Pierwsze kroki
P
i
e
r
w
s
z
e
k
r
o
k
i
część 7
Tranzystory
dla poczÄ…tkujÄ…cych
Parametry termiczne
W poprzednim odcinku dowiedziałeś się, jedynie do zrozumienia i wykorzystania otoczenia. Czy temperatura złącza będzie
że tranzystor zawsze musi pracować w bez- tranzystorów małej mocy. W przypadku rosła w nieskończoność? Ależ skąd!
piecznym obszarze. Znakomicie poradziłeś tranzystorów większej mocy nie wystar- W pewnym momencie wytwarza się
sobie z ćwiczeniami i wydaje ci się, że już czą przeprowadzić proste obliczenia, jak równowaga: różnica temperatur wzrosła
dokładnie poznałeś problem mocy strat. Te- to robiliśmy w poprzednim odcinku, pole- na tyle, że cała ilość wytwarzanego ciep-
raz już wiesz, że warunki pracy tranzystora gające na sprawdzeniu, czy moc strat ła przepływa do otoczenia. Dzięki temu
są ograniczone czterema czynnikami: w danym układzie nie przekroczy odczy- temperatura już nie wzrasta. Zapamiętaj
 dopuszczalnym napięciem kolektor- tanej z katalogu dopuszczalnej mocy strat to  w normalnych warunkach pracy
emiter Ptot! Kluczowe znaczenie ma tu bowiem w tranzystorze wytwarza się stan równo-
 dopuszczalnym prądem kolektora temperatura złącza, czyli krzemowej wagi cieplnej  temperatura wzrasta na
 zjawiskiem drugiego przebicia struktury tranzystora. tyle, by całe ciepło wydzielane w złączu
 maksymalną mocą strat Dziś zajmiemy się tą sprawą bliżej. było na bieżąco odprowadzane do otocze-
J
e
Å›
l
i
n
i
e
z
a
d
b
a
s
z
,
b
y
t
o
c
i
e
p
Å‚
o
s
k
u
Dwa pierwsze rozumiesz doskonale: Wydzielające się w tranzystorze ciepło nia. Jeśli nie zadbasz, by to ciepło sku-
t
e
c
z
n
i
e
o
d
p
r
o
w
a
d
z
i
ć
d
o
o
t
o
c
z
e
n
i
a
,
d
o
p
r
o
zbyt wysokie napięcie po prostu dopro- trzeba odprowadzić i rozproszyć do oto- tecznie odprowadzić do otoczenia, dopro-
w
a
d
z
i
s
z
d
o
n
a
d
m
i
e
r
n
e
g
o
w
z
r
o
s
t
u
t
e
m
p
e
wadzi do przebicia i nieodwracalnego czenia. Jak myślisz, od czego zależy szyb- wadzisz do nadmiernego wzrostu tempe-
r
a
t
u
r
y
z
Å‚
Ä…
c
z
a
i
n
i
e
o
d
w
r
a
c
a
l
n
i
e
z
n
i
s
z
c
z
y
s
z
uszkodzenia złącza, a za duży prąd kolek- kość przepływu ciepła między złączem ratury złącza i nieodwracalnie zniszczysz
t
r
a
n
z
y
s
t
o
r
.
tora stopi cieniutkie doprowadzenia. tranzystora a otoczeniem? tranzystor.
Problemu drugiego przebicia nie musisz To ważne pytanie! Niestety, muszę ci to szczegółowo
zgłębiać  jest ono uwzględnione w kata- ... wyjaśnić, ponieważ i tu funkcjonują błęd-
logu na rysunku pokazującym bezpieczny Szybkość przepływu ciepła na pewno ne wyobrażenia. Okazuje się, że
obszar pracy. Wystarczy, by twój tranzys- zależy od różnicy temperatur, ale też od w ogromnej większości przypadków tran-
tor nie pracował w obszarze drugiego izolacji cieplnej. Jeśli elektryczny piecyk zystor mocy nie może pracować z katalo-
przebicia, czyli przy napięciach bliskich starannie owiniesz materiałem termoizo- gową mocą strat Ptot! Trzeba bowiem
UCE0 i znacznych prądach. lacyjnym, na przykład kocem, ciepło bę- uwzględnić dodatkowe czynniki.
Poznałeś też kolejny ważny parametr  dzie przepływać wolniej, natomiast tem-
Maksymalna temperatura
moc strat. Umiesz obliczyć maksymalną peratura piecyka będzie szybko rosnąć
złącza
moc strat tranzystora dla danego napięcia i koc po kilku minutach się zapali.
w
y
s
o
k
a
zasilającego i rezystancji obciążenia. Po- W elektronice jest podobnie. Gdy Zapamiętaj raz na zawsze: wysoka
t
e
m
p
e
r
a
t
u
r
a
j
e
s
t
Å›
m
i
e
r
t
e
l
n
y
m
w
r
o
g
i
e
m
trafisz dobrać obciążenie, by przy danym w złączu tranzystora zaczyna się wydzie- temperatura jest śmiertelnym wrogiem
p
ó
Å‚
p
r
z
e
w
o
d
n
i
k
ó
w
napiÄ™ciu zasilajÄ…cym nie przekroczyć do- lać moc cieplna równa P=UCE×IC, to tem- półprzewodników.
puszczalnej mocy strat. peratura tego złącza rośnie. Ze wzrostem Początkujący wyobrażają sobie, że ist-
I tu muszę cię trochę rozczarować: do- różnicy temperatur złącze-otoczenie nieje jakaś ściśle określona granica, po
tychczasowa wiedza od biedy wystarczy wzrasta też ilość ciepła przepływająca do przekroczeniu której element półprze-
22 ELEKTRONIKA DLA WSZYSTKICH 7/98
Pierwsze kroki
P
i
e
r
w
s
z
e
k
r
o
k
i
Patrząc na to z drugiej strony, masz na- (lub RTH), która dotyczy nie ogólnie mate-
stępny ważny wniosek praktyczny  jeśli riału, ale konkretnego elementu.
temperatura złącza pracującego tranzys- Początkujących może to przestraszyć,
tora będzie znacznie niższa, niż te umow- ale naprawdę nie ma tu nic trudnego. Re-
ne +150°C, na przykÅ‚ad bÄ™dzie wynosić zystancja jak rezystancja  stawia opór,
+30°C czy +50°C, prawdopodobieÅ„stwo utrudnia przepÅ‚yw (ciepÅ‚a). Jest to para-
uszkodzenia będzie bardzo, bardzo małe metr charakteryzujący jakiś konkretny
 śmiało można uważać, że w takich wa- obiekt pod względem przewodzenia ciep-
runkach pracy tranzystor będzie wiecz- ła  nie wchodząc w szczegóły przyjmij-
ny. Tym zdaniem chciałbym rozproszyć my, że jest to właśnie rezystancja termicz-
na Rth. Na przykład kawałek aluminium
wodnikowy ulega uszkodzeniu, na podo- czy miedzi ma małą rezystancję termiczną
bieństwo cyny, która topi się w pewnej, (bo te metale bardzo dobrze przewodzą
dokładnie określonej temperaturze. Jest ciepło), natomiast kawałek drewna, wars-
to wyobrażenie całkowicie błędne. Co tewka powietrza czy kawałek tworzywa
prawda w katalogach półprzewodników sztucznego mają dużą rezystancję ciepl-
m
a
k
s
y
m
a
l
n
a
t
e
m
p
e
r
a
t
u
r
a
podawana jest maksymalna temperatura nÄ…. Rzecz jasna, w przypadku tranzysto-
złącza, oznaczana Tjmax (Tjmax), zwykle rów zależy nam na tym, by rezystancja
z
Å‚
Ä…
c
z
a
T
j
m
a
x
+150°C, ale wcale to nie znaczy, że na cieplna byÅ‚a jak najmniejsza, czyli by caÅ‚e
przykÅ‚ad w temperaturze +200°C ele- wydzielone ciepÅ‚o bez szybko i sprawnie
ment stopi się, lub natychmiast ulegnie odprowadzić do otoczenia.
uszkodzeniu. Temperatura topnienia krze- Sprawa obli-
mu jest znacznie wyższa. Znam  ekspe- niepotrzebne obawy. Najprościej mó- czeń podstawo-
rymentatorów , którzy na pracujących wiąc, jeśli nie zostaną przekroczone: wych zależności
tranzystorach mocy (typu 2N3055) topili maksymalne napięcie kolektora, maksy- cieplnych jest na-
cynę  temperatura obudowy przekracza- malne prądy bazy i kolektora, oraz jeśli prawdę dziecinnie
Å‚a wiÄ™c +200°C, temperatura zÅ‚Ä…cza byÅ‚a temperatura zÅ‚Ä…cza bÄ™dzie niższa od Å‚atwa, bo wystÄ™-
na pewno znacznie wyższa, i... tranzysto- +150°C, nie trzeba siÄ™ martwić o trwaÅ‚ość puje tu Å‚atwa do
ry nie uległy uszkodzeniu. tranzystora. A jeśli temperatura jest zbli- zrozumienia ana-
To skÄ…d te katalogowe +150°C? żona do temperatury pokojowej, można logia z obwodem
To proste. W tej temperaturze ryzyko śmiało uważać, iż tranzystor jest wieczny. elektrycznym. W obwodzie elektrycznym
uszkodzenia jest jeszcze stosunkowo To budująca wiadomość, prawda? Tak, prąd zależy od napięcia (czym większe na-
małe. Element pracujący w tej tempera- ale z praktyki wiem, że najczęstszą przy- pięcie tym większy prąd) i od oporności
turze powinien (biorąc statystycznie) po- czyną uszkodzeń tranzystorów w ukła- (czym większy opór, tym mniejszy prąd).
winien bezawaryjnie pracować, powiedz- dach amatorskich jest właśnie ich prze- Matematycznie wyraża to oczywiście pr-
my przez 10000 godzin (to jest ponad rok grzewanie wskutek nieznajomości pod- awo Ohma. Dokładnie tak samo jest
ciągłej pracy). W grę wchodzi tu statysty- stawowych zasad. Właśnie dlatego prob- w obwodzie cieplnym. Możemy mówić
ka i rachunek prawdopodobieństwa, lemowi temu poświęciłem aż trzy odcin- o prawie Ohma dla obwodu cieplnego.
więc nie będę ci tłumaczył szczegółowo ki cyklu o tranzystorach. Czy domyślasz się, co jest  napięciem
kwestii awaryjności i przewidywanych cieplnym , co  prądem cieplnym , a co
okresów pracy bezawaryjnej. Na pewno Moc strat a temperatura  oporem cieplnym ?
kiedyś spotkasz się ze skrótami MTTF, Żeby nie zgubić głównego wątku na- Pomyśl samodzielnie.
MTBF  właśnie one dotyczą kwesti- szych rozważań muszę ci na zawsze ...
i pracy bezawaryjnej i ryzyka uszkodzeń wbić do głowy zależność, jak podana Tak jest!
urządzeń i podzespołów. w katalogu maksymalna moc strat wiąże  Napięciem cieplnym jest różnica
A wiÄ™c te +150°C to nie jakaÅ› Å›ciÅ›le siÄ™ z dopuszczalnÄ… temperaturÄ… zÅ‚Ä…cza temperatur "T,  prÄ…dem cieplnym jest
okreÅ›lona nieprzekraczalna granica. Po (+150°C). Musimy teraz znalez
ć jakieś przenoszona czy przepływająca moc
podgrzaniu zÅ‚Ä…cza do +200°C tranzystor wzory i zależnoÅ›ci, żeby opisać zacho- cieplna P, natomiast  opór cieplny to
nadal będzie pracował. Zresztą w katalo- dzące zjawiska. wprowadzona przed chwilą rezystancja
gach spotkasz elementy (diody i niektóre Czy potrafiłbyś obliczyć, do ilu stopni termiczna Rth.
tranzystory), dla których określono do- wzrośnie temperatura złącza podczas Jeśli to jest odmiana prawa Ohma, to
puszczalną temperaturę złącza równa pracy tranzystora? zapiszmy analogiczne wzory:
+175°C lub nawet +200°C. To na pewno zależy nie tylko od mocy
"T
"
U
=
P =
Zapamiętaj podstawową zależność  traconej (czym większa moc strat, tym I =
Rth
R
ze wzrostem temperatury szybko roś- wyższa będzie temperatura złącza), ale
nie ryzyko czyli prawdopodobieństwo także od izolacji cieplnej między złączem
rys. 55. Prawo Ohma
r
y
s
.
5
5
.
P
r
a
w
o
O
h
m
a
uszkodzenia. W podawanej w katalogu a otoczeniem  czym skuteczniejsza izo-
maksymalnej temperaturze złącza Tjmax lacja termiczna, tym większa musi być
ryzyko uszkodzenia jest jeszcze stosun- temperatura, by  przepchnąć przez tę
kowo małe. Ale ze wzrostem tempera- izolację do otoczenia całą ilość ciepła wy-
tury prawdopodobieństwo uszkodzenia tworzoną w złączu tranzystora.
rośnie wykładniczo, czyli bardzo gwał- W fizyce często używa się pojęcia
townie. To oznacza, że powinieneś do- przewodności cieplnej (danego materia-
łożyć wszelkich starań, by nie przekro- łu). My w elektronice nie wdajemy się
r
e
z
y
s
t
a
n
czyć katalogowej maksymalnej tempe- w szczegóły i używamy pojęcia rezystan-
c
j
i
c
i
e
p
l
n
e
j
(
t
e
r
m
i
c
z
n
e
j
)
R
t
h
ratury złącza. cji cieplnej (termicznej) oznaczanej Rth
ELEKTRONIKA DLA WSZYSTKICH 7/98 23
Pierwsze kroki
P
i
e
r
w
s
z
e
k
r
o
k
i
W praktyce częściej używamy prze- W poprzednim odcinku poznaÅ‚eÅ› wzór wyższa o 10 czy 20°C od katalogowych
ksztaÅ‚conych wzorów: na moc wydzielonÄ… w najgorszych wa- +150°C, roÅ›nie wprawdzie ryzyko uszko-
runkach: dzenia, ale nie grozi to od razu uszkodze-
"T U
"
=
Rth = R = Podstawiamy: niem tranzystora. To nie znaczy, że zachę-
P I
cam ciÄ™ do przekraczania dopuszczalnej
(12V)2 144
Pmax = = = 0.036W = 36mW temperatury złącza  wprost przeciwnie 
4 × 1000&! 4000
"T = P × Rth U = I × R
"
=
×
namawiam cię, byś tak projektował swoje
K
Nie masz chyba wÄ…tpliwoÅ›ci, że ta re- "T = 0.036W × 250 = 9K = 9oC
układy, by temperatury złącz były znacznie
W
zystancja cieplna to rezystancja miÄ™dzy niższe niż katalogowe +150°C.
Tj = 40oC + 9oC = 49oC
j
złączem (ang. junction czytaj dżankszn) Ale idz
my dalej.
a
a otoczeniem, atmosferą (ang. ambient, Nawet przy napięciu zasilania równym
P
r
z
y
k
Å‚
a
d
3
ambience). Oznacza się ją Rthja (junction 24V, maksymalna moc strat nie będzie Przykład 3
 ambience). większa niż 150mW, a przyrost tempera- Obliczamy temperaturę złącza tran-
Rezystancja cieplna wyrażana jest tury wyniesie co najwyżej 36°C. zystora polowego MOSFET typu
w stopniach Celsjusza (lub kelwinach) Wnioski? Jeśli w twoim układzie tran- BUZ74A, który według katalogu ma
na wat  °C/W lub K/W. Sens jest pros- zystory maÅ‚ej mocy majÄ…ce rezystancjÄ™ Ptot=40W W i Rthja=75K/W (=75°C/W).
ty: rezystancja cieplna pokazuje, jaka termiczną nie większą niż 500K/W, pracu- Temperatura otoczenia wynosi powiedz-
bÄ™dzie różnica temperatur z obu stron jÄ… z mocami nie wiÄ™kszymi niż 100mW my +20°C. Nie chcemy przeciążyć tran-
danego elementu, przy przepływie (0,1W), nie musisz się obawiać ich prze- zystora, więc tak dobierzemy rezystan-
przezeń 1W mocy cieplnej. Jeśli po- grzania. Przykładowo, jeśli napięcie zasi- cję obciążenia (w obwodzie drenu) tran-
wiedzmy przez rezystancjÄ™ termicznÄ… lajÄ…ce wynosi 12V, to w najgorszym przy- zystora, by maksymalna moc strat tran-
tranzystora (między złączem a otocze- padku moc 100mW wydzieli się w tran- zystora wynosiła tylko 5W. Będziemy
niem) przepływa 5W mocy cieplnej, zystorze obciążonym rezystorem pracować przy mocy 8-krotnie mniejszej,
a rezystancja termiczna wynosi niż dopuszczalna moc Ptot.
(Uzas)2
20°C/W, to różnica temperatur wyniesie RL = Niczego nie podejrzewajÄ…c obliczamy
:
4Ptot
100°C. Czyli zÅ‚Ä…cze bÄ™dzie cieplejsze od temperaturÄ™ zÅ‚Ä…cza ze wzoru "T=P×RTH
otoczenia o 100°C.
122 144
C
,
Wartość Rthja tranzystora jest obliczo- RL = × 01W = = 360&!
"T = 5W × 75o = 375o
4 04
,
W
na przez producenta i można ją znalez
ć
w katalogu. W praktyce zwykle rezystory obciąże- Uwzględniając temperaturę otoczenia
I nie bój siÄ™ tych kelwinów na wat, to nia (w obwodzie kolektora) majÄ… rezys- równÄ… +20°C, temperatura zÅ‚Ä…cza wynios-
nic trudnego: 1°C/W = 1K/W. Przecież tancjÄ™ powyżej 1k&! i wtedy przy napiÄ™- Å‚aby +395°C.
skala Kelvina to  przesunięta w dół skala ciach zasilania do 24V wcale nie trzeba Ciut za dużo, prawda?
Celsjusza  zaczynająca się od zera absolut- sobie zawracać głowy mocą strat i tem- Gdzie tkwi błąd? Przecież zastosowa-
nego (0K=-273°C, 0°C=273K, +27°C=300K, peraturÄ… zÅ‚Ä…cza. liÅ›my tranzystor dużej mocy! A może ob-
+100°C=373K, +150°C=423K). liczenia dotyczÄ… tylko  zwykÅ‚ych tranzys-
P
r
z
y
k
Å‚
a
d
2
I nigdy nie zapomnij, iż w podanych Przykład 2 torów, a nie jakichś tam MOSFETów?
r
ó
ż
n
i
c
Ä™
wzorach mamy różnicę temperatur złącza Mamy układ z tranzystorem BC107 Nie! Podane zasady dotyczą nie tylko
i otoczenia! (Ptot=300mW) i obliczyliśmy, że w naj- wszelkich tranzystorów, ale również ukła-
A po co nam ta rezystancja termiczna gorszym przypadku w tranzystorze bę- dów scalonych, dla których też podaje się
i wzory? Właśnie te wzory pozwolą ci za- dzie się wydzielać 200mW (0,2W) mocy rezystancję termiczną Rth.
panować nad problemem mocy strat strat. W pierwszym przypadku tranzystor
rys. 57.
r
y
s
.
5
7
.
i temperatury złącza także w tranzysto- pracuje w dobrze wentylowanej obudo-
rach dużej mocy oraz w różnorodnych wie, gdzie temperatura wynosi +30°C,
układach scalonych. Obliczymy na przy- w drugim przypadku temperatura we-
kład, czy w danym układzie pracy tranzys- wnątrz małej, zamkniętej obudowy może
tora nie zostanie przekroczona dopusz- siÄ™gnąć +60°C. Wartość Rthja tranzysto-
czalna temperatura złącza. ra BC107 wynosi 500K/W. Obliczamy:
ProszÄ™ bardzo:
K
"T = 0.2W × 500 = 100oC
W
Przykład 1
P
r
z
y
k
Å‚
a
d
1
Tranzystor BC548 (UCE0=25V, IC=100mA, W pierwszym przypadku temperatura
Ptot=500mW, Rthja=250K/W) pracuje złącza wyniesie:
przy napiÄ™ciu 12V z rezystorem obciążenia Tj=+30°C+100°C=+130°C
r
y
s
u
n
e
k
5
5
(rysunek 55) RL=1k&!. Maksymalna tem- W drugim Tj=+160°C
peratura otoczenia wynosi +40°C. No i co? Znów jesteÅ› zaskoczony? W powyższych obliczeniach bÅ‚Ä™du nie
Jaka będzie To jest pułapka w która wpadają począt- ma! To my zrobiliśmy karygodny błąd, nie
rys. 56
r
y
s
.
5
6
maksymal na kujący  jeśli nie jest przekroczona katalo- stosując radiatora i podstawiając bezmyśl-
temperatura złą- gowa moc strat Ptot, nie obliczają tempe- nie do wzoru katalogową rezystancję
cza tranzystora ratury złącza sądząc, że na pewno wszyst- Rthja (która dotyczy sytuacji bez radiatora).
w najgorszych ko jest w porządku. Okazało się jednak, że Zauważ, że w przypadku tranzystorów
warunkach, czyli w tranzystorze małej mocy przy zbyt dużej małej mocy (moc strat do 1W) w katalo-
przy napięciu na temperaturze otoczenia nie powinno się gu podana jest najczęściej jedynie całko-
kolektorze rów- pracować przy katalogowej mocy strat wita rezystancja termiczna między złą-
nym połowie na- tranzystora. Ale nie wpadaj w panikę. Jak czem a otoczeniem, oznaczona Rthja.
pięcia zasilania? ci mówiłem, gdy temperatura złącza jest c.d. na str. 27
24 ELEKTRONIKA DLA WSZYSTKICH 7/98
Pierwsze kroki
P
i
e
r
w
s
z
e
k
r
o
k
i
Dlaczego? Rezystancja Rthja dla danej
obudowy wynika z jej wymiarów, a nie
Natomiast w przypadku tranzystorów z właściwości krzemowej struktury tran-
mocy, w katalogu podana jest zarówno zystora.
rezystancja Rthja, dotycząca sytuacji bez Oblicz więc, jaka moc może wydzielić
radiatora, jak i druga, o znacznie mniej- siÄ™ w tranzystorach w obudowie TO-220
szej wartości  Rthjc. Ta druga to rezys- bez radiatora (P="T/Rth).
j
tancja termiczna między złączem (junc- Przyjmij rezystancję Rthja równą
c
tion) i obudowÄ… (case), stÄ…d literki jc. Dla 70K/W, oraz temperaturÄ™ otoczenia +45°C
wspomnianego tranzystora BUZ74A wy- (np. we wnętrzu obudowy przyrządu).
nosi ona tylko 3,1K/W.
+150oC - 45oC 105
Przyznam ci się, że przed wielu laty ja-
P = = = 15W
,
C
70W
ko poczÄ…tkujÄ…cy elektronik-amator nie
70o
W
miałem zielonego pojęcia o powyższych
zależnościach i  załatwiłem w taki spo- Dobrze zapamiętaj tę wartość! Nigdy
sób dwa nowiusieńkie i bardzo na owe nie zapomnij, że najlepszy tranzystor mo-
czasy drogie tranzystory mocy z serii cy w obudowie TO-220 bez radiatora nie
BUYP. Może i ty masz coś takiego na su- może pracować przy mocy strat większej
mieniu? niż 1,5W.
rys. 58.
r
y
s
.
5
8
.
Od tej chwili nie popełniaj już takich Teraz już jesteś przekonany, że o mak-
błędów, choć dziś tranzystory są niepo- torów i innych elementów w popularnej symalnej mocy strat tranzystora dużej
równanie tańsze, niż dwadzieścia pięć lat obudowie TO-220 wynosi mniej więcej mocy będzie decydował radiator. I tu do-
temu. 60...80K/W. Poszczególne tranzystory piero zaczynają się strome schody. Tymi
w takiej obudowie mają różne wartości stromymi schodami przespacerujemy się
Uważaj teraz! Rezystancja termiczna rezystancji Rthjc (w zakresie 0,9...4K/W), wspólnie za miesiąc.
P
i
o
t
r
G
ó
r
e
c
k
i
Rthja (bez radiatora) wszystkich tranzys- ale podawane wartości Rthja są zbliżone. Piotr Górecki
ELEKTRONIKA DLA WSZYSTKICH 7/98 25