samochodo- Przy rozwiÄ…zaniu zadania Policz175 nale- Zapraszam do rozwiÄ…zania tego zada-
wego według rysunku A. Przeprowadziliśmy ży wykorzystać wcześniejsze informacje z nia zarówno doświadczonych, jak i począt-
obliczenia i okazało się, że rezystancja termicz- zadania 170 i: kujących elektroników, którzy nie potrafią
na radiatora może być stosunkowo duża. I to  obliczyć maksymalną rezystancję ter- przeanalizować wszystkich subtelności ukła-
nas cieszy, bo może to być niewielki radiator. miczną radiatora, by jego temperatura nie du. Można też jeszcze nadsyłać rozwiązania
Zastanawiamy siÄ™ jednak, czy nie warto tak przekroczyÅ‚a +70°C. zadania Policz174 z poprzedniego miesiÄ…ca.
zrealizować zasilacza, żeby radiatorem była Jak zawsze, bardzo proszę, żeby nadsyłane
metalowa obudowa w kształcie litery U, którą rozwiązania były możliwie krótkie. Praca Rozwiązanie zadania
sami możemy zrobić z blachy aluminiowej o powinna zawierać zwięzły opis przebiegu Policz 170
grubości 2mm. Znalez
liśmy w pewnej książce obliczeń. W EdW 4/2010 przedstawione było zadanie
wzory oraz wykresy, które łatwo pozwo- Nagrodami będą kity AVT lub książ- Policz170, które brzmiało: W ramach rozwią-
lą wyliczyć potrzebną powierzchnię takiego ki, a najaktywniejsi uczestnicy są okreso- zanego dalej zadania Policz 165 obliczyliśmy,
radiatora. Do takich wyliczeń potrzebna jest wo nagradzani bezpłatnymi prenumeratami jaka będzie maksymalna moc strat stabiliza-
wartość rezystancji termicznej. Ale nie może EdW lub innego wybranego czasopisma AVT. tora. Zgodnie z zapowiedzią z zadania 165,
to być wartość obliczona w ramach zadania Wszystkie rozwiązania nadsyłane w terminie znając moc strat wydzielanych w stabiliza-
Policz170  otóż są to wyniki przy założeniu 60 dni od ukazania się tego numeru EdW torze, przymierzymy się do wyboru radiato-
temperatury zÅ‚Ä…cza ponad 100°C i co nie- powinny mieć dopisek Policz175 (na koper- ra. Nie jest to jednak dokÅ‚adna kontynuacja
trudno obliczyć, przy temperaturze radiatora cie, a w tytule maila dodatkowo nazwisko, wcześniejszego zadania, ponieważ, jak poka-
blisko 100°C. JeÅ›li nasz radiator ma być obu- np.: Policz175Jankowski). Z uwagi na specy- zuje rysunek B, inne jest napiÄ™cie wyjÅ›ciowe,
dową, nie może mieć temperatury wyższej fikę zadania, bardzo proszę o podawanie swo- a także napięcie wejściowe jest dokładniej
od wrzątku, bo grozi- jego wieku oraz miejsca nauki czy pracy. określone. Natomiast maksymalny
Rys. A
Rys. B
Å‚oby to poparzeniem. prÄ…d jest taki sam, czyli 0,75A.
+12...15,0V
+12...15,0V
+4,8...5,2V
+4,8...5,2V
Musimy jeszcze raz Pamiętając, że ma to być urządze-
7805
7805
przeprowadzić obli- + nie używane w samochodzie oso-
+
czenia, ale tym razem z gniazda bowym, zakładamy, iż może to być
z
g
n
i
a
z
d
a
z gniazda
z
g
n
i
a
z
d
a
do
do
zapalniczki
zapalniczki
przyjmiemy, że mak- samochód bez klimatyzacji. Dlatego
obciążenia
100 10 obciążenia
1
0
0

1
0

100 10
1
0
0

1
0

samochodu
samochodu
symalna temperatura osobowego przyjmujemy maksymalnÄ… tempera-
osobowego
radiatora, nawet przy turÄ™ otoczenia +35°C.
_
_
R E K L A M A
+
+
+
+
 Szkoła Konstruktorów
a)
temperatura
Tj złącza
T
W ramach zadania Policz170 należy: biamy się we wszystkie ta jest duża i wynosi 5K/W
j
całkowita
 obliczyć, jaka powinna być rezystan- niuanse. Zajmujemy siÄ™ Rthja rezystancja (5°C/W). Tak przynajmniej
R
t
h
j
a
termiczna
cja termiczna radiatora. podstawowymi, prostymi podaje większość wytwór-
złącze-otoczenie
Zadanie było łatwe. Jeden z Czytelników zależnościami. W ramach ców kostki 7805. W innych
Ta temperatura
T
a
otoczenia
przedstawił następującą procedurę obliczenio- zadania Policz175 zaj- elementach umieszczo-
wą: aby rozwiązać zadanie należy policzyć moc miemy się pokrewnym nych w obudowie TO-220,
strat wydzielaną na stabilizatorze. Zakładając zagadnieniem, związa- zwłaszcza w tranzystorach,
b)
spadek napięcia 0,7V na diodzie wejściowej, nym z temperaturą radia- rezystancja termiczna Rthjc
Tj temperatura
T
j
złącza
napięcie na wejściu stabilizatora wyniesie: tora. Natomiast zadanie jest dużo mniejsza, a w nie-
Rthjc
R
t
h
j
c
15V  0,7V = 14,3V Policz170 polegało na których wynosi tylko 1K/
zaś napięcie na samym stabilizatorze: przeprowadzeniu ele- W. Dla stabilizatorów w
Tc temperatura
T
c
obudowy
14,3V  4,8V = 9,5V mentarnych obliczeń, innych obudowach wartość
Rthcr
R
t
h
c
r
Wtedy moc strat wydzielana na stabilizatorze uwzględniających infor- Rthjc będzie inna  rysunek
Tr temperatura
T
wyniesie: macje podane w opisie. F pokazuje wartości Rthjc
r
radiatora
9,5V * 0,75A = 7,125W Trzeba było uwzględ- dla różnych obudów.
Rthra
R
t
h
r
a
Powyższe obliczenia wykonane zostały dla war- nić fakt, że ciepło wytwa- Rezystancja Rthcr mię-
temperatura
Ta otoczenia
T
tości skrajnych, najbardziej niekorzystnych. rzane jest w strukturze dzy obudową a radiatorem
a
Rys. D
Maksymalna temperatura pracy układu układu scalonego i że zależy od kilku czynników.
7805 to +125°C, a temperatura otoczenia to po drodze do otoczenia napotyka rezystan- MiÄ™dzy innymi od gÅ‚adkoÅ›ci powierzchni, siÅ‚y
+35°C. Różnica temperatur wynosi wiÄ™c: cjÄ™ termicznÄ… miÄ™dzy zÅ‚Ä…czem a otoczeniem docisku oraz od tego, czy zastosowany zostaÅ‚
125°C  35°C = 90°C Rthja (junction  ambient). WystÄ™puje tu smar  pasta przewodzÄ…ca ciepÅ‚o. Zastosowanie
Rezystancja termiczna całego toru odpro- sytuacja podobna, jak w prostym obwodzie pasty znacząco zmniejsza rezystancję Rthcr,
wadzania ciepła wyniesie: elektrycznym, gdzie mamy z
ródło napięcia, ponieważ pasta wypełnia maleńkie nierówności
Rthja = 90°C/7,125W = 12,63°C/W prÄ…d i rezystancjÄ™. W obwodzie termicznym miÄ™dzy obudowÄ… radiatora i polepsza warunki
12,5°C/W, zaokrÄ…glajÄ…c do 0,5°C/W mamy z
ródło ciepła i odpowiednikiem napię- przewodzenia ciepła. Zastosowanie pasty i brak
Aby obliczyć rezystancję termiczną samego cia U jest temperatura T, a ściślej różnica przekładek izolacyjnych pozwalają uzyskać
radiatora, od powyższej wartoÅ›ci należy odjąć temperatur "T (analogiczna do napiÄ™cia jako rezystancjÄ™ Rthcr rzÄ™du 0,2K/W (0,2°C/W),
rezystancję termiczną obudowy układu (Rthjc), różnicy potencjałów). Odpowiednikiem prądu czyli wielokrotnie mniejszą, niż Rthjc. Bez
która dla obudowy TO-220 wynosi 5°C/W: jest moc cieplna, która musi przepÅ‚ynąć z pasty i przy maÅ‚ym docisku, rezystancja Rthcr
12,5°C/W  5°C/W = 7,5°C/W grzejÄ…cego siÄ™ zÅ‚Ä…cza do otoczenia. Moc ta może wynieść 1...2K/W. W każdym razie, przy
Powyższa wartość stanowi rozwiązanie przepływa przez rezystancję termiczną Rthja. zastosowaniu pasty można spokojnie pominąć
zadania (nie uwzględniając rezystancji ter- Ilustruje to rysunek C. rezystancję Rthcr.
micznej obudowa-radiator Rthcr, którą ze Na rezystancję termiczną Rthja składają Rezystancja Rthra to rezystancja cieplna
względu na małą wartość nieprzekraczającą się trzy rezystancje: radiatora, zależna od jego wymiarów, wielko-
1°C/W można pominąć). Rthjc (junction  case). Å›ci i faktury powierzchni, a także od... kolo-
Według takich wyliczeń, rezystancja ter- Rthcr (case  radiator). ru. W ofertach dystrybutorów często podana
miczna radiatora Rthra nie powinna być więk- Rthra (radiator  ambient). jest konkretna wartość rezystancji termicznej
sza niż 7,5°C/W, czyli 7,5K/W. I to jest bar- SÄ… one poÅ‚Ä…czone szeregowo, jak poka- Rthra danego radiatora. PrzykÅ‚ad znajdziesz
dzo dobre rozwiązanie. zuje rysunek D. Rezystancja Rthjc jest nie- na rysunku G. W praktyce okazuje się, że
Jednak większość uczestników podała zmienna  jest wyznaczona przez konstruk- rezystancja cieplna nie jest stała, tylko sil-
inne wartości rezystancji termicznej radiato- cję stabilizatora, a konkretnie obudowy. W nie zależy od temperatury radiatora, ale to
ra, w większości w zakresie 10...16,2K/W. przypadku stabilizatora 7805 w popularnej oddzielny, szeroki i trudny temat. W te trudne
Niektórzy do obliczeń podstawili inne war- obudowie TO-220 (fotografia E) rezystancja szczegóły nie będziemy się wgłębiać.
tości temperatury. Jeden z uczestników jako Poświęćmy natomiast jeszcze trochę uwagi
obwód obwód Rys. C
a)elektryczny b)
termiczny
maksymalną temperaturę otoczenia przyjął temperaturze. Najwyższą temperaturę ma złącze,
przepływ ciepła
p
r
z
e
p
Å‚
y
w
c
i
e
p
Å‚
a
+20°C, a nie +35°C, jak byÅ‚o podane w gdzie wydziela siÄ™ ciepÅ‚o. Na rezystancji termicz-
P - moc
P
-
m
o
c
zadaniu. Dwóch uczestników stwierdziło, że I nej Rthjc występuje różnica temperatur, więc tem-
maksymalna temperatura otoczenia w samo- peratura radiatora jest niższa od temperatury złą-
R
chodzie może być większa niż +35C. Jeden
Rth Fot. E
R
t
h
z nich zaproponowaÅ‚ nawet wartość +60°C
rezystancja
r
e
z
y
s
t
a
n
c
j
a
t
e
r
m
i
c
z
n
a
wewnÄ…trz samochodu stojÄ…cego w upalne termiczna
U T

T
P
=
I = P =
I
=
lato w pełnym słońcu. Owszem, w stojącym Rth
R
R
t
h
.
.
.
.

T
=
P
R
U = I R T = P Rth
U
=
I
R
w słońcu samochodzie, zwłaszcza ciemnym,
t
h
U
T

T
temperatura może bardzo wzrosnąć, ale w
R = =
R
=
Rth P
R
t
h
I
czasie jazdy na pewno tak wysoka nie będzie,
nawet w samochodzie bez klimatyzacji. Wiele
Rys. F
zależy od miejsca zamontowania stabilizatora
i jego radiatora  pod maskÄ… silnika temperatu-
ra może być nawet wyższa od wspomnianych
+60°C. Ale to temat na oddzielnÄ… dyskusjÄ™.
W samochodach warunki pracy rzeczywiście
są trudne i porządna realizacja urządzeń elek-
tronicznych, by pracowały niezawodnie przez
długi czas, często okazuje się trudnym lub
nawet bardzo trudnym zadaniem. Ale w trze-
ciej klasie Szkoły Konstruktorów nie wgłę-
Wrzesień 2010
W
r
z
e
s
i
e
Å„
2
0
1
0
50 El ektronika dl a Wszystkich
a
c
i
n
ż
ó
r
-
T
temperatur

T - różnica

a
c
i
n
ż
ó
r
-
T

T - różnica
temperatur

a
c
i
n
ż
T
ó
r

T

U
-
T
temperatur

T - różnica

+
+
+
+
Szkoła Konstruktorów
Szkoła Konstruktorów
cza. Jednak temperatura radia- activated at power levels może zadziałać nieco wcześniej, przy mniej-
tora też jest wysoka i w wielu slightly above or below szej mocy i temperaturze. Zbyt mały radiator
przypadkach może wynosić the rated dissipation. nie spowoduje uszkodzenia, ale obniżenie
ponad +100°C. Maksymalna Po pierwsze produ- napiÄ™cia wyjÅ›ciowego. WÅ‚aÅ›nie dlatego, dla
temperatura złącza większo- cent ostrzega, że praca uniknięcia takiego ryzyka, niektórzy pro-
Å›ci krzemowych elementów w temperaturze +150°C ducenci zalecajÄ… pracÄ™ przy temperaturze
półprzewodnikowych wynosi może zmniejszyć nieza- zÅ‚Ä…cza do +125°C.
+150°C. Dla niektórych tranzy- wodność, ale to dotyczy W praktyce sprawa jest znacznie bar-
storów i diod producenci poda- wszystkich elementów dziej skomplikowana, a konkretne dane
jÄ… wyższÄ… wartość +175°C, a półprzewodnikowych. Po należaÅ‚oby uzyskać przez pomiary modelu
nawet +180°C. drugie, w tym przypadku z różnymi radiatorami. Jeden z uczestników
Zdecydowana więk- ważniejsze, stabilizatory stwierdził, że dużą pomocą były artykuły
szość uczestników zadania rodziny 78xx mają wbu- w EdW 7/1998 oraz 8/1998. Ja jeszcze raz
Policz170 przyjęła maksy- dowane zabezpieczenie podkreślam, że zadanie Policz170 polegało
malną temperaturę złącza termiczne. Zasadniczo tylko na przeprowadzeniu elementarnych,
(struktury) stabilizatora, zabezpieczenie to powin- uproszczonych obliczeń. Dlatego za prawid-
równÄ… +150°C. Nie jest no zadziaÅ‚ać wÅ‚aÅ›nie w Å‚owe uznaÅ‚em także te rozwiÄ…zania, w któ-
to bÅ‚Ä…d. Ale w tym akurat temperaturze +150°C i rych przyjÄ™liÅ›cie maksymalnÄ… temperaturÄ™
przypadku w grÄ™ wchodzi nie dopuÅ›cić do dalsze- zÅ‚Ä…cza równÄ… +150°C i uzyskaliÅ›cie wartość
Rys. G
dodatkowy szczegół. W karcie katalogowej go wzrostu temperatury. W praktyce będzie rezystancji cieplnej radiatora powyżej 10K/
kostek µA78xx Texas Instruments można to polegaÅ‚o na zmniejszeniu prÄ…du, a tym W. W ten sposób mogÅ‚em uznać praktycznie
przeczytać: Maximum power dissipation is a samym napięcia wyjściowego. Po zadziała- wszystkie nadesłane odpowiedzi (z wyjąt-
function of T , ¸J , and T . The maximum niu zabezpieczenia termicznego obniży siÄ™ kiem jednej, przysÅ‚anej przez 13-latka).
J(max) A A
allowable power dissipation at any allo- więc napięcie wyjściowe. I właśnie tutaj w Nagrody  upominki za zadanie Policz170
wable ambient temperature is P = (T zadaniu Policz170 występuje jedyna drobna otrzymują:
D J(max)
 T )/¸ . Operating at the absolute maxi- puÅ‚apka. Otóż może siÄ™ okazać, że oszczÄ™d- MichaÅ‚ Lisak  Lwówek Åšl.,
A JA
mum T of 150°C can impact reliability. Due nie dobrany radiator spowoduje wzrost tem- Maciej Martula  Mielec,
J
to variations in individual device electrical peratury złącza do progu zadziałania zabez- oraz Piotr G. z A
odzi.
characteristics and thermal resistance, the pieczenia termicznego. A jak ostrzega produ- Wszystkich uczestników dopisuję do listy
built-in thermal overload protection may be cent, wbudowane zabezpieczenie termiczne kandydatów na bezpłatne prenumeraty.
R E K L A M A
Wrzesień 2010
W
r
z
e
s
i
e
Å„
2
0
1
0
El ektronika dl a Wszystkich 51